دستیابی به انرژی پاک و بی پایان از طریق ستاره های مصنوعی نیازمند شناخت دقیق انرژی گداخت و کارکرد آن است که امروزه استارتاپ های پیشرو با تکنولوژی های نوین در مسیر تجاری سازی آن گام برمی دارند.
دهه هاست که آدم ها به دنبال مهار قدرت ستاره ها هستن تا بتونن روی زمین برق تولید کنن. و تقریبا به همون اندازه، رسیدن به این هدف همیشه جوری به نظر می رسید که انگار فقط ده سال باهاش فاصله داریم. بررسی انرژی گداخت و کارکرد آن نشان می دهد که دستیابی به این هدف چالش برانگیز اما ممکن است.
حالا، یه سری استارتاپ بیشتر از همیشه به این هدف نزدیک شدن و با تلاش های این استارتاپ ها برای تولید برق همجوشی تا سال 1407، دارن با عجله رآکتورهایی می سازن که بتونن برق رو وارد شبکه کنن.
استارتاپ های همجوشی بیشتر از 10 میلیارد دلار سرمایه جذب کردن و بیش از ده مورد از اون ها بالای 100 میلیون دلار سرمایه گرفتن. خیلی از دوره های جذب سرمایه بزرگ تو همین سال گذشته انجام شدن؛ چون با بالا رفتن نیاز مرکز داده ها به انرژی و نزدیک شدن استارتاپ ها به خط پایان، سرمایه گذارها حسابی به این صنعت جذب شدن و به پتانسیل انرژی گداخت و کارکرد آن باور دارند.
در اصل، قدرت همجوشی به دنبال اینه که از انرژی آزاد شده از پیوند اتم ها برای تولید برق استفاده کنه. انسان ها دهه هاست که می دونن چطوری اتم ها رو با هم ادغام کنن؛ از بمب هیدروژنی گرفته (که یه نمونه از همجوشی هسته ای کنترل نشده ست) تا کلی دستگاه همجوشی مختلف که توی آزمایشگاه های دنیا ساخته شدن. دستگاه های همجوشی آزمایشی تونستن همجوشی هسته ای رو کنترل کنن و حتی یکی شون تونسته انرژی بیشتری نسبت به اون چیزی که برای شروع واکنش لازم بوده، تولید کنه. این گام ها برای درک انرژی گداخت و کارکرد آن حیاتی هستند.
اما هیچ کدوم نتونستن اون قدر انرژی اضافی تولید کنن که بشه باهاش یه نیروگاه راه انداخت.
برای حل این مشکل، استارتاپ های همجوشی دارن روش های مختلفی رو امتحان می کنن. کارشناس ها نظرهای متفاوتی درباره این دارن که کدوم روش شانس موفقیت بیشتری داره، هرچند این صنعت هنوز اول راهه و هیچی تضمین شده نیست. چالش های پیش رو در مهار کامل انرژی گداخت و کارکرد آن همچنان پابرزاست.
اینجا یه بررسی کوتاه از روش های اصلی رسیدن به قدرت همجوشی رو با هم می بینیم.
محصورکننده مغناطیسی و نقش آن در انرژی گداخت و کارکرد آن
محصورکننده مغناطیسی یکی از پرکاربردترین تکنیک هاست که از میدان های مغناطیسی قوی برای نگه داشتن پلاسما استفاده می کنه؛ همون سوپی از ذرات فوق العاده داغ که قلب یه دستگاه همجوشیه. این روش در توسعه انرژی گداخت و کارکرد آن نقش کلیدی دارد.
آهنرباها باید فوق العاده قوی باشن. مثلا شرکت Commonwealth Fusion Systems (CFS) داره آهنرباهایی می سازه که می تونن میدان مغناطیسی 20 تسلا ایجاد کنن، یعنی حدود 13 برابر قوی تر از یه دستگاه ام آرآی (MRI) معمولی. برای مدیریت این حجم از برق، آهنرباها از ابررساناهای دمای بالا ساخته می شن که باز هم لازمه با استفاده از هلیوم مایع تا دمای 253- درجه سانتی گراد سرد بشن.
شرکت CFS در حال حاضر داره یه دستگاه آزمایشی به اسم Sparc رو با سرعت خیلی زیاد توی ماساچوست می سازه. این شرکت پیش بینی می کنه که اونو اواخر سال 1405 راه بیندازه و اگه همه چیز خوب پیش بره، ساخت نیروگاه تجاری خودش یعنی Arc رو در سال 1406 یا 1407 توی ویرجینیا شروع می کنه.
دو نوع اصلی از دستگاه های همجوشی وجود دارن که از محصورکننده مغناطیسی استفاده می کنن: توکامک ها و استلاریتورها.
