Πυρηνική σύντηξη – Η ενέργεια του μέλλοντος

Δέκα τετράκις εκατομμύρια βατ είναι ένα εντυπωσιακό ποσό ενέργειας, από εκείνα που οι επιστήμονες απαξιούν να καταγράφουν με μηδενικά και προτιμούν να αναπαριστούν με δυσνόητους εκθέτες. Καθώς όμως η περί ης ο λόγος έκλυση ήταν μόνο μια έκλαμψη δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου, μπορεί να τη θεωρήσει κανείς και ανύπαρκτη. Αυτή η απόσταση ανάμεσα στο μηδέν και στο άπειρο που γεφυρώθηκε στιγμιαία στο Εθνικό Εργαστήριο Λόρενς Λίβερμορ της Καλιφόρνιας (LLNL) στις 8 Αυγούστου 2021 ενδέχεται να λογίζεται κάποτε ως η καταστατική πράξη μιας νέας εποχής. Επιτυγχάνοντας να αποδώσει το 70% της εισαγόμενης ενέργειας, το πείραμα πλησίασε περισσότερο από κάθε άλλο έως σήμερα στην επιστημονική τεκμηρίωση της δυνατότητας της πυρηνικής σύντηξης προς εμπορική εκμετάλλευση.

Με τις συνέπειες της πλανητικής υπερθέρμανσης να αυξάνονται και τις δυτικές κυβερνήσεις να εντάσσουν στην ατζέντα τους προγράμματα εξάλειψης της χρήσης άνθρακα μέχρι το 2030, η σύντηξη φαντάζει ως η ιδανική μελλοντική τεχνολογία για τη θραύση της εξάρτησης από τις επικίνδυνες, ρυπογόνες πηγές στις οποίες βασίστηκε η ανθρωπότητα από τη Βιομηχανική Επανάσταση και εντεύθεν. Είναι εφικτή ωστόσο μια εξέλιξη που προαναγγέλθηκε και στο παρελθόν για να βαλτώσει τελικά εξαιτίας του μεγέθους των τεχνικών προκλήσεων;

Η ιδέα της χρήσης της ως παρόχου άφθονης, καθαρής, ανεξάντλητης ενέργειας χρονολογείται από τη δεκαετία του 1920, όταν ο Αρθουρ Εντινγκτον, μελετητής και εκλαϊκευτής της Θεωρίας της Σχετικότητας, καθώς και ο άνθρωπος που πρόσφερε την πρώτη απόδειξή της με την παρατήρηση μιας ηλιακής έκλειψης το 1919, εισηγήθηκε τη λειτουργία του μηχανισμού καύσης των αστέρων. Πρακτικά, σύμφωνα με το μοντέλο του Εντινγκτον, ο Ηλιος και οι ομόλογοί του ανά το Σύμπαν είναι τιτάνια εργοστάσια σύντηξης πυρήνων υδρογόνου και μετατροπής τους σε πυρήνες ηλίου. Οι λεπτομέρειες της συγκεκριμένης ακολουθίας συμπληρώθηκαν από τον αστροφυσικό Χανς Μπέτε, ο οποίος τιμήθηκε το 1967 με Βραβείο Νομπέλ ακριβώς για αυτές τις εργασίες του.

Η απλότητα και η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας υπήρξαν εξαρχής γοητευτικές για τους επιστήμονες: η αφθονία του υδρογόνου στη φύση και η σταθερότητα της σύντηξης ήταν προτιμητέες σε σχέση με τα ασταθή άτομα της σχάσης και τους κινδύνους διαρροών, τήξης και ραδιενεργού μόλυνσης που συνεπαγόταν η χρήση του ουρανίου. Ταυτόχρονα με τα πρώτα πυρηνικά εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, στις αρχές της δεκαετίας του 1950, συστήθηκαν εργαστήρια που προσδοκούσαν να καταστήσουν παρελθόν τους αντιδραστήρες σχάσης.

