Když se tato zpráva v prosinci loňského roku dostala k vědcům ze společnosti Marvel Fusion, která se zabývá jadernou fúzí a na vývoji této slibné technologie se intenzivně podílí, přinesla jim velkou radost. Doposud totiž kritici tuto technologii opakovaně zpochybňovali a pochybovali, zda je vůbec možné pomocí fúze energii skutečně vyrábět. To je nyní minulostí.
Po desetiletích výzkumu se vědeckému týmu 5. prosince 2022 poprvé podařilo sloučit atomová jádra a vygenerovat více energie, než kolik se jí pro tento pokus spotřebovalo. Experiment se uskutečnil v testovacím reaktoru National Ignition Facility (NIF), který se nachází ve vojenském výzkumném středisku Lawrence Livermore National Lab v Kalifornii. V rámci testu pálilo 192 laserů do malé palivové komory a zahřívalo kuličku naplněnou těžkým vodíkem (deuteriem) na více než tři miliony stupňů, dokud se atomová jádra za těchto podmínek nespojila.
Turbopřevodovka pro fúzní energii
Experiment v NIF je obrovským úspěchem, tamní vědci ukázali, že prostřednictvím fúze uskutečněné za pomoci laseru je možné v kontrolovaném prostředí vyrobit více energie, než kolik jí dodává laser. Přesně na této výzvě pracuje také společnost Marvel Fusion, založená v roce 2019. V současné době v ní pracuje 60členný tým laserových vědců, fyziků plazmatu a inženýrů z 18 zemí, kteří zde provádí výzkum tzv. laserem indukované inerciální fúze.
Revoluce v čisté výrobě energie
Cílem společnosti je vybudovat komerční fúzní elektrárny, které budou pomocí fúze vyrábět elektrickou energii bez toho, aby produkovaly emise CO2. Nyní to vypadá, že by se takové elektrárny mohlo podařit vybudovat mnohem rychleji, než vědci zabývající se přístupy založenými na laseru nebo magnetu dříve považovali za možné. Představitelé firmy Marvel Fusion jasně říkají, že nejsou výzkumnou institucí, ale komerční společností, která chce stavět elektrárny a vyrábět energii z fúze. Za tímto účelem pracují na koncepci, která jim umožní vyrábět elektřinu za konkurenceschopné ceny.
Pokud by se to jednoho dne podařilo, neznamenalo by to nic menšího než revoluci ve výrobě čisté energie. Pro představu, podle dostupných informací obsahuje jeden kilogram fúzního paliva asi desetimilionkrát více energie než jeden kilogram uhlí, ropy nebo plynu – a při jeho použití se neuvolňují žádné skleníkové plyny.
Fúzní reaktory by proto mohly pokrýt velmi velký podíl světové energetické potřeby. Kromě toho fúzní reaktory neprodukují žádný nebezpečný odpad; na konci vzniká neškodné neradioaktivní helium. Na rozdíl od jaderných elektráren vyrábějí energii fúzí, nikoli štěpením atomových jader.
Zádrhel: enormně vysoký příkon energie
Účinnost laseru je sporným bodem: současné laserové systémy jsou dostatečně výkonné pro zažehnutí jaderné fúze, ale pracují tak málo efektivně, že se více energie ztrácí, než získává. Společnost Marvel Fusion to chce změnit. | Zdroj: Marvel Fusion
Výzkum jaderné fúze čelí dvěma hlavním překážkám, potřebě enormně vysokého příkonu energie a krátké fúzní reakci. Nedávný experiment NIF ukázal, že jediná fúzní reakce je příliš malá na to, aby se z ní dalo získat použitelnou energii. K provedení fúze je navíc nutné přivést do zařízení extrémně vysoký startovací příkon. V testu bylo nutné pro vznik fúzní reakce do reaktoru přivést dva megajouly energie na výrobu tří megajoulů energie. Celkem bylo pro test zapotřebí 300 megajoulů energie.
Odborníci vysvětlují, proč je dobře se na tento poměr dívat s rezervou. Zařízení NIF totiž nebylo původně postaveno s ohledem na dosažení co nejvyšší účinnosti. Použité technologie a lasery pocházejí z 90. let minulého století.
Lasery v NIF mohou střílet pouze jednou nebo dvakrát denně. Pro komerčně použitelnou elektrárnu jsou však potřeba lasery, které to zvládnou desetkrát za sekundu. Takové lasery se v současné době již vyvíjejí, přičemž budou mnohem účinnější a energeticky úspornější. Společnost Marvel Fusion se proto od samého počátku zaměřuje hlavně na účinnost, a to jak laserů, tak procesu fúze a palivových pelet.
Přístup společnosti Marvel Fusion se od jiných firem pracujících ve stejném oboru výrazně liší ve způsobu spouštění fúze. Pro tuto technologii jsou klíčové lasery, které vysílají velmi krátké pulzy s vysokou energií. Díky tomu by bylo možné dosáhnout účinnějšího urychlení částic a spustit fúzi různě nabitých iontů.
