Bezpieczne, zeroemisyjne, niezwykle wydajne źródło energii do roku 2050? Brzmi jak bajki – to jednak rewolucja, która dzieje się na naszych oczach. Tak zwane sztuczne słońca, czyli w rzeczywistości niezwykle wydajne reaktory termonuklearne, to jedne z najciekawszych wynalazków w energetyce.
Sztuczne słońca – fenomen reaktorów inspirowanych naszą najbliższą gwiazdą
Pewnego dnia dość nagle pojawiła się informacja o tym, że naukowcy poczynili spory postęp względem stworzenia pierwszego „sztucznego słońca”. To reaktor, który ma operować za pomocą reakcji syntezy jądrowej, produkując energię na niespotykaną wcześniej skalę. W 2020 roku działo się bardzo dużo – nic dziwnego zatem, że taki news ubiegł uwadze wielu osób. Zdecydowanie warto się jednak pochylić nad tym tematem na dłużej.
Czy mamy do czynienia z rewolucją? Okazuje się, że historia jest znacznie bardziej skomplikowana, a nowoczesne sztuczne słońca powstają nie tylko w Korei i Chinach. Przedstawiamy kilka bardziej szczegółowych faktów na temat rewolucji w energetyce, z którą będziemy mieć do czynienia w kolejnych latach.
Wszyscy powinniśmy zastanowić się nad sektorem energetyki, wspólnie
Z jednej strony toczy się debata na temat zasadności zamykania kopalń węgla w Polsce, a z drugiej – docierają do nas informacje na temat sztucznych słońc z Dalekiego Wschodu. To doskonale pokazuje, jak zróżnicowana jest infrastruktura energetyczna na świecie. Chiny od dłuższego czasu stawiają na ekologiczne źródła prądu. Choć rewolucja energetyczna Państwa Środka jest imponująca, nie zmienia to faktu, że kraj wciąż ma ogromny problem z emisjami.
Unia Europejska postrzegana jest na tym tle jako gracz wspierający rozwój innowacyjnych, efektywnych i zielonych źródeł energii. Bliskie nam regiony nie mają jednak tak dużego zapotrzebowania na prąd, dzięki czemu mogą powoli, w swoim tempie przechodzić na nowe standardy. Wyjątek stanowią tu największe kraje europejskie – w tym Polska, Francja, Niemcy, Hiszpania i Włochy. W ich przypadku transformacja jest potrzebna jak nigdzie indziej i faktycznie do niej dochodzi, choć być może zbyt wolno.
Z tego względu UE silnie zaangażowała się w rozwój projektu ITER, który ma na celu stworzenie pierwszego sztucznego słońca. Choć Chiny mają w tym spory udział, to nie uczestniczył w projekcie od samego początku. Grupa naukowców z Japonii, USA, ZSRR i Unii Europejskiej w roku 1985 postanowiła działać w kierunku stworzenia międzynarodowej organizacji, która angażuje najbardziej zainteresowane rozwojem energetyki kraje pod jednym szyldem. Pierwsze dekady spędzono na planowaniu, a w 2006 roku w końcu udało się przyjąć projekt budowy, który ruszył w następnych latach.
Kto tworzy sztuczne słońca?
ITER to projekt, w skład którego wchodzi cała Unia Europejska, Indie, Japonia, Korea Południowa, Rosja, USA oraz Chiny. W 2021 do projektu może dołączyć także Wielka Brytania, która brała w nim udział w ubiegłych latach, jednak jej zaangażowanie zostało wstrzymane ze względu na Brexit.
Celem projektu ITER jest stworzenie do roku 2050 sztucznego słońca, które będzie w stanie funkcjonować jako nieograniczone źródło energii. Budowa ma się odbyć w południowej Francji, w mieście Saint-Paul-lès-Durance. Ważnym aspektem działania ITER jest fakt, że pomiędzy krajami uczestniczącymi w inicjatywie informacje przepływają dosyć swobodnie. Research opracowywany na potrzeby unijnego słońca może być wykorzystywany przez inne jednostki badawcze. Równolegle rozwijane projekty przyczyniają się do jeszcze skuteczniejszego funkcjonowania ITER – chińskie i koreańskie słońca z newsów, które pojawiły się pod koniec 2020 roku, właśnie do takich projektów należą.
Czym są sztuczne słońca?
