Το άγιο δισκοπότηρο της σύγχρονης Φυσικής είναι η πειραματική πραγμάτωση της πυρηνικής σύντηξης και βρίσκεται στο στόχαστρο των Φυσικών για πάνω από πενήντα χρόνια.
Ίσως να μην κερδίζει τόσο πολύ δημοσιογραφικό χρόνο όσο άλλα προγράμματα που τρέχουν αυτή την εποχή, π.χ. ο Large Hadron Collider στο CERN, αλλά η σημασία της είναι κεφαλαιώδης όχι μόνο για την πρόοδο της Φυσικής αλλά κυρίως για την επίδραση που θα έχει στην εξέλιξη του μέλλοντος της ανθρωπότητας. Ο λόγος είναι ότι κρύβει μέσα της τη λύση στο ενεργειακό πρόβλημα του μέλλοντός μας. Το οποίο έχει αρχίσει να γίνεται πιεστικό, τόσο από άποψη μείωσης των διαθέσιμων φυσικών πηγών όσο και από άποψη επιβάρυνσης του περιβάλλοντος.
Η αφορμή για το άρθρο αυτό είναι η ανακοίνωση προ μερικών ημερών ότι ένας καινούριος αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης ετέθη σε πειραματική λειτουργία στο Max Planck Institut στο Greifswald της Γερμανίας, ακολουθώντας έναν καινοτόμο σχεδιασμό. Το όνομα αυτού Wendelstein X-7 (WX-7) και υπόσχεται μία νέα εποχή. Όμως η διαδρομή μέχρι την πραγματική συγκομιδή ενέργειας από ένα τέτοιο εγχείρημα έχει πάρα πολλές στάσεις ακόμα και πάρα πολλά εμπόδια να υπερκεράσει. Προτού τα δούμε, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τη βασική Φυσική που περιλαμβάνεται σε αυτή την προσπάθεια, έτσι ώστε να μπορούμε να κατανοήσουμε τη σημασία της αλλά και τις προκλήσεις που κρύβει.
Ο καλύτερος παραγωγός ενέργειας στη γειτονιά μας είναι ο Ήλιος. Ο οποίος παράγει αρκετή ενέργεια ώστε να τροφοδοτεί με ζωή έναν ολόκληρο πλανήτη, τη Γη μας, και σκοπεύει να το πράττει ακόμα για περίπου 4 δις χρόνια. Η δομική διαδικασία που τροφοδοτεί με ενέργεια τον Ήλιο, και κατ’ επέκταση κι εμάς, είναι η πυρηνική σύντηξη. Λόγω των τεραστίων βαρυτικών δυνάμεων που ασκούνται στο εσωτερικό του, δημιουργείται αρκετή ενέργεια ώστε τα άτομα υδρογόνου να «γδύνονται» από τα ηλεκτρόνια τους. Αυτή η εξωτική κατάσταση της ύλης είναι γνωστή ως πλάσμα. Οι πυρήνες υδρογόνου λοιπόν, κάτω από τις ακραίες εξωτερικές συνθήκες που δημιουργούν τεράστιες θερμοκρασίες, ενώνονται ώστε να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου, ελευθερώνοντας παράλληλα τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Αν και απλοποιημένη, αυτή είναι η βασική τροφοδοτική αλυσίδα της ενεργειακής μας επιβίωσης από τότε που υπάρχουμε πάνω στον πλανήτη.
