Πότε η πυρηνική σύντηξη θα θέσει εκτός λειτουργίας το πετρέλαιο και το φυσικό αέριο.

Αυτή η περίοδος των Χριστουγέννων είναι μια περίοδος ευχαριστιών και ελπίδας για την επιβολή αλμάτων στην επιστήμη που γίνονται:

Πρώτον, Ο πρίγκιπας Γουίλιαμ, ο οποίος ίδρυσε το Βραβείο Earthshots, ανακοίνωσε βραβεία στη Βοστώνη το 2022. Μία κατηγορία κλήθηκε Αναζωογονήστε τους ωκεανούς μας. Ο νικητής ήταν μια ομάδα που ονομάστηκε Αυτόχθονες Γυναίκες του Μεγάλου Κοραλλιογενούς Υφάλου. Ο Ύφαλος έχει δεχθεί επίθεση και οι νικητές είναι αφοσιωμένοι στην υπεράσπισή του. Εργάζονται για την προστασία των παραλιών και των χελωνών και τη διατήρηση του θαλάσσιου χόρτου που δεσμεύει δέκα φορές περισσότερο CO2 από τα δάση του Αμαζονίου. Πολεμούν την αρχαία γνώση των ιθαγενών και χρησιμοποιούν σύγχρονα εργαλεία όπως drones για να παρακολουθούν τις αλλαγές του υφάλου στα κοράλλια καθώς και τις πυρκαγιές στην ενδοχώρα.

Δεύτερον, για 20 χρόνια το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ έχει χρηματοδοτήσει την ιδέα και την ανάπτυξη ενός Μικρού Αρθρωτού Πυρηνικού Αντιδραστήρα (SMR) που ονομάζεται NuScale Power Module. Ασφαλέστερα, φθηνότερα, επεκτάσιμα και χωρίς άνθρακα είναι τα πλεονεκτήματα. Είναι το μόνο SMR που έλαβε έγκριση σχεδιασμού από την Πυρηνική Ρυθμιστική Επιτροπή (NRC). Με ύψος λιγότερο από 100 πόδια, η μονάδα είναι ένας κύλινδρος πλάτους 15 ποδιών που βρίσκεται σε ένα λουτρό νερού κάτω από το επίπεδο του εδάφους. Μπορεί να παράγει 77 MegaWatts ηλεκτρικής ενέργειας που μπορεί να τροφοδοτήσει 60,000 σπίτια. Ο στόχος είναι να λειτουργήσει στο Αϊντάχο μέχρι το 2029.

Τρίτον, το ιατρικό ίδρυμα έχει α σημαντική ανακάλυψη στη θεραπεία ορισμένων μορφών καρκίνου. Η μέθοδος αφαιρεί τα Τ-κύτταρα, τα οποία αποτελούν μέρος του ανοσοποιητικού συστήματος που καταπολεμά τον καρκίνο, έξω από το σώμα για να τα τροποποιήσει γενετικά, χρησιμοποιώντας την τεχνική CRISPR, και στη συνέχεια τα εγχέει ξανά στο σώμα ως «ζωντανό φάρμακο». Χρησιμοποιώντας το CRISPR, τα Τ-κύτταρα μπορούν να ρυθμιστούν με ακρίβεια και να γίνουν πιο θανατηφόρα στην επίθεσή τους σε συγκεκριμένα καρκινικά κύτταρα.

Αυτά τα Τ-κύτταρα «εκτός χρήσης» μπορούν να κατασκευαστούν σε μεγάλες ποσότητες γρήγορα χρησιμοποιώντας το CRISPR, αντί να χρειάζεται να περιμένουμε εβδομάδες ή μήνες πριν. Στις 12 Δεκεμβρίου 2022, ο Δρ McGuirk από το Πανεπιστήμιο του Κάνσας, ανακοίνωσε αποτελέσματα δοκιμών που ήταν εκπληκτικά καλά και άνοιξαν μια νέα πόρτα στη θεραπεία των καρκίνων: οι όγκοι είχαν συρρικνωθεί για το 67% των 32 ασθενών με καρκίνο λεμφώματος. Το 40% των ασθενών πέτυχε πλήρη ύφεση. Υπάρχει μεγάλος ενθουσιασμός για τις δυνατότητες αυτής της τεχνικής να θεραπεύσει πολλούς άλλους καρκίνους.

Το τέταρτο είναι μια σημαντική ανακάλυψη στην πυρηνική σύντηξη που είναι αρκετά εκπληκτική.

Ανακάλυψη πυρηνικής σύντηξης.

