Begalinis energijos tinklas nebus sukurtas naudojant šiandienos lazerius

Įsivaizduokite pasaulį, kuriame jūsų kasmėnesinė sąskaita už komunalines paslaugas yra fiksuotas, nereikšmingas mokestis – panašiai kaip bazinė programinės įrangos prenumerata – o ne kintančios išlaidos, svyruojančios priklausomai nuo pasaulinės geopolitikos. Šioje ateityje oras mūsų pramonės centruose yra toks pat tyras kaip kalnų rytas, o energija, maitinanti mūsų sunkiąją pramonę, gaunama ne deginant senovinę anglį, o vykstant tam pačiam procesui, kuris maitina žvaigždes.

Tai yra branduolinės sintezės pažadas. Tačiau norėdami nukeliauti nuo šios galutinės dekarbonizuotos visuomenės vizijos atgal į 2026-ųjų realybę, turime atsekti labai konkretų techninės įrangos pėdsaką. Turime palikti nepriekaištingas valdymo patalpas bei teorinės fizikos straipsnius, praeiti pro masyvius betoninius reaktorių salių skydus ir pasiekti tikrąją visos operacijos kliūtį: lazerį.

Dešimtmečius „variklis“, reikalingas sintezės reakcijai pradėti, buvo stadiono dydžio ir galėjo iššauti tik kartą per kelias valandas. Kad sintezė taptų pamatine mūsų gyvenimo dalimi, mums reikia, kad tas variklis iššautų dešimt kartų per sekundę. Būtent čia kietojo kūno lazerių technologija, šiuo metu tobulinama tokiuose objektuose kaip „ELI Beamlines“, tyliai rengia pramoninę revoliuciją.

Pro paraką užtaisomas šautuvas prieš kulkosvaidį

Norėdami suprasti, kodėl naujausi kietojo kūno lazerių proveržiai yra tokie perversminiai, turime pažvelgti į istoriją, kaip bandėme sukurti „žvaigždžių galią“ Žemėje. Dauguma garsių pastarųjų kelerių metų sintezės proveržių – pavyzdžiui, istorinis energijos prieaugis, pasiektas Nacionaliniame uždegimo įrenginyje (NIF) Kalifornijoje – rėmėsi impulsinių lempų maitinamais lazeriais.

Paprastai tariant, šie lazeriai yra tarsi senamadiški pro paraką užtaisomi šautuvai. Jūs praleidžiate valandas kruopščiai kimšdami paraką ir švino kulką, atliekate vieną šūvį, o tada turite laukti, kol vamzdis atvės, ir pradėti visą procesą iš naujo. Šiuose lazeriuose naudojamos masyvios stiklo plokštės, kurios neįtikėtinai įkaista. Jei šaudysite per greitai, stiklas išsikraipys ar net suduš.

Istoriškai tai tiko įrodymui, kad sintezė gali veikti. Tačiau praktiškai kalbant, jėgainė, kuri „įsijungia“ tik sekundės daliai kas keturias valandas, vidutiniam vartotojui yra nenaudinga. Žvelgiant į platesnį vaizdą, tam, kad sintezė būtų plečiama, mums reikia „kulkosvaidžio“ požiūrio. Mums reikia lazerių, kurie galėtų pakartotinai, tūkstančius kartų per valandą, leisti didelės energijos impulsus neperkaisdami.

Kietojo kūno sprendimas

Šios naujos eros variklis yra L3-HAPLS (didelio pasikartojimo dažnio pažangi petavatų lazerinė sistema). Skirtingai nei jos pirmtakai, ši sistema naudoja diodinį maitinimą. Vietoj to, kad naudotų milžiniškas, neefektyvias impulsines lempas lazeriui „įkrauti“, ji naudoja masyvias specializuotų šviesos diodų (LED) matricas.

Pagalvokite apie skirtumą tarp senos kaitrinės lemputės, kuri nudegina ranką, ir modernios LED juostos. Šviesos diodas yra nepalyginamai efektyvesnis, generuoja mažiau atliekinės šilumos ir gali siųsti impulsus beveik akimirksniu. Naudodami šiuos kietojo kūno diodus, mokslininkai sukūrė lazerį, kuris gali pasiekti didžiausią petavato galią – tai kvadrilijonas vatų arba šimtus kartų daugiau nei viso pasaulinio elektros tinklo pajėgumas – tuo pačiu šaudydamas dešimt kartų per sekundę.

Šis poslinkis yra 2020-ųjų skaitmeninė žaliavinė nafta. Jis ištraukia sintezės koncepciją iš vienkartinių mokslinių stebuklų srities ir tvirtai perkelia ją į patikimo pramoninio proceso kategoriją.

Nuo retų kristalų iki elektros tinklo

Atsekant grandinę toliau, visas šis technologinis šuolis priklauso nuo labai specifinės pramoninės tiekimo grandinės: aukštos kokybės sintetinių kristalų ir pažangių puslaidininkių. Kietojo kūno lazerio širdis nėra tik stiklas; tai kruopščiai užaugintas kristalas, dažnai legiruotas tokiais elementais kaip neodimis arba iterbis.