Η ιδέα λοιπόν είναι απλή. Ας προσπαθήσουμε να αντιγράψουμε τη διαδικασία αυτή, ώστε να δημιουργήσουμε μία καινούρια πηγή ενέργειας μέσα στο εργαστήριο. Η οποία μπορεί να χρησιμοποιεί σαν καύσιμο στοιχεία που υπάρχουν σε ανεξάντλητες ποσότητες Η ιδέα όμως είναι και εξαιρετικά δύσκολο να υλοποιηθεί. Για μία σειρά από πειραματικές προκλήσεις, οι οποίες ταλαιπωρούν τον επιστημονικό κόσμο της πυρηνικής σύντηξης από τη δεκαετία του 1950, όταν και στη Σοβιετική Ένωση σχεδιάστηκαν οι πρώτοι αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης. Όπως καταλαβαίνει κανείς, το να αναπαράγει κανείς σε ένα εργαστήριο της συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό του Ήλιου είναι ένα εγχείρημα που ακούγεται δονκιχωτικό. Όμως έτσι πάει πάντα μπροστά η Φυσική, κυνηγώντας ανεμόμυλους. Γιατί το αποτέλεσμα ενός τέτοιου εγχειρήματος είναι ύψιστης σημασίας. Δίνει τη δυνατότητα να παραχθεί καθαρή ενέργεια, με ελάχιστο αντίκτυπο στο περιβάλλον και μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου.
Η πρώτη πρόκληση ήταν φυσικά να έρθει η ύλη στην κατάσταση πλάσματος, ώστε να υπάρχει διαθέσιμη αρκετή ενέργεια για την πραγματοποίηση της σύντηξης. Σαν μέτρο σύγκρισης, ώστε να φανεί για τα μεγέθη για τα οποία συζητάμε, για να έρθει το καύσιμο του αντιδραστήρα (αέριο υδρογόνο στην περίπτωη του WX-7, δευτέριο σε άλλους αντιδραστήρες) σε αυτή την κατάσταση πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασία 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Για μία ιδέα σύγκρισης: το ατσάλι τήκεται στους 1150 – 1600 βαθμούς Κελσίου, αναλόγως τη σύστασή του. Πώς επιτυγχάνεται όμως αυτή η τιτάνια θερμοκρασία; Με μικροκυματική ακτινοβολία της τάξης των 10 megawatts. «Βομβαρδίζεται» δηλαδή με ακτινοβολία, ακριβώς όπως οι λάμπες πυρακτώσεως θερμαίνουν το χέρι μας όταν το φέρνουμε κοντά τους. Το καύσιμο λοιπόν θερμαίνεται αρκετά ώστε να μετατραπεί σε πλάσμα και εδώ έρχεται η επόμενη μεγάλη πρόκληση του εγχειρήματος.
Η διατήρηση της ύλης στην κατάσταση του πλάσματος. Επειδή ακριβώς είναι σε θερμοκρασία τόσο υψηλότερη από ότιδήποτε το περικλείει, το πλάσμα δεν πρέπει να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, γιατί αμέσως θα ψυχθεί και οι επιθυμητές ιδιότητες του θα χαθούν. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται τεράστια μαγνητικά πεδία, τα οποία εγκλωβίζουν το πλάσμα στο κέντο του αντιδραστήρα. Αυτό γίνεται χάρη στην απλή ιδιότητα του πλάσματος το οποίο είναι ισχυρά ιονισμένο, είναι δηλαδή ηλεκτρικά φορτισμένο. Επομένως είναι διαχειρήσιμο χωρικά με την επίδραση ισχυρότατου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, το οποίο είναι της τάξης των 5 Tesla (100 χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από το μαγνητικό πεδίο της γης) και το οποίο δημιουργείται από μαγνητικά πηνία κατασκευασμένα από υπεραγώγιμα υλικά. Η λειτουργία τους απαιτεί θερμοκρασίες λειτουργίας -269 βαθμούς Κελσίου.
Αντιφατικό δεν είναι; Χρησιμοποιούμε υπερψυχρά πηνία για να εγκλωβίσουμε υπέρθερμη ύλη. Και μόνο το πάντρεμα των δύο αυτών ακραίων απαιτήσεων του εγχειρήματος αντικατοπτρίζει τις προκλήσεις που κρύβει.