Vysoká intenzita, ale ultrakrátké laserové pulzy
Evropa je lídrem v oblasti krátkých laserových pulzů, které jsou k tomuto účelu zapotřebí. V současnosti známe technologie, které umožní emitovat pulzní laserové světlo s délkou pulzů v rozsahu nanosekund. Na projektu se jako vědecký poradce podílí nositel Nobelovy ceny za fyziku Gérard Mourou. Ten společně s Donnou Stricklandovou získal v roce 2018 ocenění za metodu generování vysoce intenzivních ultrakrátkých laserových pulzů.
Společnost Marvel Fusion bude nyní tuto metodu dále rozvíjet a připravovat pro komerční využití. „Náš proces je mnohem efektivnější a umožňuje nám přenést více laserové energie přímo do procesů souvisejících s fúzí. Díky tomu během ní nedochází k tak velkým ztrátám energie,“ říká ředitelka start-upu. V Marvelu se tedy kalkuluje s tím, jak dosáhnout co největšího zisku čisté energie při co nejmenším množství vložené energie.
Kriticky důležitý je i vývoj správného paliva. Nejdůležitější otázka zní, jak vyrobit palivové pelety, které by bylo možné produkovat ve velkém množství? Při hledání odpovědi se společnost Marvel Fusion inspirovala výrobními postupy používanými v polovodičovém průmyslu. Její tým vyvinul proces, pomocí kterého chce průmyslově a automaticky vyrábět palivové pelety z protonů vodíku s izotopy bóru. Konečným produktem by měly být kladně nabité částice helia, které lze například indukcí přímo přeměnit na elektřinu. Podle společnosti Marvel Fusion nejsou vstupní ani výstupní materiály radioaktivní ani nebezpečné.
Vhodný laser ještě musíme vyvinout
Během příštích tří let plánuje společnost Marvel Fusion postavit zkušební elektrárnu, která by prokázala životaschopnost její fúzní technologie založené na laseru. | Zdroj: Marvel Fusion
V současné době na světě neexistuje žádné laserové zařízení, které by splňovalo přesné parametry, jež start-up k ověření svého přístupu k fúzní technologii potřebuje. Výzkumníci proto musí experimentovat a ověřovat dílčí aspekty na stávajících laserových zařízeních. Ty chtějí postupně inovovat a zefektivňovat.
Laserová děla si firma pronajímá, takže různé výzkumné týmy z Marvel Fusion pravidelně opouštějí základnu a cestují do nejlepších laboratoří po celém světě. Věří, že když dokážou správně sestavit zjištění z jednotlivých experimentů, získají nakonec obrázek, který bude možné použít k vývoji kompletního přístroje.
Při vývoji laserového systému podle svých představ spolupracují s různými partnery, například s výrobcem laserů Trumpf nebo s technologickým specialistou Thales.
Bylo provedeno již 2000 experimentů
Marvel Fusion začal nedávno pracovat v Centru pro pokročilé laserové aplikace (CALA) na jednom z nejvýkonnějších laserových zařízení v Evropě. Cílem výzkumu je optimalizovat laser pro dosažení požadovaných parametrů. Podobnou spolupráci plánuje společnost i s laserem ELI v Rumunsku, který bude brzy nejvýkonnějším zařízením tohoto typu na světě. Různé výzkumné týmy Marvel Fusion využívají i laserová zařízení v USA. Doposud provedla firma celkem 2 000 takových experimentů.
Plánuje se vlastní demonstrační zařízení
Během příštích tří let plánuje společnost vybudovat vlastní demonstrační zařízení, kde bude moci kdykoli uskutečňovat své experimenty. Hlavním cílem má být potvrzení životaschopnosti vlastní fúzní technologie. Pokud by se měl takový laser vybudovat v Evropě, přišel by na zhruba 350 milionů eur (necelých 9 miliard korun), takže firma kromě soukromých investorů doufá i v získání politické podpory pro veřejné financování. Finance chtějí zajistit během příštích šesti měsíců a poté zahájit stavbu.
Pokud všechno dobře dopadne, první komerční elektrárny by se mohly objevit počátkem roku 2030. „Jsme si vědomi toho, že časový plán je extrémně ambiciózní, zejména v prostředí jaderné fúze. Přesto jsme přesvědčeni, že fúzní elektrárny potřebujeme, abychom uspokojili obrovský hlad světa po energii,“ říká generální ředitelka Marvel Fusion, Heike Freundová. K dosažení tohoto cíle počítá start-up s paralelním vývojem jednotlivých komponent, tedy za předpokladu, že financování půjde podle představ.
Více podnětů pro výzkum jaderné fúze v Evropě
Po přelomovém experimentu v USA doufá společnost ve větší pozornost a podporu výzkumu fúze v Evropě. Na světě existuje více než 30 společností zabývajících se fúzí, z toho 21 jen v USA. Ve Spojených státech směřuje do výzkumu fúze mnohem více vládních finančních prostředků a velkých výzkumných programů. V USA se realizuje 90 procent všech soukromých investic. Doufejme, že bude více prostředků na výzkum přicházet i na starý kontinent.
Zdroj: Daily Mail, Marvel Fusion
8 foto
video