Naukowcy z niemieckiego ośrodka Wendelstein 7-X (W7-X) osiągnęli przełom w badaniach nad fuzją jądrową, generując jony helu-3 o wysokiej energii za pomocą zaawansowanej metody ogrzewania plazmy. To pierwszy przypadek, gdy takie cząstki udało się wytworzyć w reaktorze eksperymentalnym, tzw. stellaratorze. To ważny krok w stronę urzeczywistnienia kontrolowanej fuzji jądrowej, która może stać się przyszłym źródłem czystej energii.
Stellarator W7-X, największy tego typu reaktor na świecie i flagowy projekt Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka, został zaprojektowany do badania — nomen omen — zjawisk z zakresu fizyki plazmy — ekstremalnie gorącego zjonizowanego gazu, który stanowi środowisko reakcji fuzji jądrowej. Kluczowym wyzwaniem stojącym przed naukowcami jest utrzymanie odpowiednio wysokiej temperatury plazmy, co pozwalałoby na ciągłe podtrzymywanie reakcji jądrowych. W przyszłych elektrowniach fuzyjnych ciepło to ma być podtrzymywane przez tzw. cząstki alfa — jądra helu-4 — powstające w wyniku reakcji. Problem w tym, że gdy cząstki te tracą energię lub zbyt szybko uciekają z plazmy, reakcja fuzji ustaje.
Czytaj także: Fuzja jądrowa nie zakończy się katastrofą. To zasługa nowej technologii
Ponieważ W7-X jest reaktorem eksperymentalnym, naukowcy zastosowali jony helu-3 jako „symulatory” cząstek alfa. Jony helu-3, choć lżejsze, można rozpędzić do podobnych prędkości, jakie osiągają cząstki alfa w rzeczywistym reaktorze. Przyspieszenie to uzyskano dzięki technice zwanej ogrzewaniem rezonansowym cyklotronowym jonów (ICRH, Ion Cyclotron Resonance Heating), polegającej na precyzyjnym dostarczaniu energii jonom za pomocą fal elektromagnetycznych.
Jak to działa? Aby osiągnąć zakładany efekt, konieczne jest dostarczanie jonom energii w odpowiednim tempie i w odpowiednim rytmie. W przypadku ICRH fale elektromagnetyczne są dostrajane do częstotliwości cyklotronowej konkretnego jonu — czyli tempa, z jakim dany jon krąży wokół linii pola magnetycznego. Jeśli synchronizacja jest idealna, jony skutecznie pochłaniają energię i osiągają i utrzymują stan wysokiej energii.
Wykorzystanie ICRH do dostarczania energii jonom helu-3 w stellaratorze to pierwsze takie osiągnięcie na świecie. Opracowanie i uruchomienie systemu było możliwe dzięki międzynarodowej współpracy w ramach Trilateral Euregio Cluster (TEC).
Czytaj także: Fuzja jądrowa milion razy efektywniejsza, prostsza i bardziej kompaktowa – brzmi jak bajka? Świat mówi: sprawdzam
Warto tutaj zwrócić uwagę na jeszcze jeden aspekt tych badań. Naukowcy przypuszczają, że ten sam mechanizm rezonansowy może tłumaczyć zagadkowe chmury bogate w hel-3, które obserwuje się w atmosferze Słońca. Zdarza się, że stężenie helu-3 w takich chmurach jest nawet 10 000 razy wyższe niż w innych miejscach tej samej atmosfery. Jedna z hipotez zakłada, że naturalnie występujące fale elektromagnetyczne w koronie słonecznej mogą selektywnie przyspieszać jony helu-3 — w sposób podobny do tego, który właśnie zademonstrowano w laboratorium.
Mamy zatem do czynienia z fascynującym eksperymentem, który z jednej strony ma na celu pomóc nam stworzyć nieskończone źródło energii, które może pozwolić naszej cywilizacji wejść na wyższy poziom rozwoju, a z drugiej strony może nam powiedzieć coś nowego o procesach astrofizycznych zachodzących na Słońcu oraz w atmosferach innych gwiazd we wszechświecie.