Τροφοδοτούμενη από δισεκατομμυριούχους δολάρια, η πυρηνική σύντηξη εισέρχεται σε μια νέα εποχή

Έχοντας συγκεντρώσει περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια δολάρια το 2021 από ανθρώπους όπως ο Μπιλ Γκέιτς και ο Τζεφ Μπέζος, οι προγραμματιστές σύντηξης επιμένουν ότι αυτή η πηγή ενέργειας μηδενικού άνθρακα θα μπορούσε να γίνει πραγματικότητα μέσα σε μια δεκαετία.

Είναι σαφές ότι η πυρηνική σύντηξη μπορεί να λειτουργήσει σε κλίμακα — απλά κοιτάξτε τα αστέρια. Για 70 χρόνια οι φυσικοί ονειρευόντουσαν να εμφιαλώσουν αυτή την αστρική ενέργεια με τη μορφή αντιδραστήρων σύντηξης που θα τροφοδοτούσαν το ηλεκτρικό δίκτυο με τις ίδιες απεριόριστες αντιδράσεις μηδενικού άνθρακα που κάνουν τον ήλιο να λάμπει. Αυτό το Άγιο Δισκοπότηρο έχει διαφημιστεί εδώ και καιρό ως μόλις 20 ή 30 χρόνια μακριά, αλλά οι θαυμαστές του fusion αρνήθηκαν να εγκαταλείψουν την πίστη τους. Και για καλό λόγο. Η σύντηξη (συντριβή μεταξύ ατόμων υδρογόνου σε ήλιο) υπόσχεται απεριόριστη ηλεκτρική ενέργεια μηδενικού άνθρακα με μηδενικό κίνδυνο τήξης και ουσιαστικά κανένα από τα ραδιενεργά απόβλητα που σχετίζονται με υπάρχοντες πυρηνικούς σταθμούς που λειτουργούν με σχάση (ο διαχωρισμός των ατόμων ουρανίου σε μικρότερα στοιχεία). 

Το όνειρο ενέπνευσε τον Ajay Royan, συνιδρυτή της Mithril Capital (με τον δισεκατομμυριούχο Peter Thiel), ο οποίος το 2013 επένδυσε για πρώτη φορά 2 εκατομμύρια δολάρια στην Helion Energy που εδρεύει στο Ρέντμοντ της Ουάσινγκτον, ώστε να μπορέσει να κατασκευάσει ένα πρωτότυπο μηχάνημα «επαναλαμβανόμενης ισχύος παλμών». Η Mithril έχει επενδύσει στο Helion έκτοτε, συμπεριλαμβανομένου του πρόσφατου κύκλου 500 εκατομμυρίων δολαρίων (που αποτιμά την εταιρεία στα 3 δισεκατομμύρια δολάρια) — με την υπόσχεση 1.7 δισεκατομμυρίων δολαρίων περισσότερα εάν το έβδομο πρωτότυπο της εταιρείας λειτουργήσει όπως ελπίζαμε. Ο γύρος του Helion ηγήθηκε από τον Sam Altman του Y Combinator. 

Το 2021 ήταν ένα μεγάλο έτος τόσο για τη χρηματοδότηση της σύντηξης όσο και για τις προβλέψεις, καθώς οι προγραμματιστές συγκέντρωσαν περισσότερα από 3 δισεκατομμύρια δολάρια για να χρηματοδοτήσουν τον επόμενο γύρο των μηχανών τους — με μερικούς να υπόσχονται πλέον εμπορικά βιώσιμη σύντηξη σε μόλις πέντε χρόνια. Ο Royan είναι χαρούμενος που βλέπει το fusion να λαμβάνει περισσότερη προσοχή. «Σίγουρα το 2021 μπορεί να είναι ένα σημείο καμπής για τη σύντηξη σύμφωνα με την Google analytics, αλλά το πραγματικό σημείο καμπής συνέβη πριν από μια δεκαετία, όταν τα ηλεκτρονικά ισχύος πέρασαν ένα κατώφλι». 

Ο Διευθύνων Σύμβουλος David Kirtley εξηγεί ότι η αρχική εργασία Ε&Α πίσω από το Helion έγινε σε ομοσπονδιακά εργαστήρια, από τα οποία η Helion περιστράφηκε το 2013. Απελευθερωμένη από την ομοσπονδιακή γραφειοκρατία Ε&Α, η Helion κατασκευάζει νέα πρωτότυπα το ένα μετά το άλλο από τότε. «Η νοοτροπία startup δεν είναι ωραίο να έχεις, είναι απαίτηση. και αυτό στο οποίο έχουμε επικεντρωθεί από την αρχή», λέει ο Kirtley.

