Väike teemantkera, mis võib avada puhta jõu

Esmaspäeval, 5. detsembril kell 1.03 suunasid California riikliku süütetehase teadlased oma 192-kiirelise laseriga silindrile, mis sisaldas pisikest teemantkütusekapslit.

See võimas laservalguse purse tekitas tohutuid temperatuure ja rõhku ning vallandas termotuumasünteesi reaktsiooni – reaktsiooni, mis annab päikesele jõudu.

Lawrence Livermore’i riiklikusse laborisse kuuluv National Ignition Facility (NIF) oli selliseid katseid varemgi teinud, kuid seekord oli reaktsioonist väljunud energia rohkem kui selle käivitamiseks kasutatud laservõimsus.

Teadlased on aastakümneid püüdnud seda künnist täita ja ühel päeval on lootus ehitada elektrijaamu, mis kasutavad termotuumasünteesi reaktsiooni, et toota külluslikult süsinikuvaba elektrit.

See on veel kaugel. Seni tuleb tehnoloogia arendamisel palju tööd teha.

Üks NIF-i võtmekomponente on pipraterasuurune sünteetiline teemantkapsel, mis hoiab kütust. Selle sfäärilise kapsli omadused on eduka termotuumasünteesikatse loomiseks üliolulised.

Kera peab olema täiesti sile ja saasteainetevaba – kõik kõrvalekalded võivad reaktsiooni rikkuda.

Neid täpselt konstrueeritud sfääre ei toodeta aga Californias. Need on Saksamaal Freiburgis asuva ettevõtte Diamond Materials aastatepikkuse töö tulemus.

“Nõuded [spherical] kapslid on väga kõrged,” ütleb Christoph Wild, kes on koos Eckhard Wörneriga Diamond Materialsi tegevdirektor.

“Teeme tihedat koostööd Lawrence Livermore’iga ja püüame minimeerida defekte, nagu lisandid, õõnsused või ebaühtlased seinad.”

Diamond Materialsi 25-liikmeline meeskond toodab sünteetilisi teemante protsessi abil, mida nimetatakse keemiliseks aur-sadeseks.

Iga 20–40 kapsli partii loomiseks kulub umbes kaks kuud, mis on valmistatud väikeste teemantkristallide hoolika kihistamise teel ränikarbiidisüdamiku ümber ja korduva poleerimisega.

Arendusprotsessi käigus avastasid nad, et isegi kõige täpsemast poleerimisest ei piisa, sest mikroskoopilisel tasemel oli pind endiselt lohuline ja ebatasane.

LLNL-i meeskondadega töötades avastasid nad lõpuks, et nad saavad poleeritud kapsli glasuurida värske teemantkristallide kihiga, et saavutada vajalik puhas peeglitaoline viimistlus.

Kui teemantkapslid jõuavad LLNL-i, eemaldatakse ränisüdamik ja väikese klaastoru abil täidetakse õõneskera deuteeriumi ja triitiumiga, mõlemad rasked vesinikud, mis toidavad termotuumasünteesi reaktsiooni.

“Selle kütusegraanuli ümber on kulla ja vaesestatud uraani silinder,” selgitab LLNL-i suurima tööstuspartneri General Atomicsi inertsiaalse tuumasünteesitehnoloogia asepresident Mike Farrell.

Kapsli kolmas ja viimane kiht on alumiiniumsilinder, mida kasutatakse kapsli sisu jahutamiseks enne reaktsiooni.

Teine NIF-i jaoks oluline tehnoloogiavaldkond on optika – kõik, mis toetab valguse edastamist, tuvastamist või kasutamist.

Kuna NIF kasutab maailma võimsaimat laserit, kasutab see palju seda tehnoloogiat ja optilised komponendid saavad kahjustada iga kord, kui masin käivitatakse.

Alates 1970. aastate algusest on NIF teinud tihedat koostööd optikatootjatega nagu Zygo Corporation ja spetsialiseerunud klaasitootja SCHOTT, et täpsustada ja tarnida asendusosi, samuti prahti ja lööklaine.

Pärast detsembrikuist edukat katset on NIF-i ja tema partnerite järgmiseks väljakutseks tehnoloogia edasine täiustamine, et reaktsiooni korrata ja parandada.

Mike Farrell loodab, et samm edasi võib aidata toetada edasisi uuringuid. “Katse muutis teaduslikku arvamust. Süütamist peeti alati peaaegu kättesaamatuks, [or something that might only happen] 40 aastat tulevikus. Detsembri tulemus oli silmi avav.”

Tagasi Freiburgis loodab Diamond Materials teadusuuringutesse rohkem aega investeerida. “Umbes 20% meie meeskonnast on seotud teadusuuringutega ja meie kaks tegevdirektorit oleme samuti füüsikud,” ütleb hr Wild.

“Meie toodaval tasemel teadustöö nõuab palju ressursse ja tootmist ei saa jätta tähelepanuta. Nii et ilmselt jätkame meeskonna kasvatamist. Tänapäeva uuringud viivad ju homsete toodeteni.”

Meeskonnad üle maailma püüavad ehitada töötavat termotuumasünteesielektrijaama – kasutades kõikvõimalikke lähenemisviise. Kuid see võtab palju aastaid ja miljardeid dollareid investeeringuid.

Möödunud aasta NIF-i maamärk annab sektorile tõenäoliselt tõuke, ütleb hr Farrell: “Nüüdseks, kui süttimine on osutunud võimalikuks, võib riigi ja ettevõtete rahastamine olla lihtsam.”

Seda investeeringut on vaja, et ületada märkimisväärsed tehnilised väljakutsed, mis seisavad silmitsi töötava elektrijaama ehitamisega – eelkõige materjalide leidmiseks, mis taluvad termotuumasünteesiprotsessist eralduvat suurt energiat.

Kuid hr Farrell juhib kiiresti tähelepanu sellele, kui kiiresti võivad edusammud pärast esialgset läbimurret hoogu koguda.

“Kui näitate esimesi põhimõtteid, nagu me just tegime, võtavad insenerid ohjad üle, et välja mõelda, kuidas seda reprodutseerida.

“Pidage meeles, et vendade Wrightide esimene lend toimus 1903. aastal ja esimene ülehelikiirusega lend 1950. aastatel. Umbes 40 aastaga võib palju edasi areneda.”