Συνθλίβοντας άτομα με τα ισχυρότερα λέιζερ του κόσμου: Σύντηξη – Μέρος Β’

Σύντηξη με αδρανειακή παγίδευση 

Δείτε το πρώτο μέρος εδώ.

Κάποιοι από εμάς ίσως γνωρίζουμε κάποιον που έκανε εγχείρηση λέιζερ στα μάτια ή αφαίρεσε ένα τατουάζ από το σώμα του. Πολλοί από εμάς ίσως βλέπουμε ακόμη ταινίες σε DVD ή χρησιμοποιούμε αυτή τη στιγμή το ποντίκι ενός υπολογιστή. Όλα αυτά έγιναν εφικτά χάρη στη σπουδαία εφεύρεση των λέιζερ. Τα λέιζερ έχουν επιφέρει αναρίθμητες “επαναστάσεις” σε δεκάδες τομείς από την εφεύρεσή τους το 1960 από τον Αμερικανό Theodore Harold Maiman μέχρι σήμερα, τόσο σε τεχνολογίες αιχμής όσο και σε καθημερινή βάση. Τις τελευταίες δεκαετίες, όμως, χιλιάδες ερευνητές από όλον τον κόσμο ξοδεύουν το μεγαλύτερο μέρος της ημέρας τους προσπαθώντας να πετύχουν τη σύντηξη δύο ισοτόπων του υδρογόνου με σκοπό την επίλυση του ενεργειακού μας προβλήματος μια για πάντα.  

Ο όρος “Inertial Confinement Fusion (ICF)” ή “σύντηξη με αδρανειακή παγίδευση” μπορεί να ακούγεται τρομακτικός και πολύ τεχνικός, αλλά οι βασικές ιδέες είναι αρκετά απλές. Πρώτα απ’ όλα, πρέπει να γνωρίζουμε μερικές βασικές πληροφορίες για τα καύσιμα της σύντηξης. Τα πρωτόνια που περιέχουν οι πυρήνες του δευτερίου (D) και του τριτίου (T) είναι θετικά φορτισμένα, και συνεπώς οι δύο πυρήνες απωθούνται μεταξύ τους όταν τα δύο αυτά άτομα πλησιάσουν. Επομένως, αν καταφέρουμε, με κάποιο τρόπο, να κάνουμε τους πυρήνες αυτούς να συγκρουστούν με τόση ενέργεια ώστε να ενωθούν, τότε θα απελευθερωθεί τεράστια ποσότητα ενέργειας και θα έχουμε πετύχει σύντηξη. Ένας τρόπος να το κάνουμε αυτό είναι μέσω της χρήσης των ισχυρότερων συστημάτων λέιζερ που έχουν κατασκευαστεί ποτέ! 

Αυτός ακριβώς είναι ο στόχος του National Ignition Facility ή NIF (Εθνική Εγκατάσταση Ανάφλεξης) στην Καλιφόρνια και του Laser MegaJoule ή LMJ κοντά στο Μπορντό της Γαλλίας. “Πυροβολώντας” ταυτόχρονα με πάνω από 100 ακτίνες λέιζερ, συνολικής ενέργειας ενός εκατομμυρίου Joule, οι ερευνητές προσπαθούν να συμπιέσουν ένα στόχο καυσίμων D και T διαμέτρου περίπου ενός χιλιοστού που περιβάλλεται από πολύ λεπτό γυαλί ώστε να αποκτήσει πυκνότητα 20 φορές μεγαλύτερη από αυτή του κέντρου της Γης και θερμοκρασία 7 φορές μεγαλύτερη από αυτή του κέντρου του Ήλιου. Για να έχετε μια ιδέα του τι σημαίνει ένα εκατομμύριο Joule (1 MJ), η ποσότητα αυτή ισούται περίπου με την κινητική ενέργεια που έχει ένα Toyota Corolla που κινείται με 150 χιλιόμετρα ανά ώρα. Φανταστείτε όλη αυτή την ενέργεια συγκεντρωμένη πάνω σε μια σφαίρα μικρότερη από έναν κόκκο άμμου!

Τη στιγμή που οι ακτίνες λέιζερ χτυπάνε τον στόχο, το επικάλυμμά του εξαχνώνεται και εκτονώνεται προς τα έξω. Σύμφωνα με τον τρίτο νόμο του Νεύτωνα, για κάθε δράση υπάρχει μία ίση και αντίθετη αντίδραση. Συνεπώς, αυτή η διαδικασία δημιουργεί μια αντίδραση που ασκείται προς το κέντρο του στόχου.Επίσης, το υλικό που δεν πρόλαβε να αποδράσει κινείται προς τα μέσα, ενώ θερμαίνεται από την ακτινοβολία των λέιζερ φτάνοντας δεκάδες ή και εκατοντάδες εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου σε θερμοκρασία. Η διαδικασία αυτή είναι όμοια με αυτή που συμβαίνει στους πυραύλους, μόνο που η γεωμετρία εδώ είναι σφαιρική και το υλικό συμπιέζεται προς τα μέσα, καταρρέοντας. Μεγάλο μέρος της κινητικής ενέργειας μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια και προκαλεί ενδόρρηξη (implosion). Σε αυτό το στάδιο μπορεί να ξεκινήσει η σύντηξη. 

