A lézeres villanások meggyújtják a napsütést

Frissítve: 19/19/19 - 17:33

A vákuumkamra átmérője tíz méter.

A kutatók a magfúziót akarják felhasználni éghajlat-semleges energia előállítására. Azonban még hosszú út áll előttünk, amíg felhasználható lesz villamos energia előállítására. A projekt kritikusai úgy vélik, hogy a látszólagos érdeklődés pusztán katonai.

Falk Dambowsky-tól

A kutatók koncentráltan ülnek a képernyők előtt. Egy utolsó pillantás a kijelzőkre, és azt mondja: gyújtás. A világ legnagyobb lézergépe elkezd működni. Egy apró lézerimpulzus az erősítőkön keresztül hatalmas lézerhullámot képez, amely minden oldalról egy tíz méter magas acélgömb közepébe sugárzik. Ott, egy vákuumban, a kötegelt energia egy apró hidrogéngömböt ér és az ólomsűrűség 20-szorosára sűríti. A cél: A hidrogénmagoknak össze kell olvadniuk, hogy héliumot képezzenek - és közben bőségesen adják ki az energiát.

A római Szent Péter teret kitöltő hatalmas lézerkísérlet 2009 óta zajlik a kaliforniai Livermore nyugodt részén. A National Ignition Facility (NIF) építése, amelynek építése 3,5 milliárd dollárba került, a lézerfúziós kutatások mekkája. Itt a tudósok nemrégiben szabadjára engedték a világ legerősebb lézerlövését. 500 billió watt csúcsteljesítménnyel, ezerszer több energiával, mint amennyire az USA-nak egy másodperc alatt szüksége van, elérték eddigi kutatásaik csúcsát. "A lézer most már teljesen működőképes, csakúgy, mint 20 évvel ezelőtt tervezték" - jelentette ki büszkén Ed Moses, a NIF vezetője.

A két milliméter átmérőjű, pontosan gömbbé formázott fagyasztott hidrogénatomokat mindössze kilenc milliméteres üreges arany égőkamrába helyezzük. Az óriás lézer segítségével a hidrogént addig kell összenyomni az égéstérben, amíg az 100 millió fokos hőmérsékleten meg nem gyullad és összeolvad, így nehezebb héliumatomokat képez.

A fúzió, mint az atomok étrendje

A NIF nukleáris kutatói jelenleg egy továbbfejlesztett módszeren dolgoznak: a gyors gyújtáson. Az UV lézerfényt mindkét oldalról az arany üreges hengerbe lövik. A belső fal felmelegszik és intenzív röntgenné alakítja a lézerfényt. Az apró henger belsejében a röntgensugarak összenyomják a hidrogén kapszulát. A folyamat sebességének bemutatásához nem elegendő lassú mozgás: a lézer fókuszban lévő hidrogént csak 10 milliárd másodperc alatt forró plazmává préselik össze. "További rövid impulzusú lézerek ebben a pillanatban meggyújthatják a fúziós tűz szikráját egy sűrített üzemanyag-gömbben" - mondta Andreas Kemp fizikus, a Spektrum der Wissenschaft folyóirat gyors gyulladásának magyarázatával. Egyike azon kevés német tudósoknak, akik részt vesznek a NIF projektben.

Ha a fúzió sikeres, a hidrogénatomok párban összeolvadva héliumot képeznek. Olyan ez, mint az atomok diétázása. Tömeget veszít, ami energiává alakul, Einstein képlete szerint: E = mc2. Egy gramm fúziós üzemanyag 12,3 tonna kőszén energiáját tartalmazza. "A csillagtüzet bevisszük a laboratóriumba" - lelkesedik Ed Moses. Kollégája, Riccardo Betti, a Rochesteri Egyetem (New York) Fúziós Tudományos Központjának igazgatója lelkesen mondja: "Számomra a lézer a projekt sztárja." A gyors gyújtást jövőre először tesztelni kell.

Bármennyire eufórikus a tudósok hangulata, a villamosenergia-termelés korai felhasználásának kilátásai elnémultak. Az apró gömbökön lövöldözős óriás lézer koncepciójának folyamatos rutinszerű működésbe történő átültetésének akadályai még mindig túl nagyok. Az erőmű keresett elve nem hangzik túl forradalmian: A magfúzió hőt bocsát ki, amelyet turbinák segítségével villamos energiává kell átalakítani.

