Prace nad osiągnięciem kontrolowanej syntezy termojądrowej trwają już ponad 50 lat. Gdyby udało się ją opanować, ludzkość uzyskałaby praktycznie nieograniczone i czyste źródło energii - pisze Mark Buchanan.

Dwadzieścia pięć lat temu, jako młody fizyk, zajmowałem się badaniem związanym z kontrolowaną syntezą termojądrową. Synteza termojądrowa, która jest źródłem energii dla Słońca i innych gwiazd, polega na szeregu reakcji zmieniających jądra wodoru w jądra helu. Jeśli udałoby się opanować ten proces i zastosować go w warunkach ziemskich, mielibyśmy bezpieczne i praktycznie nieograniczone źródło czystej energii.

Co roku badacze z całego świata zbierają się na różnych konferencjach, aby omówić powolny postęp, jaki udało się w tej sprawie osiągnąć. Rządowe i uniwersyteckie laboratoria bezskutecznie mierzą się z próbą opanowania syntezy termojądrowej już od ponad 50 lat.

Reklama

Konferencje naukowe na temat syntezy termojądrowej wciąż się odbywają – niedawno zakończyło się spotkanie na Uniwersytecie w Opolu, a we wrześniu będzie kolejne – na Uniwersytecie Wisconsin. Można jednak zaobserwować inny ton, więcej emocji, ponieważ badania, jak się wydaje, w końcu mogą przynieść spodziewane owoce i przybliżyć nas do celu uzyskania energii z syntezy termojądrowej. Mnóstwo nowych startupów chce to osiągnąć w ciągu zaledwie 15 lat. Wierzą, że uda im się zrobić coś, co nie powiodło się w ramach wielkich projektów rządowych. Wystarczy pomyśleć o Elonie Musku i jego wyprawach w kosmos. Jemu się udało, prawda?

Niestety oczekiwanie, że to samo uda się z syntezą termojądrową, jest prawdopodobnie naiwne. SpaceX zajęło 13 lat, aby stać się pierwszą prywatną firmą, która wysłała rakietę w kosmos, a później z powrotem sprowadziła ją na Ziemię. Firma ta dysponowała ponadto głęboką wiedzą naukową w zakresie technologii rakiet. Tymczasem w wyścigu po syntezę termojądrową, gdzie wymagane się ekstremalne warunki, osiągnięcie celu jest nieporównywalnie trudniejsze. Dlatego może się okazać, że powolne i sukcesywnie działające laboratoria państwowe wciąż mają pod tym względem przewagę nad startupami.

Od strony teoretycznej synteza termojądrowa wydaje się prosta. Chodzi bowiem o to, aby paliwo wodorowe doprowadzić do odpowiednio wysokiej temperatury przy odpowiednim ciśnieniu, a następnie utrzymać te warunki przez pewien czas, aby mogły zajść kluczowe reakcje.

Jednak główną przeszkodą w osiągnięciu tego celu jest niestabilność, biorąca się z tego, że wiele rzeczy może potoczyć się w niespodziewany sposób.

W jednym z podejść, znanym jako inertial confinement fusion (ICF) , intensywne wiązki światła laserowego są wykorzystywane do kompresji małej porcji paliwa wodorowego w celu osiągnięcia temperatur i ciśnienia porównywalnych do tych, które występują w gwiazdach. Pomimo całych dekad udoskonalania tej metody, w ramach gwałtownej kompresji dochodzi do zmieszania zimnych i gorących części implodującego paliwa, co ogranicza wyniki takich eksperymentów.
Ale w ubiegłym roku w ramach serii eksperymentów w Lawrence Livermore National Laboratory’s w National Ignition Facility udało się osiągnąć pewien przełom – w wyniku implozji powstało więcej energii z syntezy termojądrowej niż początkowo potrzebowano, aby uruchomić cały proces. Badacze, na bazie tego osiągnięcia oraz dzięki algorytmom obliczeniowym i uczeniu się maszyn, mogą teraz tworzyć projekty nowych eksperymentów.