Το 2020 η Helion ολοκλήρωσε τον έκτο πρωτότυπο αντιδραστήρα της, που ονομάστηκε Trenta. Τώρα κατασκευάζει ένα έβδομο, το Polaris, ενώ σχεδιάζει ήδη το όγδοο, το Antares, το οποίο η Kirtley σκοπεύει να είναι η πρώτη μηχανή σύντηξης που θα εξάγει περισσότερη ενέργεια από όση χρειάζεται. Παράλληλα με τη γρήγορη επανάληψη, η Helion επωφελείται από την τοπική τεχνογνωσία. Κατασκευάζει τη μηχανή Polaris στο Έβερετ της Ουάσινγκτον, κοντά στα μεγαλύτερα εργοστάσια της Boeing, όπου μπορούν να αξιοποιήσουν ένα φιλόξενο οικοσύστημα συμβασιούχων μηχανικών και κατασκευαστών ακριβείας. Ο Kirtley λέει ότι περνούν τα πρωινά φτιάχνοντας, ενημερώνοντας συστήματα και τροφοδοτώντας τους πυκνωτές. "Κάθε απόγευμα στις 3 το μεσημέρι ξεκινάμε να κάνουμε fusion."

Για να κατανοήσετε την προσέγγιση του Helion, εξετάστε πρώτα τη μαγνητική απώθηση που συμβαίνει όταν προσπαθείτε να πιέσετε τους θετικούς πόλους δύο μαγνητών ράβδων μαζί. Είναι η αρχή που επιτρέπει την τεχνολογία «mag-lev» όπως τα διάσημα τρένα με σφαίρες της Ιαπωνίας, τα οποία χρησιμοποιούν μαγνητική απώθηση για να επιπλέουν σε ένα μαξιλάρι αέρα. 

Οι ερευνητές σύντηξης για δεκαετίες προσπάθησαν να επινοήσουν τους ισχυρότερους ηλεκτρομαγνήτες στον κόσμο, με τους οποίους κατασκευάζουν θαλάμους αντίδρασης με μαγνητικά πεδία τόσο ισχυρά ώστε να μπορούν να περιέχουν και να συμπιέζουν ένα εγχυόμενο ρεύμα θετικά φορτισμένων πρωτονίων σε μια σφαίρα πλάσματος τόσο ζεστή ώστε να συγχωνεύονται σε ήλιο. 

Στο νέο σύστημα του Helion, η ενέργεια που απελευθερώνεται στις αντιδράσεις σύντηξης ωθεί συνεχώς προς το μαγνητικό πεδίο συγκράτησης, το οποίο σπρώχνει προς τα πίσω — προκαλώντας ταλαντώσεις («σαν έμβολο», λέει ο Kirtley) που παράγουν ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο ο Helion συλλαμβάνει απευθείας από τον αντιδραστήρα . (Για περισσότερα, διαβάστε τον νόμο επαγωγής του Faraday.) 

Ο Royan of Mithril λέει ότι ίσως το μεγαλύτερο αξιοθέατο της μεθόδου άμεσης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της Helion είναι η απλότητά της. Άλλες προσεγγίσεις σύντηξης στοχεύουν στην παραγωγή θερμότητας, προκειμένου να βράσουν νερό και να τροφοδοτήσουν ατμοστρόβιλους, οι οποίοι παράγουν ηλεκτρική ενέργεια — όπως στους παραδοσιακούς πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. «Μπορούμε να το κάνουμε χωρίς ατμοστρόβιλους ή πύργους ψύξης. Ξεφορτωθούμε το εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας». 

Σίγουρα, ο Kirtley κατανοεί τον σκεπτικισμό για τη σύντηξη, ειδικά γύρω από το επιθετικό χρονοδιάγραμμά του. Ξεκίνησε την καριέρα του στον τομέα της σύντηξης, εμπνευσμένος από επιστήμονες σε εθνικά εργαστήρια τη δεκαετία του 1960 που έκαναν μεγάλες προόδους στον μαγνητικό περιορισμό (συναγωνιζόμενος με Ρώσους επιστήμονες για να επινοήσουν αντιδραστήρες σε σχήμα ντόνατς που ονομάζονται tokamaks) ακόμη και πριν από την εφεύρεση των τρανζίστορ. Αλλά ο Kirtley έχασε την πίστη του αφού καθόρισε τις πρώιμες προσεγγίσεις απλά δεν μπορούσε να εξελιχθεί αρκετά γρήγορα για να δώσει μια εμπορική λύση - έτσι πήγε να εργαστεί σε προηγμένη πρόωση διαστημόπλοιου χρησιμοποιώντας πίδακες πλάσματος ελεγχόμενους από ηλεκτρομαγνήτες. Επέστρεψε στο πεδίο το 2008 για να βοηθήσει στην εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας της Helion. 

