Tækni & vísindi | mbl | 12.12.2022 | 21:20

Hvað felst í „stórkostlegri vísindauppgötvun“?

Athafnasvæði Lawrence Livermore-rannsóknarstofunnar í Livermore-Amador-dalnum suður af Oakland í Kaliforníu. Ljósmynd/Encyclopeda Britannica

Í gær bárust þær fregnir að von væri á tilkynningu um „stórkostlega vísindauppgötvun“ í vikunni, en fjölmiðlar vestanhafs segja þetta tengjast rannsóknum á kjarnasamruna (e. fusion). En hvað þýðir þetta og er mögulegt að tilkynnt verði um uppgötvun sem væri áfangi í átt að því að leysa orkuvandamál heimsins með því að framleiða meiri orku með minni?

Lengi vel hafa hugtök um heitan- og kaldan samruna í tengslum við orkuframleiðslu verið eitthvað sem hluti vísindasamfélagsins leit hornauga, sérstaklega er varðar kaldan samruna. Ekki voru allir á eitt sammála um að þar væru raunveruleg vísindi á ferð, en miklar rannsóknir hafa þó farið fram undanfarin ár og áratugi og virðist nú loks sem einhverjar fréttir séu handan við hornið úr báðum þessum greinum.

Frétt af mbl.is

„Stórkostleg vísindauppgötvun“ boðuð

Stórt vísindaafrek en líklega langt í tæknilegu hliðina

mbl.is ræddi við tvo innlenda sérfræðinga sem hafa fylgst með þessum málefnum undanfarin ár og fékk þá til að skýra við hverju megi búast á morgun og hvað sé að frétta af sviði kjarnasamrunarannsókna.

Sveinn Ólafsson er vísindamaður við Raunvísindastofnun Háskóla Íslands og hefur stundað rannsóknir á köldum samruna. Hann segir að fréttirnar núna snúist um heitan samruna, nánar tiltekið laser-samruna. Virðist vera um stórt vísindaafrek að ræða, en þó telur hann enn talsvert í tæknilegt afrek þannig að hægt sé að nýta orku úr slíku samrunaferli.

Hvað er heitur og kaldur samruni?

Hér er líklega ágætt að stoppa aðeins við og skilgreina betur heitan og kaldan samruna, en það eru tvær mismunandi samrunagerðir. Undir heitan samruna flokkast svo laser-samruni og plastma-samruni, en í þeim fyrrnefnda er laser notaður til að hita efni upp í plastma-ástand (sem er eitt af fjórum stigum efnisástands til viðbótar við fast, fljótandi og gufukennt efni) meðan aðeins plastma er aðeins notað í seinni flokknum.

Sveinn Ólafsson er vísindamaður við Raunvísindastofnun Háskóla Íslands.

Ágúst Kvaran, prófessor emiritus í efnafræði við Háskóla Íslands, lýsir laser-samrunanum og orkuframleiðslunni sem þar verður til á eftirfarandi hátt: „Orkumyndunin byggir á kjarnasamruna vetniskjarna í líkingu við það sem gerist í sólinni. Nánar tiltekið verður orkan til við það að þungt vetni (deuterium) og „ofurþungt“ vetni (tritium) rekast saman með ógnarhraða og mynda helíum og orkuríkar nifteindir. Ferlinu fylgir engin myndun geislavirkra úrgangsefna líkt og á sér stað við kjarnaklofnun í kjarnorkuverum í dag. Það hefur lengi verið draumur mannkyns að beisla slíka, nær óþrjótandi, orku, en samþætting á notkun mikillar orku til að framkalla kjarnasamrunann og beislun enn meiri orku sem myndast hefur ekki enn verið leyst.“

Hugmyndin um kaldan samruna gengur hins vegar út á að þegar vetni eða tvívetni er sett inn í efni við mjög sérstakar aðstæður og úr verður samruni inn í efninu tilkominn vegna samrunakvötunar, en það er enn sem komið er óútskýrt fyrirbæri.

Skýr eðlisfræði en stórt og dýrt verkefni

Sveinn segir að þekking og tæknileg vinna í kringum heitan og kaldan samruna á nokkuð mismunandi stað fyrir hvort ferlið. Þannig sé eðlisfræðin nokkuð skýr varðandi heitan samruna og hafi verið í marga áratugi. Hins vegar sé um að ræða gríðarlega stór og dýr verkefni og hingað til hafi ekki tekist að framleiða neina umframorku. Tæknilega getan hafi því ekki verið til staðar og ekki hægt að halda samrunaferli í gangi í neinn tíma sem skipti máli. Þetta helgast af því sem Ágúst lýsir hér að ofan, en einnig er hægt að kynna sér nánar ýmsar hindranir varðandi þetta ferli í myndbandinu hér að neðan. Þar er sjónum beint að heitum samruna, stöðunni á því sviði og aðkomu einkafjárfesta undanfarið.