Τον περασμένο αιώνα, τον μεγαλύτερο αιώνα της φυσικής, μια από τις ανακαλύψεις ήταν η πυρηνική σχάση. Όταν ένα βαρύ άτομο όπως το πλουτώνιο διασπάται, μια μικροσκοπική ποσότητα μάζας χάνεται και επανεμφανίζεται ως τεράστια ποσότητα ενέργειας — επειδή E = mc^2, όπου c είναι η ταχύτητα του φωτός και ένας πολύ μεγάλος αριθμός.

Υπό την απειλή ότι η Γερμανία θα αναπτύξει μια βόμβα αλυσιδωτής αντίδρασης βασισμένη σε αυτή την αντίδραση, η κυβέρνηση των ΗΠΑ διένειμε ένα τεράστιο ποσό κεφαλαίων για την κατασκευή μιας βόμβας σχάσης στο Λος Άλαμος του Νέου Μεξικού, όχι μακριά από το μέρος που ζω. Δοκιμάστηκε στην έρημο White Sands νότια του Albuquerque και τελικά χρησιμοποιήθηκε για να τερματίσει τον πόλεμο με την Ιαπωνία.

Η εμπορική εφαρμογή οδήγησε γρήγορα σε πυρηνικούς αντιδραστήρες μεγέθους δικτύου σε διάφορες χώρες. Κάποια ήταν επιτυχημένα – η Γαλλία λαμβάνει το 70% της ηλεκτρικής της ενέργειας από 56 πυρηνικούς αντιδραστήρες, ενώ οι ΗΠΑ περίπου το 20% της ενέργειάς τους από 93 πυρηνικούς αντιδραστήρες.

Αλλά η επιτυχία είναι δυσάρεστη όταν συμβαίνουν τρομερά ατυχήματα, όπως το Τσερνομπίλ της Ρωσίας το 1986 και η Φουκουσίμα της Ιαπωνίας το 2011, και η διαρκής ανησυχία για τη διάθεση πυρηνικών αποβλήτων στις ΗΠΑ.

Μια αδελφή πυρηνική αντίδραση είναι όταν δύο πυρήνες υδρογόνου αναγκάζονται να συγχωνευθούν σε ήλιο υπερνικά τις απωστικές δυνάμεις και για άλλη μια φορά απελευθερώνεται μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Αυτή ήταν η βάση των δοκιμών βομβών υδρογόνου των ΗΠΑ στον Νότιο Ειρηνικό (Ατόλη Μπικίνι) τη δεκαετία του 1950 πριν από τη συνθήκη απαγόρευσης των δοκιμών του 1963.

Η εμπορική εφαρμογή της πυρηνικής σύντηξης έχει επιδιωχθεί εδώ και δεκαετίες από τότε. Για παράδειγμα, μια προσπάθεια βασίζεται στα Εθνικά Εργαστήρια Sandia στο Αλμπουκέρκη, όπου το θερμό φορτισμένο πλάσμα περιορίζεται από ηλεκτρικά πεδία. Η ιδέα ήταν να περιοριστεί, να συμπιεστεί και να θερμανθεί το πλάσμα (energy-in) μέχρι να συγχωνευθούν οι πυρήνες υδρογόνου (energy-out). Αλλά η εισαγωγή ενέργειας ήταν πάντα μεγαλύτερη από την εξαγωγή ενέργειας.

Μια άλλη εμπορική εφαρμογή ήταν στο Lawrence Livermore Laboratory στην περιοχή του San Francisco Bay της Καλιφόρνια. Εδώ Χρησιμοποιήθηκαν 192 λέιζερ να περιορίσει, να συμπιέσει και να θερμάνει το πλάσμα ανατινάζοντας ένα σφαιρίδιο 1 εκατομμυρίου δολαρίων μικτών ισοτόπων υδρογόνου. Τα αποτελέσματα ήταν πάντα τα ίδια – μέχρι τώρα. Ανακοινώθηκε την εβδομάδα που έληξε στις 16 Δεκεμβρίου 2022, η εξάντληση ενέργειας (3.1 MegaJoules) ήταν μεγαλύτερη από την ενέργεια εισόδου (2.1 MegaJoules) για πρώτη φορά. Είναι μια πραγματική ανακάλυψη. Η θερμοκρασία που επιτεύχθηκε ήταν 3 εκατομμύρια βαθμοί Κελσίου.

Θέτοντας αυτό στην προοπτική.

Πρώτον, η εισαγωγή ενέργειας έναντι της εξόδου ενέργειας είναι πολύ απλή, γιατί για να ενεργοποιηθούν τα λέιζερ απαιτείται πολύ μεγαλύτερη ενέργεια: 400 MegaJoules. Βλέπε αναφορά 1.

