Новозеландски стартъп прави ключова стъпка в надпреварата за ядрен синтез

В компактната столица на Нова Зеландия, Уелингтън, малка група учени и инженери току-що се доближи малко до възпроизвеждане на силата на слънцето.

През февруари OpenStar Technologies успешно пусна магнит с тегло половин тон в 5-метрова вакуумна камера от светещ газ, нагрят до над милион градуса по Целзий. Избрана публика - сред които премиерът Кристофър Луксън и легендата на All Blacks Ричи Маккоу - наблюдаваха от стая над камерата, докато местният стартъп отбелязва пробив в опита си да постигне устойчив ядрен синтез.

Въпреки че реакторът все още не произвежда повече енергия, отколкото консумира, което е голяма пречка за термоядрените реактори, постигането на левитация е ранна стъпка, която доказва, че дизайнът може да бъде жизнеспособен.

Главният изпълнителен директор и основател на OpenStar, Рату Матайра, залага на простотата на дизайна на реактора на компанията, и че това ѝ дава предимство в световната надпревара за превръщане на термоядрения синтез от теория в ефективен източник на енергия. За Матайра левитирането на свръхпроводящия магнит е доказателство, че технологията зад първия прототип на устройство на OpenStar - наречено Junior и струващо по-малко от 10 милиона долара - може да работи в многократно по-голям мащаб.

^{Рату Матайра, основател на OpenStar Technologies, вляво, и Кристофър Луксън, министър-председател на Нова Зеландия, на събитието на компанията в Уелингтън, на 17 февруари. Фотограф: Марк Кут/Bloomberg}

„Никой все още няма работеща система за термоядрен синтез, която може да произвежда икономична електроенергия“, каза 33-годишният физик, който е ръководил пейнтбол бизнес в продължение на две години и има докторска степен по приложна свръхпроводимост. „Да започнем с по-проста система, която можем да мащабираме по-бързо и да я направим по-евтина по-бързо, е привлекателно.“

OpenStar е дребна компания в състезание, което е привлякло близо 10 милиарда долара финансиране от хора като Джеф Безос и Бил Гейтс. Около 50 фирми по света се борят да бъдат първите, които ще сблъскат атомни ядра, за да създадат евтина енергия във време, когато бумът на изкуствения интелект подхранва търсенето на електроенергия, а изменението на климата предизвиква търсене на по-чиста енергия.

Последната част е особено ключова за Нова Зеландия, която вече генерира повече от 80% от електроенергията от възобновяеми енергийни източници, като водноелектрическата енергия съставлява повече от половината от общата.

„Енергията от термоядрен синтез има потенциала да революционизира енергийния сектор, като осигури неограничен източник на безопасна и чиста енергия“, каза Луксън, който почти пропусна подвига на OpenStar поради трафика. „След това, което току-що видяхме, е ясно, че тази перспектива е по-близо до реалността от всякога.“

Графикът за постигането на тази цел е несигурен, като прогнозите варират от 10 до 30 години. Други страни също са заявили пробиви, като например през 2022 г., когато учени в лаборатория в Калифорния успяха за първи път да генерират повече енергия от реакция на синтез, отколкото им е необходима, за да я задействат. А OpenStar вече посочи, че ще са необходими няколко поколения прототипи, преди потенциално да бъде построен модел, способен да генерира достатъчно енергия за захранване на градска зона.

Но Матайра смята, че неговата фирма може да бъде по-бърза от конкурентите си и може да проследи началото на пътуването си до случаен разговор по време на вечеря с приятел, който е бил на гости от Токио през 2021 г.

Ядреният синтез изисква плазма - четвъртото агрегатно състояние на материята (заедно с твърдо, течно и газообразно), което е толкова горещо, че електроните се откъсват от атомите, за да създадат йонизиран газ. Звездите, мълниите и полярните сияния са форми на плазма.

Топлината и гравитацията привличат плазмата в слънцето, ограничавайки газа в центъра. Огромното налягане кара плазмата да се слее, генерирайки енергия, която захранва слънчевата система.

Един от начините за възпроизвеждане на този процес на Земята е чрез използване на магнитни полета за ограничаване на плазмата и нейното сливане.

Типичният токамак реактор с форма на поничка - разработен за първи път от Съветския съюз през 50-те години на миналия век - има мощни магнити извън камера, ограничаваща плазмата. Този дизайн се използва от многомилиардния проект за Международен термоядрен експериментален реактор (ITER) в Южна Франция. Недостатъците са цената и потенциалната нестабилност на плазмата.