Οι νέας γενιάς αντιδραστήρες, οι οποίοι έχουν ονομαστεί με το απόλυτα ταιριαστό όνομα stellarators (stella: άστρο στα λατινικά), έχουν σημαντικά πλεονέκτηματα έναντι των παλαιότερων tokamaks (το όνομα προέρχεται από τα αρχικά στα ρωσικά του πλήρους ονόματος toroidal chamber with magnetic coils). Ένα από αυτά είναι ο χρόνος που επιτυγχάνουν να κρατήσουν το πλάσμα αρκετά θερμό. Η παράμετρος αυτή είναι μεγάλης σημασίας, καθότι θα καθορίσει εάν ο αντιδραστήρας θα παράξει ενέργεια περισσότερη από όση καταναλώνει για τη λειτουργία του. Μόλις το πρόσημο γίνει θετικό, θα είμαστε λίγο πιο κοντά στην ενεργειακή απελευθέρωση. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν περίπου 35 tokamaks στον κόσμο και το ρεκόρ χρόνου διατήρησης πλάσματος το έχει ο Tore Supra, στη Γαλλία, με λίγο πάνω από τα έξι λεπτά. Στόχος του WX-7, και των επερχόμενων stellarators , είναι τα 30 λεπτά.
Πότε θα έχουμε τη τελική απάντηση στο αν τα καταφέραμε; Οι ειδικοί του χώρου λένε είναι θέμα χρόνου. Ή για να το θέσουμε σωστά, θέμα δεκαετιών. Ο WX-7 αναμένεται να παράξει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει κάπου στα μέσα του 2030. Μακρινό φαίνεται; Η απάντηση δόθηκε από τον John Jelonnek, επιστήμονα του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καρλσρούης, ο οποίος συμμετέχει στην επιστημονική ομάδα του WX-7: «Δεν το κάνουμε για εμάς, αλλά για τα παιδιά μας και τα εγγόνια μας.»
Κωνσταντίνος Κυριάκος, Διδάκτωρ Φυσικών Επιστημών
Η αφορμή για το άρθρο αυτό είναι η ανακοίνωση προ μερικών ημερών ότι ένας καινούριος αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης ετέθη σε πειραματική λειτουργία στο Max Planck Institut στο Greifswald της Γερμανίας, ακολουθώντας έναν καινοτόμο σχεδιασμό. Το όνομα αυτού Wendelstein X-7 (WX-7) και υπόσχεται μία νέα εποχή. Όμως η διαδρομή μέχρι την πραγματική συγκομιδή ενέργειας από ένα τέτοιο εγχείρημα έχει πάρα πολλές στάσεις ακόμα και πάρα πολλά εμπόδια να υπερκεράσει. Προτού τα δούμε, ας προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τη βασική Φυσική που περιλαμβάνεται σε αυτή την προσπάθεια, έτσι ώστε να μπορούμε να κατανοήσουμε τη σημασία της αλλά και τις προκλήσεις που κρύβει.
Ο καλύτερος παραγωγός ενέργειας στη γειτονιά μας είναι ο Ήλιος. Ο οποίος παράγει αρκετή ενέργεια ώστε να τροφοδοτεί με ζωή έναν ολόκληρο πλανήτη, τη Γη μας, και σκοπεύει να το πράττει ακόμα για περίπου 4 δις χρόνια. Η δομική διαδικασία που τροφοδοτεί με ενέργεια τον Ήλιο, και κατ’ επέκταση κι εμάς, είναι η πυρηνική σύντηξη. Λόγω των τεραστίων βαρυτικών δυνάμεων που ασκούνται στο εσωτερικό του, δημιουργείται αρκετή ενέργεια ώστε τα άτομα υδρογόνου να «γδύνονται» από τα ηλεκτρόνια τους. Αυτή η εξωτική κατάσταση της ύλης είναι γνωστή ως πλάσμα. Οι πυρήνες υδρογόνου λοιπόν, κάτω από τις ακραίες εξωτερικές συνθήκες που δημιουργούν τεράστιες θερμοκρασίες, ενώνονται ώστε να σχηματίσουν πυρήνες ηλίου, ελευθερώνοντας παράλληλα τεράστιες ποσότητες ενέργειας. Αν και απλοποιημένη, αυτή είναι η βασική τροφοδοτική αλυσίδα της ενεργειακής μας επιβίωσης από τότε που υπάρχουμε πάνω στον πλανήτη.
