רתימת כוחם של כוכבים: חומר צפוף חם במחקר היתוך

אפשרות מבטיחה ליצירת מקור אנרגיה פרודוקטיבי ובר קיימא על פני כדור הארץ היא היתוך של גרעיני מימן. הבעיה? נדרשים לחצים וטמפרטורות גבוהים במיוחד כדי להפעיל את תהליך ההיתוך הגרעיני. מבחינה טכנולוגית, ניתן היה להשיג זאת באמצעות הבזקי לייזר ("היתוך לייזר" או "היתוך אינרציאלי"). על ידי ניסוח פרויקט "אופטימיזציה של לייזר רנטגן של היתוך לייזר" (Röntgenlaser-Optimierung der Laserfusion, ROLF) מתכוון כעת ד"ר טוביאס דורנהיים מהמרכז להבנת מערכות מתקדמות (CASUS) ב-Helmholtz-Zentrum Dresden Rossendorf (HZDR) לשפר את ההבנה התיאורטית של דחיסת מימן. במקום שיטת "ניסוי וטעייה", ניתן יהיה לתכנן ולבצע ניסויי היתוך לייזר בצורה ממוקדת יותר בעתיד – תנאי מוקדם חיוני לתחנת כוח היתוך מסחרית. בנוסף לאיחוד האירופי באמצעות "קרן המעבר הצודק", גם מדינת סקסוניה החופשית תורמת ישירות למימון הפרויקט.

הלחצים והטמפרטורות הגבוהים במיוחד הנדרשים לתהליכי היתוך מושגים על ידי דחיסה של קפסולה קרה מאוד בהתחלה מלאה באיזוטופי המימן דאוטריום וטריטיום. במהלך תגובת ההיתוך, המימן נכנס למצב מסוים למשך זמן מסוים – זה של חומר צפוף חם (WDM). תחום זה, ממוקם בערך בין חומר מעובה לחם פְּלַסמָה מבחינת לחץ וטמפרטורה, הוא תחום המומחיות של דורנהיים. בסוף שנת 2022 קיבל החוקר הצעיר "מענק התחלה" ממועצת המחקר האירופית בשווי של כמעט 1.5 מיליון יורו באמצעות הליך תחרותי. העבודה על הפרויקט מתבצעת כעת: דורנהיים וצוותו מפתחים למידת מכונה שיטות שאמורות לאפשר תיאור תיאורטי אמין של WDM. פרויקט המעבר המבני מתמקד כעת באתגר מעשי יותר.

"נושא מרכזי אחד של היתוך לייזר הוא השגת דחיסה יציבה עם פיצוץ הלייזר", מסביר דורנהיים, מנהיג קבוצת החוקרים הצעירים "גבולות חישוב קוונטיים רבים-גוף התיאוריה" ב-CASUS ואחראי לפרויקט ROLF. "זה הכרחי שקפסולת הדלק תתפוצץ בצורה שווה ככל האפשר, כלומר, ללא כל אי יציבות, כדי להבטיח שכמה שיותר דלק יתמזג וישתחרר כמות מתאימה של אנרגיה שימושית. כדי להשיג זאת, עלינו תחילה לשפר את ההבנה שלנו לגבי האופן שבו WDM מתנהג."

חומר צפוף חם, כפי שניתן למצוא, למשל, בליבות של כוכבי לכת וכוכבים, נחקר בניסויים במתקני מחקר בקנה מידה גדול כמו הלמהולץ הבינלאומי קרן קרן לשדות קיצוניים (HIBEF) ב-XFEL האירופי ובמתקן ההצתה הלאומי (NIF) במעבדה הלאומית של לורנס ליברמור בארה"ב. במתקנים אלו ניתן להפיק WDM לשברירי שנייה באמצעות הבזקי לייזר חזקים. הצוות של דורנהיים משתף פעולה עם שני המוסדות. שיטה ניסיונית חשובה לניתוח היתוך לייזר היא פיזור רנטגן תומסון (XRTS), וכאן נכנס לתמונה פרויקט ה-ROLF החדש.

