Článek
Čtete ukázku z newsletteru TechMIX, ve kterém Pavel Kasík a Matouš Lázňovský každou středu přinášejí hned několik komentářů a postřehů ze světa vědy a nových technologií. Pokud vás TechMIX zaujme, přihlaste se k jeho odběru!
Nejprve se zastavme u často skloňovaného evergreenu, tedy termojaderné fúze. Tento potenciálně těžko vyčerpatelný zdroj čisté energie v posledních letech zažívá renesanci zájmu, a má to své objektivní příčiny.
Po desetiletích pomalého (a „poskoky“ se pohybujícího) pokroku se fúze možná skutečně o něco přiblížila. Existuje řada indicií, že už víme dost na to, abychom děje probíhající v nitru hvězd do jisté míry dokázali napodobit na Zemi. Pravda, nebude to úplně totéž, nejjednodušší je pro nás spojovat jádra jiná a jinak než hvězdy, princip je ovšem stejný.
Proto i soukromé investice do vytvoření „umělé hvězdy“, tedy termojaderné fúze, v posledních letech dosahují historických maxim (samozřejmě, když byly peníze levnější, třeba v roce 2021, tak se investovalo snáz…). Nové prostředky plynou do projektů někdy konzervativních, někdy velmi odvážných.
Do druhé kategorie patří i japonský startup Tao Technologies, který pracuje na jiné metodě termojaderné fúze. Místo využití dvou izotopů vodíku (deuteria a tritia) chce vyvíjet metodu slučování protonů, tedy těžkých kladně nabitých částic, a jader boru (nebo bóru, pokud jste staří aspoň jako já).
Bor je lehký prvek s 10 nebo 11 částicemi v jádře, pro fúzi se více hodí druhá zmíněná „varianta“. Při fúzi tohoto izotopu s protonem vzniknou tři jádra běžného helia (helium 4, tedy nejběžnější varianta tohoto prvku) a uvolní se větší množství energie, přesně 8,7 MeV. Na pohled si možná všimnete, že reakce je podivuhodně „čistá“: Vznikají při ní jenom atomy relativně běžného a neškodného prvku.
Nevznikají naopak neutrony s vysokými energiemi. Tyto částice je těžké zastavit, přitom ovšem mají doslova ničivý účinek na materiál reaktoru (tedy především jeho stěny). Neutronové bombardování je postupně narušuje, postupně totiž vyráží atomy z krystalické mřížky. Mimo jiné také dochází k tomu, že se materiál stěn stává radioaktivním. Ve výkonném reaktoru je míra „opotřebení“ taková, že dnes není jasné, které materiály by ji měly vydržet.
Neutronovým problémem trpí běžně zkoušená a zvažovaná reakce dvou izotopů vodíku, které chce provádět například mezinárodní reaktor ITER. Má to svůj jasný důvod: Tento předstupeň k prototypům fúzních elektráren chce vyzkoušet tu technicky nejsnáze dosažitelnou metodu k dosažení fúze na Zemi.
Bohužel tato technicky nejprostší metoda má celou řadu praktických potíží. Tritium, tedy onen pro ni nezbytný izotop, je nejen vzácné, ale také radioaktivní. A tak je ITER z úředního hlediska považován za „jaderné zařízení“ – a jistě chápete, že taková kvalifikace práci na obřím výzkumném projektu rozhodně nezjednodušuje, ba naopak komplikuje i jinak relativně banální úkony. A to ještě nemluvíme o případném provozu nějaké fúzní elektrárny.
Nikde ovšem není psáno, že musíme ve fúzních reaktorech slučovat právě tritium a vodík. Za vhodných okolností se dá spojit mnohé. Třeba právě boron s protony, jak to zkoušejí Tao Technologies.
Chce to přitopit
I když tato metoda nepochybně může zjednodušit debaty s jaderným dozorem, má celou řadu jiných nevýhod. Dobře je popsal neúnavný popularizátor hlavně jaderné fyziky Vladimír Wagner, já jen stručně shrnuji.