Με τον καιρό οραματίζεται την κατασκευή γεννητριών σύντηξης σε ένα εργοστάσιο. Ένα σύστημα κλίμακας 50 mw, συσκευασμένο σε τρεις μονάδες μεγέθους κοντέινερ θα τροφοδοτούσε 40,000 σπίτια. «Σε 10 χρόνια θα έχουμε εμπορική ηλεκτρική ενέργεια προς πώληση, σίγουρα». 

Αυτό βάζει την Helion σε μια κούρσα με την Commonwealth Fusion Systems με έδρα τη Βοστώνη, ένα spinoff του MIT, που συγκέντρωσε 1.8 δισεκατομμύρια δολάρια από επενδυτές, όπως ο Μπιλ Γκέιτς και ο Τζορτζ Σόρος. Ο CEO Bob Mumgaard λέει ότι θα έχουν έναν αντιδραστήρα που θα λειτουργεί σε 6 χρόνια. Η αισιοδοξία του ενισχύεται από την επιτυχημένη καλοκαιρινή δοκιμή της Κοινοπολιτείας για νέους ηλεκτρομαγνήτες κατασκευασμένους με υπεραγωγούς κατασκευασμένους από οξείδιο του χαλκού βαρίου σπανίων γαιών. 

Ο Mumgaard λέει ότι αυτοί οι υπερτροφοδοτούμενοι μαγνήτες θα επιτρέψουν στην Κοινοπολιτεία να τελειοποιήσει την κάπως πιο παραδοσιακή προσέγγιση σύντηξης της κατασκευής ενός αντιδραστήρα "tokamak" σε σχήμα ντόνατ, τον οποίο ο Mumgaard αποκαλεί "μεγάλο μαγνητικό μπουκάλι" όπου ισχυρά μαγνητικά πεδία ελέγχουν μπάλες πλάσματος 100 εκατομμυρίων μοιρών. αστέρια». 

Υπάρχουν περίπου 150 tokamaks σε όλο τον κόσμο. Το μεγαλύτερο είναι υπό κατασκευή στη Γαλλία για 30 δισεκατομμύρια δολάρια από μια διεθνή κοινοπραξία που ονομάζεται ITER. Το μηχάνημα των 20,000 τόνων, το μέγεθος μιας αρένας μπάσκετ, σχεδιάζεται να ολοκληρωθεί μέχρι το 2035. 

Αλλά ο Mumgaard σκοπεύει να κάνει το Commonwealth Fusion να καταστήσει τον ITER ξεπερασμένο πριν καν ολοκληρωθεί. Το πλεονέκτημά του είναι η εφαρμογή υπεραγωγών «υψηλής θερμοκρασίας» κατασκευασμένων με οξείδιο του χαλκού βαρίου σπάνιων γαιών (γνωστός και ως ReBCO). 

Οι υπεραγωγοί κινούν ηλεκτρικό ρεύμα με σχεδόν μηδενικές απώλειες (πολύ πιο αποτελεσματικά από τον χαλκό, για παράδειγμα). Και είναι το κλειδί για τη δημιουργία ισχυρών ηλεκτρομαγνητών. Η Κοινοπολιτεία ανακάλυψε ότι κατασκευάζοντας τους μαγνήτες της χρησιμοποιώντας μια ειδική ταινία οξειδίου του χαλκού βαρίου (όπως η ταινία που βρίσκεται σε μια κασέτα VHS) μπορεί να επιτύχει μαγνητικά πεδία πιο ισχυρά από αυτά που αναμενόταν στο ITER, αλλά στο 1/20 της κλίμακας. 

Ενώ οι κύριοι μαγνήτες του ITER (που ονομάζονται σωληνοειδή) θα ζυγίζουν περίπου 400 τόνους και θα επιτυγχάνουν πεδία ισχυρότερα από 12 tesla, η Commonwealth εξετάζει μαγνήτες 15 τόνων, ο καθένας χρησιμοποιεί 300 km ταινίας λεπτής μεμβράνης ReBCO, που θα παράγει 20 tesla (για σύγκριση, η μηχανή μαγνητικής τομογραφίας κάνει 1.5 tesla). 

«Αυτό ξεκλειδώνει τη μηχανή σύντηξης», λέει ο Mumgaard. Το CES δοκίμασε τους μαγνήτες το περασμένο καλοκαίρι και το κήρυξε «απόδειξη» ότι η επιστήμη της σύντηξης ήταν πλέον ουσιαστικά ολοκληρωμένη και το μόνο που απομένει είναι η κατασκευή του αντιδραστήρα. «Κατανοούμε καλά το υλικό και πιστεύουμε ότι μπορούμε να το κάνουμε αυτό σε τρία χρόνια», λέει ο Mumgaard. «Μέχρι το 2030 θα δούμε τη σύντηξη στο δίκτυο». 

