Testirati će se Divovski laser iz Zvjezdanih staza

Proboj je došao u nevjerojatno kratkom vremenu, manjem nego je potrebno snopu svjetlosti da se pomakne jedan inč. U tom malom trenutku nuklearna fuzija kao izvor energije prešla je iz dalekog sna u stvarnost. Svijet se sada bori s implikacijama povijesne prekretnice. Za Arthura Paka i bezbrojne druge znanstvenike koji su kroz desetljeća došli do ove točke, posao tek počinje.

Pak i njegovi kolege iz Nacionalnog laboratorija Lawrence Livermore sada su suočeni sa teškim zadatkom: Učiniti to ponovno, ali bolje — i veće.

To znači usavršavanje upotrebe najvećeg lasera na svijetu, smještenog u laboratoriju National Ignition Facility, koji će ljubitelji znanstvene fantastike prepoznati iz filma "Star Trek: Into Darkness", kada je korišten kao set za warp jezgru svemirskog broda Enterprise. Nešto nakon jedan ujutro, 5. prosinca, laser je ispalio 192 zrake u 3 pažljivo modulirana impulsa na cilindar koji sadrži sićušnu dijamantnu kapsulu ispunjenu vodikom, u pokušaju da potakne prvu fuzijsku reakciju koja je proizvela više energije nego što je bilo potrebno za stvaranje. Uspjelo je, započevši put prema onome za što se znanstvenici nadaju da će jednog dana biti novi izvor energije bez ugljika, koji će omogućiti ljudima da iskoriste isti izvor energije koji osvjetljava zvijezde.

Pak, koji se pridružio laboratoriju Lawrence Livermore izvan San Francisca 2010., probudio se u 3 ujutro tog dana, ne mogavši odoljeti provjeri početnih rezultata iz svoje kuće u San Joseu. Pokušao je ostati budan za sami hitac, da bi konačno odustao jer su se mukotrpne pripreme eksperimenta otegle do kasno u noć. "Kad biste ostali budni za svaki hitac, svaki put kroz 10 godina, poludjeli biste", rekao je.

Posljednjih nekoliko mjeseci bilo je jasno da se njegov tim približava cilju. U noći, prije svitanja, provjerio je ključni broj koji bi mogao pokazati jesu li uspjeli - broj neutrona proizvedenih eksplozijom. Kad sam vidio taj broj, oduševio sam se, rekao je.

"Možete raditi cijelu karijeru i nikad ne dočekati taj trenutak. To radite jer vjerujete u cilj i volite izazov", rekao je Pak, voditelj dijagnostike na eksperimentu. "Kada se ljudi udruže i rade zajedno, možemo učiniti nevjerojatne stvari."

Tim u Lawrence Livermoreu, istraživačkom laboratoriju koji financira vlada, vjerojatno će provesti svoj sljedeći test u veljači, s još nekoliko eksperimenata koji će uslijediti u mjesecima nakon toga. Cilj će biti nastaviti povećavati količinu energije koja se proizvodi u reakciji. Znači više petljanja: Koristite više laserske energije. Fino podesite laserski udar. Generirajte više X-zraka unutar cilja —ključni korak u procesu — upotrebom iste količine energije. Možda, eventualno, nadogradnja samog laboratorija, odluka koja bi zahtijevala sudjelovanje Ministarstva energetike i ogromna novčana sredstva.

Za sve će to trebati godine, ako ne i desetljeća, počevši s vrlo malim eksperimentima laboratorija Lawrence Livermore, koji traju samo nanosekunde.

"Moramo shvatiti sljedeće: Možemo li to učiniti jednostavnijim? Možemo li ovaj proces učiniti lakšim i ponovljivim? Možemo li to početi raditi više nego jednom dnevno?" rekla je Kim Budil, direktorica laboratorija Lawrence Livermore. "Svako od navedenih pitanja za nas je nevjerojatan znanstveni i inženjerski izazov."

Većina stručnjaka predviđa da je svijet još najmanje 20 do 30 godina udaljen od toga da fuzijska tehnologija postane održiva u razmjerima koji su dovoljno veliki i pristupačni za proizvodnju komercijalne energije. Taj vremenski okvir stavlja fuziju izvan značajne upotrebe za postizanje svjetskih ciljeva u vidu „neto nulte emisije” do 2050. U tom smislu, fuzija bi u budućnosti mogla biti izvor energije bez ugljika, ali ne i trenutne globalne energetske tranzicije koja se suočava s kontinuiranim preprekama.

Fuzija je desetljećima zaokupljala znanstvenu maštu. Već se koristi kako bi se modernom nuklearnom oružju dala njegova razorna moć, ali san ga pripitomljava za potrebe civilne energije. Ako se može dovesti do određenih razmjera, to bi dovelo do elektrana koje danju i noću proizvode obilje električne energije bez emisije stakleničkih plinova. I za razliku od današnje nuklearne energije, izazvane procesom koji se zove fisija, ona ne bi stvorila dugotrajni radioaktivni otpad. Time su se bavile čitave generacije znanstvenika. Glavna znanstvena savjetnica predsjednika Joea Bidena, Arati Prabhakar, provela je ljeto radeći na laboratorijskom programu laserske fuzije kao 19-godišnja studentica 1978. godine. "Ovo je tako sjajan primjer onoga što se ustrajnošću može postići", rekla je na tiskovnoj konferenciji prošlog tjedna. "Ovako radite stvarno velike, teške stvari."