През 1987 г. японският физик-теоретик и инженер Акира Хасегава преобръща този дизайн с главата надолу – или по-скоро, отвътре навън – с идеята да постави високотемпературен свръхпроводящ магнит вътре в плазмата, а не около нея – така нареченият левитиран диполен реактор.

През 2004 г. MIT и Columbia демонстрират осъществимостта му, като успешно ограничават плазмата. Но работата е прекратена поради липса на финансиране и достатъчно инженерни инструменти.

^{Матайра с реактора на 17 февруари. Фотограф: Mark Coote/Bloomberg}

Седемнадесет години по-късно Матайра завършва докторантурата си в Изследователския институт „Робинсън“ към Университета Виктория в Уелингтън, работейки върху свръхпроводящи магнити, когато се среща с приятеля си на вечеря.

Този приятел е следвал за магистърска степен по синтез в Университета в Токио – където в съседна лаборатория изследователи експериментират с левитиран диполен реактор.

„Казах: „Какво, за бога, е това?“ – спомня си Матайра. „И докато той го описваше, осъзнах, че всеки инженер по термоядрен синтез на Земята вероятно смята това за безумие по инженерни причини.“

За Матайра не беше така.

„Всички мислят, че това е невъзможно“, каза той. „Но знаех, че сме на косъм от решенията. Имаме ново поколение свръхпроводящи захранвания, които правят тези машини напълно възможни за изграждане. Това беше моментът на прозрение.“

Матайра прекара следващите месеци в тестване дали идеята е жизнеспособна. През 2021 г. той стартира OpenStar и на следващата година осигури начално финансиране от 10 милиона новозеландски долара (6 милиона щатски долара) за изграждането на първата левитираща диполна машина на компанията: Junior.

На 31 октомври 2024 г. фирмата ограничи плазмата - критичната стъпка, показваща, че машината може да бъде мащабирана за производство на енергия от термоядрен синтез.

За Матайра техният дизайн беше много по-лесен за разработване и изграждане от конвенционалния модел.

„Токамак е много по-скоро като реактивен двигател по начина, по който трябва да мислите за него и да го проектирате - и по начина, по който извличате производителност. Той се възползва изключително много от усъвършенстваните симулации и прецизното производство“, каза той. „Диполът е по-скоро като огнище. Подреждате нещата грубо, добавяте топлина и след като огънят се разпали, той до голяма степен се грижи за себе си. Не разчитате на симулации по същия начин, за да правите постепенни подобрения.“

В OpenStar сега работят около 80 учени, инженери и помощен персонал, включително Дарън Гарние, който беше един от водещите в оригиналните експерименти на MIT в началото на 2000-те и се премести в Нова Зеландия, за да продължи работата си.

^{Дарън Гарние. Фотограф: Марк Кут/Bloomberg}

„Чаках това от 15 години“, каза Гарние в заседателна зала в офиса на OpenStar, като гледката към пристанището на Уелингтън беше частично засенчена от математически уравнения за синтез, надраскани над прозореца с оранжев маркер. „Синтезът е едно от най-трудните неща, които човечеството някога е опитвало. Но си струва да се направи заради трансформативния ефект. Смело и трудно е.“

Следващата фаза за OpenStar е да изгради следващия прототип на модел, наречен Tahi, който Матайра се стреми да заработи след около две години. В рамките на пет години целта е модел от трето поколение, наречен Maui, който ще създава неутрони и ще генерира приходи. В крайна сметка, моделът от четвърто поколение, Tama Nui, ще може да произвежда от 50 до 200 мегавата електроенергия, достатъчни за поддържане на малък град или голямо промишлено предприятие.

Подобен резултат е далеч и за някои остават въпроси относно това колко осъществимо е всичко това. Но за Матайра, демонстрацията във вторник не само хвърли светлина върху напредъка на компанията, но и постижението опроверга съмненията на скептиците относно това дали левитиращи диполи могат да бъдат успешно проектирани - и в Нова Зеландия.

^{Рисунки на прозореца в контролна зала в OpenStar. Фотограф: Mark Coote/Bloomberg}

Той цитира като вдъхновение Ърнест Ръдърфорд, родения в Нова Зеландия учен, който се смята за баща на ядрената физика заради разделянето на атома през 1917 г.

„Тази история започва с Ръдърфорд и ще завърши в Нова Зеландия“, каза Матайра. „Ние сме тези, които ще завършат тази надпревара.“

Още по темата

Германски стартъп публикува плановете си за електроцентрала с ядрен синтез

Американски учени направиха пробив, който доближава света до неограничена чиста енергия

Стартъп за ядрен синтез започва да набира международно финансиране