Στοχεύοντας μια μικρή κάψουλα υδρογόνου με το ισχυρότερο λέιζερ του κόσμου, ερευνητές του αμερικανικού υπουργείου ενέργειας πέτυχαν, έστω και για μια στιγμή, έναν σημαντικό στόχο στο δρόμο για την παραγωγή ανεξάντλητης, καθαρής ενέργειας.
Το πείραμα του Εθνικού Εργαστηρίου «Λόρενς Λίβερμορ» της Καλιφόρνια κατάφερε να πυροδοτήσει αντιδράσεις πυρηνικής σύντηξης που αυτοσυντηρήθηκαν για ένα κλάσμα του δευτερολέπτου.
Ένα μείζον επίτευγμα, δεδομένου ότι οι αντιδράσεις σύντηξης απαιτούν συνθήκες εξαιρετικά υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης και τείνουν να σβήνουν σχεδόν ακαριαία.
Η θερμότητα που απελευθερώθηκε ήταν περισσότερη από τη θερμότητα που διοχέτευσε στο πείραμα το λέιζερ, μια κατάσταση που οι πυρηνικοί ονομάζουν burning plasma, ή ανάφλεξη πλάσματος σε ελεύθερη απόδοση.
«Όταν θέλεις να ανάψεις φωτιά, πρέπει να φροντίσεις να είναι αρκετά καυτή ώστε τα ξύλα να συνεχίσουν να καίγονται από μόνα τους. Είναι μια καλή αναλογία για την ανάφλεξη πλάσματος, όπου η σύντηξη αρχίζει να γίνεται αυτοσυντηρούμενη» εξήγησε στο Reuters ο Άλεξ Ζίλστρα, πρώτος συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύεται στο Nature.
Η αντίδραση σύντηξης διατηρήθηκε για 100 τρισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου και η ενέργεια που απελευθερώθηκε αντιστοιχεί σε μόλις εννέα μπαταρίες των εννέα volt. Ακόμα κι έτσι όμως τα αποτελέσματα θεωρούνται σημαντική επιτυχία για μια προσπάθεια που διαρκεί ήδη δεκαετίες.
Σύντηξη
Η πυρηνική σύντηξη, ουσιαστικά το αντίθετο της πυρηνικής σχάσης, είναι η αντίδραση που τροφοδοτεί με ενέργεια τα άστρα και τις θερμοπυρηνικές βόμβες. Κάτω από συνθήκες ακραίας θερμοκρασίας και πίεσης, άτομα υδρογόνου ενώνονται, σχηματίζουν άτομα ήλιου και απελευθερώνουν μεγάλα ποσά ενέργειας.
Σε αντίθεση με τη σχάση, η οποία χρησιμοποιεί ουράνιο ή άλλα ραδιενεργά καύσιμα, η σύντηξη μπορεί θεωρητικά να λειτουργήσει με ισότοπα υδρογόνου από τη θάλασσα και δεν αφήνει επικίνδυνα πυρηνικά απόβλητα.
Σε όλο τον κόσμο πραγματοποιούνται εδώ και χρόνια πειράματα σύντηξης, ωστόσο κανένα δεν έχει καταφέρει μέχρι στιγμής να παράγει περισσότερη ενέργεια από ό,τι καταναλώνει.
Δεκάδες ερευνητικοί φορείς και εταιρείες σε όλο τον κόσμο εργάζονται για την εμπορική αξιοποίηση της σύντηξης, έναν στόχο στον οποίο επενδύουν ακόμα και πετρελαιοβιομηχανίες.
«Η ενέργεια από σύντηξη είναι το Ιερό Δισκοπότηρο της καθαρής, ανεξάντλητης ενέργειας» δήλωσε στο Reuters η Άνι Κρίτσερ του Εργαστηρίου «Λόρενς Λίβερμορ», σχεδιάστρια των πειραμάτων και πρώτη συγγραφέας συνοδευτικής μελέτης που δημοσιεύεται στο Nature Physics.
Πώς λειτουργεί το πείραμα
Η Εθνική Εγκατάσταση Πυροδότησης (NIF) του Εργαστηρίου «Λόρενς Λίβερμορ», σε λειτουργία από το 2010, δημιουργήθηκε για τη μελέτη της ασφάλειας του αμερικανικού πυρηνικού οπλοστασίου, καθώς μπορεί να φτάνει τις συνθήκες ακραίας πίεσης και θερμοκρασίας που θα καταγράφονταν στο κέντρο μιας πυρηνικής έκρηξης. Τα πειράματα σύντηξης είναι απλά μια παράλληλη, δευτερεύουσα δραστηριότητα.
Το γιγάντιο λέιζερ της εγκατάστασης, η οποία καταλαμβάνει επιφάνεια τριών ποδοσφαιρικών γηπέδων, χωρίζεται σε 192 δέσμες που στοχεύουν στο κέντρο μιας μεταλλικής σφαίρας με διάμετρο μερικών μέτρων.
Στο κέντρο της σφαίρας, οι δέσμες καταλήγουν σε μια κάψουλα από χρυσό, σε μέγεθος γομολάστιχας, η οποία περικλείει ένα μικρός σφαιρίδιο, όσο ένας κόκκος πιπεριού. Μέσα στο σφαιρίδιο βρίσκονται τα «καύσιμα», δύο ισότοπα υδρογόνου που ονομάζονται δευτέριο και τρίτιο.
Ο παλμός ακτινοβολίας λέιζερ εξαερώνει τη χρυσή κάψουλα, η οποία εκπέμπει ακτίνες Χ που με τη σειρά τους πιέζουν το σφαιρίδιο. Το υδρογόνο συμπιέζεται έτσι μέχρι να ξεπεράσει κατά 100 φορές την πυκνότητα του μολύβδου και θερμαίνεται στους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, επίπεδα που επιτρέπουν την έναρξη θερμοπυρηνικών αντιδράσεων.
«Εδώ και δεκαετίες μπορούμε να προκαλέσουμε αντιδράσεις σύντηξης σε πειράματα διοχετεύοντας μεγάλα ποσά θερμότητας στο καύσιμο. Αυτό όμως δεν αρκεί για να υπάρξει καθαρή παραγωγή ενέργειας» δήλωσε ο δρ Ζίλστρα.
«Τώρα, για πρώτη φορά, οι αντιδράσεις σύντηξης στο καύσιμο προσέφεραν το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας, έτσι ώστε η σύντηξη να αρχίσει να κυριαρχεί σε σχέση με τη θερμότητα που προσφέραμε εμείς» εξήγησε.
Όπως ανέφερε, η αντιδράσεις σύντηξης παρήγαγαν 10 φορές περισσότερη ενέργεια από αυτή που απαιτήθηκε για να θερμανθεί η κάψουλα υδρογόνου, ωστόσο η ποσότητα αυτή ήταν λιγότερο από 10% της ενέργειας που κατανάλωσε το λέιζερ, καθώς η απόδοση της διαδικασίας παραμένει μικρή.
Όπως παραδέχτηκε ο Ζίλστρα, για την επίτευξη του μακροπρόθεσμου στόχου φαίνεται πως θα απαιτηθούν αρκετές ακόμα δεκαετίες.