Sztuczne słońce czerpie swoją nazwę z modelu działania, który bardzo przypomina centralną gwiazdę naszego układu planetarnego. To bardzo wydajne, skoncentrowane źródło energii, zdolne do rozgrzewania się do niesamowicie wysokich temperatur – wyższych nawet niż w przypadku jądra słonecznego. Mówimy tu nawet o 10-krotnie większej wartości.
Technologia stojąca za sztucznymi słońcami jest rozwijana od wielu lat. Pierwsze sensowne próby miały miejsce w roku 2017. Pierwsze podejścia do konstrukcji sztucznego słońca odnotowaliśmy jeszcze przed XXI wiekiem, jednak ówczesne rozwiązanie potrzebowało do pracy więcej energii, niż samo dostarczało. Najbardziej udane projekty tego typu to chińskie sztuczne słońce EAST i koreańskie sztuczne słońce KSTAR, które pracowało aż 20 sekund – to naprawdę krok milowy w tej dziedzinie.
Słowo klucz: fuzja jądrowa
Sztuczne słońca korzystają z fuzji jądrowej – to ten sam mechanizm, który „dostarcza” energię gwiazdom. Stąd też nazwa „artificial sun”.
Fuzja sprawia, że atomy wodoru łączą się w atomy helu i uwalniają ogromną energię. Przy procesach, które mają zasilać sztuczne słońca, biorą udział izotopy wodoru – deuter i tryt. Zostały one zidentyfikowane jako źródła największych zasobów energii, które mogą jednocześnie zasilać rdzeń „niskimi” temperaturami. Odpowiednia ilość ciepła w rdzeniu to istotny warunek, bez którego nie może dojść do syntezy jądrowej.
Temperatura sztucznego słońca jest imponująca
Temperatura rdzenia w sztucznym słońcu osiągnęła 100 milionów stopni Celsjusza. Czy faktycznie jest to podawana przez dziennikarzy 10-krotnie wyższa temperatura od temperatury jądra naszej planety? W zasadzie tak – temperatura jądra słońca może mieć około 15 milionów stopni Celsjusza. Mówimy więc o naprawdę imponującej wartości.
Jądro gwiazdy – inspiracja do stworzenia sztucznych słońc
Reakcje syntezy jądrowej, które występują w sztucznym słońcu, są charakterystyczne również dla jądra gwiazd. Uwaga – fakt, że chińskie sztuczne słońce osiągnęło temperaturę 10-krotnie wyższą od temperatury jądra słońca, nie oznacza, że jest wydajniejsze energetycznie od naszej gwiazdy. Zacznijmy od tego, że słońce ma dostęp do ogromnych pokładów wodoru. Na promienie świetlne dostarczane do różnych planet w układzie słonecznym przekłada się jednak nie tylko jądro naszej gwiazdy, ale ogół procesów, który w niej zachodzi.
Czym jest tokamak?
Tokamak to maszyna o kształcie torusa, której nazwę można rozwinąć jako „toroidalna komora z cewką magnetyczną”. To właśnie w tokamakach będzie odbywała się fuzja atomowa. Energia wytworzona w trakcie tego procesu jest absorbowana przez ściany tokamaka. Urządzenie to zapewnia kontrolę nad tym, by moc generowana przez fuzję pozostała w ryzach i nie doprowadziła do uszkodzenia elektrowni.
Zalety wykorzystania sztucznego słońca – nieograniczona moc
ITER podaje, że zakładana wydajność generatora ma oferować współczynnik przyrostu syntezy jądrowej na poziomie Q = 10. W efekcie moc wejściowa na poziomie 50 MW pozwoli otrzymać moc wyjściową 500 MW. Oznacza to, że mamy do czynienia ze sporą rewolucją – elektrownia zbudowana wokół takiego generatora będzie w stanie tworzyć dziesięciokrotnie więcej energii, niż do niej dostarczymy.
Dodatkowo sztuczne słońce wykorzystuje dosyć powszechnie dostępne surowce – wodór to najczęściej występujący pierwiastek w kosmosie. Oczywiście do zasilania generatora ITER potrzebny jest konkretny typ tego pierwiastka: izotop o nazwie tryt, do którego nie mamy tak dobrego dostępu. W kosmosie jednak go nie brakuje. Potencjał jest niesamowity, a same sztuczne słońca mogą być prawie zeroemisyjne. Wszystko zależy od tego, jak dostarczymy do niego energię. Efektem reakcji, które zachodziłyby we wnętrzu generatora, nie są radioaktywne odpady, a hel. To gaz, który także może być eksploatowany w różnych dziedzinach przemysłu.