"A lézerfúziós reaktor számára a legnagyobb kihívás az implozíciók nagy ismétlődési aránya, amelyre a kereskedelmi használatra lenne szükség" - mondja Kemp. „Szükség lenne másodpercenként tíz üzemanyag-kapszulára, vagy napi egymillióra.” Összehasonlításképpen: A NIF-nek még mindig körülbelül hat órás indítási időre van szüksége egyetlen lézerfelvételhez. Ezenkívül még nem tisztázták kellőképpen azt, hogy miként lehet hatékonyan megragadni azokat a rendkívül nagy energiájú neutronokat, amelyek a magfúzió eredményeként fordulnak elő. És az elégséges üzemanyag-termelés kérdése is problémát jelent.

"A lézerfúziós kutatás iránti felszínes érdeklődés pusztán katonai jellegű" - mondják a projekt kritikusai, például Wolfgang Liebert fizikus, a Tarmai Dunami TU tudományos, technológiai és biztonsági interdiszciplináris munkacsoportjának (Ianus) szóvivője. "A két milliméteres hidrogéngömb összenyomásával és összeolvasztásával készített lézeres lövés olyan, mint egy minibomba a laboratóriumban."

Forró hidrogén-plazma, mint verseny

Valójában a NIF felépítését katonailag finanszírozzák és motiválják. A projektet az Egyesült Államok Nemzeti Atomenergia Ügynöksége irányítja. Az egyik nem csak a magfúzió polgári felhasználását vizsgálja. "A NIF kutatói a hidrogénbomba robbanásában részt vevő fizikai folyamatokat is jobban meg akarják érteni" - mondja Liebert. 1963. augusztus 5. óta nemzetközi megállapodás van érvényben az atomfegyver-kísérletek leállításáról. Ennek eredményeként az amerikai kutatók alternatívákat kerestek atomfegyvertechnológiájuk továbbfejlesztésére. Így illő volt, hogy Theodore Maiman amerikai fizikus még 1960-ban feltalálta az első lézert. Azóta a kaliforniai Lawrence Livermore Nemzeti Laboratórium (LLNL) tudósai, amelyekbe most már beletartozik a NIF is, azon dolgoznak, hogy miniatürizálni lehessen az atombombateszteket lézerek segítségével. 1972-ben John Nuckolls amerikai fizikus és munkatársai először tették nyilvánossá ötleteiket a lézeres magfúzióval kapcsolatban, rámutatva a polgári felhasználás perspektívájára. A katonai kutatás és a polgári motiváció párosítása a mai napig megmaradt.

Franciaországban, Bordeaux közelében, épül a Laser Mégajoule (LMJ), amely olyan erős rendszer, mint az amerikai NIF. A legnagyobb versenyt az amerikai lézerfúzióért azonban más koncepcióval rendelkező kutató kollégák jelentik. A legtöbb tudós által preferált alternatív fúziós módszer szerint a forró hidrogén-plazmát erős mágneses mezőkbe zárják.

A laboratóriumban az első magfúziót már 1991-ben elérték a Joint European Torus (JET) segítségével. Az úgynevezett tokamak technológia következő generációja, a Nemzetközi Termonukleáris Kísérleti Reaktor (Iter) jelenleg a dél-franciaországi Cadarache-ban épül. A mamutprojektnek, amelynek költségeit körülbelül 15 milliárd euróra becsülik, 2026-tól először annyi fúziós energiát kell előállítania, mint amennyi a plazma fűtéséhez szükséges. A kisebb Wendelstein 7-X tesztreaktor a tervek szerint már 2014-ben üzembe áll Greifswaldban.

Az akadályok és tudományos kollégáik elkötelezett versengése ellenére a festői San Francisco-öböl Livermore-i NIF-kutatói továbbra is magabiztosak: "Tizenkét éven belül a lézerfúzió első meggyulladása után kísérleti erőmű működhet" - mondta az egyik. Az LNLL tanulmánya. A gyújtásnak jövőre sikerülhet.