Το πείραμα της Καλιφόρνιας ακολουθεί μια μεθοδολογία κατά την οποία ένας παλμός λέιζερ εντός θαλάμου κενού αέρος προκαλεί την ενδόρρηξη μιας χρυσής κάψουλας καυσίμου συμπιέζοντάς τη «από το μέγεθος της ίριδας του ματιού στη διάμετρο μιας τρίχας». Οι ακραίες συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης που αναπτύσσονται, έγραφε ο Αρθουρ Τάρελ στον «Guardian» στα τέλη Αυγούστου, προκαλούν την ανασύνθεση τεσσάρων ατόμων υδρογόνου σε ένα άτομο ηλίου αποδίδοντας 10 εκατομμύρια φορές το ποσό ενέργειας μιας αντίστοιχης ποσότητας άνθρακα. Για να γίνει κατανοητή η χαοτική διαφορά και το άλμα των μεγεθών, ας απευθυνθούμε στον δημοσιογράφο του «Science» Ντάνιελ Κλέρι, ο οποίος στο βιβλίο του «A Piece of the Sun» (εκδ. Abrams) εξηγεί ότι «ένας σταθμός παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ενός γιγαβάτ χρειάζεται 10.000 τόνους άνθρακα, το ισοδύναμο 100 βαγονιών, ημερησίως. Αντίθετα, μια μπαταρία λιθίου καθώς και δευτέριο (ισότοπο του υδρογόνου) από 45 λίτρα νερό θα έφταναν ώστε να καλύψουν τις ενεργειακές ανάγκες ενός μέσου βρετανού καταναλωτή για 30 χρόνια».

Προς το παρόν, εκείνο το κλάσμα του δευτερολέπτου στο Εθνικό Εργαστήριο στην πόλη Λίβερμορ αρκεί μόλις για να βράσει ένα μπρίκι με νερό, αυτό όμως που μετράει είναι η εφαρμογή της θεωρητικής αρχής. Υπάρχουν και άλλες διατάξεις, πιο πολλά υποσχόμενες, τα λεγόμενα tokamak: μηχανήματα σε σχήμα ντόνατ που χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να επιδράσουν στην ύλη. Πρωταθλητής αναμεσά τους θεωρείται μέχρι στιγμής το Πειραματικό Προηγμένο Υπεραγώγιμο Tokamak της Κίνας (ΕAST), το οποίο διατηρεί το καύσιμο σε σταθερή κατάσταση για 100 δευτερόλεπτα με θερμοκρασία 120 εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου, οκταπλάσια από εκείνη που επικρατεί στον πυρήνα του Ηλίου. Ωστόσο, το μεγαλύτερο στοίχημα είναι ο αντιδραστήρας ITER (Διεθνής Θερμοπυρηνικός Πειραματικός Αντιδραστήρας) στο Κανταράς της Νότιας Γαλλίας, καρπός συνεργασίας μεταξύ Ευρωπαϊκής Ενωσης, Κίνας, Ηνωμένων Πολιτειών, Ινδίας, Ιαπωνίας, Ρωσίας και Νότιας Κορέας. Η κατασκευή του ξεκίνησε πέρυσι, θα στοιχίσει μεταξύ 18 και 22 δισεκατομμυρίων ευρώ και προβλέπεται να λειτουργήσει το 2027. Σύμφωνα με τις προδιαγραφές, θα έχει 30 μέτρα ύψος, 23.000 τόνους βάρος, θα είναι 10 φορές ισχυρότερος από τα σημερινά tokamak και φιλοδοξεί να μετατρέπει 50 μεγαβάτ ενέργειας σε 500 μεγαβάτ πλάσματος (ιονισμένο αέριο, η τέταρτη κατάσταση της ύλης) επί 400 έως 600 δευτερόλεπτα. Το επίπεδο αυτό, εφόσον επιτευχθεί, θεωρείται επαρκές ενδιάμεσο στάδιο για το πέρασμα στη μελλοντική βιομηχανική χρήση.

