Βομβαρδίζοντας με φως ένα «μπιζέλι» υδρογόνου, οι επιστήμονες κατάφεραν να απελευθερώσουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας
Είναι ο πιο παλιός καημός του ανθρώπου: να κλέψει το μυστικό του
Ηλιου ώστε να πάρει στα χέρια του τη ζωογόνο ενέργειά του. Υπέρτατος
εγωισμός, που έγινε όμως ζωτική ανάγκη στα χρόνια μας, με τα αυξανόμενα
δισεκατομμύρια των κατοίκων της Γης να ζητούν όλο και περισσότερη
ενέργεια. Μια ενέργεια που μόνο «καθαρή» δεν είναι ως τώρα, καθώς
εξαιτίας της το χώμα βάφεται κόκκινο και ο ουρανός μας μαύρος. Ομως από
αυτόν τον Σεπτέμβρη κάτι άλλαξε. Κάτι που υπόσχεται ατέλειωτη ενέργεια
για όλους, άρα ευημερία και - γιατί όχι; - ειρήνη. Κάτι που έχει να
κάνει με το σκάσιμο μιας φουσκίτσας υδρογόνου, ίσης με μπιζέλι. Γιατί,
ποιος είπε ότι μόνο «το πέταγμα μιας πεταλούδας στον Αμαζόνιο μπορεί να
ταράξει όλον τον πλανήτη»;Γεφυρώνοντας το πολύ μακρινό χθες με το σήμερα, ας πούμε ότι ο θείος-Προμηθέας πέρασε χθες απ' το σπίτι και τον κρατήσαμε για φαγητό. Αφού «την τύλωσε» για τα καλά και έφτασε στο τσακίρ κέφι με το εφετινό μπρούσκο κρασί, έσκυψε συνωμοτικά και ψιθύρισε: «Τώρα, θα σας αποκαλύψω το μυστικό του Ηλιου». Κι άρχισε να λέει μια παράξενη συνταγή για να βγάζουμε, εδώ στη Γη, τη λάμψη και την ενέργεια που βγάζει ο Ηλιος, με τον τρόπο που το κάνει και εκείνος.
«Ξεκινάς», είπε, «με λίγο θαλασσινό νερό. Απ' αυτό βγάζεις δύο πυρήνες υδρογόνου, που διαφέρουν ελάχιστα μεταξύ τους. Ο πρώτος λέγεται δευτέριο και έχει ένα νετρόνιο και ένα πρωτόνιο, ενώ ο άλλος λέγεται τρίτιο και έχει δύο νετρόνια και ένα πρωτόνιο. Παίρνεις αυτά τα δύο και τα πήζεις σε φωτιά, ώσπου γίνονται ένα. Αυτό που προκύπτει από τη σύντηξη είναι ένας βαρύτερος πυρήνας, που τον λένε ήλιο και έχει δύο νετρόνια και δύο πρωτόνια. Ο πυρήνας του ηλίου όμως έχει ελάχιστα μικρότερη μάζα από το άθροισμα των μαζών των δύο πυρήνων υδρογόνου που είχαμε. Τι έγινε η διαφορά; Ενέργεια! Ενέργεια που στην αρχή είναι κινητική, αλλά μετατρέπεται αμέσως σε θερμική μόλις ο πυρήνας του ηλίου και το περισσευούμενο νετρόνιο πέσουν αφηνιασμένα σε ό,τι είναι τριγύρω τους και αρχίσουν τα τρακαρίσματα. Πόση είναι αυτή η ενέργεια που εκλύεται; Από δέκα ως 100 φορές περισσότερη απ' όση χρειάζεται για τη σύντηξη. Και... σκεφτείτε ότι από 600 κιλά θαλασσινό νερό - μα τον Ποσειδώνα - βγάζεις την ενέργεια που θα σου έδινε το κάψιμο δύο εκατομμυρίων τόνων κάρβουνου!».
