“Flaširanje” energije Sunca – rešenje za spas čovečanstva

07/06/2022 10:22

Povezane objave

Svet se trudi da ukroti izvor neograničene energije još od tridesetih godina prošlog veka i nikada nije bio bliže rešenju nego što je trenutno.

S malog brda u južnom francuskom regionu Provansa, možete videti dva Sunca. Jedno blista već četiri i po milijarde godina i zalazi. Drugo grade hiljade ljudskih umova i ruku i polako izlazi. Poslednji od večernjih zraka pravog Sunca, bacio je čarobni sjaj preko drugog, ogromnog gradilišta koje bi moglo da reši najveću egzistencijalnu krizu u ljudskoj istoriji.

Ovde se odigrava, u sićušnoj zajednici Saint-Paul-Lez-Durance, gde se okupilo 35 zemalja, da bi pokušale zajedničkim snagama da savladaju nuklearnu fuziju, proces koji se prirodno pojavljuje na Suncu i svim ostalim zvezdama, ali je ga veoma teško replicirati na Zemlji.

Fuzija praktično obećava neograničenu formu energije koja, za razliku od fosilnih goriva, emituje nultu emisiju gasova s efektom staklene bašte i za razliku od nuklearne energije koja se danas koristi, ne stvara dugotrajni radioaktivni otpad.

Savladavanje fuzije bi doslovno moglo spasiti čovečanstvo i izvući ga iz klimatskih promena, krize koju smo sami kreirali.

Ako je savladamo, energija fuzije će bez sumnje pristići u veći deo sveta. Samo 1 gram fuzionog ulaznog goriva može stvoriti ekvivalent u vidu osam tona nafte. To je zapanjujuć odnos od 8 miliona naprema 1.

Atomski stručnjaci ne vole posebno da procenjuju kada bi energija fuzije mogla da bude široko dostupna, često se šaleći, bez obzira kada postavite pitanje, odgovor je uvek 30 godina.

Međutim, prvi put u istoriji, to bi moglo da se obistini.

U februaru su naučnici u engleskom selu Kalem, u blizini Oksforda, najavili veliki proboj: proizveli su i održavali rekordnih 59 megadžula fuzione energije tokom pet sekundi u džinovskoj mašini koja se zove “tokamak”.

To je dovoljno energije da se napaja jedno domaćinstvo tokom dana, s tim što je više energije ušlo u sam proces nego što je izašlo iz njega. Ipak, to je bio istinski istorijski trenutak. Dokazalo se da je veštačka nuklearna fuzija moguća.

Ovo su bile odlične vesti za projekat u Francuskoj, međunarodnom termonuklearnom eksperimentalnom reaktoru, poznatijem kao ITER. Njegov glavni cilj je da dokaže da se fuzija može komercijalno iskoristiti. Ako se to ispostavi tačnim, svet više neće imati nikakve koristi od fosilnih goriva poput uglja, nafte i gasa, glavnih uzroka klimatske krize.

Na sceni su velike promene, a ljudi koji rade na projektu takođe su tome podvrgnuti. Generalni direktor, Bernar Bigo, preminuo je od posledica bolesti 14. maja, nakon vođenja projekta u periodu od sedam godina.

Pre smrti, podelio je svoj zarazni optimizam vezan za „fuzionicu“ iz svoje sunčane kancelarije, odakle je nadgledao tokamak, strukturu kao iz naučno-fantastičnih filmova, koja je još uvek u izgradnji.

„Energija je život“, rekao je Bigo. „Biološki, socijalno, ekonomski.“

Kada je Zemlja bila naseljena s manje od milijardu ljudi, bilo je dovoljno obnovljivih izvora za ispunjavanje potražnje, rekao je on.

„Ne više. Ne od industrijske revolucije i sledeće eksplozije stanovništva. Dakle, prihvatili smo fosilna goriva i učinili puno štete našem okruženju. A ovde smo sada, nas 8 milijardi, usred drastične klimatske krize“, dodao je.

„Ne postoji alternativa, već da se odreknemo svog trenutnog glavnog izvora napajanja. I čini se da je najbolja opcija ona koju je univerzum koristio milijardama godina.“

Oponašajući Sunce

Energija fuzije se stvara spajanjem dve čestice koje se po prirodi odbijaju. Nakon što se ubrizgava mala količina goriva u tokamak, džinovski magneti se aktiviraju da bi se stvorila plazma, četvrto stanje materije, što je nešto poput gasa ili supe s električnim nabojem.