הנגשת אבחון רנטגן לכולם

לאבחון באמצעות פיזור קרני רנטגן, מקור רנטגן מופנה לדגימה. שינויי האנרגיה של הפוטונים המוסטים בדגימה נמדדים ומשמשים להסקת מסקנות לגבי תכונות החומר. עד כה, הערכת הנתונים הנמדדים התבססה בעיקר על סדרה של קירובים בלתי מבוקרים. אולם לפני שנה, צוות CASUS הוכיח שהערכת נתונים מדויקת אפשרית ללא שימוש בסימולציות או מודלים כלשהם עם כל הקירוב וההנחות שלהם.

דורנהיים וצוותו נוקטים בשיטה מתמטית בסיסית, כלומר טרנספורמציה של לפלס. במסגרת ROLF, החוקרים מתכננים ליצור חבילת תוכנה בקוד פתוח כדי להפוך את שיטת ההערכה הזו לנגישה לכל מומחי היתוך לייזר. בנוסף, הם מתכוונים לפתח את השיטה עוד יותר כדי להקל על יישומים מעבר לקביעת טמפרטורה נטולת דגם ובדיוק גבוה באמצעות מדידות XRTS. בעתיד, זה אמור להיות אפשרי גם לקבוע משתנים רלוונטיים אחרים, כמו צפיפות או מידת היינון של WDM.

לאחר מכן, הצוות בגרליץ מתכוון להשתמש בתוכנה החדשה שתוכננה כדי לנתח נתוני XRTS קיימים, למשל, מ-XFEL האירופאי, כדי לפתח ולבדוק ניסויים שיטות מדידה חדשות לפיזור קרני רנטגן. ברגע שלאבחון ה-XRTS יהיה בסיס מוצק, הממצאים שנגזרו מפיזור קרני רנטגן ישולבו בסימולציות היתוך לייזר. "אנחנו מניחים שהפרמטרים שנגזרו מהסימולציות האלה יאפשרו דחיסה טובה יותר משמעותית של הקפסולה ויפתחו דור חדש לגמרי של ניסויי היתוך", אומר דורנהיים, נותן מבט קצר.

HZDR יכול לתרום לאיחוי לייזר

לאחרונה הציג משרד החינוך והמחקר הפדרלי (BMBF) תוכנית מימון חדשה לחקר היתוך. המטרה היא למלא תפקיד מכריע באתגר הבינלאומי להשיג תפעול חסכוני של תחנת כוח היתוך. נייר עמדה של BMBF שפורסם לאחרונה מדגיש את הצורך ב"אבחון מעודן לאימות קודים ומודלים". פרופ' סבסטיאן מ. שמידט, מנהל מדעי ב-HZDR, שמח מאוד על אישור המימון לפרויקט CASUS: "עם HIBEF, CASUS, והלייזרים בעלי ההספק הגבוה שלנו DRACO ו-PENELOPE, ה-HZDR נמצא בעמדה מצוינת ליצור תרומה משמעותית לחקר היתוך לייזר. אנחנו יכולים לפענח את התהליכים הבסיסיים שסוללים את הדרך ליישום".

קרן המעבר הצודק (JTF) היא מכשיר מימון של האיחוד האירופי, המועיל בעיקר לאזורים התלויים בפחם קשה ובליגניט. סכום כולל של 375 מיליון יורו זמינים עבור החלק הסקסוני של אזור כריית הליניט הלוסטיאני. למרות שרוב המימון שמור לתמיכה בכלכלה באזורים המושפעים ביותר משינוי מבני, מוסדות אקדמיים יכולים גם להגיש בקשה למימון פרויקטי מחקר ופיתוח. CASUS הצליחה להשיג מימון של 100% של יותר מ-700,000 יורו עבור ROLF באמצעות הוראת המימון "Research InfraProNet 2021 – 2027".