Ενεργειακή κούρσα για κράτη και ιδιώτες

Θελκτική ιδέα, μα η υπόσχεση της σύντηξης χρονίζει. Τα μεγέθη των εγκαταστάσεων είναι τεράστια, οι θερμοκρασίες που πρέπει να διατηρηθούν κολοσσιαίες, οι προϋπολογισμοί τρομακτικοί. Επιπλέον, δεν είναι η πρώτη φορά που πειράματα εκτός από ενέργεια παράγουν και πρωτοσέλιδα: τον Μάιο του 1989 το «Newsweek» ανακοίνωνε την έλευση της «ψυχρής σύντηξης», τον Νοέμβριο του 2015 το «Time» επανερχόταν στο «ιερό δισκοπότηρο της επιστήμης». Στο ενδιάμεσο διάφορα ελπιδοφόρα ξεκινήματα δεν είχαν κατορθώσει να περάσουν το κατώφλι του εργαστηριακού αξιοπερίεργου. Ωστόσο, οι περιπτώσεις αυτές διακρίνονταν από το κοινό χαρακτηριστικό ότι εκπορεύονταν από την επιστημονική κοινότητα. Τα τελευταία χρόνια το ενδιαφέρον έχει ξεπεράσει τα όριά της: startup εταιρείες έχουν συγκεντρώσει περισσότερα από 2 δισεκατομμύρια δολάρια.

Η Commonwealth Fusion Systems έχει αρχίσει τη διαδικασία ανοικοδόμησης ενός δοκιμαστικού αντιδραστήρα στη Μασαχουσέτη, ενώ στην περιοχή της Οξφόρδης στη Μεγάλη Βρετανία υπάρχουν ήδη εγκατεστημένες δύο πρωτοβουλίες υπό την αιγίδα της Βρετανικής Επιτροπής Ατομικής Ενέργειας (Joint European Torus και Mega Amp Spherical Tokamak) και έπονται τρεις ιδιωτικές επιχειρήσεις. Για πρώτη φορά εδώ και 50 χρόνια οι Δημοκρατικοί στις Ηνωμένες Πολιτείες τάχθηκαν υπέρ της πυρηνικής ενέργειας και η κυβέρνηση Μπάιντεν συμπεριέλαβε ονομαστικά τις «προχωρημένες πυρηνικές τεχνολογίες» ως στρατηγικής σημασίας επιλογή για την έξοδο από την οικονομία του άνθρακα στο επενδυτικό νομοσχέδιο των 1,9 τρισεκατομμυρίων δολαρίων που το Κογκρέσο ψήφισε την περασμένη άνοιξη. Τα κράτη, βέβαια, στήριζαν διαχρονικά παρόμοιες έρευνες, αν και με περιορισμένα κονδύλια. Το στοιχείο που υποδεικνύει πως η σημερινή συγκυρία διαφέρει σχετίζεται ακριβώς με την προσοχή των ιδιωτών. Και δεν πρόκειται πάντα για ανώνυμους πρωτοπόρους. Μεταξύ εκείνων που παρακολουθούν τις εξελίξεις έχοντας χρηματοδοτήσει startups είναι οι μεγιστάνες Τζεφ Μπέζος και Πίτερ Τιλ, όπως και οι επιχειρηματικοί κολοσσοί Lockheed Martin, Goldman Sachs και Chevron.

Η απλότητα και η αποτελεσματικότητα της διαδικασίας υπήρξαν εξαρχής γοητευτικές για τους επιστήμονες: η αφθονία του υδρογόνου στη φύση και η σταθερότητα της σύντηξης ήταν προτιμητέες σε σχέση με τα ασταθή άτομα της σχάσης και τους κινδύνους διαρροών, τήξης και ραδιενεργού μόλυνσης που συνεπαγόταν η χρήση του ουρανίου

Δηλώνει αυτή η κινητικότητα ότι η «μαγική σφαίρα» για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής βρίσκεται πίσω από τη γωνία; Οχι. Δηλώνει πρωτίστως ότι το κεφάλαιο ποτέ δεν κοιμάται. Γιατί στην πράξη τα προβλήματα της σύντηξης μόνο αμελητέα δεν είναι. Στα εμπόδια της δυσθεώρητης αρχικής επένδυσης και του όγκου των αντιδραστήρων πρέπει να προστεθούν και φυσικές διαδικασίες: η αναδιάταξη πυρήνων υδρογόνου, για παράδειγμα, παράγει νετρόνια, άρα καθιστά σταδιακά ραδιενεργά τα κατασκευαστικά υλικά και επιβάλλει την αντικατάστασή τους. Σε τέτοια τεχνικά ζητήματα λύσεις υπάρχουν (προτείνεται η δόμηση από κράμα μολύβδου και λιθίου που έχουν την ιδιότητα να απορροφούν τα νετρόνια), ωστόσο η Σαμπίνε Χοσενφέλντερ επεσήμαινε στους «New York Times» στα τέλη Αυγούστου ένα πιο θεμελιώδες πρόβλημα – την αστάθεια του πλάσματος. Η «χαοτική δυναμική» του, κατά τη Χοσενφέλντερ, δεν έχει κατανοηθεί επαρκώς επιστημονικά και ως αποτέλεσμα η υπόθεση της σύντηξης πάσχει από «υπερβολές, συσκότιση και κενές υποσχέσεις». Για την ίδια, όντως πρόκειται για ρύθμιση επιμέρους στοιχείων, όχι για πλήρη επανεκκίνηση της έρευνας, όμως θεωρεί ότι απαιτείται μάλλον μια δόση πραγματισμού παρά συντονισμός με το μάρκετινγκ των ιδιωτικών επιχειρήσεων που επιδιώκουν να προσελκύσουν χρηματοδότες.