ایده توکامک ها اولین بار توسط دانشمندان شوروی در دهه 1330 مطرح شد و از اون زمان تا حالا خیلی روشون مطالعه شده. توکامک ها در دو شکل کلی ساخته می شن: یکی شبیه دونات با مقطع D شکل و یکی هم به شکل کره که یه سوراخ کوچیک وسطش داره. دو تا از توکامک های آزمایشی معروف JET و ITER هستن؛ JET بین سال های 1362 تا 1402 توی انگلیس کار می کرد، در حالی که انتظار می ره ITER اواخر دهه 1410 توی فرانسه شروع به کار کنه.
شرکت Tokamak Energy که توی انگلیس مستقره، داره روی طراحی یه توکامک کروی کار می کنه. دستگاه آزمایشی اونا یعنی ST40 در حال حاضر داره به روزرسانی می شه.
استلاریتورها نوع اصلی دیگه از دستگاه های محصورکننده مغناطیسی هستن. اونا شبیه توکامک ها هستن چون پلاسما رو توی یه شکل دونات مانند نگه می دارن. اما برخلاف دیواره های هندسی توکامک، استلاریتورها پیچ و تاب دارن. این شکل نامنظم با مدل سازی رفتار پلاسما و تنظیم میدان مغناطیسی متناسب با پیچیدگی های اون طراحی شده، به جای اینکه پلاسما رو به زور توی یه شکل منظم نگه داره.
دستگاه Wendelstein 7-X یه استلاریتور بزرگه با سیم پیچ های ابررسانای ماژولار که توسط مؤسسه فیزیک پلاسمای ماکس پلانک اداره می شه و از سال 1394 توی آلمان در حال کاره. چندین استارتاپ دیگه هم دارن استلاریتورهای خودشون رو توسعه می دن، از جمله Proxima Fusion، Renaissance Fusion، Thea Energy و Type One Energy.
محصورکننده اینرسی، روشی برای دستیابی به انرژی گداخت و کارکرد آن
روش اصلی دیگه برای همجوشی به اسم محصورکننده اینرسی شناخته می شه که گلوله های سوخت رو اون قدر فشرده می کنه تا اتم های داخلشون با هم ادغام بشن. این رویکرد به طور بالقوه می تواند به تولید عملی انرژی گداخت و کارکرد آن منجر شود.
بیشتر طراحی های محصورکننده اینرسی از پالس های نور لیزر برای فشرده سازی گلوله های سوخت استفاده می کنن. چندین پرتو لیزر همزمان شلیک می شن و پالس های نوری اون ها از همه جهت ها به طور همزمان روی گلوله سوخت متمرکز می شن.
تا الان، محصورکننده اینرسی تنها روشیه که تونسته به مرحله ای که بهش «نقطه سر به سر علمی» می گن برسه؛ یعنی زمانی که واکنش انرژی بیشتری نسبت به انرژی مصرف شده آزاد می کنه. این آزمایش ها در مرکز ملی احتراق و تداخل (NIF) در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور کالیفرنیا انجام شده. البته لازمه اشاره کنیم که اندازه گیری ها برای تعیین نقطه سر به سر علمی، مواردی مثل برق مورد نیاز برای کل تاسیسات آزمایشگاهی رو شامل نمی شه.
با این حال، نزدیک به ده استارتاپ اون قدر به روش محصورکننده اینرسی امیدوارن که دارن رآکتورهایی بر اساس اون طراحی می کنن. Focused Energy، Inertia Enterprises، Marvel Fusion و Xcimer از نمونه های برجسته ای هستن که از لیزر استفاده می کنن.
البته دو تا شرکت هستن که از لیزر استفاده نمی کنن: شرکت First Light Fusion که پیشنهاد استفاده از پیستون رو داده و شرکت Pacific Fusion که قصد داره به جای لیزر از پالس های الکترومغناطیسی استفاده کنه.
مطالب بیشتر در آینده
این ها دو روش اصلی برای رسیدن به قدرت همجوشی بودن، اما تنها روش ها نیستن. به زودی جزئیات بیشتری درباره طراحی های جایگزین مثل همجوشی هدف مغناطیسی شده، محصورکننده مغناطیسی-الکترواستاتیکی و همجوشی کاتالیز شده با میون اضافه خواهیم کرد که هر کدام در مسیر دستیابی به انرژی گداخت و کارکرد آن اهمیت دارند.
مسیر رسیدن به برق تجاری از طریق همجوشی هسته ای، سفری پرفراز و نشیب از آزمایشگاه های ملی تا سوله های استارتاپی است. با وجود چالش های فنی فراوان در حوزه های مغناطیسی و لیزری، پیشرفت های اخیر نشان می دهد که مهار قدرت خورشید بیش از هر زمان دیگری در دسترس است و در آینده ای نزدیک شاهد تحولی بنیادین در تامین انرژی پایدار جهان خواهیم بود.