Podizanjem temperature unutar tokamaka do nepomično visokih nivoa, čestice iz goriva su prisiljene da se spajaju. Proces stvara helijum i neutrone, koji su lakši od delova od kojih su prvobitno napravljeni.

Masa koja nedostaje pretvara se u ogromnu količinu energije. Neutroni, koji su u stanju da izbegnu plazmu, zatim udaraju u „pokrivač“ obloge zidova tokamaka, a njihova kinetička energija se pretvara u toplotu. Ta toplota se može koristiti za grejanje vode, odnosno stvaranje pare koja okreće turbine, koje zauzvrat proizvode električnu energiju.

Ovo sve zahteva da tokamak ukroti ozbiljnu toplotu. Plazma mora da dostigne najmanje 150 miliona stepeni Celzijusa, što je 10 puta vrelije od jezgra Sunca. Tu se naravno nameće pitanje: Kako bilo šta na Zemlji može da izdrži tako visoke temperature?

To je jedna od mnogih prepreka koje su generacije istraživača na polju fuzije uspele da prevaziđu. Naučnici i inženjeri dizajnirali su džinovske magnete da bi stvorili snažno magnetno polje, kako bi toplota bila „flaširana“. Bilo šta drugo bi se jednostavno rastopilo.

Ono što oni koji rade na fuziji pokušavaju da urade u svojim mašinama, u osnovi je repliciranje onoga što se dešava na Suncu. Naša zvezda je stalna fuziona fabrika, sačinjena od gigantske uzavrele kugle plazme. Ona svake sekunde fuzioniše ogromne količine vodonika u helijum.

Plazma zapravo tvori 99,9% univerzuma, uključujući i zvezde, naše Sunce i svu međuzvezdanu materiju. Ovde na Zemlji, primera radi, koristi se u televizorima i neonskim svetlima i možemo je videti u munjama i polarnoj svetlosti.

Sve to naravno fenomenalno zvuči, generisanje energije fuzije po sebi u stvari nije težak deo, reklo je nekoliko stručnjaka na ITER-u. Čovečanstvo pokušava da ostvari reakciju nuklearne fuzije još od pronalaska H-bombe, na kraju krajeva. Glavni izazov je održavanje. Tokamak u Velikoj Britaniji, nazvan „Zajednički evropski torus“ (JET), uspeo je da održava proces fuzije u trajanju od pet sekundi, i to je najduže koliko će ova mašina ići. Magneti su mu napravljeni od bakra i napravljeni su 1970-ih. Više od pet sekundi pod takvom toplotom izazvalo bi njihovo topljenje.

ITER koristi novije magnete, koji mogu dugo trajati, a projekat ima za cilj da proizvede desetostruki povrat energije, generišući 500 megavata uz unos od 50 megavata.

Međutim, ITER-ov cilj nije zapravo da koristi energiju za proizvodnju elektriciteta, već da dokaže da može da održi fuziju mnogo duže nego što je to JET bio u stanju. Uspeh ovde znači da će komercijalne mašine početi da generišu fuziju u budućnosti.

Dok Sunce osigurava atome vodonika koji kreiraju helijum, JET projekat je koristio dva izotopa vodonika poznatim kao deuterijum i tricijum, koji će takođe koristiti ITER. Ovi izotopi se ponašaju gotovo identično vodoniku, u smislu njihove hemijske građe i reaktivnosti.

I deuterijum i tricijum se nalaze u prirodi. Deuterijuma ima u izobilju kako u slatkoj tako i slanoj vodi. Deuterijum iz samo 500 mililitara vode, s malo tricijuma, mogao bi napajati domaćinstvo godinu dana. Tricijum je redak, ali može se sintetički proizvesti. Trenutno ga u svetu ima samo 20 kilograma a potražnja ne prelazi 400 grama godišnje. Međutim, pri prinosu od 8 miliona naprema 1, potrebne su samo sićušne količine oba elemenata za generisanje pune fuzione energije.

Tricijum je izuzetno skupa supstanca: jedan gram trenutno vredi oko 30.000 dolara. Ako priča s nuklearnom fuzijom prođe uspešno, potražnja će probiti sve moguće barijere, postavljajući majstore fuzije pred novi izazov.

Projekat od 10 miliona delova

Izdaleka, ITER izgleda kao projekat spreman za pokretanje. Izbliza, jasno je da je još uvek daleko od toga.

