Laserové záblesky zapaľujú vedomosti o slnečnom ohni

Aktualizované: 19. 1. - 17:33

Vákuová komora má priemer desať metrov.

Vedci chcú pomocou jadrovej fúzie vyrábať klimaticky neutrálnu energiu. Je to však ešte dlhá cesta, kým sa bude dať použiť na výrobu elektriny. Kritici projektu sa domnievajú, že zdanlivý záujem je čisto vojenský.

Od Falk Dambowsky

Vedci sedia sústredení pred obrazovkami. Posledný pohľad na displeje, na ktorom sa píše: zapaľovanie. Najväčší laserový stroj na svete začína pracovať. Malý laserový impulz kmitá cez zosilňovače a vytvára obrovskú laserovú vlnu, ktorá vyžaruje zo všetkých strán do stredu desať metrov vysokej oceľovej gule. Tam vo vákuu zasiahne zoskupená energia malú guľu vodíka a stlačí ju na 20-násobok hustoty olova. Cieľ: Vodíkové jadrá by sa mali spojiť a vytvoriť hélium - a pritom by mali vydávať dostatok energie.

Obrovský laserový experiment, ktorý by zaplnil Námestie svätého Petra v Ríme, sa od roku 2009 nachádza v pokojnom kalifornskom Livermore. Mekkou pre výskum laserovej fúzie je Národný zapaľovač (NIF), ktorého výstavba stála 3,5 miliardy dolárov. Vedci tu nedávno rozpútali najsilnejší laserový výstrel na svete. S maximálnym výkonom 500 biliónov wattov, tisíckrát viac energie, ako USA potrebujú za jednu sekundu, dosiahli vrchol svojho doterajšieho výskumu. „Laser je teraz plne funkčný, rovnako ako to bolo plánované pred 20 rokmi,“ hrdo oznámil Ed Moses, šéf NIF.

Zmrazené atómy vodíka, presne vytvarované do guľôčok s priemerom dva milimetre, sú umiestnené v dutej spaľovacej komore so zlatom s rozmermi iba deväť milimetrov. Pomocou obrovského laseru sa má vodík stlačiť v spaľovacej komore, kým sa pri teplote 100 miliónov stupňov nezapáli a nezapadne do vzniku ťažších atómov hélia.

Fúzia ako diéta pre atómy

Jadroví vedci z NIF v súčasnosti pracujú na zdokonalenej metóde: rýchlom vznietení. UV laserové svetlo je strieľané do zlatého dutého valca z oboch strán. Vnútorná stena sa zahrieva a prevádza laserové svetlo na intenzívne röntgenové lúče. Vo vnútri malého valca röntgenové lúče stláčajú vodíkovú kapsulu. Na preukázanie rýchlosti tohto procesu nestačí žiadny spomalený pohyb: vodík v laserovom ohnisku je stlačený na horúcu plazmu iba za 100 milióntin sekundy, 10 pikosekúnd. „Dodatočné lasery s krátkym impulzom by v tejto chvíli mohli zapáliť iskru fúzneho ohňa v globule stlačeného paliva,“ vysvetlil fyzik Andreas Kemp rýchle zapálenie v časopise Spektrum der Wissenschaft. Je jedným z mála nemeckých vedcov zapojených do projektu NIF.

Ak je fúzia úspešná, atómy vodíka splynú v pároch a vytvoria hélium. Je to ako diéta pre atómy. Stratíte hmotu, ktorá sa zmení na energiu podľa Einsteinovho vzorca: E = mc2. Jeden gram fúzneho paliva obsahuje energiu 12,3 t čierneho uhlia. "Prinášame hviezdny oheň do laboratória," nadchýna sa Ed Moses. A jeho kolega Riccardo Betti, riaditeľ Fusion Science Center na University of Rochester (New York), hovorí nadšene: „Pre mňa je laser hviezdou projektu.“ Rýchle zapaľovanie sa má prvýkrát vyskúšať v budúcom roku.

Rovnako ako euforická nálada medzi vedcami je v súčasnosti, vyhliadky na skoré použitie na výrobu elektriny sú tlmené. Prekážky v prenose konceptu obrovského laserového snímania v malých sférach do nepretržitej rutinnej prevádzky sú stále príliš veľké. Hľadaný princíp elektrárne neznie veľmi revolučne: Jadrová fúzia uvoľňuje teplo, ktoré sa má pomocou turbín premieňať na elektrinu.

