Energian Graalin etsintä

Selitetäänpä tämä perspektiivin antamiseksi. Fuusiovara on periaatteessa puhtaan energian Graal. Se on se voima, joka pyörittää aurinkoa; se ei tuota hiilidioksidipäästöjä, se luo vain vähän radioaktiivista jätettä ja käyttää polttoainetta, jota on käytännössä rajattomasti (vetyä, jota saa vedestä). Jos saisimme hallintaan fuusion Maassa, meillä olisi käytössämme käytännössä rajaton ja puhdas energialähde, joka voisi pyörittää sivilisaatiota tuhansia vuosia.

Joten miksi meillä ei ole vielä fuusiovoimaloita? Koska, ystävät, sen toteuttaminen on uskomattoman vaikeaa.

Yli 70 vuoden ajan tutkijat ovat työskennelleet niin kutsutun Lawsonin kriteerin parissa – matemaattisen säännön, joka kertoo, voiko plasma (aineen superkuuma tila, jossa fuusio tapahtuu) pysyä tarpeeksi kuumana ja tiheänä tarpeeksi pitkään ylläpitääkseen fuusioreaktioita ilman jatkuvaa ulkoista lämmitystä. Ajattele sitä kuin yrittäisit pitää nuotion palamaan äärimmäisen vaikeissa olosuhteissa. Tavoitteena on saada tuli niin kuumaksi, että se ruokkii itseään.

Tässä on kuitenkin se juttu: tuo kriteeri kertoi tutkijoille, mitkä olosuhteet tarvitaan, mutta ei sitä, miten sinne päästään tehokkaimmin.

Vuoristovertaus, joka todella auttaa

Nyt tulee mielenkiintoinen osuus. Princeton Plasma Physics Labin tutkijat – jotka mielestäni ansaitsevat paljon enemmän huomiota kuin he saavat – päättivät tarkastella tätä ongelmaa eri tavalla.

Kuvittele, että tie fuusiokäynnistykseen on kuin vuoristo. Kohde (kestävä fuusio) on vuoren toisella puolella. Perinteinen lähestymistapa on ollut periaatteessa suoraan korkeimman huipun yli kiipeäminen: tehdä plasmasta ensin supertiheää ja syöttää sitten valtavia määriä lämpöä, kunnes käynnistys tapahtuu.

Mutta nämä tutkijat sanoivat: "Entä jos siellä on vuoristoväylä? Tie vuoren ympäri?"

Heidän uudet laskelmansa viittaavat siihen, että sellaista todellakin on. Sen sijaan, että tiheyttä lisättäisiin ensin, entä jos lämmitettäisiin plasmaa ennen sen puristamista? Se on kuin valitsisi vuoristoväylän ajamisen huipun yli kiipeämisen sijaan. Saavutetaan silti sama kohde, mutta kulutetaan paljon vähemmän energiaa perille pääsemiseen.

Tohtori Luis Delgado-Aparicio ilmaisi tämän kauniisti: "Monet yritykset haluavat kiivetä vuorelle suoraan ja käyttää valtavasti energiaa päästäkseen sinne. Valitse sen sijaan reitti huipun ympäri. Pääset samaan paikkaan paljon älykkäämmällä tavalla ja käytät paljon vähemmän energiaa."

Mikä on "Cordey-satula"?

Nyt minun on puhuttava tästä, koska se on aidosti hienoa. Tutkijat tunnistivat matemaattisesta maisemastaan jotain, mitä kutsutaan "Cordey-satulaksi".

Maantieteessä satula on matala kohta kahden vuorenhuipun välissä – periaatteessa luonnollinen kulkuväylä vuoriston läpi. Fuusiophysiikassa Cordey-satula edustaa tehokkainta reittiä ulkoista lämmitystä vaativan plasman ja fuusion avulla itsensä ylläpitävän plasman välisellä rajalla.

Tässä on kätevä tapa ajatella asiaa: tutkijat mittaavat fuusion tehokkuutta niin kutsutulla "Q"-arvolla. Q-arvo 5 tarkoittaa, että fuusioreaktiot tuottavat viisi kertaa enemmän energiaa kuin siihen syötetään. Ideaalisessa järjestelmässä Cordey-satula sijaitsee noin Q=5 kohdalla – mikä kuulostaa paljon, mutta se on itse asiassa se helppo reitti yli. Ongelma on, että todellisissa fuusiolaitteissa on monimutkaisuuksia (epäpuhtauksia, voimakkaita magneettikenttiä), jotka siirtävät tämän satulan sijaintia.

Sen ymmärtäminen, missä tuo satula todellisuudessa sijaitsee millekin tahansa reaktoriympäristölle, on ratkaisevan tärkeää, jotta tiedetään, onko koko asia edes toteutettavissa.

Miksi tämä on tärkeää tulevaisuudelle

Tällä tutkimuksella voi olla valtavia vaikutuksia tulevien fuusioreaktoreiden suunnitteluun, erityisesti tokamakien ja stellaratorien – niiden donitsin muotoisten laitteiden, jotka käyttävät voimakkaita magneettikenttiä pitääkseen plasman auringon ytimen kuumempia lämpötiloissa – suunnitteluun.

Tässä on se, mikä minua innostaa: elämme fuusiotutkimuksen todella merkittävää aikaa. Princetonin löydön, National Ignition Facilityn historiallisen laserfuusio-läpimurron ja yksityisille fuusioyhtiöille virtaavien miljardien välissä olemme lähempänä käytännön fuusioenergiaa kuin koskaan ennen.

Pelastaako fuusio meidät ilmastonmuutokselta huomenna? Ei. Nämä ovat edelleen monimutkaisia, kalliita ja vuosien päässä olevia teknologioita. Mutta tällaiset löydöt, kuten Princetonin oikopolku, voivat tehdä matkan viimeisestä vaiheesta paljon lyhyemmän ja halvemmän.

Seitsemän vuosikymmenen vuoren kiipeilyä kokeilemisen jälkeen käy ilmi, että matkalla on saattanut olla maisemallinen reitti koko ajan. Ja henkilökohtaisesti? Minä olen tästä todella innoissani.

Lähde: ScienceDaily