Izgradnja na 39 lokacija neverovatno je složena. Glavni pogon je izrazito sterilno okruženje, gde se stavljaju ogromne komponente uz pomoć dizalica od 750 tona. Radnici su već sastavili školjku tokamaka, ali i dalje čekaju neke delove, uključujući džinovski magnet iz Rusije, koji će počivati na vrhu mašine.

Dimenzije su „sulude“. Tokamak će na kraju težiti 23.000 tona. To je kombinovana težina tri Ajfelove kule. Sadrži milion komponenti, koje se dodatno sastoje od najmanje 10 miliona manjih delova.

Ovaj moćni „behemot“ biće okružen nekim od najvećih magneta ikada stvorenih. Njihova neverovatna veličina (neki od njih imaju prečnike do 24 metra) znači da su preveliki za prevoz i moraju se montirati na licu mesta u džinovskoj hali.

S obzirom na ogroman broj uključenih delova, jednostavno nema mesta za grešku.

Čak se i digitalni dizajn ove ogromne mašine nalazi u 3D računarskim datotekama koje zauzimaju više od dva terabajta na hard disku. To je ista količina prostora na kojem možete sačuvati više od 160 miliona jednostraničnih Word dokumenata.

Nuklearna fuzija u ratnom vremenu

Iza stotina radnika koji sastavljaju projekt ITER stoji oko 4.500 kompanija sa 15.000 zaposlenih iz celog sveta.

Trideset i pet zemalja sarađuje na ITER-u, koji vodi sedam glavnih članica: Kina, Sjedinjene Države, Evropska unija, Rusija, Indija, Japan i Južna Koreja. Sastav pomalo izgleda poput Saveta bezbednosti UN-a, mada se i pokojni Bigo, između ostalog, trudio da geopolitiku drži van projekta.

Međutim, kako Rusija nastoji da prekraja mapu Evrope ratom u Ukrajini, pa čak i dovede u pitanje posleratni svetski poredak, postoji zabrinutost zbog stalne uloge ove zemlje u ITER-u, tako da se razmatra njeno potencijalno isključenje.

Rusija je odsečena iz niza drugih međunarodnih naučnih projekata zbog rata, ali Evropska komisija je izričito tražila izuzetak ITER-a u okviru svojih sankcija.

Deo ovoga je zato što je Rusija neraskidivo povezana ne samo s projektom, već i energijom fuzije u istorijskom smislu.

Neke države su započele istraživanja na temu nuklearne fuzije tokom 1930-ih, kreirajući brojne mašine tokom decenija. Ali se tek tokamak, stvoren u Sovjetskom Savezu, pokazao najuspešnijim. Godine 1968. sovjetski istraživači napravili su ogroman fuzioni proboj, mogli su da postignu neophodne visoke temperature i održavaju plazmu tokom dužeg perioda, koji nikada ranije nije postignut.

Tokamak se pokazao kao mašina koju treba kopirati. Čak je i reč „tokamak“ složenica za „Toroidno magnetno zatvaranje“, izvedena iz ruskog jezika.

Rusija je takođe obezbedila neke od najključnijih elemenata ITER projekta i jedan je od njenih glavnih finansijera. Magnet za vrh tokamaka, primera radi, napravljen je u Sankt Peterburgu i čeka, spreman da bude poslat u Francusku, rekao je šef ITER-a za komunikacije, Laban Koblenc.

Do sada se učešće Rusije u projektu nije ni na koji način promenilo, rekao je on.

„ITER je zaista dete hladnog rata“, rekao je Koblenc. „To je saradnja zemalja koje su ideološki neopterećene i koje jednostavno dele zajednički cilj za bolju budućnost.“

Istakao je da su sedam glavnih članica prošle kroz mnoge napete događaje od začeća ITER-a 1985. godine.

„Pre bilo čega oko potonjih okolnosti vezanih za Rusiju, treba istaći da to nikada nije uticalo na kolaborativni duh. Mislim da nije preterivanje da se kaže da je ITER projekat mira“, rekao je.

Ipak, Koblenc je priznao da je rat u Ukrajini „bez presedana“ i da ne može predvideti šta to može značiti i za budućnost Rusije u ITER-u – nešto što će biti delikatno pitanje za sledećeg generalnog direktora. Deo Bigoovog posla bio je koordinira sedam glavnih članova i njihovih često različitih stavova o postupanju s različitim političkim, ideološkim i ekonomskim pitanjima.