Rinkos pusėje tai sukūrė naują tiksliosios gamybos paklausą. Vidutiniam vartotojui poveikis yra nematomas, tačiau jis atkartoja tai, kaip masinė silicio lustų gamyba galiausiai padovanojo mums išmanųjį telefoną. Kai vis geriau auginame šiuos kristalus ir gaminame didelės galios diodus, „sintezės variklio“ kaina pradeda kristi.

Tai reiškia, kad judame link sisteminių pokyčių energetikos infrastruktūros kūrimo srityje. Užuot statę vieną masyvų, pagal užsakymą pagamintą objektą, kainuojantį 20 milijardų dolerių, kietojo kūno technologija leidžia taikyti modulinį, supaprastintą požiūrį. Tai perėjimas nuo rankomis pagaminto prototipo prie gamyklos surinkimo linijos.

Kodėl tai svarbu jūsų kasdieniam gyvenimui

Lengva išgirsti žodį „petavatas“ ir manyti, kad tai istorija, skirta fizikams su baltais chalatais. Tačiau, kaip analitinis šių tendencijų vertėjas, matau tris apčiuopiamus būdus, kaip tai paveiks kasdienį vartotoją dar gerokai prieš pastatant pirmąjį sintezės energija maitinamą namą:

1. Medicinos proveržiai: Tie patys didelio pasikartojimo dažnio lazeriai, kuriami sintezei, taip pat naudojami lazeriniam jonų greitinimui (projektas ELIMAIA). Kasdieniame gyvenime tai reiškia tikslesnę, prieinamesnę protonų terapiją vėžiui gydyti. Kadangi šie lazeriai yra mažesni ir efektyvesni, ligoninės ilgainiui galbūt galės turėti šias gyvybes gelbstinčias mašinas pas save, užuot siuntusios pacientus į kelis centralizuotus, milijardus kainuojančius centrus.
2. Medžiagotyra ir įrenginiai: Norint sukurti sintezės reaktorių, reikia medžiagų, kurios išgyventų ekstremaliomis sąlygomis. Šių medžiagų bandymai vyksta naudojant tuos pačius lazerius. Šie „testavimai nepalankiausiomis sąlygomis“ leidžia atrasti atsparesnius lydinius ir polimerus, kurie galiausiai patenka į viską – nuo jūsų automobilio važiuoklės iki nešiojamojo kompiuterio korpuso.
3. Energetinis saugumas: Žvelgiant plačiau, kietojo kūno sintezės technologijos plėtra suteikia skaidrų energetinės nepriklausomybės planą. Skirtingai nuo iškastinio kuro, kuris yra susietas su geografija, sintezės „kuras“ yra vandenilis (gaunamas iš vandens). Tikruoju „ištekliu“ tampa pati technologija – lazeriai.

„Na ir kas?“ filtras: ar tai tik reklaminis triukšmas?

Kaip žmogus, matęs daugybę „revoliucinių“ technologijų, dulkančių patentų biure, išlaikau sveiką skepticizmą korporatyviniams ryšiams su visuomene. Tačiau perėjimas prie kietojo kūno yra kitoks, nes jis sprendžia pamatinius šilumos valdymo fizikos klausimus. Termodinamikos neapgausi; jei lazeris per daug įkaista, jis nustoja veikti. Išsprendę šilumos problemą per diodinį maitinimą, pašalinome didžiausią fizinę kliūtį nuolatinei sintezės energijai gauti.

Įdomu tai, kad iššūkis nebėra susijęs su atomo fizika; jis susijęs su šviesos inžinerija. Pasiekėme tašką, kai žinome, kaip užkurti ugnį; dabar tiesiog tobuliname degtuką, kuris gali užsidegti dešimt kartų per sekundę nesulūždamas.

Naujas pramoninis stuburas

Esmė ta, kad perėjimas prie kietojo kūno lazerių technologijos reiškia posūkį nuo mokslo prie pramonės. Tai momentas, kai sintezė nustoja būti klausimu „ar“ ir tampa klausimu „kada“. Tai nematomas kito šimtmečio ekonomikos stuburas.

Praktinė įžvalga

Žvelgiant į 2020-ųjų pabaigą, raginu jus pakeisti požiūrį į energetikos naujienas. Neieškokite tik antraščių, skelbiančių „Sintezė pasiekta!“. Mes jau žinome, kad tai veikia. Vietoj to ieškokite tylių atnaujinimų apie lazerių pasikartojimo dažnius ir diodų gamybos sąnaudas.

Tai yra tikrieji mūsų pažangos rodikliai. Kitaip tariant, jei sintezė yra tikslas, kietojo kūno lazeriai yra padangos, leidžiančios transporto priemonei iš tikrųjų judėti keliu. Vartotojo požiūriu, kelias į tvarią, energijos kupiną ateitį priklauso ne tik nuo genialios idėjos – jis priklauso nuo tvirtos, plečiamos techninės įrangos, kuri gali atlaikyti perėjimą iš laboratorijos į svetainę. Stebėkite pramoninę mechaniką; būtent ten vyksta tikroji magija.