Με τα λόγια αυτά, ο θείος-Προμηθέας αποκοιμήθηκε. Θα μας εξηγούσε ίσως τα περίεργα που είπε το πρωί, ξεμέθυστος. Το ίδιο βράδυ όμως κάποιοι «άνδρες με τα μαύρα» τον απήγαγαν και χάθηκαν τα ίχνη του. Υστερα από χρόνια, ακούστηκε ότι βρισκόταν κάπου στον Καύκασο.
Αριστερά ο προς εξαΰλωση κόκκος και δεξιά ο θαλαμίσκος βομβαρδισμού του
Από τη σχάση στη σύντηξη
Οι χιλιετίες κύλησαν χωρίς ποτέ να μαθευτεί η εξήγηση. Ωσπου, στις αρχές του 20ού αιώνα, ο Αϊνστάιν δικαίωσε μαθηματικά τον θείο: E=mc², άρα η μάζα που «χάνεται» όντως γίνεται ενέργεια.
Οι άνθρωποι πήραν την εξίσωση του Αϊνστάιν και την έβαλαν στην πράξη, αλλά είχαν ξεχάσει ότι η συνταγή μιλούσε για σύντηξη και έφτασαν στη σχάση. Εφτιαξαν έτσι βόμβες και πυρηνικούς σταθμούς, σπάζοντας πυρήνες ραδιενεργών στοιχείων, όπως το ουράνιο και το πλουτώνιο, και γεμίζοντας τον πλανήτη με ραδιενεργά απόβλητα που δεν λένε να «σβήσουν». Κάποιοι θυμήθηκαν ότι η σύντηξη μιλούσε για απλό νεράκι και καθόλου βλαβερά απόβλητα, αλλά πώς μπορούσε να επιτευχθεί;
Το πρώτο διστακτικό βήμα στην κατεύθυνση της σύντηξης έγινε στα τέλη της δεκαετίας του '40, όταν κατάφεραν να ελέγξουν το πλάσμα, δηλαδή καυτό μείγμα από ιόντα και ελεύθερα ηλεκτρόνια, χρησιμοποιώντας μαγνητικά πεδία. Είδαν ότι ανεβάζοντας τη θερμοκρασία του πλάσματος στα 100 έως και 300 εκατομμύρια βαθμούς Κέλβιν μπορούσαν να συντήξουν θετικά φορτισμένους πυρήνες δευτερίου με πυρήνες τριτίου και να προκύψει ήλιο. Αλλά η ενέργεια που ξόδευαν γι' αυτή τη σύντηξη ήταν πολύ μεγαλύτερη απ' όση έπαιρναν στο τέλος.
Στη δεκαετία του '70 η εφεύρεση του λέιζερ - της εκπομπής φωτονίων σε ριπή ίδιας συχνότητας- αιχμαλώτισε τη σκέψη των ερευνητών της σύντηξης και άρχισαν τα πειράματα: Εστίασαν ισχυρές δέσμες ακτίνων λέιζερ σε ένα σφαιρίδιο που εμπεριείχε ως «καύσιμο» μικρογραμμάρια δευτερίου και τριτίου, κάνοντάς το να υπερθερμανθεί απότομα. Ακολουθώντας πιστά τον Τρίτο Νόμο του Νεύτωνα (κάθε δράση προκαλεί ίση και αντίρροπη αντίδραση), το εξωτερικό περίβλημα του στόχου εξερράγη, ενώ το υπόλοιπο τμήμα του ενερράγη προς τα μέσα, προξενώντας αιφνίδια και τεράστια συμπίεση στο περιεχόμενο καύσιμο. Αυτή η εσωτερική συμπίεση υπερθέρμανε το καύσιμο «ως την καρδιά του», όπου προξένησε μια αυτοσυντήρητη καύση, γνωστή ως ανάφλεξη. Η θερμοπυρηνική αυτή ανάφλεξη μεταδόθηκε αστραπιαία στο εξώτερο τμήμα του καυσίμου, παράγοντας ενέργεια πολλαπλάσια από τη χρησιμοποιηθείσα για να «ανάψουν» τα λέιζερ. Αρα, η συνταγή του Προμηθέα έστεκε!