Η ιδέα λοιπόν είναι απλή. Ας προσπαθήσουμε να αντιγράψουμε τη διαδικασία αυτή, ώστε να δημιουργήσουμε μία καινούρια πηγή ενέργειας μέσα στο εργαστήριο. Η οποία μπορεί να χρησιμοποιεί σαν καύσιμο στοιχεία που υπάρχουν σε ανεξάντλητες ποσότητες Η ιδέα όμως είναι και εξαιρετικά δύσκολο να υλοποιηθεί. Για μία σειρά από πειραματικές προκλήσεις, οι οποίες ταλαιπωρούν τον επιστημονικό κόσμο της πυρηνικής σύντηξης από τη δεκαετία του 1950, όταν και στη Σοβιετική Ένωση σχεδιάστηκαν οι πρώτοι αντιδραστήρες πυρηνικής σύντηξης. Όπως καταλαβαίνει κανείς, το να αναπαράγει κανείς σε ένα εργαστήριο της συνθήκες που επικρατούν στο εσωτερικό του Ήλιου είναι ένα εγχείρημα που ακούγεται δονκιχωτικό. Όμως έτσι πάει πάντα μπροστά η Φυσική, κυνηγώντας ανεμόμυλους. Γιατί το αποτέλεσμα ενός τέτοιου εγχειρήματος είναι ύψιστης σημασίας. Δίνει τη δυνατότητα να παραχθεί καθαρή ενέργεια, με ελάχιστο αντίκτυπο στο περιβάλλον και μηδενικές εκπομπές αερίων θερμοκηπίου.
Η πρώτη πρόκληση ήταν φυσικά να έρθει η ύλη στην κατάσταση πλάσματος, ώστε να υπάρχει διαθέσιμη αρκετή ενέργεια για την πραγματοποίηση της σύντηξης. Σαν μέτρο σύγκρισης, ώστε να φανεί για τα μεγέθη για τα οποία συζητάμε, για να έρθει το καύσιμο του αντιδραστήρα (αέριο υδρογόνο στην περίπτωη του WX-7, δευτέριο σε άλλους αντιδραστήρες) σε αυτή την κατάσταση πρέπει να θερμανθεί σε θερμοκρασία 100 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου. Για μία ιδέα σύγκρισης: το ατσάλι τήκεται στους 1150 – 1600 βαθμούς Κελσίου, αναλόγως τη σύστασή του. Πώς επιτυγχάνεται όμως αυτή η τιτάνια θερμοκρασία; Με μικροκυματική ακτινοβολία της τάξης των 10 megawatts. «Βομβαρδίζεται» δηλαδή με ακτινοβολία, ακριβώς όπως οι λάμπες πυρακτώσεως θερμαίνουν το χέρι μας όταν το φέρνουμε κοντά τους. Το καύσιμο λοιπόν θερμαίνεται αρκετά ώστε να μετατραπεί σε πλάσμα και εδώ έρχεται η επόμενη μεγάλη πρόκληση του εγχειρήματος.