Mocna, zielona energia może być faktycznie możliwa już wkrótce. Czy znaczy to, że elektrownie zasilane sztucznym słońcem są bezpieczniejsze? Nie do końca – fuzja nuklearna to mechanizm, który także ma bardzo destrukcyjne zastosowanie. Ładunki termojądrowe to broń niekontrolowana o przerażającej sile rażenia.
Elektrownie stawiające na sztuczne słońca są bardziej ekologiczne od tych atomowych
Różnica pomiędzy elektrowniami atomowymi a elektrowniami zasilanymi sztucznym słońcem jest dosyć wyraźna. Choć elektrownie jądrowe to jeden z bardziej ekologicznych sposobów na pozyskanie prądu, generują one odpady radioaktywne. Sam transport surowców zasilających je jest obarczony sporym ryzykiem, tak samo jak ich składowanie. Pod tymi względami elektrownie zasilane sztucznymi słońcami będą znacznie bezpieczniejsze.
Dodatkowo ponownie dochodzi tu kwestia braku generowania odpadów. Elektrownie zasilane sztucznym słońcem mogą dostarczać większej ilości energii niż te oparte o rozpad atomów. Oczywiście technologie związane z tymi drugimi także nie stoją w miejscu i co jakiś czas udaje się opracować kolejne innowacje.
Czynniki ryzyka – brak trytu i ogromna moc
Tryt to izotop wodoru, który występuje na Ziemi, jednak jego zasoby nie wystarczą na zasilenie tak dużego przedsięwzięcia jak sztuczne słońca w dłuższym wymiarze czasowym. Dlatego, aby móc kontynuować dalsze badania, konieczne jest opracowanie jego zamiennika lub znalezienie innego źródła dla tego surowca. Tryt można jednak pozyskiwać na przykład w trakcie odbywania się reakcji jądrowych. ITER na bieżąco pracuje nad tym, by rozwiązać problem niedoboru trytu, i ma kilka innowacyjnych pomysłów w tej materii.
Ogromna moc sztucznych słońc budzi oczywiście wiele kontrowersji. Na pewno wiele osób będzie obawiało się o swoje bezpieczeństwo – fuzja jądrowa kojarzona jest z bombami wodorowymi. Nowoczesne technologie i podstawowe prawa fizyki pozwalają utrzymać słońce w ryzach na papierze – awaria może mieć jednak katastrofalne skutki. Z pewnością koszt alternatywny – dostarczenie światu czystej energii elektrycznej kontra wybuch dewastujący okoliczne miasto – jest czymś wartym rozważenia. Bezwzględnie powinniśmy jednak unikać jakiegokolwiek zagrożenia.
Sztuczne słońca a polityka
Czynnikiem ryzyka w przypadku sztucznych słońc jest także kwestia polityki. W krótkiej przyszłości, kiedy technologia sztucznych słońc będzie na ostatniej prostej, będziemy mogli spodziewać się zalewu fake newsów i trollingu związanego z tym zjawiskiem. Do ITER nie należy przecież gigantyczny potentat energetyczny – Rosja. Mało tego: bogate kraje arabskie także nie inwestują w te rozwiązania. Jeśli już to robią, to wyjątkowo cicho i skrycie. Próżno szukać na ten temat rzetelnych informacji. Dla Emiratów Arabskich, Iranu, Rosji, Arabii Saudyjskiej, Kuwejtu opracowywanie alternatywnego źródła energii o takiej mocy będzie sporym problemem.
Pamiętajmy także o tym, że sam fakt istnienia ITER nie wyklucza, iż jedno państwo nie osiągnie dominacji w tym sektorze. Darmowa i wydajna energia to coś, o czym marzy każdy kraj, polityk i przedsiębiorca – kontrolowanie sztucznych słońc zapewni niesamowitą władzę. Kiedy one powstaną, nasz świat będzie wyglądał zupełnie inaczej. Sztuczne słońca to jeden z niewielu projektów, który tak skutecznie może walczyć z ociepleniem klimatu. Poza tym technologia ta z pewnością przyczyni się do rozwoju wielu innych dziedzin nauki. Musimy jednak wciąż czekać na to, co przyniesie nam przyszłość. Nie wiadomo, czy faktycznie uda się stworzyć stabilne słońce w ciągu najbliższych kilkunastu, czy kilkudziesięciu lat. Teoretycznie jest to jednak jak najbardziej możliwe.
Źródła: ITER, Space.com, Indiatoday
Zdjęcie tytułowe: Sztuczne słońce w Chinach, Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