W ramach jeszcze innego podejścia wykorzystuje się tzw. pułapki magnetyczne, aby móc utrzymywać materię w ekstremalnych temperaturach, ale przy znacznie niższych gęstościach, niż w przypadku eksperymentów z kompresją. Taki też jest cel Międzynarodowego Eksperymentalnego Reaktora Termonuklearnego (ITER) powstającego obecnie we Francji. To największy projekt związany z syntezą termojądrową na świecie. Jego twórcy mają nadzieję, że do 2035 roku uda im się uzyskać stabilną syntezę termojądrową. Algorytmy także i w tym przypadku mogą odegrać swoją rolę. Kluczowe niestabilności wynikają tutaj z zakłóceń, takich jak np. nagłe, katastroficzne wyładowania super gorącej materii i prądu elektrycznego, które uszkadzają kluczowe elementy reaktora. Jedna z grup badawczych odkryła niedawno, że na podstawie danych algorytmy mogą wychwycić te zakłócenia, zanim wystąpią w rzeczywistości, dając naukowcom ostrzeżenia z wyprzedzeniem wynoszącym trzydzieści tysięcznych sekundy – a to wystarcza, aby uniknąć zakłóceń

Takie podejścia z głównego nurtu, jak dwa zaprezentowane powyżej, opierają się na gromadzeniu wiedzy i eksperymentowaniu przez dekady. Czy jakakolwiek prywatna firma mogłaby prześcignąć badaczy i osiągnąć cel w inny sposób? Jedna z nich o nazwie Commonwealth Fusion Systems, która jest związana z Massachusetts Institute of Technology chce do 2025 roku wybudować działający reaktor syntezy termojądrowej. Z kolei startup First Light Fusion, związany z Uniwersytetem w Oxfordzie, chce wykorzystać radykalnie odmienne podejście do syntezy termojądrowej niż w głównym nurcie badań. W ciągu ostatnich lat pojawiło się ponad 20 innych startupów, które stawiają sobie cele w tym zakresie.

W raporcie amerykańskiej agencji doradczej JASON, która działa w obszarze nauki i technologii, czytamy o dość pesymistycznych przewidywaniach jeśli chodzi o rozwój syntezy termojądrowej w krótkim terminie. Prognozę taką zbudowano po części w oparciu o historię rozwoju innych kluczowych technologii, w tym energetyki słonecznej i wiatrowej. Te bowiem stawały się efektywne poprzez stopniowe ulepszenia, poprawione projekty i zastosowanie nowych materiałów. Ich rozwój zatem trwał znacznie dłużej niż początkowo przewidywali eksperci z branży. Agencja JASON szacuje, że praktyczne wykorzystanie kontrolowanej syntezy termojądrowej to kwestia 30 lat.

Zapytałem o zdanie Omara Hurricane, głównego badacza z programu ICF w Lawrence Livermore National Laboratory. Omar sam określa się jako „pesymistyczny optymista”. Po 50 latach badań, napisał mi w e-mailu, badacze rozumiejeją już, jak bardzo ekstremalne warunki są potrzebne do przeprowadzenia syntezy termojądrowej. Wciąż jednak nie potrafią ich stworzyć w warunkach laboratoryjnych, choć są coraz bliżej.

Hurricane spodziewa się, że startupy mogą dokonać pewnych interesujących ulepszeń i szybkiego postępu, szczególnie na początku, ale z czasem wpadną w bardziej skomplikowane problemy, tak jak inne programy związane z syntezą termojądrową.

„Nauka i technologia podążają zgodnie z tzw. krzywą uczenia się. Na początku osiągamy szybki postęp, ale później tempo uczenia się stopniowo spowalnia, wraz z tym, jak udaje nam się rozwiązań łatwe problemy” – wyjaśnia. Ostatecznie jednak, osiągnięcie celu jest prawdopodobne, choć trudno jest przewidzieć to w czasie – dodaje.

„Jestem optymistą co do tego, że problem laboratoryjnej syntezy termojądrowej jest rozwiązywalny. Ale Matka Natura sprawiła, że jest to diabolicznie trudne ze względu na ekstremalność niezbędnych warunków” – uważa Hurricane.

Badacz sugeruje, że inwestorzy z sektora prywatnego, którzy zaangażowali się w projekty związane z syntezą termojądrową, powinni zachować cierpliwość i nie powinni oczekiwać dużych rezultatów w krótkim czasie.

„Osiągnięcie kontrolowanej syntezy termojądrowej będzie długim i trudnym marszem, wymagającym wiele dyscypliny i długoterminowej wizji” – podsumował badacz.

>>> Czytaj też: Buchanan: To przełomowe odkrycie w fizyce może pomóc ocalić świat [OPINIA]