منبع انرژی بیپایان، نزدیکتر از همیشه
برای آنکه همجوشی به منبعی عملی از انرژی تجاری تبدیل شود، مهندسان باید با چالشهای متعددی روبرو شوند
غزال زیاری: در سال ۲۰۲۲ بود که طرز تفکر دانشمندان در مورد همجوشی برای همیشه تغییر کرد؛ در آن زمان یکی از مهمترین آزمایشهای قرن برای اولین بار نشان داد که همجوشی میتواند منبعی برای انرژی پاک باشد.
این آزمایش در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور، احتراق را نشان داد: یک واکنش همجوشی که انرژی بیشتری نسبت به انرژی واردشده تولید میکند. در سالهای اخیر نیز چندین میلیارد دلار سرمایه خصوصی در این زمینه به کار گرفته شده است.
اما قبل از آنکه همجوشی به منبعی ایمن و مقرونبهصرفه از انرژی پاک نامحدود تبدیل شود، باید به مجموعهای از چالشهای مهندسی رسیدگی شود. به بیانی دیگر مهندسی زمان!
بهعنوان مهندسانی که دههها بر روی علوم بنیادی و مهندسی کاربردی در گداخت هستهای کارکردهاند، میتوان گفت که در ده سال اخیر علم و فیزیک همجوشی رشد و پیشرفت چشمگیری داشته است؛ اما برای آنکه همجوشی به منبعی عملی از انرژی تجاری تبدیل شود، مهندسان باید با چالشهای متعددی روبرو شوند؛ اینکه آیا آمریکا از این فرصت بهره میبرد و بهعنوان رهبر جهانی در انرژی همجوشی خود را معرفی میکند یا خیر، تا حدی به میزان تمایل این کشور برای سرمایهگذاری در حل این مشکلات عملی بستگی دارد.
ساخت یک راکتور همجوشی
همجوشی زمانی اتفاق میافتد که دو نوع اتم هیدروژن (دوتریوم و تریتیوم)، در شرایط خاصی باهم برخورد کنند. با حرارت دادن این دو اتم تا دمای ۱۰۰ میلیون درجه سانتیگراد که ۱۰ برابر داغتر از هسته خورشید است، آنها به یک اتم تبدیل میشوند؛ درنتیجه برای انجام این واکنش، زیرساختهای انرژی همجوشی باید این شرایط دشوار را تحمل کنند.
برای دستیابی به همجوشی در آزمایشگاه دو روش وجود دارد: همجوشی محصور اینرسی که در آن از لیزرهای قدرتمند استفاده میشود و همجوشی محصور مغناطیسی که از آهنرباهای قدرتمند استفاده میکند.
در این آزمایش مهم و سرنوشتساز که “آزمایش قرن” نیز نامیده شده، از همجوشی محصورکننده اینرسی استفاده شد؛ ولی همجوشی محصور مغناطیسی هنوز نشان نداده که آیا میتواند در تولید انرژی نیز کاربردی باشد یا خیر.
در حال حاضر چندین آزمایش با بودجه خصوصی به دنبال آن هستند که در این دهه در این راستا به موفقیت برسند و آزمایش بزرگ ITER با حمایتهای بینالمللی در فرانسه، چشم امیدی است که تا اواخر دهه ۲۰۳۰ این هدف را محقق کند؛ لازم به ذکر است که در همه این آزمایشها، از همجوشی محصورشده مغناطیسی استفاده میشود.
چالشهای پیش رو
هر دو رویکرد همجوشی، طیفی از چالشها را به همراه دارند که غلبه بر آنها ارزان و ساده نیست. مثلاً محققان نیاز به توسعه مواد جدیدی دارند که بتوانند در برابر دماهای بالا و شرایط پرتوافکنی مقاومت کنند.
مواد راکتور همجوشی نیز با ذرات بسیار پرانرژی رادیواکتیو بمباران میشوند. درنتیجه محققان نیاز به طراحی مواد جدیدی دارند که بتوانند ظرف چند سال به سطوحی از رادیواکتیویته تجزیه شوند تا بتوان با خیالی ایمن و راحت آنها را از بین برد.
تولید سوخت کافی و انجام آن بهصورت پایدار نیز چالش مهم بعدی است. میزان دوتریوم فراوان است و میتوان آن را از آب معمولی استخراج کرد؛ اما افزایش تولید تریتیوم بهمراتب دشوارتر است. یک راکتور همجوشی برای کار به صدها گرم تا یک کیلوگرم تریتیوم در روز نیاز دارد. در حال حاضر، راکتورهای هستهای معمولی، تریتیوم را بهعنوان محصول جانبی شکافت تولید میکنند، اما این راکتورها نمیتوانند بهاندازه کافی برای حفظ یک ناوگان راکتورهای همجوشی، تریتیوم تامین کنند. درنتیجه مهندسان باید توانایی تولید تریتیوم را در خود دستگاه همجوشی توسعه دهند که این ممکن است مستلزم احاطه کردن راکتور همجوشی با مواد حاوی لیتیوم باشد که این واکنش به تولید تریتیوم منتهی خواهد شد.
