Szupererős lézerek válthatják valóra az emberiség régi álmát, a fúziós energiát

A Qubit a szabad és tájékozott magyar nyilvánosságért dolgozik. Segítsd a munkánkat!

Ki?

Kate Lancaster a nagy energiájú lézerek szakértője, az angliai Yorki Egyetem kísérletiplazma-fizikusa és fúziósenergia-programjának vezetője. A kutatási területe iránt előadásában kitörő lelkesedést mutató Lancaster inerciális fúzióval foglalkozik, ami a csillagok belsejében zajló magfúziót kívánja földi körülmények között, elképesztően erős lézerekkel beindítani, hogy a reakciókból felszabaduló energiát áramtermelésre lehessen használni.

Mit?

A lézereket 1960-ban találták fel, és először senki nem tudta, hogy mire lehetne használni őket. Azóta viszont az információátviteltől a szórakoztatáson keresztül az ipari és orvosi alkalmazásokig a mindennapi életünk részeivé váltak, így ma egy átlagos háztartásban legalább három lézer van – vezeti fel előadását Lancaster. A kutató persze nem ilyen aprócska lézerekkel dolgozik, hanem extrém erősekkel, és azt vizsgálja, milyen kölcsönhatásban állnak a lézernyalábok a töltött részecskékből álló ionizált gázzal, a plazmával.

A nagyobb energiaszintű, gerjesztett állapotú atomok az elemi fényrészecskék, a fotonok kibocsátásával tudnak megszabadulni energiájuktól. Ezek újabb atomokat képesek gerjesztett állapotba vinni, még több fotont generálva. Ha az atomokat tükrökkel vesszük körül, a fotonok ugrálni tudnak az atomok között, egyre nagyobb fénykibocsátást okozva. Ezt a stimulált kibocsátási folyamatot takarja a LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) mozaikszó utolsó három tagja. 

–De ha tükrök közt pattog a fény, hogyan jut ki a lézerből? – teszi fel a kérdést Lancaster, a magyarázat pedig nagyon egyszerű: az egyik tükör részben átereszti a fényt. A lézerek specialitását négy tulajdonságuk adja: a kibocsátott fény koherenciája, monokromatikussága, egyirányúsága és a fény fókuszálhatósága. A monokromatikusság annyit tesz, hogy a lézernek egyetlen színe van, vagyis egy szűk hullámhosszban bocsát ki fényt, ami nagyon jól jön a tudományos kísérletek során. Egyirányúságuk lehetővé teszi, hogy messzire világítsanak, fókuszálhatóságuk miatt pedig a lézerek tükrök segítségével rendkívül erőssé tehetők.

Az emberi hajszál vastagságának tizedére fókuszálható lézerekkel példátlan fényintenzitás érhető el Lancaster szerint, ami miatt fémek vágására vagy atomok szétszaggatására is bevethetők. A kutató kollégáival különböző anyagokra irányítja a világ legerősebb, petawattos lézereit, amik az atomokról elektronokat leszakítva  plazmát hoznak létre a kísérleti vákuumkamrában. Egy parányi ponton az anyag tehát extrém állapotba kerül, eléri a Nap magjának 10-15 millió fokos hőmérsékletét, és neutroncsillagokéhoz hasonló erősségű mágneses tereket produkál. Egy ilyen, hatalmas energiájú lézer egy épületet is elfoglalhat, ahol különböző szobákban a lézer erősítői találhatók, amelyek a fényt egy kísérleti kamráig vezetik. A lézerfény hatalmas energiája miatt a fókuszálásra csak a legutolsó pillanatban kerülhet sor, ami méteres tükrök használatát teszi szükségessé a fény irányítására. Ezekkel a lézerekkel atomokat és asztrofizikai folyamatokat vizsgálnak a kutatók, illetve Lancaster reményei szerint klímabarát energiatermelésre is bevethetők lesznek.

A kutató szerint ehhez a Napot kell alapul vennünk, ami, akár a legtöbb aktív csillag, lényegében egy fúziós reaktor. Bár napelemekkel be tudjuk fogni a Napból érkező energia egy részét, a kutató szerint elég jó lenne, ha létre tudnánk hozni egy saját miniatűr csillagot itt a Földön, amit be- és kikapcsolunk, ahogy akarunk. A hidrogént héliummá alakító magfúzióhoz szükséges energiaszinten az anyag plazmaállapotban van, amit a szakember szerint valahogy egyben kell tartani, hogy létrejöjjön a fúzió. Ez lézerekkel is megoldható lehet – ezzel a korábban említett inerciális fúziós kísérletekben próbálkoznak a kutatók. Ezekben a lézereket kívülről egy apró, fúziós üzemanyagot tartalmazó kapszulára lövik, ami emiatt kitágul. Ez összenyomja a közepén lévő üzemanyagot, a magfúzióhoz szükséges hőmérsékletig hevítve azt. 

Lancaster előadásának végén kitér az amerikai National Ignition Facilityben tavaly végzett kísérletekre, amelyekről korábban mi is részletesen beszámoltunk. Ezek során a kutatók 10 évnyi munka után 192 nagy energiájú lézerrel létrehozták az első égő fúziós plazmát, ami fontos lépés az önfenntartó fúziós reakció és annak energiatermelésre való használata felé. Emellett 1,35 megajoule-nyi energia felszabadulását érték el a fúziós reakciókból, ami 70 százaléka a lézerfénnyel a rendszerbe fektetett energiának. Lancester optimistán úgy vélekedik, hogy bár nagyon nehéz volt idáig eljutni, lassan látszik a fény a fúziós energiatermeléshez vezető alagút végén.

Hol?

Az 1799-ben, Londonban alapított, tudományos ismeretterjesztéssel és oktatással foglalkozó Royal Institution (Ri) rendezvénysorozatán. A 2021 december 9-én tartott előadást a covid járvány miatt online rendezték meg, de Lancaster 7 évvel ezelőtt is beszélt már lézerekről ugyan ezen a rendezvénysorozaton, és kísérleteket is bemutatott a közönségnek.

    Kapcsolódó cikkek a Qubiten: