Przełomowe idee naukowe
Sięgamy gwiazd, kopiujemy Słońce
Wnętrze stellaratora W7-X
Foto: Gwurden / wikimedia
Największe idee ludzkości rodzą i realizują się tuż obok nas. To właśnie na wyspie Uznam, zaledwie kilkadziesiąt kilometrów od Świnoujścia, przed i w czasie II wojny światowej, w wojskowym ośrodku rakietowym w Peenemünde, tworzyły się podstawy późniejszego programu kosmicznego, którego zwieńczeniem był lot amerykańskich astronautów na Księżyc. Teraz w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka w Greifswaldzie, położonym tylko 76 km od naszego miasta, działa największy i najnowocześniejszy na świecie stellarator - reaktor syntezy jądrowej.
Wernher von Braun – członek SS i główny projektant rakiety balistycznej A-4, będącej pierwowzorem śmiercionośnego pocisku V-2, oddając się w 1945 roku w ręce Amerykanów marzył o wykorzystaniu swoich projektów do celów cywilnych i lotów w kosmos. Został później pierwszym dyrektorem Centrum Lotów Kosmicznych imienia George'a C. Marshalla w Alabamie, wytyczył drogę do podboju kosmosu przez NASA, w której pod koniec kariery pełnił funkcję zastępcy dyrektora do spraw planowania. Jego pomysły i marzenia wyniosły człowieka na orbitę Ziemi, Księżyca, a wreszcie na powierzchnie Srebrnego Globu. Spełnił się jeden z największych snów ludzkości. Teraz czas na urzeczywistnienie kolejnego – snu o energetycznym Graalu. Stellarator to klucz do krainy przyszłości, a zarazem jeden z najbardziej ambitnych projektów naukowych w historii ludzkości, prawdziwe arcydzieło myśli technicznej. Nawet inżynierowie i technicy, którzy budowali Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) znajdujący się w ośrodku CERN pod Genewą, wskazywali stellarator w Greifswaldzie jako bardziej wymagający i skomplikowany. Czemu jest tak wyjątkowy?
Od kilkudziesięciu lat fizycy na całym świecie próbują opracować metodę kontrolowanej fuzji jądrowej. Proces przemiany wodoru w hel, jaki zachodzi w gwiazdach, mógłby stać się rewolucyjną metodą niemal nieograniczonego pozyskiwania bardzo taniej energii. Poza tym kontrolowana fuzja jądrowa jest w teorii najbardziej wydajnym procesem wytwarzania energii znanym ludzkości. Jest także znacznie bezpieczniejsza od tych opartych na reakcjach łańcuchowych. I tak, jak pierwsze pociski rakietowe V-2 z ośrodka doświadczalnego w Peenemünde były tylko preludium do zbudowania rakiety Saturn V i wyniesienia człowieka na Księżyc w 1969 roku, tak fuzja jądrowa może stać się podstawowym źródłem energii na Ziemi dopiero za sto lub dwieście lat. Co bardzo istotne, dwa podstawowe pierwiastki potrzebne do przeprowadzenia fuzji jądrowej: deuter i tryt, są powszechnie dostępne, i to w ogromnych ilościach. Deuter można pozyskać z morskiej wody, a tryt otrzymuje się z litu, występującego w większości skał na Ziemi.
Początki projektu W7-X sięgają 1996 roku. Jego budowę zainicjowano w 2004 r. i została ukończona pod koniec maja tego roku. Budowę stellaratora rozpoczęli Niemcy, jednak obecnie jest to przedsięwzięcie międzynarodowe. Skomplikowana konstrukcja kosztowała ponad 2 mld euro. Od 2006 roku aktywnie uczestniczą w projekcie polscy naukowcy, m.in. z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Politechniki Warszawskiej, Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy oraz Uniwersytetu Opolskiego i Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku. Polski wkład finansowy w projekt to zaledwie 6,5 mln euro, jednak o wiele ważniejszy jest wkład intelektualny. To polskie firmy zaprojektowały i dostarczyły wiele kluczowych elementów stellaratora, m.in. system chłodzenia i komory wygrzewania. To my stworzyliśmy specjalną stal niemagnetyczną, na której stoi reaktor, a która pod względem parametrów bije wszelkie światowe rekordy (podczas testów niemieccy badacze kilkakrotnie wymieniali aparaturę pomiarową myśląc, że jest zepsuta). To Polska ma obok strony niemieckiej największy udział w projekcie. Większy niż Amerykanie i reszta Europy. Mamy dzięki temu dostęp do wszystkich eksperymentów, decydujemy o ich wyborze oraz będziemy mieli prawo dysponowania opracowanymi w ramach projektu technologiami i wynalazkami.
Jak to działa? Stellaratory, których idea powstała już w 1950 roku, pozwalają odtworzyć w warunkach laboratoryjnych i w kontrolowany sposób proces, który odpowiada za produkcję energii słonecznej. Energia Słońca powstaje w reakcji syntezy termojądrowej czyli łączeniu się jąder pierwiastków. W pierwszym etapie cyklu z dwóch jąder wodoru powstaje jądro deuteru, a ubocznym produktem reakcji są neutrino i pozyton. Neutrino ucieka, a pozyton anihiluje (z najbliższym elektronem), wytwarzając energię. Z kolei jądro deuteru łączy się z kolejnym jądrem wodoru, tworząc jądro helu-3. W ostatniej fazie cyklu dwa jądra helu-3 łączą się, tworząc jądro helu-4 oraz dwa jądra wodoru. Otrzymywana w tych reakcjach energia uwalniana jest w postaci fotonów (czyli światła). Większość reakcji zachodzi w jądrze Słońca, gdzie gęstość wynosi ok. 150 ton na m sześc., ciśnienie - 400 mld atmosfer, a temperatura dochodzi do 14 mln stopni C. Na Ziemi nie możemy stworzyć takich warunków, przede wszystkim tak ekstremalnego ciśnienia. Ale taką samą reakcję można przeprowadzić przy niższym ciśnieniu, ale odpowiednio wyższej temperaturze. Reaktory syntezy jądrowej rozgrzewają mieszaninę trytu i deuteru do temperatury ok. 100 mln st. C, tj. wielokrotnie wyższej niż panująca we wnętrzu Słońca. Kontaktu z taką temperaturą nie wytrzymałby żaden znany człowiekowi materiał, dlatego plazma utrzymywana jest w polu magnetycznym i nie dotyka ścian reaktora.
Stellarator Wandelsteina 7-X w Greifswaldzie, najnowocześniejsze tego typu urządzenie na świecie, posłuży do pionierskich badań plazmy w ekstremalnej temperaturze. W przeciwieństwie od pracujących krótkimi impulsami tokamaków, stellaratory mogą utrzymać stabilną plazmę przez dłuższy czas, a Wandelstein7-X pozwoli wydłużyć ten czas nawet do 30 minut.
DOŁĄCZ DO NAS: