Κάψουλες καυσίμου σύντηξης: Η νέα έρευνα φέρνει πιο κοντά την ενέργεια του μέλλοντος
Η αναζήτηση για μια καθαρή, πρακτικά ανεξάντλητη πηγή ενέργειας περνά υποχρεωτικά μέσα από τη σύντηξη. Και παρότι η προσοχή στρέφεται συχνά στα γιγαντιαία laser ή στα φουτουριστικά πειράματα που υπόσχονται ενεργειακά θαύματα, η πραγματική κρίσιμη λεπτομέρεια μπορεί να χωράει… σε ένα κουκούτσι. Οι κάψουλες καυσίμου που χρησιμοποιούνται στη σύντηξη με αδρανειακό περιορισμό είναι μικρές όσο ένα μπιζέλι, αλλά καθορίζουν απόλυτα το αποτέλεσμα της διαδικασίας.
Το SLAC National Accelerator Laboratory του αμερικανικού Υπουργείου Ενέργειας δημοσίευσε μια νέα σειρά μελετών που ρίχνουν φως στις ακριβείς συμπεριφορές αυτών των μικροσκοπικών δομών υπό ακραίες συνθήκες. Και οι αποκαλύψεις τους ίσως αποτελέσουν το κλειδί για τους μελλοντικούς αντιδραστήρες.
Στη σύντηξη με αδρανειακό περιορισμό, οι υπερ-ισχυροί παλμοί laser συμπιέζουν την κάψουλα σε κλάσμα του δευτερολέπτου, προκαλώντας μια τέλεια σφαιρική κατάρρευση. Τότε ο συνδυασμός θερμοκρασιών επιπέδου επιφάνειας του Ήλιου και πιέσεων που ξεπερνούν το εσωτερικό των πλανητών επιτρέπει στο μείγμα δευτερίου-τριτίου να φτάσει στο σημείο της σύντηξης. Η διαδικασία είναι τόσο ακραία και τόσο σύντομη που οποιοδήποτε μικροσκοπικό ελάττωμα στη δομή της κάψουλας μπορεί να εκτρέψει την ισορροπία, να διαταράξει τη συμμετρία της κατάρρευσης και να ακυρώσει την ενεργειακή απόδοση.
Για να κατανοήσουν αυτές τις λεπτομέρειες, οι ερευνητές αξιοποίησαν το Linac Coherent Light Source (LCLS), μία από τις πιο προηγμένες πηγές ακτίνων Χ στον κόσμο, επιτρέποντας απεικονίσεις σε χρονική κλίμακα δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου. Το αποτέλεσμα είναι μια νέα γενιά δεδομένων που χαρτογραφεί με πρωτοφανή ακρίβεια τις μεταμορφώσεις των υλικών της κάψουλας τη στιγμή που δέχονται το χτύπημα των laser.
Η πρώτη από τις βασικές μελέτες, υπό την καθοδήγηση της Willow Martin, εστίασε στις απότομες αλλαγές θερμοκρασίας κατά την εσωτερική έκρηξη. Χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία και τεχνικές σκέδασης, η ομάδα παρακολούθησε την μετάβαση του άνθρακα από στερεή κατάσταση σε πλάσμα. Με αυτόν τον τρόπο χαρτογράφησαν πώς κατανέμεται η ενέργεια: τι ποσοστό μετατρέπεται σε θερμότητα και τι πηγαίνει στη μηχανική συμπίεση του υλικού. Πρόκειται για κρίσιμο βήμα στη βελτιστοποίηση του σχήματος παλμών των laser και, τελικά, στην αύξηση της αποδοτικότητας ενός μελλοντικού αντιδραστήρα.
Παράλληλα, η έρευνα της Claudia Parisuaña Barranca επικεντρώθηκε στην προώθηση των κυμάτων κρούσης μέσα σε προηγμένες τρισδιάστατες αφρώδεις δομές, κατασκευασμένες μέσω της τεχνικής TPP (πολυμερισμός δύο φωτονίων). Συγκρίνοντας τις με κλασικά αεροτζέλ, οι ερευνητές κατάφεραν να αναθεωρήσουν κρίσιμα μοντέλα προσομοίωσης που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό καψουλών. Σε έναν τομέα όπου τα μοντέλα είναι εξίσου σημαντικά με τα ίδια τα πειράματα, η βελτίωση της προβλεψιμότητας αποτελεί στρατηγικής σημασίας πρόοδο.
Σε άλλο μέτωπο, η ομάδα του Levi Hancock χρησιμοποίησε πτυχοτομογραφία, μια τεχνική υψηλής ευαισθησίας για την τρισδιάστατη απεικόνιση υλικών, προκειμένου να αναλύσει λεπτομερώς μικροσκοπικές στήλες υλικού πάχους μόλις 10 μικρόμετρων. Παρά τις δυσκολίες που επιφέρει η χαμηλή πυκνότητα των δειγμάτων, η μέθοδος παρείχε καθαρή εικόνα της μικροδομής. Οι πληροφορίες αυτές θα επιτρέψουν την παραγωγή πιο ομοιόμορφων αφρών, οι οποίοι θα βοηθήσουν στο να επιτευχθούν σταθερότερες και πιο συμμετρικές εσωτερικές εκρήξεις.
Το τελευταίο κομμάτι του παζλ έρχεται από τη μελέτη του Daniel Hodge, που εξέτασε τον ρόλο των μικροσκοπικών κενών που μπορούν να σχηματιστούν στους φλοιούς των καψουλών. Δημιουργώντας ελεγχόμενα τεχνητά ελαττώματα και εκθέτοντάς τα σε laser shock, οι ερευνητές έδειξαν ότι ακόμη και αμελητέα κενά μπορούν να διαταράξουν τη γεωμετρία της κατάρρευσης και να μειώσουν δραστικά την αποδιδόμενη ενέργεια. Με άλλα λόγια, η τελειότητα των καψουλών δεν είναι πολυτέλεια αλλά προϋπόθεση.
Στον διάλογο προστίθενται και ανεξάρτητα αποτελέσματα του University of California San Diego, που αποκάλυψαν τους μηχανισμούς εμφάνισης δομικών ατελειών σε διαμαντένιες κάψουλες, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε αρκετές δοκιμές διεθνώς. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτά τα σκληρά υλικά αποτυγχάνουν υπό εξωφρενικά υψηλές πιέσεις θα βοηθήσει στον σχεδιασμό πιο αξιόπιστων εναλλακτικών.
Το συνολικό μήνυμα των ερευνών είναι ότι προτού η σύντηξη μετατραπεί σε εμπορική πραγματικότητα, πρέπει να δαμαστεί η φυσική των υλικών σε ακραίο περιβάλλον. Οι νέες μελέτες δεν μας δίνουν ακόμα έναν λειτουργικό αντιδραστήρα, αλλά γεφυρώνουν το χάσμα ανάμεσα στη σημερινή πειραματική γνώση και στο απαιτητικό μέλλον όπου η παραγωγή ενέργειας από σύντηξη θα πρέπει να είναι γρήγορη, επαναλαμβανόμενη και αξιόπιστη.
Αν η ενέργεια του μέλλοντος βασιστεί πράγματι στη σύντηξη, τότε οι μικροσκοπικές κάψουλες που σήμερα εξετάζονται με ακτίνες Χ δισεκατομμυριοστών του δευτερολέπτου θα αποτελέσουν την καρδιά ενός νέου ενεργειακού οικοσυστήματος.
