Blițurile laser aprind cunoștințele despre focul soarelui
Actualizat: 19.01.19 - 17:33
Camera de vid are un diametru de zece metri.
Cercetătorii doresc să utilizeze fuziunea nucleară pentru a genera energie neutră din punct de vedere climatic. Cu toate acestea, este încă un drum lung de parcurs înainte de a putea fi folosit pentru a genera electricitate. Criticii proiectului cred că interesul aparent este pur militar.
De la Falk Dambowsky
Cercetătorii vor să folosească fuziunea nucleară pentru a genera energie neutră din punct de vedere climatic. Cu toate acestea, este încă un drum lung de parcurs înainte de a putea fi folosit pentru a genera electricitate. Criticii proiectului cred că interesul aparent este pur militar.
Cercetătorii stau concentrați în fața ecranelor. O ultimă privire la afișaje, scrie: aprindere. Cea mai mare mașină laser din lume începe să funcționeze. Un mic impuls laser se rotește prin amplificatoare pentru a forma o undă laser imensă care radiază din toate părțile în centrul unei bile de oțel înalte de zece metri. Acolo, în vid, energia din pachet lovește o bilă mică de hidrogen și o comprimă de 20 de ori densitatea plumbului. Scopul: nucleele de hidrogen ar trebui să fuzioneze pentru a forma heliu - și în acest proces să dea energie din abundență.
Imensul experiment cu laser care ar umple Piața Sf. Petru din Roma se află în liniștita Livermore, California, din 2009. Instalația Națională de Aprindere (NIF), care a fost construită cu 3,5 miliarde de dolari, este o mecă pentru cercetarea fuziunii cu laser. Aici oamenii de știință au dezlănțuit recent cea mai puternică lovitură cu laser din lume. Cu o putere de vârf de 500 trilioane de wați, de o mie de ori mai multă energie decât necesită SUA într-o secundă, ei au atins vârful cercetării lor până acum. „Laserul este acum pe deplin operațional, așa cum a fost planificat acum 20 de ani”, a anunțat cu mândrie Ed Moses, șeful NIF.
Atomii de hidrogen congelați, formați cu precizie în sfere cu un diametru de doi milimetri, sunt așezați într-o cameră de ardere a aurului, care măsoară doar nouă milimetri. Cu ajutorul laserului gigant, hidrogenul trebuie comprimat în camera de ardere până când se aprinde la o temperatură de 100 de milioane de grade și se fuzionează pentru a forma atomi de heliu mai grei.
Fuziunea ca dietă pentru atomi
Cercetătorii nucleari de la NIF lucrează în prezent la o metodă îmbunătățită: aprinderea rapidă. Lumina laser UV este împușcată în cilindrul gol auriu de pe ambele părți. Peretele interior se încălzește și transformă lumina laserului în raze X intense. În interiorul micului cilindru, razele X comprimă capsula de hidrogen. Nicio mișcare lentă nu este suficientă pentru a arăta viteza acestui proces: hidrogenul din focarul laser este comprimat într-o plasmă fierbinte pentru doar 100 miliarde de secundă, 10 picosecunde. „Lasere suplimentare cu impuls scurt ar putea aprinde scânteia focului de fuziune într-o globulă de combustibil comprimată în acest moment”, a spus fizicianul Andreas Kemp, explicând aprinderea rapidă în jurnalul Spektrum der Wissenschaft. Este unul dintre puținii oameni de știință germani implicați în proiectul NIF.
Dacă fuziunea reușește, atomii de hidrogen fuzionează în perechi pentru a forma heliu. Este ca și cum ar fi dieta pentru atomi. Pierzi masa, care se transformă în energie, conform formulei lui Einstein: E = mc2. Un gram de combustibil de fuziune conține energia a 12,3 tone de cărbune tare. „Aducem focul stelar în laborator”, îl entuziasmează Ed Moses. Și colegul său Riccardo Betti, directorul Centrului de Științe Fuziune de la Universitatea din Rochester (New York), spune cu entuziasm: „Pentru mine, laserul este steaua proiectului.” Aprinderea rapidă urmează să fie testată pentru prima dată anul viitor.
