Fisch saa rahoitusta "epätodennäköisestä mutta fantastisesta" puhtaasta energiateknologiasta

Mainitse fuusioenergia, niin ihmiset täällä ajattelevat Princetonin plasmafysiikan laboratoriossa (PPPL) tapahtuvia läpimurtoja vedyn isotooppien ytimien fuusiossa – yhdistämisessä. Mutta on olemassa myös muunlaisia ​​fuusiovoimaa, mukaan lukien yksi kaukolaukaus, joka sai juuri suuren sysäyksen Department of Energyn Advanced Research Projects Agency-Energy -virastolta (ARPA-E).

Upea tutkimusprojekti tutkii puhtaan fuusioenergian "pyhää maljaa", sanoi Princetonin yliopiston astrofysiikan professori ja uuden projektin päätutkija Nat Fisch. . Toisin kuin deuterium-tritium (DT) -fuusio, jota on harjoitettu vuosikymmeniä, hän ja hänen tiiminsä haluavat hyödyntää protonin fuusioreaktiota boori-11-ionin (pB11) kanssa.

"Tietenkin helpoin fuusioreaktio on DT", sanoi Fisch, joka on myös yliopiston plasmafysiikan ohjelman johtaja ja PPPL:n akateemisten asioiden apulaisjohtaja. ”Se on riittävän vaikea, mutta silti järkevin lähestymistapa, ja minulle opetettiin tutkijakoulussa, että pB11-reaktio ei voi olla käytännöllinen. Silti pB11 on todella puhtaan, todella runsaan fuusioenergian pyhä malja."

Emily Carter, joka nimettiin äskettäin PPPL:n kestävän kehityksen tieteen vanhemmaksi strategiseksi neuvonantajaksi, sanoi: "Fuusiovoimalla on potentiaalia tarjota vakaata sähköä maailmalle. ilman aurinko- ja tuulivoimapuistojen katkonaista ja maavaatimusta, ja siksi se on sijoituksemme arvoinen." Carter on myös Princetonin Gerhard R. Andlingerin energian ja ympäristön professori sekä mekaniikka- ja ilmailutekniikan professori, Andlinger Center for Energy and Environment sekä soveltavan ja laskennallisen matematiikan professori.

Fisch sai äskettäin tiedon, että hänen tiiminsä saa 1,5 miljoonaa dollaria ARPA-E OPEN 2021 -ohjelmasta, joka asettaa etusijalle rahoituksen teknologioita, jotka tukevat uusia lähestymistapoja puhtaan energian haasteisiin.

Yhdysvaltain energiaministeri Jennifer Granholm ilmoitti valituista ARPA-E-projekteista: "Yliopistot, yritykset ja kansalliset laboratoriomme kaksinkertaistavat puhtaan energian teknologian innovoinnin ja valmistuksen edistämisen Amerikassa toimittaakseen kriittisiä energiaratkaisuja uusiutuvista energialähteistä fuusioon. energiaa ilmastokriisin ratkaisemiseen."

Alkuaineiden muuntamiseen on saatavilla valtavasti energiaa: ydinfissiossa raskaita ytimiä halkaisemalla, fuusion tapauksessa kevyitä ydinytimiä yhdistämällä ydinreaktio, johon ei liity fission riskejä. "Planeettamme ilmaston säilyttämiseksi tarvitaan hiilivapaita energialähteitä, kuten fuusiota", Fisch sanoi. "Fuusioenergia tarjoaa etuja fissioon verrattuna", hän jatkoi, "ei pelkästään sen ehtymättömän polttoainevarannon vuoksi, vaan myös siksi, että sillä vältetään reaktorionnettomuuksien, ydinaseiden leviämisen tai pitkäikäisen ydinjätteen riskit."

Maailman ponnistelut ovat keskittyneet helpoimpaan fuusioreaktioon, jossa käytetään kahta vetymuotoa: deuteriumia ja tritiumia. Johtava lähestymistapa tämän reaktion energian hyödyntämiseen on tokamak, donitsin muotoinen laite, joka rajoittaa reaktion suurten magneettikenttien läpi. Princetonin plasmafysiikan laboratorio on ollut maailman johtava tässä lähestymistavassa.

Erilainen fuusioreaktio

ARPA-E:n äskettäin rahoittama Princeton-projekti "Economical Proton-Boron11 Fusion" ei ole vain DT-fuusion muunnelma, vaan siinä käytetään täysin erilaista fuusiota. reaktio, jossa protoni (vetyatomin ydin) ja boori-11-ydin (viisi protonia ja kuusi neutronia) sulautuvat yhteen. Molemmat fuusioreaktiot vapauttavat valtavasti energiaa, mutta protoni-boori11 (pB11) -reaktio vaatii paljon, paljon korkeamman lämpötilan kuin DT-reaktio.

"DT-reaktio on jo valtava haaste, joka vaatii satoja miljoonia asteita, joten vielä korkeampia lämpötiloja vaativia reaktioita pidetään melko mahdottomana", Fisch sanoi. "Lisäksi, vaikka nämä lämpötilat voitaisiin saavuttaa, niin korkeissa lämpötiloissa elektronit tuottavat röntgensäteitä, jotka kuljettavat pois enemmän energiaa kuin fuusioreaktiossa tuotettu energia. Siksi pB11-reaktio on hyvistä syistä jätetty pois todellisena mahdollisuutena taloudelliseen fuusiovoimaan."