Από την άλλη πλευρά, οι ανάγκες της στιγμής μπορούν να λειτουργήσουν ως πολλαπλασιαστής: ο Αρθουρ Τάρελ υπενθυμίζει την τεχνολογία mRNA, πειραματική υπόθεση για πολλά χρόνια έως ότου με την έλευση της πανδημίας «κίνητρο και χρηματοδότηση τη μετέτρεψαν από εξωτική ιδέα σε αποδεκτή τεχνολογία». Και η υπερθέρμανση του πλανήτη είναι ένας παρόμοιος συναγερμός. Παρ’ όλα αυτά, ακόμη και οι πιο θερμοί θιασώτες της σύντηξης παραδέχονται ότι απέχουμε αρκετά από τη διάδοσή της. Μιλώντας στον Λεβ Γκρόσμαν του «Time» το 2015 ο Μικλ Μπιντερμπάουερ, διευθύνων σύμβουλος της Tri-Alpha Energy (νυν TAE Technologies), εταιρείας που μιμούμενη το πρότυπο των επιταχυντών σωματιδίων όπως εκείνος του CERN κατασκεύασε έναν πρωτότυπο αντιδραστήρα στην Καλιφόρνια, έλεγε ότι «εντός μιας δεκαετίας τα πράγματα μπορεί να ωριμάσουν τόσο ώστε να έχουμε τα πρώτα εμπορικά βήματα». Η Ευρωπαϊκή Ενωση έχει ήδη προγραμματίσει τέτοια βήματα για την εποχή μετά τον ITER: η κοινοπραξία EUROfusion έχει στα σκαριά τον DEMO, ένα μοντέλο που θα αποδίδει 2-4 γιγαβάτ, το ανάλογο των σημερινών εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής – κάποια στιγμή έως το 2051. Ο Στιούαρτ Πράγκερ του Εργαστηρίου Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον είναι πιο αισιόδοξος: «Πιστεύω ότι είναι αναπόφευκτο. Θα έχουμε εμπορική χρήση της σύντηξης, στο ηλεκτρικό δίκτυο, τη δεκαετία του 2040». Η δική του χρονική κλίμακα είναι πιο κοντά στις κρίσιμες ημερομηνίες για την κλιματική αλλαγή που προσδιορίζουν τα 30s του 21oυ αιώνα ως ύστατο ανάχωμά της. «Μοιάζει μακρινό μέλλον, αλλά η σύντηξη θα παίξει πολύ κρίσιμο ρόλο στη συγκράτηση της κλιματικής αλλαγής» διαβεβαίωνε τον Γκρόσμαν ο Πράγκερ το 2015. Καλό θα είναι πάντως να είναι κανείς επιφυλακτικός, κυρίως γιατί σε αντίθεση, για παράδειγμα, με την αντιρρυπαντική βιομηχανία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων που φαίνεται να μπαίνει σε φάση μαζικής παραγωγής, εδώ συζητούμε ακόμη με δυνητικούς όρους. Οσο κι αν έχει πλησιάσει, η σύντηξη δεν παύει να έχει εξελιχθεί μόνο από το στάδιο του νοητικού πειράματος σε αυτό της άσκησης επί χάρτου – βρίσκεται, όπως επιγραμματικά σημείωνε ο Τζεφ Τόλεφσον στο «Nature» τον περασμένο Αύγουστο, «στα επιστημονικά όρια του εφικτού». Η πλανητική υπερθέρμανση, όμως, χωρίς όρια και αστερίσκους, είναι ήδη ανάμεσά μας.