Ο μαραθώνιος του «γήινου Ηλιου»
Οι επιστήμονες λοιπόν γνωρίζουν πλέον ότι η σύντηξη δουλεύει και ότι σίγουρα κάποια μέρα θα μπορούσαμε να καλύψουμε με εργοστάσια πυρηνικής σύντηξης τις ενεργειακές ανάγκες του πλανήτη. Για να φτάσει αυτή όμως η πολυπόθητη ημέρα έπρεπε αφενός να βρεθεί ο καλύτερος τρόπος για να παίρνουμε τη μέγιστη απόδοση ενέργειας, αφετέρου να βρούμε τον τρόπο να ελέγχουμε τη σύντηξη σε βαθμό που να επιτρέπει τη συνεχή επανάληψή της.
Για την επίτευξη αυτής της καθαρής και ανεξάντλητης ενέργειας επακολούθησε ένα αγώνας δρόμου μεταξύ σχεδόν όλων των τεχνολογικά προηγμένων χωρών. Προτάθηκαν διάφορες μέθοδοι, όμως το κόστος υλοποίησης όλων ήταν τεράστιο. Ετσι, σταδιακά, τα επί μέρους ερευνητικά ινστιτούτα σύντηξης άρχισαν να συνεργάζονται μεταξύ τους και να συνασπίζονται σε πολυεθνικά κονσόρτσια, που έχουν φτάσει πια τα οκτώ σε αριθμό (DEMO, HiPER, IFMIF, ITER, JET, LLE, LMJ, Wendestein 7-X). Το πιο γνωστό σε εμάς τους Ευρωπαίους είναι το ΙΤΕR, που χτίζεται κοντά στην Aix-en-Provence της Νότιας Γαλλίας. Ωστόσο, στην Καλιφόρνια των ΗΠΑ, το Lawrence Livermore National Laboratory έστησε πολύ πιο γρήγορα τον δικό του ερευνητικό σταθμό - τον National Ignition Facility (ΝIF) - και εφέτος τον Σεπτέμβριο έκανε ένα σαρωτικό άλμα προόδου.
Το στοίχημα του NIF
Το διάγραμμα των εγκαταστάσεων του κτιρίου του NIF
Η απόφαση να χτιστεί το NIF ελήφθη το 1994, χρονιά κατά την οποία ο Ψυχρός Πόλεμος τελείωνε και οι σχεδιαστές πυρηνικών όπλων έβλεπαν να διαγράφεται εμπρός τους το φάσμα της ανεργίας. Ετσι, μολονότι η απόφαση ανήκε πολιτικά στο υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ, τα κονδύλια δόθηκαν από την Επιτροπή Ελέγχου Πυρηνικών Αποθεμάτων του υπουργείου Αμυνας και τα διευθυντικά στελέχη του NIF αποσπάστηκαν από τα προγράμματα του Πενταγώνου. Αυτή η περίεργη υιοθεσία στάθηκε πηγή πολλών διαχειριστικών δεινών στο όλο έργο και διακινδύνευσε πολλές φορές την υπόστασή του. Χαρακτηριστικό είναι ότι ξεκίνησε με προϋπολογισμό 900 εκατ. δολαρίων και στόχο αποπεράτωσης το 2002, για να καταλήξει να ολοκληρωθεί το 2009, με κόστος 3,5 δισ. δολαρίων (σχεδόν τετραπλάσιο). Αλλά γιατί, εν τέλει, είναι τόσο ακριβό το να φτιάξεις έναν ερευνητικό σταθμό πυρηνικής σύντηξης;
Αν πάει κανείς κατευθείαν στον τεθωρακισμένο σφαιρικό «θάλαμο του στόχου», όπου επιτελείται η ανάφλεξη, θα δει μια διάταξη που θυμίζει... τα κάτοπτρα του Αρχιμήδη: 192 φακοί ακτίνων λέιζερ, σε παραβολική διάταξη, στοχεύουν το άμοιρο σφαιρίδιο διαμέτρου μόλις δύο χιλιοστών, που εμπεριέχει τα δύο είδη υδρογόνου και είναι κατεψυγμένο στους 18 βαθμούς Κέλβιν. Για να φτάσει όμως κάποιος σε αυτόν τον θάλαμο προηγείται ένα κτίριο μεγέθους τριών γηπέδων αμερικανικού ποδοσφαίρου και ύψους δέκα ορόφων, που εμπεριέχει τον μεγαλύτερο οπτικό μηχανισμό του πλανήτη και, συνάμα, την ισχυρότερη εγκατάσταση λέιζερ.