Geopolitika je uvek igrala ulogu u ITER-u. Samo pronalaženje ispravne lokacije trajalo je godinama i uključivalo više od decenije tehničkih studija, političkog pregovaranja i diplomatskog „finog podešavanja“. Francuski Saint-Paul-Lez-Durance konačno je učinjen zvaničnom lokacijom 2005. godine na sastanku u Moskvi, a sporazum o izgradnji potpisan je u Parizu godinu dana kasnije.

Zatim je započela izgradnja. U 2010. godini postavljeni su temelji, a u 2014. uključene su prve građevinske mašine.

Vreme ističe

Skala i ambicija ITER projekta mogu se činiti ogromnim, ali u najmanju ruku se radi o proporcionalnom odgovoru na nered koji su ljudi napravili na planeti. Od 1973. godine, globalna upotreba energije više se nego udvostručila. Do kraja veka bi zapravo mogla da bude čak trostruko veća. Sedamdeset odsto kompletne emisije ugljen-dioksida u atmosferu stvoreno je kroz potrošnju energije čiji je uzrok čovek, a 80% ukupne energije koju konzumiramo izvedeno je od fosilnih goriva.

Sada se Zemlja kreće ka nivoima zagrevanja koji će za posledicu imati češće i smrtonosnije toplotne talase, suše, glad, poplave i rastući nivo mora. Uticaji klimatske krize postaju sve teži za ispravljanje, što direktno ugrožava ogroman broj ljudskih života.

Svetu je sada očajnički neophodna dekarbonizacija i ubrzan prelazak s fosilnih goriva na obnovljivu energiju poput solarne, energije vetra i hidroelektrana. Neke zemlje stavljaju karte na energiju nuklearne fisije, koja je niskougljenična, ali dolazi s malim, ali ne i zanemarljivim, rizikom od katastrofa, problema sa skladištenjem radioaktivnog otpada i visokih troškova.

Ipak, postoje ozbiljna pitanja u vezi s tim da li svet može da napravi ovaj zeleni prelaz dovoljno brzo i spreči katastrofalne klimatske promene.

Tu bi fuzija mogla biti „heroj“ koji spasava svet u „minut do dvanaest.

Kada je pokojni fizičar Stiven Hoking upitan 2010. godine, koje naučno dostignuće bi želeo da vidi za svog života, ukazao je upravo na ovaj proces

„Voleo bih da nuklearna fuzija postane praktični izvor napajanja“, rekao je. „To bi pružilo neiscrpan izvor energije, bez zagađenja ili globalnog zagrevanja.“

Nova era

Stručnjaci koji rade na nuklearnoj fuziji su već savladali ogromne izazove, ali mnogi, uključujući Bigoa, nisu je tokom svoje celokupne karijere videli u praktičnoj upotrebi

Sada se komercijalna preduzeća pripremaju za generisanje i prodaju energije fuzije, i to s takvim optimizmom da bi ova energija budućnosti mogla pristići na mrežu do sredine veka.

Međutim, kao što je uvek slučaj s nuklearnom fuzijom, kada se jedan izazov savlada, pojavi se drugi. Ograničene zalihe i cena tricijuma je jedan, tako da je ITER pokušava da proizvede sopstveni. Na tom frontu, izgledi se ne čine lošim. „Prekrivač“ unutar tokamaka biće obložen litijumom i kako ga izbegli neutroni budu udarali, reagovaće s litijumom radi stvaranja više tricijumskog goriva.

Vreme i novac su uvek zabrinjavajući faktori za velike projekte, ali „veliki“ čak ni izbliza ne opisuje obim ITER-a, što je zaista jedna od najvećih svetskih i najambicioznih međunarodnih energetskih kolaboracija u istoriji.

Kašnjenje jednog dana košta oko milion evra, rekao je Bigo.

Evropska unija podnosi 45% troškova izgradnje. Sve ostale zemlje učesnice doprinose s malo iznad 9% (po zemlji), po grubim procenama. U početku je celokupna konstrukcija procenjena na oko 6 milijardi evra, da bi sada to bilo više nego utrostručeno na 20 milijardi evra.

Ipak, u vezi s jednim od najvećih svetskih projekata, Bigo je ostao strastven i optimističan u pogledu njegovog potencijala do poslednjeg daha.

„Vodonična fuzija je milion puta efikasnija od sagorevanja fosilnih goriva. Ono što ovde pokušavamo učiniti je zapravo, zaista, zaista slično stvaranju malog veštačkog Sunca na Zemlji“, rekao je on. „Ova fuziona elektrana će stalno biti u radu. Ovo sunce, tako govoreći, nikada neće ’zalaziti’.“