Δεύτερον, η ιστορία επιτυχίας αφορούσε μόνο ένα γεγονός – μια ανάφλεξη σύντηξης. Για να είναι σχεδόν πρακτικό θα απαιτούσε πολλά, πολλά συμβάντα σύντηξης ανά λεπτό και θα χρειαζόταν ένα λέιζερ που είναι χιλιάδες φορές πιο ισχυρό. Επιπλέον, το κόστος θα πρέπει να είναι ένα εκατομμύριο φορές φθηνότερο (Αναφ. 1). Με μια λέξη, αυτή η μοναδική επιτυχία, αν και εμπνέει, δεν είναι πολύ κοντά στο να φανταστεί κανείς την πρακτική εφαρμογή.

Επομένως, δεν είναι φθηνό και δεν είναι πρακτικό, αλλά θα παρήγαγε ενέργεια υψηλής έντασης και θα ήταν χωρίς άνθρακα.

Η πυρηνική ενέργεια σχάσης είναι ένα εκατομμύριο φορές πιο ισχυρό από οποιαδήποτε άλλη πηγή ενέργειας στη γη. Και αυτός είναι ένας μεγάλος λόγος για τον οποίο έχουν γίνει επενδύσεις σε χώρες όπως η Γαλλία και οι ΗΠΑ για την κατασκευή δεκάδων πυρηνικών σταθμών.

Η πυρηνική σύντηξη δημιουργεί 3-4 φορές περισσότερη ενέργεια από την πυρηνική σχάση. Αυτό είναι ένα μέρος του ονείρου. Ένα άλλο μέρος του ονείρου της σύντηξης είναι ότι δεν υπάρχουν πυρηνικά απόβλητα προς διάθεση – απόβλητα που μπορεί να χρειαστούν εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια για να αποσυντεθούν. Ένα τρίτο μέρος είναι ότι η σύντηξη δεν είναι μια αλυσιδωτή αντίδραση, επομένως ο κίνδυνος αφανών πυρηνικών αντιδράσεων και εκρήξεων είναι ανύπαρκτος.

Δεδομένου ότι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας είναι υπεύθυνη για περίπου το ένα τρίτο των παγκόσμιων εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου, το τελευταίο μέρος του ονείρου είναι οι εγκαταστάσεις πυρηνικής σύντηξης που πασπαλίζονται σε μια χώρα για να παρέχουν ηλεκτρική ενέργεια υψηλής έντασης χωρίς άνθρακα.

Αλλά θυμηθείτε, είναι μόνο ένα όνειρο. Παρά τα πλεονεκτήματά της, η πυρηνική σύντηξη χωρίς άνθρακα δεν θα θέσει εκτός λειτουργίας τη βιομηχανία πετρελαίου και φυσικού αερίου έως το 2050 και ίσως ούτε μέχρι το 2100.

Φαγητά σε πακέτο

Η ανθρωπότητα έχει αντιγράψει την πηγή φωτός και θερμότητας του ήλιου. Σε περίπου 15 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, το αέριο εσωτερικό του ήλιου συμπιέζεται υπό τεράστια πίεση – ένα κουταλάκι του γλυκού ζυγίζει 750 γραμμάρια ή 1.65 λίβρες. Για να αναπαραχθούν οι εσωτερικές συνθήκες του ήλιου στο εργαστήριο και να επιτευχθεί εξισορρόπηση (εξόδου ενέργειας από την εισαγωγή ) είναι ένα εντυπωσιακό κατόρθωμα.

Αλλά η πυρηνική σύντηξη δεν είναι πολύ κοντά στο να φανταστεί κανείς εμπορική εφαρμογή.

Γιατί λοιπόν ξοδεύουμε πολλά χρήματα για να το ερευνήσουμε; Γιατί αυτό κάνουν οι προηγμένες χώρες. Κατασκευάζουν τηλεσκόπια όπως το James Webb και τα εγκαθιστούν σε δορυφόρους για να μελετήσουν το σύμπαν. Κατασκευάζουν πυραύλους για να βάλουν άνδρες και γυναίκες στο φεγγάρι. Κατασκευάζουν μαγνητικές πίστες για να επιταχύνουν τα πρωτόνια στην ταχύτητα του φωτός πριν συντρίψουν και αποκαλύψουν στα θραύσματα άπιαστα υποατομικά σωματίδια όπως το μποζόνιο Higgs.

Η πολιτική παίζει μεγάλο ρόλο στην απόφαση για το πού διανέμεται η κρατική υποστήριξη και χρηματοδότηση για την επιστήμη. Ευτυχώς, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, υπάρχουν πολλά παραδείγματα χωρών που χρησιμοποιούν την επιστήμη για να επιλύσουν πιεστικά προβλήματα που ωφελούν άμεσα την ανθρωπότητα.

Αναφορά 1: Jerusalem Demsas, Power of the Sun, The Atlantic Daily, 16 Δεκεμβρίου 2022.