V první řadě může fúze boru a protonu proběhnout s dostatečnou pravděpodobností pouze při extrémně vysokých teplotách. Vyžaduje zhruba 30krát vyšší teploty než fúze deuteria a tritia. Jestli má mít plazma v ITER teplotu přes sto milionů kelvinů, tak bor/protonová fúze vyžaduje teploty o jeden řád vyšší, tedy miliardy kelvinů.
Ohřát plyn na stovky milionů stupňů není jednoduché, ale odborníci už vědí, jak toho dosáhnout, alespoň tedy v případě té extrémně řídké matérie, která se skrývá v nitrech fúzních zařízení. Ovšem miliardy kelvinů, to je pro inženýry přece jen nový problém.
Jak poznamenávají mnozí pozorovatelé, nepůjde to bez velkých ztrát, a tedy „plýtvání“ energií. Aby se takové zařízení vůbec vyplatilo stavět, musí vyrobit o to více energie. To nebude úplně jednoduché ani proto, že bor a protony se neslučují ani při těchto vysokých teplotách tak ochotně jako třeba deuterium s tritiem.
Řešením by bylo udržet částice delší dobu v nějaké „pasti“, tedy ve vhodných podmínkách, kde může fúze trvale probíhat. To je do jisté míry předmětem výzkumu Tao Technologies, kde experimentovali s tím, jak spojovat bor a protony právě v takové magnetické „pasti“.
Jejich práce vydaná v časopise Nature Communications je vůbec prvním popisem experimentů s tímto typem fúze v plazmatu. Dosud se vždy bor dával do nějakého pevného terče, který se například ostřeloval laserem, aby v něm vznikly dostatečně extrémní podmínky pro fúzi.
V daném případě nešlo o to, rozběhnout spojování jader opravdu ve velkém. Cílem bylo hlavně ověřit, že vůbec takový proces může fungovat. Úspěch tedy je už to, že vůbec k fúzi docházelo: Že se podařilo zachytit nějaké částice, které nepochybně vznikly při srážení protonů a boru (konkrétně tedy alfa částice čili jádra helia, protože celé atomy helia se v takových podmínkách pohromadě neudrží a elektrony z nich odlétnou).
Pokud byste chtěli znát konkrétní parametry a výsledky experimentu, znovu odkazuji na Vladimira Wagnera, konkrétně tento text.
Už to, jak nízké cíle si pokus kladl, jen ukazuje, že výzkum téhle větve jaderné fúze je opravdu na začátku. Jaderná fúze je možná vždy vzdálena 20 let, tento konkrétní typ ale ještě o pár desetiletí navíc.
Zamotané řešení
Celý experiment se odehrál v technicky velmi zajímavém zařízení, japonském stelarátoru LHD. Na pohled vypadá jako něco, co navrhl fyzik na větší než zdravé dávce LSD: Jde o zdánlivě nesmyslně pokroucenou trubku nepochopitelného tvaru a také účelu.
Ve skutečnosti jde o velmi pečlivě navržené zařízení. Podobně jako mnohem známější tokamak je i stelarátor magnetická nádoba, ve které je možné držet extrémně horké plazma bez poškození stěn.
Rozdíl je „jen“ v tom, že tokamaky si ještě pomáhají proudem protékajícím samotným plazmatem, zatímco stelarátory spoléhají pouze na magnetické pole vytvářené cívkami kolem komory s plazmatem.
Tento indukovaný proud udržení ve skutečnosti velmi výrazně zjednodušuje, protože přidává do rovnice další magnetické pole. Dohromady tak vzniká pole žádoucího tvaru, které vede plazma z oblasti slabého do oblasti silného pole a opačně. V podstatě jde o dobrý způsob, jak kompenzovat nerovnoměrnosti v magnetickém poli, které jinak v důsledku vedou k úniku plazmatu.
Stelarátor má jednodušší magnetické pole, ale o to složitější musí mít tvar. Komora i magnety kolem ní musí mít v různých místech určitý tvar a průřez tak, aby vzniklé magnetické pole mělo přesně ty správné vlastnosti pro udržení plazmatu. Z konstrukčního hlediska je to extrémně přesné zařízení s nulovou možností pozdějších úprav – když ho jednou postavíte, je minimálně šance na nějaké větší úpravy.