Oricât de euforic este starea de spirit a oamenilor de știință în acest moment, perspectivele unei utilizări timpurii pentru generarea de electricitate sunt dezactivate. Obstacolele în calea transferării conceptului de fotografiere cu laser gigant în sfere minuscule la o funcționare continuă de rutină sunt încă prea mari. Principiul căutat al centralei electrice nu sună foarte revoluționar: fuziunea nucleară eliberează căldură care urmează să fie transformată în energie electrică cu ajutorul turbinelor.
„Cea mai mare provocare pentru un reactor cu fuziune laser este rata mare de repetare a imploziilor, care ar fi necesară pentru uz comercial”, spune Kemp. „Zece capsule de combustibil pe secundă, sau un milion pe zi, ar fi necesare.” Prin comparație: NIF are încă nevoie de aproximativ șase ore de timp de pornire pentru o singură fotografie laser. În plus, nu a fost încă clarificat în mod adecvat modul în care neutronii cu energie extrem de ridicată care apar ca produs al fuziunii nucleare pot fi captați în mod eficient. Și problema producției suficiente de combustibil este, de asemenea, o problemă.
„Interesul superficial pentru cercetarea fuziunii cu laser este pur militar”, spun critici ai proiectului, precum fizicianul Wolfgang Liebert, purtător de cuvânt al grupului de lucru interdisciplinar pe știință, tehnologie și siguranță (Ianus) de la TU Darmstadt. „O lovitură cu laser pentru comprimarea și topirea unei sfere de hidrogen de doi milimetri este ca o minibombă într-un laborator”.
Plasma cu hidrogen fierbinte ca concurență
Într-adevăr, construcția NIF este finanțată și motivată militar. Proiectul este controlat de Agenția Națională pentru Energie Atomică din SUA. Nu se investighează doar utilizarea civilă a fuziunii nucleare. „Cercetătorii de la NIF doresc, de asemenea, să înțeleagă mai bine procesele fizice implicate în explozia unei bombe cu hidrogen”, spune Liebert. Din 5 august 1963 a existat un acord internațional pentru oprirea testelor cu arme nucleare. Drept urmare, cercetătorii americani au căutat alternative pentru a-și dezvolta în continuare tehnologia armelor nucleare. Deci, a fost potrivit ca fizicianul american Theodore Maiman să fi inventat primul laser în 1960. De atunci, oamenii de știință de la Laboratorul Național Lawrence Livermore (LLNL) din California, care include acum NIF, au lucrat la ideea miniaturizării testelor cu bombe atomice cu ajutorul laserelor. În 1972, fizicianul american John Nuckolls și colegii săi și-au făcut publice ideile despre fuziunea nucleară cu laser, arătând spre perspectiva utilizării civile. Împerecherea cercetării militare și a motivației civile a fost păstrată până în prezent.
În Franța, lângă Bordeaux, se construiește în prezent Laser Mégajoule (LMJ), un sistem la fel de puternic precum NIF-ul american. Cu toate acestea, cea mai mare competiție pentru fuziunea cu laser din SUA vine de la colegi de cercetare cu un concept diferit. Metoda alternativă de fuziune preferată de majoritatea oamenilor de știință implică limitarea plasmei de hidrogen fierbinte în câmpuri magnetice puternice.
Prima fuziune nucleară din laborator a fost realizată încă din 1991 cu Joint European Torus (JET). Următoarea generație a așa-numitei tehnologii tokamak, Reactorul Thermonuclear Experimental Internațional (Iter), este în prezent construită în Cadarache, în sudul Franței. Proiectul mamut, al cărui cost este estimat la aproximativ 15 miliarde de euro, este acela de a genera atât de multă energie de fuziune pentru prima dată din 2026 cât este necesară pentru încălzirea cu plasmă. Cel mai mic reactor de testare Wendelstein 7-X urmează să intre în funcțiune în Greifswald încă din 2014.
În ciuda obstacolelor și a concurenței angajate a colegilor lor științifici, cercetătorii NIF din Livermore, în pitorescul golf San Francisco, rămân încrezători: „În termen de doisprezece ani de la apariția pentru prima dată a fuziunii laser, o centrală pilot ar putea fi funcțională”, a spus unul Studiu realizat de LNLL. Aprinderea ar trebui să aibă succes anul viitor.