Spajanje atoma

Uspješan laserski hitac proizveo je fuzijske reakcije koje su generirale 3,15 megadžula snage, što je nadmašilo 2,05 megadžula koje je dao laser. Time je prekoračen veliki prag, prvi put je iz lasera izašlo više energije nego što je ušlo. No jednadžba se mora mnogo više naginjati u smjeru koliko energije izlazi da bi navedeno postalo komercijalno održivo.

Dok današnje nuklearne elektrane koriste fisiju, razdvajajući atome, fuzija spaja atome. Istraživači fuzije slijedili su dva osnovna smjera. Lawrence Livermore, koristeći proces koji se zove inercijalno ograničenje, gađa mete laserskim zrakama, implodirajući malu količinu vodika dok se ne stopi u helij. Komercijalno postrojenje koje koristi ovaj pristup moralo bi ponavljati proces uvijek iznova, iznimno brzo, kako bi proizvelo dovoljno energije za napajanje električne mreže.

Brojne tvrtke razvijaju inercijske zatvorene sustave, iako postoje značajne razlike. Neki traže različite materijale za metu, dok drugi koriste akceleratore čestica umjesto lasera, pokrećući reakciju fuzije međusobnim udaranjem atoma.

Glavna konkurentska ideja zove se magnetsko ograničenje, sa sustavima koji stvaraju oblak plazme, zagrijan na stotine milijuna stupnjeva, koji može pokrenuti reakciju fuzije. Snažni magneti kontroliraju plazmu i održavaju reakciju. Ovaj pristup još nije postigao neto dobitak energije, a suočava se s izazovima kao što su razvoj boljih magneta i stvaranje materijala koji mogu izdržati super visoke temperature te se mogu koristiti kao spremnik za plazmu.

Do danas je oko 5 milijardi dolara financijskih sredstava otišlo u tvrtke koje se bave fuzijom, s velikom većinom usmjerenom na tehnologije magnetskog ograničenja, prema trgovačkoj grupi Fusion Industry Association.

Inercijalno ograničenje moglo bi biti prikladnije za dokazivanje kako fuzija može funkcionirati, rekao je Adam Stein, direktor za inovacije nuklearne energije na The Breakthrough Institute, istraživačkoj skupini sa sjedištem u Oaklandu, Kalifornija. Ali dugoročno gledano, kada je riječ o komercijalizaciji, "vjerojatnije je da će uspjeti plazma magnetsko ograničenje", rekao je.

'Budi optimist'

Godine su potrošene na usavršavanje svakog dijela procesa u laboratoriju Lawrence Livermore.

Velik dio uspjeha sveo se na preciznost. Sve kapsule goriva sadrže sitne nesavršenosti koje mogu značajno utjecati na odvijanje reakcije. Kao i zamrznuti vodik unutra, mješavina izotopa deuterija i tricija. Tim bi često proizveo vodikov led, otopio ga i pokušao ponovno nekoliko puta prije ispaljivanja hica, nadajući se da će dobiti najbolju moguću metu i povećati šanse za uspjeh.

Svatko tko radi na fuziji "mora biti optimist", rekla je Denise Hinkel, fizičarka usredotočena na poboljšanje sposobnosti predviđanja računalnih simulacija programa, a koja radi u Lawerenceu Livermoreu 30 godina. – Ako niste optimist, nećete ostati u ovom polju.

Do ovog ljeta, divovski laser moći će isporučiti oko 8% više energije nego ranije ovog mjeseca, prema Jean-Michelu Di Nicoli, glavnom inženjeru za laser National Ignition Facility. Michael Stadermann, voditelj programa za izradu meta, rekao je da laboratorij također razvija računalni program koji može ispitati ljuske kapsule goriva radi nedostataka puno brže nego što to mogu ljudi. Također surađuju s proizvođačem kapsula na poboljšanju procesa proizvodnje.

Moguće je da će otkriće Lawrencea Livermorea ostati samo trenutak znanstvene povijesti, odnosno da neće označiti početak nove industrije fuzije koja pokreće svijet. Premošćivanje jaza od eksperimenta do komercijalizacije moglo bi trajati desetljećima, ako se uopće dogodi. A magnetsko ograničenje bi na kraju moglo biti metoda fuzije koja će pobijediti, osiguravajući svijetu obilje čiste energije. Pak, tihi oštroumni čovjek s pramenom smeđe kose, rekao je da ga takav ishod neće razočarati.

"Oni mogu učiti od nas - mi možemo učiti od njih", rekao je četrdesetogodišnji Pak. "Kad budem star, bit ću zaista zadovoljan svojim doprinosima."

Izvor: Phy