Φως εκ φωτός
Ο λόγος για τον οποίο προαπαιτείται όλος αυτός ο εξοπλισμός έχει να κάνει με το ζητούμενο της μέγιστης θερμοκρασίας που προκύπτει από έναν ομογενή βομβαρδισμό του σφαιριδίου με ακτίνες. Επειτα από δεκαετίες δοκιμών, οι επιστήμονες του NIF κατέληξαν στην εξής διάταξη: Ολα αρχίζουν με μια αρχική πηγή ακτίνων λέιζερ, που ενισχύεται με υπέρυθρο φως παραγόμενο από ένα λέιζερ υττερβίου. Στη συνέχεια το φως διαμοιράζεται σε 48 οδούς και περνάει μέσα από ενισχυτές νεοδυμίου, που ανεβάζουν τα αρχικά nanojoules φωτός σε περίπου 6 Joules. Επειτα ανάβουν ταυτόχρονα 7.680 λάμπες xenon, που τροφοδοτούνται με 422 MJ (megajoules) αποθηκευμένα σε πυκνωτές. Καθώς οι ακτίνες περνούν μπροστά από τις λάμπες, η ενέργειά τους ενισχύεται από τα 6 Joules στα 4 MJ, μέσα σε ελάχιστα δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου. Επειτα από αυτή την τελική ενίσχυση το φως κατευθύνεται προς τον διαμέτρου 10 μέτρων θάλαμο του στόχου. Αλλά προτού καταλήξουν στους φακούς, περνούν από χωρικά φίλτρα, δηλαδή μικρά τηλεσκόπια που εστιάζουν τις δέσμες ακτίνων ώστε να είναι πλέον απολύτως ομοιόμορφες, και κάτοπτρα που τα οδηγούν στους φακούς. Το τελευταίο πράγμα που τους συμβαίνει προτού φτάσουν στους φακούς είναι ότι περνούν από έναν μετατροπέα συχνότητας. Ο λόγος είναι ότι το ως εκεί φως ήταν υπέρυθρο (1053 nm), το οποίο δυστυχώς «φρενάρει» όταν συναντά καυτά ηλεκτρόνια. Ετσι, ο μετατροπέας φροντίζει το τελικό φως που θα βομβαρδίσει το σφαιρίδιο να είναι υπεριώδες (351 nm). Από τη διαδικασία αυτής της μετατροπής υπάρχει μεγάλη απώλεια ενέργειας και η τελική ενέργεια του βομβαρδισμού καταλήγει να είναι μόλις 1,8 MJ. Είναι όμως η πρέπουσα, καθώς καταφέρνει μέσα σε πέντε δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου να ανεβάσει τη θερμοκρασία του σφαιριδίου στους 100 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου (καυτότερο από την καρδιά του Ηλιου!)
Αν το πολυδαίδαλο οπτικό σύστημα είναι το κύριο κλειδί επιτυχίας του NIF, δεν πρέπει να παραβλέψουμε το κόλπο που υιοθέτησε για να διασφαλίσει την ανάφλεξη του στόχου: Ναι μεν το κάθε σφαιρίδιο είναι τέλεια κατασκευασμένο από σιλικόνη, ώστε να είναι ολοστρόγγυλο και ομοιογενές (και κοστίζει γι' αυτό 40.000 δολάρια το ένα!), αλλά το NIF προτίμησε να διασφαλίσει την ανάφλεξη με τον εγκιβωτισμό του σε έναν κοίλο επιχρυσωμένο κύλινδρο, που τον ονομάζουν hohlraum (γερμανιστί, κοίλος θάλαμος).