Η διατήρηση της ύλης στην κατάσταση του πλάσματος. Επειδή ακριβώς είναι σε θερμοκρασία τόσο υψηλότερη από ότιδήποτε το περικλείει, το πλάσμα δεν πρέπει να έρθει σε επαφή με τα τοιχώματα του αντιδραστήρα, γιατί αμέσως θα ψυχθεί και οι επιθυμητές ιδιότητες του θα χαθούν. Για να επιτευχθεί αυτό χρησιμοποιούνται τεράστια μαγνητικά πεδία, τα οποία εγκλωβίζουν το πλάσμα στο κέντο του αντιδραστήρα. Αυτό γίνεται χάρη στην απλή ιδιότητα του πλάσματος το οποίο είναι ισχυρά ιονισμένο, είναι δηλαδή ηλεκτρικά φορτισμένο. Επομένως είναι διαχειρήσιμο χωρικά με την επίδραση ισχυρότατου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, το οποίο είναι της τάξης των 5 Tesla (100 χιλιάδες φορές μεγαλύτερο από το μαγνητικό πεδίο της γης) και το οποίο δημιουργείται από μαγνητικά πηνία κατασκευασμένα από υπεραγώγιμα υλικά. Η λειτουργία τους απαιτεί θερμοκρασίες λειτουργίας -269 βαθμούς Κελσίου.
Αντιφατικό δεν είναι; Χρησιμοποιούμε υπερψυχρά πηνία για να εγκλωβίσουμε υπέρθερμη ύλη. Και μόνο το πάντρεμα των δύο αυτών ακραίων απαιτήσεων του εγχειρήματος αντικατοπτρίζει τις προκλήσεις που κρύβει.
Οι νέας γενιάς αντιδραστήρες, οι οποίοι έχουν ονομαστεί με το απόλυτα ταιριαστό όνομα stellarators (stella: άστρο στα λατινικά), έχουν σημαντικά πλεονέκτηματα έναντι των παλαιότερων tokamaks (το όνομα προέρχεται από τα αρχικά στα ρωσικά του πλήρους ονόματος toroidal chamber with magnetic coils). Ένα από αυτά είναι ο χρόνος που επιτυγχάνουν να κρατήσουν το πλάσμα αρκετά θερμό. Η παράμετρος αυτή είναι μεγάλης σημασίας, καθότι θα καθορίσει εάν ο αντιδραστήρας θα παράξει ενέργεια περισσότερη από όση καταναλώνει για τη λειτουργία του. Μόλις το πρόσημο γίνει θετικό, θα είμαστε λίγο πιο κοντά στην ενεργειακή απελευθέρωση. Αυτή τη στιγμή υπάρχουν περίπου 35 tokamaks στον κόσμο και το ρεκόρ χρόνου διατήρησης πλάσματος το έχει ο Tore Supra, στη Γαλλία, με λίγο πάνω από τα έξι λεπτά. Στόχος του WX-7, και των επερχόμενων stellarators , είναι τα 30 λεπτά.
Πότε θα έχουμε τη τελική απάντηση στο αν τα καταφέραμε; Οι ειδικοί του χώρου λένε είναι θέμα χρόνου. Ή για να το θέσουμε σωστά, θέμα δεκαετιών. Ο WX-7 αναμένεται να παράξει περισσότερη ενέργεια από όση καταναλώνει κάπου στα μέσα του 2030. Μακρινό φαίνεται; Η απάντηση δόθηκε από τον John Jelonnek, επιστήμονα του Τεχνολογικού Ινστιτούτου της Καρλσρούης, ο οποίος συμμετέχει στην επιστημονική ομάδα του WX-7: «Δεν το κάνουμε για εμάς, αλλά για τα παιδιά μας και τα εγγόνια μας.»
Κωνσταντίνος Κυριάκος, Διδάκτωρ Φυσικών Επιστημών
Σχόλια
Στο logiosermis.net δημοσιεύεται κάθε σχόλιο. Θεωρούμε ότι ο καθένας έχει το δικαίωμα να εκφέρει ελεύθερα τις απόψεις του, οι οποίες εκφράζουν αποκλειστικά τον εκάστοτε σχολιαστή. Τα συκοφαντικά ή υβριστικά σχόλια θα διαγράφονται χωρίς προειδοποίηση. Περισσότερα στις οδηγίες χρήσης.