Maszyna 'głupia' obiecująca przełom w czystej energii

„Pamiętam, że kilka osób powiedziało, że miejsce, w którym Proxima jest dziś, było niemożliwe,” mówi Francesco Sciortino, współzałożyciel i CEO Proxima Fusion.

Bycie oskarżonym o próbę niemożliwego jest niecodzienne dla naukowców i inżynierów pracujących nad projektami fuzji jądrowej na całym świecie.

W końcu próbują oni uchwycić, na Ziemi, reakcję, która napędza Słońce.

Sukces mógłby oznaczać obfite, tanie i wolne od emisji elektryczność. Ale wyzwania są przerażające i działające elektrownie pozostają daleko w przyszłości.

Fuzja to proces łączenia jąder wodoru, który uwalnia ogromne ilości energii.

Na Słońcu ogromne siły grawitacyjne pomagają utrzymać reakcję.

Aby utrzymać fuzję tutaj na Ziemi, potrzebne są ekstremalnie wysokie temperatury – wiele razy wyższe niż na Słońcu.

Tak więc paliwo (zwykle kombinacja izotopów wodoru tritonu i deuteru) jest podgrzewane, aż staje się palącym, gorącym plazmą, którą następnie trzeba kontrolować i manipulować, aby wywołać fuzję.

Istnieje wiele sposobów na to, a Proxima Fusion z Niemiec próbuje jednej, która jest uważana za trudną, nawet według ekstremalnych standardów przemysłu fuzji.

Popularnym podejściem do fuzji jest budowa tokamaku. To urządzenie w kształcie torusa, które używa potężnych magnesów do utrzymania plazmy.

Ale Proxima z Monachium pracuje nad stellaratorem. Również używa magnesów do manipulacji plazmą, ale pojemnik reakcji ma bardziej skomplikowany kształt, z zakrętami i skrętami, co sprawia, że jest znacznie trudniejsze i droższe do zbudowania.

Więc dlaczego podążać tą torturową ścieżką?

Cóż, jeśli projekt zadziała, zakręty i skręty stellaratora sprawiają, że paląca, gorąca plazma jest łatwiejsza do kontrolowania niż w konkurencyjnym projekcie tokamaku, mówi Sciortino.

Porównując dwa systemy, mówi, tokamak to „bestia”, a stellarator to „mały kot”.

„Stellarator to rzecz, która obiektywnie jest bardzo trudna do zaprojektowania, obiektywnie bardzo trudna do zbudowania. Ale jeśli to zrobisz, to jest głupie urządzenie... tak jak mikrofalówka,” mówi Sciortino.

„Głupie urządzenie” Proxima będzie stellarator o nazwie Alpha. Będzie korzystać z dziesięcioleci pracy wykonanej przez Max Planck Institute for Plasma Physics w Niemczech i jego stellaratora W7-X.

Celem Alpha jest wyprodukowanie więcej energii niż zużywa do działania, a zdobyte lekcje pomagają w projektowaniu jeszcze bardziej zaawansowanego urządzenia – elektrowni fuzji, nazwanego Stellaris.

Ale najpierw Alpha będzie potrzebować dużych inwestycji, które są obecnie zbierane. Proxima niedawno wygrała 400 mln € (340 mln £; 460 mln $) od stanu Bawarii i ubiega się o ponad miliard dolarów finansowania od rządu federalnego – decyzja oczekiwana jest w przyszłym roku.

Proxima rywalizuje z innymi grupami rozwijającymi technologię fuzji – 53 według Fusion Industry Association (FIA), która reprezentuje przemysł fuzji i śledzi rozwój.

Jednym z projektów korzystających z podejścia tokamaku jest UK-based Step (Spherical Tokamak for Energy Production).

Wspierany przez rząd UK, plan jest zbudować prototyp elektrowni na terenie dawnej elektrowni węglowej w West Burton, Yorkshire.

„Tokamaki mają przewagę głębokiej bazy eksperymentalnej zbudowanej przez dziesięciolecia. Pokazały wydajność plazmy bliższą temu, co jest wymagane dla elektrowni fuzji, w tym operację z paliwem fuzji,” mówi Ryan Ramsey, dyrektor Organisational Performance w Step i dawny kapitan podwodnej rakietowej HMS Turbulent.

A w tym rodzaju fuzji drogie i potężne magnesy powinny być stosunkowo proste do zbudowania.

„[Tokamaki] korzystają z porównywalnie prostszej geometrii magnetycznej, z mniejszą liczbą i bardziej regularnymi cewkami. Ma to realne implikacje dla produkcyjności, utrzymania i kosztów,” mówi Ramsey.

Sciortino jest dobrze świadomy wyzwań przed Proxima. „Traci sen” nad tym, czy Proxima będzie w stanie zbudować magnesy, z ich skomplikowanymi kształtami, z prędkością i kosztem, które uczynią stellarator ekonomiczną propozycją.

„Pierwszy magnes, który zrobimy, będzie bardzo skomplikowany i bardzo drogi. Ale czy możemy go zrobić szybciej niż ludzie byliby oczekiwali, i czy możemy obniżyć koszt?” pyta Sciortini.

W ich obronie jest niemiecka ekspertyza w produkcji. Na przykład Sciortino cytuje imponującą liczbę pracowników, którzy mogą obsługiwać maszyny CNC – rodzaj maszyny sterowanej komputerowo, która może cięć, rzeźbić lub kształtować materiały, w tym drewno, metal lub plastik.

Sciortino szacuje, że w Niemczech jest 550 000 operatorów CNC, w porównaniu z 350 000 w całych USA.

To ma znaczenie dla Proxima, która używa bardzo drogiego rodzaju stali w swoich magnesach, które potrzebują obróbki do wysokiego poziomu precyzji.

Utrzymując wysokie poziomy precyzji, utrzymanie tempa rozwoju jest kluczowe dla Sciortino.

W7-X zajęło ponad dekadę, aby działać – on chce, aby Alpha była operacyjna w jednej trzeciej tego czasu.

Tak więc prototyp cewki magnetycznej jest w budowie, a plan jest, aby przetestować ją w przyszłym roku.

Jej skręcona geometria czyni ją jednym z najbardziej złożonych magnesów na świecie, według Proxima.

Po zakończeniu testów Proxima zbuduje 40 kolejnych cewek magnetycznych, które wejdą do jej maszyny Alpha.

Aby to zrobić, fabryka magnesów jest w wczesnych etapach budowy.

„W 2028, 2029 musimy być w stanie produkować magnesy w szalonym, szalonym tempie,” mówi Sciortino.

Praca nie odbywa się tylko w Niemczech. Sciortino mówi, że w całej Europie są kluczowi dostawcy, co oznacza, że Europa może być na czele przyszłego przemysłu fuzji.

„[My, Europejczycy] przegapili falę cyfrową, nie tak? Ale okazuje się, że wciąż mamy ludzi szkolonych w produkcji,” mówi.

W Step Ramsey podkreśla, że przemysł fuzji jest już daleko poza eksperymentem fizycznym.

„Jest prawdziwy impet w fuzji teraz, i powinno to być postrzegane jako siła, a nie coś, co dzieli. To nie jest pojedyncza ścieżka wyścigu, to zestaw podejść eksplorujących różne kompromisy. Prawdziwe pytanie teraz nie jest, który koncept jest najbardziej interesujący, ale który może wiarygodnie dostarczyć elektrownię.”