Sveinn segir að með köldum samruna hafi tekist að fá út allt að 10-100 sinnum meiri orku en sett er inn í ferlið. Erfiðlega hefur þó reynst að endurtaka þessar niðurstöður þrátt fyrir talsverðar rannsóknir og tilraunir. „Menn vita ekki eðlisfræðina á bak við af hverju við fáum þessa orku,“ segir hann og bætir við: „Þú færð orku sem er langt yfir því sem sett er inn, en það er óvissa hvernig það gerist.“ Vegna þessa hafa tilraunir ekki verið á stórum skala þar sem óvissa sé uppi með hvernig ferlið hagi sér.

Sveinn segist þó bjartsýnn á að það muni breytast fyrr en seinna, jafnvel strax á næsta ári. Sjálfur hlaut hann 10 milljóna styrk frá Orkusjóði til að halda áfram með sínar rannsóknir á þessu sviði. Segir Sveinn að þar sem eðlisfræðin sé ekki þekkt í tengslum við kaldan samruna hafi mun minni fjármunir ratað í þann geira, en að með niðurstöðum fjölda rannsóknarhópa, sem vinni að mismunandi tilgátum um vísindalega hlið kalds samruna, á næsta ári gæti orðið einhver breyting þar á. Segir hann að þó nokkrir þessara hópa vinni ekki fyrir opnum tjöldum, en eins og fyrr segir hafði kaldur samruni á sér nokkuð síðra orðspor hér áður fyrr.

Ef hægt verður að leysa eðlisfræðivandann telur Sveinn líklegt að framleiðsla með köldum samruna gæti jafnvel verið inni á hverju heimili frekar en í stórum orkuverum. Þar þurfi ekki að hita plastma eða annað í margfaldan hita sólarinnar og ætti því í kenningu að vera miklu meðfæranlegra en allt tengt heitum samruna.

Verða áfram óleyst vandamál varðandi orkuframleiðslu

En hversu líklegt er þá að tilkynningin á morgun verði um eitthvað sem skipti beinu máli varðandi raforkumál nútímans og tilraunir til að draga úr eða eyða alveg kolefnisspori orkuframleiðslu?

Ágúst Kvaran prófessor emiritus í efnafræði við HÍ. Ljósmynd/Kristinn Ingvarsson

Sem fyrr segir virðist vera sem vísindauppgötvunin sem tilkynna á um á morgun snúist um að vísindamönnum hafi loks tekist að mynda meiri orku með heitum samruna en notuð er fyrir sjálfan kjarnasamrunann. Samkvæmt umfjöllun Financial Times skilaði tilraunin allt að 20% umframorku miðað við þá orku sem fór í tilraunina. Ágúst bendir á að þó að það væri niðurstaðan sé líklega óleyst það tæknilega vandamál að umbreyta orkunni í nýtanlega raforku. Við það ferli tapist óhjákvæmilega orka, auk þess sem huga þurfi að tapi við orkuflutningi, þannig að áskorun framtíðarinnar sé að mynda meiri nýtanlega orku en heildar notaða orku í öllu ferlinu.

Sveinn tekur undir þessa skoðun og segir að þó að um sé að ræða stóran vísindaáfanga, þá sé nokkuð langsótt að ætla að tekist hafi að stíga svo stórt skref að nýtanleg orka sé umfram þá orku sem sett var í ferlið. Segir hann að búast megi við því að á hverju ári að stigin verði skref áfram varðandi heitan samruna, en að líklega séu enn allavega 5-10 ár í að hægt verði að fá nýtanlega orku úr slíku ferli. „Þetta er mjög dýr og flókin tækni, þú ert jú að líkja eftir sól,“ segir hann.

Rannsóknir sem þróuðust út frá stjörnustríðsáætluninni

Rifjar Sveinn upp að í raun sé uppgötvunin núna, sem fræðamenn við Lawrence Livermore-rannsóknarstöðina í Kaliforníu hafa unnið að, einn angi af stjörnustríðsáætlun Bandaríkjanna og nú sé að koma fram vísindaleg niðurstaða úr þeirri vinnu. Fyrst hafi vopnarannsóknir aðallega verið stundaðar í rannsóknarstöðinni, en einnig efnasamrunar. Segir hann að í rannsóknarstöðinni sé sterkasti laser í heimi sem notaður sé til að senda laser-púlsa inn í vetniskjarna, en við það næst að þjappa kjörnunum svo mikið saman að úr verður helíum og umfram orka.