Η CES πρόκειται να κατασκευάσει τη μηχανή σύντηξης της σε μια τοποθεσία 47 στρεμμάτων στη Μασαχουσέτη και ήδη εργάζεται για την παραγωγή χιλιάδων χιλιομέτρων ταινίας ReBCO. Θα μπορούσε η διαθεσιμότητα της σπάνιας γης να γίνει περιοριστικός παράγοντας στην κυκλοφορία του fusion; Όχι λέει ο Mumgaard. «Ένα εργοστάσιο σύντηξης θα έχει λιγότερες σπάνιες γαίες από μια ανεμογεννήτρια. Το Fusion δεν αφορά έναν πόρο που πρέπει να εξορύξετε ή να αντλήσετε. Πρόκειται για μια τεχνολογία». 

Θα πρέπει να υπάρχει χώρος για περισσότερους από έναν νικητές σύντηξης. Άλλοι ηγέτες περιλαμβάνουν την General Fusion, που εδρεύει στον Καναδά και υποστηρίζεται από τον Jeff Bezos, η οποία συγκέντρωσε 130 εκατομμύρια δολάρια φέτος. Άλλοι αξιόλογοι δισεκατομμυριούχοι στο παιχνίδι σύντηξης είναι ο Neal και ο Linden Blue, οι οποίοι κατέχουν την General Atomics με έδρα το Σαν Ντιέγκο, η οποία για δεκαετίες λειτουργεί ένα ερευνητικό tokamak για λογαριασμό του DOE, και το οποίο φέτος παρέδωσε στην ITER τα κότσια των ηλεκτρομαγνητών tokamak της — μια κεντρική ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα 1,000 τόνων. Και υπάρχει η TAE Energy of California, η οποία πειραματίζεται με 1 δισεκατομμύριο δολάρια την τελευταία δεκαετία και συγκέντρωσε 130 εκατομμύρια δολάρια κατά τη διάρκεια της πανδημίας.

Η τεχνολογία σύντηξης μπορεί να ξεκίνησε σε εργαστήρια που χρηματοδοτούνται από την κυβέρνηση, αλλά η καρποφορία της θα πρέπει να βασίζεται στην ιδιωτική χρηματοδότηση. Η Amy Roma, συνεργάτης στο Hogan Lovells στην Ουάσιγκτον, λέει ότι ο λογαριασμός για το Build Back Better θα περιλάμβανε 875 εκατομμύρια δολάρια για προηγμένα πυρηνικά, αλλά προς το παρόν, η βιομηχανία θα πρέπει να συμβιβαστεί με ένα νέο γραφείο επίδειξης προηγμένων αντιδραστήρων στο πλαίσιο του Υπουργείο Ενέργειας, χρηματοδοτούμενο από τον πρόσφατο νόμο περί υποδομών. Η πυρηνική ενέργεια μηδενικού άνθρακα θα ωφεληθεί επίσης από το πρόσφατο εκτελεστικό διάταγμα του Προέδρου Μπάιντεν που ζητά οι αγορές ενέργειας της ομοσπονδιακής κυβέρνησης να είναι «καθαρές-μηδέν» έως το 2030. 

Ο θρυλικός επενδυτής τεχνολογίας Steve Jurvetson, ένας υποστηρικτής της Commonwealth Fusion που έγραψε την πρώτη του επιταγή για την έρευνα σύντηξης πριν από 25 χρόνια, είναι σχεδόν μπερδεμένος που αυτό το όνειρο που είχε καθυστερήσει πολύ σύντομα θα μπορούσε να γίνει πραγματικότητα. «Υπάρχουν πολλοί αρνητές μέχρι να γίνει. Τότε λένε ότι είναι προφανές». 

Ο Royan της Mithril λέει ότι εργάζεται ήδη για να προσαρμόσει το πλαίσιο του για να εξετάσει πόσο διαφορετικός θα είναι ο κόσμος όταν η σύντηξη είναι πραγματική — «Σκεφτείτε τις ευκαιρίες για αφαλάτωση νερού και παραγωγή λιπασμάτων. Αυτό αλλάζει θεμελιωδώς την οικονομία του νερού από τη μια μέρα στην άλλη, και συνεπώς την οικονομία της γεωργίας». Είναι όλα μέρος της πορείας της ανθρωπότητας, λέει, «να συνεχίσει να αποδεικνύει ότι ο Μάλθους ήταν ηλίθιος». 

ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ ΦΟΡΕΣThe New Nuclear: Πώς ένας Unicorn με ενέργεια σύντηξης 600 εκατομμυρίων δολαρίων σχεδιάζει να νικήσει την ηλιακή ενέργειαBy Κρίστοφερ Χέλμαν
ΠΕΡΙΣΣΟΤΕΡΑ ΑΠΟ ΦΟΡΕΣΟι ήσυχοι δισεκατομμυριούχοι πίσω από το αρπακτικό drone της Αμερικής που σκότωσε τον Σουλεϊμανί του ΙράνBy Deniz Çam