Má ovšem proti tokamaku jednu velkou výhodu: Teoreticky může běžet prakticky bez přestávek. Tokamaky jsou právě kvůli tomu, že využívají indukované pole, z povahy pulzní zařízení. Aby se mohl indukovat proud v plazmatu, je neustále nutné „přitápět pod kotlem“ – a to nejde donekonečna.
V jednu chvíli se tedy musí zařízení vypnout a začít znovu. Stelarátor dává nutné vlastnosti magnetickému poli jen svým tvarem, takže by alespoň na papíře měl být schopen pracovat neustále.
Byť je myšlenka stelarátorů desetiletí stará, v praxi se muselo s jejich realizací počkat, až budou počítače dost výkonné a matematické metody simulace magnetických polí dost přesné na to, aby takové zařízení vůbec bylo možné navrhnout.
Stelarátorů je tak na světě jako šafránu. Odborníci Fyzikálního ústavu Maxe Plancka jich napočítali 13. Populárnějších tokamaků jsou dnes po světě stovky a další se staví.
Druhý „svatý grál“
Druhá novinka, na kterou už nezbude tolik místa, se týká dalšího lákavého fyzikálního „zázraku“: supravodivosti za běžných teplot. Tedy příslibu materiálů, které by byly schopné vodit či uchovávat elektrický proud bez jakýkoliv ztrát – a nemusely se přitom chladit kapalným heliem či alespoň kapalným dusíkem. Konečně bychom se mohli dočkat skutečných vlaků na magnetickém polštáři!
Zajímavá ovšem na tomto příběhu není jen technologie, ale i lidé kolem ní. S tvrzením (a vědeckou prací), že mají materiál, který si udržuje supravodivost i při 20 °C, totiž přišla jedna už poněkud nechvalně proslulá skupina z americké Univerzity v Rochesteru (zkracuje se roztomile na „U of R“).
Stejný tým v nedávné minulosti podobný výsledek musel stáhnout z vědecké literatury. Reakce kolegů jsou tedy smíšené: „Pokud je to pravda, je to naprosto revoluční,“ řekl časopisu Science James Hamlin, fyzik z Floridské univerzity, který se na práci nepodílel.
Vraťme se nejprve trochu do minulosti. Skupina z U of R, vedená fyzikem Rangou Diasem, v roce 2020 oznámila, že vytvořila supravodivý materiál z uhlíku, síry a vodíku (CSH), když ho stlačili mezi hroty dvou diamantů tlakem milionkrát převyšujícím tlak atmosférický. Zajímavé bylo hlavně to, že materiál byl supravodivý i při teplotách kolem 13 °C.
Práce se dostala do slovutného časopisu Nature, brzy se ovšem začaly ozývat nespokojené hlasy. Jiní vědci výsledky CSH nedokázali zopakovat a stěžovali si, že uváděný postup je nejasný a neúplný. Jiní shledali chybu ve způsobu, jakým skupina z U of R měřila magnetické chování materiálu, což je klíčový znak supravodivosti. Nakonec časopis Nature článek v září 2022 přes námitky všech jeho autorů stáhl.
Ti ale jen „přitvrdili“. Nový materiál má být supravodivý nejen při vyšších teplotách, ale také při výrazně nižším tlaku (cca trojnásobku atmosférického tlaku).
Autoři tvrdí, že práce tentokrát prošla ještě důkladnější kontrolou a o výsledku nemůže být pochybností. Kritici zase tvrdí, že s takovým tvrzením se má počkat, dokud výsledek nezopakují jiní. A někteří už si znovu začínají stěžovat, že Dias s kolegy se nechovají zrovna vstřícně a nejeví velkou snahu ověřování výsledku pomoci.
Autoři sami uznávají, že jim jde o peníze. Dias říká, že společnost Unearthly Materials, kterou založil spolu s kolegou, se snaží supravodivou látku komercializovat: „Nebudeme tento materiál distribuovat s ohledem na patentovanou povahu našeho procesu a existující práva duševního vlastnictví,“ uvedl Dias pro Science. Takže na levitující vlaky se zatím radši netěšme, abychom nebyli zklamáni.
V plné verzi newsletteru TechMIX toho najdete ještě mnohem víc. Přihlaste se k odběru a budete ho dostávat každou středu přímo do své e-mailové schránky.
