Jak maszyna Z w Sandia National Laboratory wytwarza ciepło cieplejsze niż gwiazda, aby zasilić syntezę jądrową
Muszę obejrzeć ten film dwa razy. Może nawet trzy razy. Co to właściwie jest za plątanina kabli? Choć wygląda jak wiązka przewodów, konstrukcja jest ogromna – mniej więcej wielkości sali gimnastycznej. W laboratorium w Nowym Meksyku urządzenie to działa jak piekielna maszyna. Temperatura przekracza 2 miliardy stopni. To zdecydowanie ciepło na światowym poziomie. Nawet jądro Słońca, najgorętszej znanej nam gwiazdy, promieniuje tylko około 16 milionów stopni. Samochód Z jedzie znacznie dalej.
Laboratoria Narodowe Sandia nie stworzyły maszyny Z do bicia rekordów Guinnessa. Cele są realistyczne. Naukowcy sprawdzają, czy to eksperymentalne urządzenie może w przyszłości przydać się do wytwarzania energii elektrycznej. Opracowują technologie syntezy jądrowej.
Aby tego dokonać, przepuścili prąd elektryczny o natężeniu 20 milionów amperów przez siatkę drucianą i skierowali go na cząsteczki plazmy. Cząstki te są naładowane elektrycznie i mniejsze niż atomy. W ułamku sekundy przepływający przez nie prąd odpowiada mocy 10 000 generatorów elektrowni. Każdy generator może zapewnić światło dla 500 000 żarówek. Gęstość energii jest niesamowita.
Kiedy duża liczba przyspieszonych elektronów zderza się z plazmą, cząstki są ściskane do wielkości ołówka. Przestrzeń staje się tak mała, że cząsteczki nie mogą się swobodnie poruszać. Uwalniają swoją energię w postaci ciepła. Kompresja tworzy stan plazmy, w którym atomy są pozbawione elektronów. Stan ten pozwala na uwolnienie kolosalnej energii cieplnej.
Sami badacze byli zaskoczeni uzyskaną temperaturą. Rachunek za prąd w tym laboratorium mógłby doprowadzić rodziców do bankructwa, gdyby musieli je płacić. Jednak w ciągu jednej bilionowej sekundy eksperyment wytworzył cztery razy więcej energii, niż początkowo zużyli naukowcy.
„W ciągu bilionowej sekundy eksperyment ten wytworzył cztery razy więcej energii, niż pierwotnie wykorzystali naukowcy”.
Ten wzrost energii jest znaczącym osiągnięciem. Pokazuje, że maszyna Z może stworzyć warunki niezbędne do syntezy termojądrowej. Fuzja jądrowa to proces, który zasila gwiazdy. Lżejsze jądra atomowe łączą się, tworząc cięższe jądra atomowe. Proces ten uwalnia ogromne ilości energii. Nie wytwarza długożyciowych odpadów radioaktywnych. Stanowi czyste i niemal niewyczerpane źródło energii.
Maszyna Z wykorzystuje technikę zwaną Z-pinch. Kompresuje plazmę za pomocą pól magnetycznych. Ciśnienie magnetyczne powoduje, że plazma kurczy się do wewnątrz. Ta wewnętrzna kompresja zwiększa gęstość i temperaturę. Celem jest osiągnięcie zapłonu. Zapłon oznacza, że reakcja termojądrowa może trwać bez wpływu zewnętrznego. Samochód Z był blisko. To pokazuje, że fizyka o wysokiej gęstości energii jest możliwa.
Konsekwencje dla produkcji energii są głębokie. Jeśli naukowcom uda się konsekwentnie odtworzyć ten wynik, może to otworzyć nowe sposoby wytwarzania energii elektrycznej. Istniejące technologie wymagają ogromnych ilości energii elektrycznej. Sama maszyna Z również zużywa znaczną ilość energii. Jednak wzrost energii netto pokazuje, że fizyka działa. Wyzwanie inżynieryjne pozostaje wyzwaniem. Skalowanie tego do poziomu komercyjnej elektrowni jest trudne. Materiały muszą wytrzymać ekstremalne temperatury. Magnesy muszą wytrzymywać ogromne prądy.
Zaskoczenie związane z produkcją energii pokazuje, jak wiele musimy się jeszcze dowiedzieć o plazmie. Myśleliśmy, że znamy granice. Myliliśmy się. Plazma zachowała się lepiej, niż oczekiwano. Trzymał się razem wystarczająco długo, aby uwolnić więcej energii, niż zużyto. To coś więcej niż tylko liczba. To jest dowód koncepcji.
