Velmi smělý cíl: americká firma tvrdí, že pošle do vesmíru revoluční reaktor

Start-up Avalanche Energy tvrdí, že do pěti let by mohl dostat do vesmíru zařízení, které ještě nikdy nefungovalo ani na Zemi: energeticky „ziskový“ fúzní reaktor.

Když se zhruba v polovině minulého století v pozemských laboratořích podařilo napodobit způsob, jakým si hvězdy vyrábí energii, optimismus některých vědců neznal mezí. Předpokládali, že rostoucí hlad lidstva po energii brzy dokážou nasytit elektrárny, ve kterých se budou slučovat jádra prvků podobně jako v nitru hvězd.

Divoké naděje, které část odborné komunity chovala, se ovšem ukázaly jako neopodstatněné. Přesto se znovu a znovu objevovaly hlasy, že využít jaderné fúze pro energetické účely vlastně není tak komplikované a brzy bude dosaženo. Veřejnost tyto epizody naočkovaly značnou mírou skepse (do takové míry, že ani neoceňuje, že skutečně jsme relativně blízko úspěchu).

I přes opakovaná a čestná zklamání v různé fúzní proroky se stále objevují velmi optimistické sliby, a zájemci o tuto problematiku se opakovaně sami sebe musí ptát: může to být tentokrát jinak? Jeden takový případ se objevil nedávno ve Spojených státech, kde je fúzní start-upová scéna dnes nejživější.

Americké ministerstvo obrany totiž v květnu tohoto roku oznámilo schválení financování pro vývoj dvou nových „jaderných pohonů“ pro vesmírná plavidla. Projekt by měl vyústit v praktickou zkoušku daného zařízení na palubě družice kolem Země v roce 2027. A jedno z těch zařízení by mělo být kupodivu fúzní.

Fúze na stole?

Princip jaderné fúze je dnes dobře znám. Ovšem, že všechny dosavadní vážně míněné pokusy o využití fúze jako energie počítají s velmi složitými – a také velmi velikými – zařízeními. Jinak si dnes reálně nedokáže většina fyziků představit, jak v zařízení vyrobit více energie, než samo potřebuje k udržení podmínek pro fúzi.

Zařízení Orbitron společnosti Avalanche by se však teoreticky mělo vejít na stůl. Má pracovat na principu tzv. inerciální elektrostatické fúze. Na té se pracovalo v USA i v bývalém Sovětském svazu už v 50. letech, avšak většina týmů tento princip brzy opustila jako nepříliš slibný.

Stejně jako jiná fúzní zařízení je i toto tedy jakási „past“ na nabité částice s velkou energií. V nejjednodušší podobě se skládá ze dvou obvykle téměř kulovitých mřížek, z nichž jedna je nabitá kladně, druhá záporně. V prostoru mezi nimi a v nich krouží nabité částice (elektrony a ionty). Elektromagnetická pole částice urychlují a ty se pak uvnitř vnitřní mřížky sráží. Částice nakonec z pasti uniknou, ale některé z nich se srazí s další částicí za uvolnění energie.

Problém principu byl vždycky v nízké účinnosti. Ionty totiž z „pasti“ rychle uniknou. A pokud se srazí s jinou částicí, mnohem častěji se od sebe prostě odrazí a k fúzi (a tedy uvolnění energie) nedojde. Pokud po takové „bouračce“ nevyletí z pasti, přijdou o svou energii (která se jim musela dodat předtím ze „zásuvky“) a tím ztratí i svůj tzv. fúzní potenciál. To znamená, že už prostě nemají dost energie na to, aby při další srážce vůbec mohlo k fúzi dojít.

Co to znamená? Že podobná zařízení mnohem více energie spotřebují, než vyrobí. Využívají se například jako zdroj částic (neutronů) s určitými vlastnostmi, k výrobě energie jsou ovšem úplně nevhodná. Celková energie proudu vznikajících neutronů bývá obvykle řádově deseti- až stotisíc krát menší než příkon, který si zařízení bere ze sítě.

My to zvládneme

Avalanche Energy údajně má řešení. Jde o patentové postavené na práci fyzika Toma McGuirea, který na tomto fúzním principu pracoval v první dekádě 21. století na univerzitě MIT. Experimentoval s různými podobami oněch nabitých mřížek, které tvoří „past“ na nabité částice.

V simulacích přitom přišel na zajímavé nové konfigurace. S některými by se mohla údajně velmi prodloužit čas, po který je možné částice v pasti udržet. A to prý až tisíckrát proti obvyklým hodnotám. Čím delší dobu částice v reaktoru stráví, tím spíše může dojít k úspěšné srážce a a k uvolnění energie (tady zjednodušujeme, nejde pouze o čas).