برای افزایش مقیاس همجوشی اینرسی، مهندسان باید لیزرهایی بسازند که قادر به اصابت مکرر به هدف سوخت همجوشی، ساختهشده از دوتریوم و تریتیوم منجمد، آنهم چندین بار در ثانیه یا بیشتر باشد؛ اما هنوز هیچ لیزری آنقدر قدرتمند نیست که این کار را با چنین سرعتی انجام دهد. مهندسان درعینحال نیاز به توسعه سیستمها و الگوریتمهای کنترلی دارند که این لیزرها را با دقتی بالا روی هدف هدایت کنند.
علاوه براین، مهندسان باید تولید اهداف را بر اساس سفارشهای بزرگ افزایش دهند: از چند صد مورد دستساز سالانه گرفته تا برچسب قیمت صدها هزار دلاری برای هرکدام که هزینه هریک تنها چند دلار است.
مهندسان و دانشمندان مواد برای مهار مغناطیسی، باید روشهای مؤثرتری را برای گرم کردن و کنترل پلاسما و مواد مقاوم در برابر حرارت و تشعشع برای دیوارههای راکتور ایجاد کنند. فناوری مورداستفاده برای گرم کردن و محدود کردن پلاسما تا زمانی کهاتم ها باهم ترکیب شوند، باید سالها به شکلی قابلاعتماد کار کنند.
اینها برخی از چالشهای بزرگ پیش رو هستند که در عین سخت بودن، غیرقابلحل کردن نیستند.
چشمانداز بودجه فعلی
سرمایهگذاریهای شرکتهای خصوصی در سطح جهانی افزایش چشمگیری داشته و در ۵ سال اخیر به بیش از ۷ میلیارد دلار رسیده است که همین احتمالاً عامل مهمی در پیشبرد تحقیقات همجوشی خواهد بود.
در حال حاضر چندین استارتآپ که اکثراً در آمریکا مستقرند و تعدادی از آنها نیز در اروپا و آسیا هستند، مشغول توسعه فناوریها و طرحهای راکتورهای مختلفی باهدف افزودن همجوشی به شبکه برق در دهههای آینده هستند. باوجودی که شاهد رشد سرمایهگذاریهای بخش خصوصی هستیم، اما دولت آمریکا همچنان نقشی کلیدی را در توسعه فناوری همجوشی تا این مرحله ایفا کرده و انتظار میرود که همین رویه در آینده نیز ادامه داشته باشد.
وزارت انرژی آمریکا در اواسط دهه ۲۰۰۰، حدود ۳ میلیارد دلار برای ساخت تأسیسات احتراق در آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور سرمایهگذاری کرد و ۱۲ سال بعد، “آزمایش قرن” در همانجا انجام شد. در سال ۲۰۲۳، وزارت انرژی آمریکا برنامهای چهارساله به ارزش ۴۲ میلیون دلار را برای توسعه هابهای همجوشی برای این فناوری را اعلام کرد. اگرچه این بودجه قابلتوجه است، اما احتمالاً برای حل مهمترین چالشهای پیش روی رسیدن به انرژی همجوشی، کافی نخواهد بود.
راهحل در مشارکت است و بس
یکی از راههای ایجاد مشارکت بین دولت و شرکتهای خصوصی در این زمینه، میتواند ایجاد روابطی مشابه با ارتباط بین ناسا و اسپیس ایکس باشد.
اسپیس ایکس بهعنوان یکی از شرکای تجاری ناسا، بودجههای دولتی و خصوصی را دریافت کرده و آنها را برای توسعه فناوریهایی که ناسا میتواند از آن استفاده کند صرف مینماید. این اولین شرکت خصوصیای است که فضانوردان را به فضا و ایستگاه فضایی بینالمللی فرستاد.
حالا محققان، محتاطانه خوشبین هستند. نتایج تجربی و نظری جدید، ابزارهای جدید و سرمایهگذاری بخش خصوصی، همگی این احساس را القا میکنند که توسعه انرژی همجوشی عملی دیگر در حد اما و اگر نیست و فقط بحث زمان تحقق آن مطرح است.
منبع: theconversation
۵۸۳۲۱
