Polowanie na Świętego Graala Energii

Dobrze, spróbujmy spojrzeć na to z odpowiedniej perspektywy. Energia z fuzji to w zasadzie Święty Graal czystej mocy. To ona zasila słońce, nie emituje dwutlenku węgla, wytwarza minimalną ilość odpadów radioaktywnych i wykorzystuje paliwo, które jest praktycznie niewyczerpalne (wodór, który można pozyskać z wody). Gdybyśmy potrafili okiełznać fuzję na Ziemi, mielibyśmy w zasadzie niewyczerpalne, czyste źródło energii, które mogłoby zasilać cywilizację przez tysiąclecia.

Dlaczego więc nie mamy jeszcze elektrowni termojądrowych? Bo, moi drodzy, to niewiarygodnie trudne do zrealizowania.

Od ponad 70 lat naukowcy pracują nad czymś, co nazywa się kryterium Lawsona – matematycznym wzorem, który mówi im, czy plazma (supergorący stan materii, w którym zachodzi fuzja) może pozostać wystarczająco gorąca i gęsta przez odpowiednio długi czas, aby podtrzymać reakcje fuzji bez konieczności ciągłego zewnętrznego podgrzewania. Wyobraźcie sobie to jako próbę utrzymania ogniska przy niezwykle trudnych warunkach. Celem jest sprawienie, by ogień był na tyle gorący, aby sam się zasilał.

Pojawia się jednak pewien problem: to kryterium powiedziało naukowcom, jakie warunki są potrzebne, ale nie powiedziało, jak osiągnąć je w najbardziej wydajny sposób.

Analogia górska, która naprawdę pomaga

I tu zaczyna się robić ciekawie. Naukowcy z Princeton Plasma Physics Lab – o których moim zdaniem zasługuje się znacznie większa uwaga, niż otrzymuje – postanowili podejść do tego problemu inaczej.

Wyobraźcie sobie, że droga do zapłonu fuzji przypomina pasmo górskie. Cel (zrównoważona fuzja) znajduje się po drugiej stronie. Tradycyjne podejście polegało w zasadzie na próbie bezpośredniego wejścia na najwyższy szczyt: najpierw należy sprawić, by plazma była supergęsta, a następnie wpompować w nią ogromne ilości ciepła, aż dojdzie do zapłonu.

Ale badacze powiedzieli: „A co, jeśli istnieje przełęcz? Droga naokoło?”.

Ich nowe obliczenia sugerują, że zdecydowanie tak jest. Zamiast najpierw zwiększać gęstość, co by było, gdybyśmy podgrzali plazmę zanim ją ściśniemy? To tak, jakby wybrać jazdę przez przełęcz górską zamiast wspinaczki na szczyt. Docieramy w to samo miejsce, ale zużywamy znacznie mniej energii na dotarcie do celu.

Dr Luis Delgado-Aparicio ujął to pięknie: „Wiele firm chce wspinać się na górę bezpośrednio, wydając ogromną energię, by tam dotrzeć. Zamiast tego wybierzcie drogę wokół szczytu. Dotrzecie w to samo miejsce w znacznie mądrzejszy sposób, zużywając przy tym znacznie mniej energii”.

Czym właściwie jest „siodło Cordey”?

Muszę o tym wspomnieć, bo to naprawdę fascynujące. Badacze zidentyfikowali w swoim matematycznym krajobrazie coś, co nazywają „siodłem Cordey”.

W geografii siodło to obniżenie między dwoma szczytami górskimi – w zasadzie naturalne przejście przez góry. W fizyce fuzji siodło Cordey reprezentuje najbardziej wydajną ścieżkę przez granicę między plazmą, która wymaga zewnętrznego podgrzewania, a plazmą, która potrafi podtrzymywać się sama dzięki fuzji.

Oto prosty sposób, aby to zrozumieć: naukowcy mierzą wydajność fuzji za pomocą parametru zwanego „Q”. Wartość Q równa 5 oznacza, że reakcje fuzji wytwarzają pięciokrotnie więcej energii, niż w nie wkładamy. Siodło Cordey w idealnym systemie znajduje się w okolicach Q=5 – co brzmi jak dużo, ale w rzeczywistości jest to właśnie ta łatwa droga na drugą stronę. Problem polega na tym, że rzeczywiste systemy fuzji mają komplikacje (zanieczyszczenia, intensywne pola magnetyczne), które przesuwają położenie tego siodła.

Zrozumienie, gdzie to siodło faktycznie się znajduje dla konkretnego projektu reaktora, jest kluczowe dla ustalenia, czy cały projekt w ogóle ma szansę powodzenia.

Dlaczego to ma znaczenie dla przyszłości

To badanie może mieć ogromne znaczenie dla projektowania przyszłych reaktorów termojądrowych, w szczególności tokamaków i stellaratorów – urządzeń w kształcie pączka z dziurką, które wykorzystują silne pola magnetyczne do utrzymywania plazmy w temperaturach wyższych niż w jądrze Słońca.

To, co mnie ekscytuje: żyjemy w naprawdę niezwykłych czasach dla badań nad fuzją. Między tym odkryciem z Princeton, historycznym przełomem w fuzji laserowej w National Ignition Facility a miliardami dolarów płynącymi do prywatnych firm zajmujących się fuzją, jesteśmy bliżej praktycznej energii termojądrowej niż kiedykolwiek wcześniej.

Czy fuzja uratuje nas przed zmianami klimatu jutro? Nie. To wciąż złożone, drogie technologie, których realizacja zajmie lata. Ale odkrycia takie jak ten „skrót z Princeton” mogą sprawić, że ostatni etap tej podróży będzie znacznie krótszy i tańszy.

Po siedmiu dekadach prób wspinaczki na górę okazuje się, że od początku mogła istnieć malownicza trasa okrężna. I osobiście? Bardzo mnie to cieszy.

Źródło: ScienceDaily