"Mutta näistä haasteista huolimatta", Fisch sanoi, "pB11-reaktio on kiehtova." Muiden etujen lisäksi sekä protonit että boori-11 ovat helposti saatavilla, luonnollisesti ja halvalla. "Ainoa ongelma on, että haasteet ovat ylitsepääsemättömiä. ", Fisch sanoi. "Vai ovatko he?"

Hänen tiiminsä ehdottaa protonien ja boorin pitämistä eri lämpötiloissa ja enimmäkseen eri paikoissa, mikä rajoittaisi lämpöhäviötä ympäristöön ja maksimoisi fuusion reaktiivisuuden. Avain: hyödynnä protonien ja boorin välistä suurta massaeroa pyörittämällä plasmaa voimakkaasti niin, että kevyemmät protonit sijaitsevat enimmäkseen paljon kuumemmalla alueella, kun taas raskaammat boori-ionit sijaitsevat kylmemmällä alueella.

"Ajatuksemme tästä ovat todella kaukaa", Fisch sanoi. "Mutta niin kauan kuin emme riko termodynamiikan peruslakeja - ja tulemme hyvin lähelle sitä! – Mielestäni meillä on velvollisuus tutkia täysin pB11-fuusion potentiaalia. Ehdotuksemme on puhtaasti teoreettinen, joten se ei vaadi kokeisiin liittyviä suuria resursseja. Jos ideamme kuitenkin toteutuvat, ehkä epätodennäköistä mutta fantastista, jos ne toteutuvat, tarvitsemme kumppaneita auttamaan meitä selvittämään tärkeimpiä epävarmuustekijöitä kokeellisesti.

Hän jatkoi: "Mutta jo ennen kokeiden rakentamista tarvitsemme kumppaneita, luultavasti plasmafysiikan erikoisalamme ulkopuolella, auttamaan konseptimme edistämisessä. PB11-fuusiossa on kohdattava uusia, tieteidenvälisiä teknisiä näkökohtia. Esimerkiksi, jotta voimme ratkaista tärkeän ongelman, joka liittyy röntgensäteinä hävinneen energian tehokkaaseen kierrättämiseen, toivomme hyötyvämme eri yliopistojen fyysikkojen ja insinöörien asiantuntemuksesta. osastoilla PPPL:n plasmafysiikan asiantuntemuksen lisäksi."

Fischin tiimiin kuuluu tällä hetkellä kaksi postdoktoria, Ian Ochs ja Elijah Kolmes, sekä kaksi jatko-opiskelijaa, Mikhail Mlodik ja Tal Rubin. Ochs ja Kolmes ovat 2022 Ph.D. valmistui Princetonista astrofysiikan tieteillä. Heidän opinnäytetyönsä, jotka molemmat olivat Fischin ohjaamia, käsittelivät aiheita, jotka näyttivät olevan kaukana pB11-projektista, mutta tarjosivat kuitenkin joitakin sen keskeisiä teoreettisia perusteita.

"PB11-ongelma johtaa meidät useisiin perustavanlaatuisiin fysiikan kysymyksiin ja haastaa meidät ratkaisemaan käytännöllisiä arvoituksia, joissa on suuret mahdollisuudet", sanoi Kolmes, joka valmistui myös Princetonissa fysiikasta vuonna 2015. "Onnistummeko vai ei, meillä on varmasti hauskaa löytää mielenkiintoisia asioita. Lisäksi tiimin kanssa on mukava työskennellä. Se on erittäin ystävällinen, yhteistyöhenkinen ympäristö."

Ochs, joka oli Jacobus Fellow, Princetonin korkein kunnianosoitus jatko-opiskelijalle, oli samaa mieltä: "Tämä on tiimi, joka on työskennellyt todella hyvin yhdessä monta vuotta. Silloinkin, kun meidän piti vaihtaa taulun ympärillä kokoontumisesta Zoomin kautta kokoontumiseen, emme koskaan menettäneet läheistä yhteistyön ja tuen tunnetta, jonka ansiosta pystyimme yhdistämään jokaisen henkilön ainutlaatuisen taidon ja tietopohjan vaikeiden ja monimutkaisten ongelmien ratkaisemiseksi. Tämä ryhmätyön henki näkyy ryhmän tuottamissa suurissa yhteisjulkaisuissa. Olemme erittäin innoissamme voidessamme käyttää tätä vankkaa perustaa vastataksemme yhteen fuusiotutkimuksen suurimmista haasteista: todella puhtaan, aneutronisen fuusioenergian kanssa.

Tätä tutkimusta tukee Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), joka kehittää suuren potentiaalin ja suurivaikutteisia energiateknologioita kehittäen täysin uusia tapoja tuottaa, varastoida ja käyttää energiaa. OPEN 2021 -tutkimus- ja kehityshankkeiden tavoitteena on kehittää häiritseviä teknologioita vahvistamaan maan edistynyttä energiayritystä.