„Najväčšou výzvou pre laserový fúzny reaktor je vysoká miera opakovania implózií, ktorá by bola potrebná na komerčné použitie,“ hovorí Kemp. „Bolo by potrebných desať palivových kapsúl za sekundu alebo jeden milión denne.“ Pre porovnanie: NIF potrebuje na spustenie jedného laserového výstrelu zhruba šesť hodín štartovacieho času. Okrem toho ešte nie je dostatočne objasnené, ako je možné efektívne zachytiť mimoriadne vysokoenergetické neutróny, ktoré sa vyskytujú ako produkt jadrovej fúzie. A problémom je tiež otázka dostatočnej výroby paliva.

„Povrchný záujem o výskum laserovej fúzie je čisto vojenský,“ tvrdia kritici projektu, ako napríklad fyzik Wolfgang Liebert, hovorca interdisciplinárnej pracovnej skupiny pre vedu, techniku a bezpečnosť (Ianus) na TU Darmstadt. „Laserový zásah na stlačenie a roztavenie dvojmilimetrovej vodíkovej gule je ako mini bomba v laboratóriu.“

Horúca vodíková plazma ako konkurencia

Výstavba NIF je skutočne vojensky financovaná a motivovaná. Projekt je riadený Národnou agentúrou pre atómovú energiu v USA. Jedným z nich je nielen vyšetrovanie civilného použitia jadrovej fúzie. "Vedci z NIF tiež chcú lepšie pochopiť fyzikálne procesy, ktoré sa podieľajú na výbuchu vodíkovej bomby," hovorí Liebert. Od 5. augusta 1963 existuje medzinárodná dohoda o zastavení testov jadrových zbraní. Výsledkom bolo, že americkí vedci hľadali alternatívy ďalšieho rozvoja svojej technológie jadrových zbraní. Bolo teda dobré, že americký fyzik Theodore Maiman vynašiel prvý laser už v roku 1960. Odvtedy vedci z kalifornského Národného laboratória Lawrenca Livermora (LLNL), ktoré teraz zahŕňa NIF, pracujú na myšlienke miniaturizácie testov atómových bômb pomocou laserov. V roku 1972 americký fyzik John Nuckolls a jeho kolegovia prvýkrát zverejnili svoje nápady týkajúce sa laserovej jadrovej fúzie a poukázali na perspektívu civilného použitia. Párovanie vojenského výskumu a civilnej motivácie sa zachovalo dodnes.

Vo Francúzsku blízko Bordeaux sa v súčasnosti buduje Laser Mégajoule (LMJ), systém, ktorý je rovnako výkonný ako americké NIF. Najväčšia konkurencia v oblasti laserovej fúzie v USA však pochádza od výskumných kolegov s odlišným konceptom. Alternatívna metóda fúzie, ktorú uprednostňuje väčšina vedcov, spočíva v zadržaní horúcej vodíkovej plazmy v silných magnetických poliach.

Prvá jadrová fúzia v laboratóriu sa dosiahla už v roku 1991 pomocou spoločného európskeho torusu (JET). Ďalšia generácia takzvanej technológie tokamaku, medzinárodný termonukleárny experimentálny reaktor (Iter), sa v súčasnosti pripravuje v Cadarache na juhu Francúzska. Mamutí projekt, ktorého náklady sa odhadujú na zhruba 15 miliárd eur, má po prvý raz od roku 2026 vyprodukovať toľko energie fúzie, koľko je potrebné na ohrev plazmy. Menší skúšobný reaktor Wendelstein 7-X má byť uvedený do prevádzky v Greifswalde už v roku 2014.

Napriek prekážkam a odhodlanej konkurencii svojich vedeckých kolegov si vedci z NIF v Livermore v malebnom zálive San Francisco Bay veria: „Počas dvanástich rokov od prvého zapálenia laserovej fúzie by mohla byť pilotná elektráreň v prevádzke,“ uviedol jeden z nich Štúdia LNLL. Zapaľovanie by malo uspieť budúci rok.