Η κύρια δυσκολία για την επίτευξη της σύντηξης είναι η υπερνίκηση των απωστικών ηλεκτροστατικών δυνάμεων των θετικά φορτισμένων πυρήνων του καυσίμου. Ο τρόπος που επιτυγχάνεται αυτό είναι κυριολεκτικά μέσω της σύνθλιψης δύο πυρήνων μεταξύ τους. Παρόλα αυτά, η επίτευξη υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων δεν μας εγγυάται ότι οι πυρήνες θα συντηχθούν. Χρειάζεται, επιπλέον, να διατηρήσουμε αυτή την κατάσταση αρκετά ώστε να παραχθεί περισσότερη ενέργεια από όση προσφέραμε. Επειδή όλη αυτή η διαδικασία διαρκεί μόλις μερικά δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου, το εγχείρημά μας είναι εξαιρετικά δύσκολο.

Σαν να μην έφταναν όλα αυτά, η εμφάνιση ασταθειών καθιστά τη σύντηξη ακόμη πιο μεγάλη πρόκληση. Για να συμπιεστεί ο στόχος όσο πιο αποτελεσματικά γίνεται, θα πρέπει να συμπιεστεί ομοιόμορφα από όλες τις μεριές του. Όταν, όμως, έχουμε έναν συγκεκριμένο αριθμό ακτίνων λέιζερ, όπως και να τις κατανείμουμε στον χώρο, πάντα θα υπάρχουν κάποιες περιοχές του στόχου που θα αλληλεπικαλύπτονται, οδηγώντας σε ανόμοια συμπίεση. Σκεφτείτε τον στόχο ως μια ελαστική μπάλα που προσπαθείτε να συμπιέσετε με τα χέρια σας. Όσο και να προσπαθήσετε, πάντα θα υπάρχουν περιοχές που τα δάχτυλά σας δεν θα καλύπτουν. Σε αυτά τα σημεία, η μπάλα θα “δραπετεύει”.

Μια λύση στο πρόβλημα αυτό μπορεί εκ πρώτης όψεως να αντιβαίνει τη λογική. Εφόσον είναι πρακτικά αδύνατο να χτυπήσουμε τον στόχο ομοιόμορφα με περίπου 100 ακτίνες, αντ’ αυτού τοποθετούμε τον στόχο μέσα σε έναν κύλινδρο από χρυσό (hohlraum). Ο χρυσός απορροφά την ενέργεια από τους παλμούς λέιζερ και την επανεκπέμπει σε μορφή ακτίνων Χ με καλή απόδοση και πολύ πιο ομοιόμορφα. Παρόλο που οι απώλειες είναι σημαντικές, η ομοιόμορφη κατανομή της ενέργειας αυξάνει σημαντικά τις δυνατότητές μας να επιτύχουμε τη σύντηξη!

Επομένως, βλέπουμε ότι παρόλο που οι βασικές αρχές της ICF είναι σχετικά απλές, τα προβλήματα που προκύπτουν ύστερα από μια προσεκτική εξέταση είναι εξαιρετικά περίπλοκα και χρειάζεται μια σφαιρική κατανόηση όλων των φαινομένων που παίζουν ρόλο. Έτσι, έχουν βρεθεί πολλές ακόμη ιδέες που ίσως μας φέρουν ένα βήμα πιο κοντά στην επίλυση του ενεργειακού προβλήματος, από αλλαγές στη γεωμετρία του στόχου μέχρι τη χρήση των ισχυρότερων μαγνητικών πεδίων που έχουν παραχθεί ποτέ για την επιπλέον συμπίεση και θέρμανση του στόχου. Κάποια μέρα, λοιπόν, ίσως καταφέρουμε να αναφλέξουμε τον στόχο και να παράγουμε τακτικά και σε μεγάλη κλίμακα ενέργεια 30 με 40 φορές υψηλότερη από αυτή που αποθέτουν οι ακτίνες λέιζερ!

¹ Στις συνθήκες που μπορούμε να τα παράξουμε εργαστηριακά, δύο ισότοπα του υδρογόνου προσφέρουν την ενεργειακά αποδοτικότερη σύντηξη: το δευτέριο (D) (που αποτελείται από έναν πυρήνα υδρογόνου που περιέχει ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο) και το τρίτιο (T) (ένας πυρήνας υδρογόνου με ένα πρωτόνιο και δύο νετρόνια).

² Μονάδα μέτρησης της ενέργειας με βάση το διεθνές σύστημα μονάδων