McGuierovy simulace tedy došly k závěru, že optimalizace tvaru elektrod povede k výraznému zvýšení účinnost. Dalším zlepšovákem má být doplnění magnetických cívek okolo „pasti“. Jimi produkované magnetické pole má dále zakřivit dráhy nabitých částic, a znovu prodloužit dobu udržení částic v zařízení.

Mimochodem, McGuire se už sice nevěnuje konkrétně této problematice, ale u fúze zůstal. Je zaměstnán ve vývojové divizi společnosti Lockheed Martin, kde připravuje vlastní koncept jiného fúzního zařízení. V roce 2014 firma o něm v tiskové zprávě prohlásila, že bude k dispozici do deseti let.

Ale vraťme se k jeho starší práci. Podle McGuirových výpočtů tato vylepšení neměla stačit na stavbu fúzního reaktoru, který by vyráběl více energie, než spotřebuje, ale má to být podstatný krok vpřed. Účinnost by se měla zvednout údajně o několik řádů, takže potenciální „elektrárna“ už by neměla být daleko.

Dílko mladého fyzika přitáhla pozornost dvou tehdejších zaměstnanců společnosti Blue Origin, která je v majetku zakladatele Amazonu Jeffa Bezosa a vyvíjí prostředky pro něj rakety a kosmické lodě. Langtryho a Riordana myšlenka nadchla a zhruba před čtyřmi lety si založili společnost Avalanche Energy jako svůj koníček při zaměstnání. V minulém roce, tedy v roce 2021, z Blue Origin odešli a začali se věnovat svému fúznímu projektu naplno.

O společnosti ovšem prakticky nikdo nevěděl, byla de facto neviditelná. Svou existenci začala inzerovat v březnu 2022, kdy měla 10 zaměstnanců a pět milionů dolarů od investorů, kteří v posledních letech výroby elektřiny z fúze až nečekaně věří. Oficiálně ovšem Avalanche Energy stále sídlí v rodinném domu v Seattlu, všiml si časopis IEEE Spectrum.

Záření a jiné nepříjemnosti

Langtry a Riordan mají podanou patentovou přihlášku, ve které lze najít alespoň základní informace o principu fungování jejich Orbitronu. Text popisuje reaktor s velikostí řádově desítek centimetrů, ve kterém po eliptické dráze kolem vnitřní elektrody obíhá svazek nabitých částic.

Zařízení má mít ještě výrazně lepší parametry, než mělo v simulací McGuierovo řešení. Podle patentoví přihlášky má „palivo“ – tedy do systému dodávané ionty – zůstat v pasti řádově jednotky sekund, než vyletí ven. Simulace publikované na základě jeho prací pro MIT hovořily o udržení maximálně řádově na desetiny sekundy.

Cílem společnosti je údajně produkovat malé fúzní „bloky“ s výkonem 5 až 15 kilowattů, které by fungovaly buď samostatně, případně by se daly skládat do velkých zdrojů s výkonem třeba i megawattů. Vzhledem k tomu, že cílem amerického vládního projektu je pohon pro kosmické prostředky, pro jeho zadavatele jsou nepochybně zajímavější především menší zdroje. Samozřejmě, pokud by to náhodou fungovalo, zájemců se najde určitě více, a i na velká zařízení by nejspíše došlo.

Ale případní uživatelé musí počítat s jednou nepříjemnou vlastností: podobný fúzní reaktor není během provozu úplně „čistý“. V závislosti na tom, jaké palivo využívá v něm může vznikat různé množství částic s vysokými energiemi (rychlých neutronů), které postupně ničí materiály reaktoru a případně i v jeho okolí, pokud není dobře odstíněný. Kolik takových části je, se může lišit podle použité směsi, ovšem bohužel ta, se kterou je fúze nejjednodušší (kombinace deuteria a tritia), v tomto ohledu není bohužel nejpříznivější.

Zařízení by také produkovalo i další záření včetně nebezpečného rentgenového. Bude vznikat, či spíše vznikalo by, během nevyhnutelných vzájemných srážek iontů paliva, tak během jejich kolizí se samotnou konstrukcí reaktoru. Takže nějaké stínění bude asi nutné. Je ovšem otázkou, zda vesmírná plavidla si ho mohou hmotnostně dovolit.

Navíc rozhodně nebude mít neomezený rozpočet. Protože jde o vojenský projekt, přesná výše podpory nebyla oznámena, na základě jiných případů lze očekávat, že půjde o relativně nízké prostředky, řádově do jednotek milionů dolarů. Že by to mohlo stačit na vyřešení problému, se kterými fúzní fyzici neví rady dlouhé desítky let se nám nechce věřit.