Οι τέσσερις φάσεις τη μετατροπής της ύλης σε ενέργεια
Η επιτυχία και τα προσεχώς
Την πρώτη εβδομάδα του Σεπτεμβρίου το NIF ανακοίνωσε ότι πέτυχε την πολυπόθητη σύντηξη με έκλυση ενέργειας μεγαλύτερη από τη δαπανηθείσα. Συγκεκριμένα, ξόδεψε 500 terawatt (περισσότερη ενέργεια απ' όση κατανάλωναν εκείνη τη στιγμή όλοι μαζί οι Αμερικανοί) αλλά η ενέργεια που βγήκε από το σφαιρίδιο του υδρογόνου ισοδυναμούσε με την κατανάλωση ενέργειας - στον ίδιο χρόνο κλάσματος του δευτερολέπτου - όλου του πλανήτη!
H ανακοίνωση έκανε επιστήμονες και κρατικούς ιθύνοντες να αγαλλιάσουν. Ηταν τόσο σημαντικό το επίτευγμα ώστε Βρετανία και Ισπανία έσπευσαν αμέσως να υπογράψουν μνημόνια συνεργασίας με το NIF. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι επίκειται άμεσα η παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος από εργοστάσια σύντηξης. Για να είναι οικονομικά αποδοτικός ένας σταθμός σύντηξης θα πρέπει να παράγει ενέργεια τουλάχιστον δεκαπλάσια εκείνης που εναποθηκεύεται στους πυκνωτές του σταθμού (που, θυμίζουμε, είναι 422 ΜJ στην περίπτωση του NIF), και αυτή αδιάλειπτα. Αλλά η φόρτιση των πυκνωτών είναι προς το παρόν εφικτή κάθε πέντε ώρες, πολύ μακράν των δέκα συντήξεων ανά δευτερόλεπτο που απαιτεί η αδιάλειπτη λειτουργία. Οπότε, ετοιμάζουν τώρα έναν νέο τύπο λέιζερ, που θα επιτρέπει την επανάληψη του βομβαρδισμού 10 με 15 φορές ανά δευτερόλεπτο, και ρομποτικές διατάξεις που θα επιτρέπουν τη στόχευση σε σφαιρίδια που παίρνουν τη θέση τους το ένα μετά το άλλο. Η πρόβλεψη για τα πρώτα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας από σύντηξη παραμένει, προς το παρόν, στον ορίζοντα του 2040 μ.Χ.
Εν τω μεταξύ, δεν μπορούμε να παραγνωρίζουμε και τον αντίλογο που προβάλλεται για το όλο θέμα της σύντηξης: Οτι η χρηματοδότηση των ερευνών σε αυτόν τον τομέα στερεί τους πόρους που θα μπορούσαν να απογειώσουν τις άλλες ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ή ότι κύριος μέτοχος της έρευνας στη σύντηξη είναι η πολεμική βιομηχανία, που θέλει να αποκτήσει ακόμη πιο καταστροφικές βόμβες. Αλλά, όταν ρωτούν σχετικά τον υποδιευθυντή του NIF, Ed Moses, εκείνος χαμογελά αφοπλιστικά: «Τι μου λέτε; Πρόκειται για επιστήμη που θα σώσει ζωές. Μια πισίνα νερό θα αρκεί για να ηλεκτροδοτήσει όλη την Καλιφόρνια. Και ένα κυβικό χιλιόμετρο θάλασσας θα ισοδυναμεί με όλα τα αποθέματα υδρογονανθράκων του πλανήτη!» ΠΗΓΗ:www.tovima.gr
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου