راهکاری برای تولید برق پاک

به گزارش کنکاش فردا، کیو (Q) برای ما به‌عنوان مخترع مبتکر «ام‌آی۶ (MI۶)» آشناست و ممکن است روزی به‌عنوان انرژی حاصل از واکنش همجوشی نیز شناخته شود، منبعی که ستارگان را نیرو می‌بخشد و شاید زمین را نیز روشن کند. (همجوشی فرایندی عکس عمل شکافت هسته‌ای است و در فرایند همجوشی هسته‌ای هسته‌های سبک مانند هیدروژن، دوتریوم و تریتیوم با یکدیگر همجوشی داده شده و هسته‌های سنگین‌تر و مقداری انرژی تولید می‌شود.)

برخلاف شکافت هسته‌ای سنتی، همجوشی اتم‌ها به‌طور معمول ایزوتوپ‌های هیدروژن را به‌جای شکافتن آنها به‌هم پیوند می‌دهد و مزایای زیادی دارد. این فرآیند کربن صفر دارد، از سوخت‌های معمولی با چگالی انرژی بسیار بالا استفاده می‌کند، به‌طور ذاتی ایمن است و خطر ذوب یا تکثیر تسلیحات وجود ندارد و زباله‌های رادیواکتیو سطح بالای بسیار کمی تولید می‌کند.

اما همجوشی از نظر فنی بسیار چالش برانگیز است. با توجه به رویکرد، این روش می‌تواند به یک میلیونیم فشار اتمسفر، دمای ۱۰۰ میلیون درجه سانتی‌گراد و مغناطیس ۲۸۰ هزار برابر میدان طبیعی زمین نیاز داشته باشد تا پلاسمای هیدروژن یونیزه شده را در خود جای دهد. جریان نوترون واکنش گرمایی ایجاد می‌کند که باید به‌عنوان انرژی مفید جذب شود اما به مواد حاوی آن آسیب می‌رساند و قطعاتی به اندازه یک ساختمان ۶ طبقه باید با دقت کمتر از یک میلی‌متر مونتاژ شوند.

واکنش باید به اندازه کافی طولانی باشد تا انرژی مفیدی را فراهم کند که بیش از توان الکتریکی شود که آن را شروع کرده است بنابراین اهمیت Q، نسبت انرژی ورودی به خروجی، بیشتر می‌شود. یک راکتور برق کاربردی نیاز به دستیابی به حداقل پنج (Q) دارد که در این مرحله همجوشی به خودی خود ادامه می‌یابد.

اوایل این ماه، یک مرکز تحقیقاتی در بریتانیا “Joint European Torus (Jet)” رکورد بالاترین انرژی پایدار از همجوشی را اعلام کرد. مقدار Q این مرکز ۰.۳۳ برای پنج ثانیه، یک دور در زمان همجوشی بود. در ماه آگوست، مرکز احتراق ملی ایالات‌متحده ( Nif) از همجوشی لیزر در مدت زمان کوتاه‌تری به ۰.۷ رسید.

بازده انرژی Nif در دهه گذشته هزار برابر بهبود یافته است و آنان گفتند که در ماه نوامبر بیشتر به اشتعال دست یافته‌اند. راکتور ایتر (Iter) در حال ساخت در فرانسه توسط یک کنسرسیوم بین‌المللی به رهبری اتحادیه اروپا امیدوار است که آزمایش‌های خود را در سال ۲۰۲۵ آغاز کند و به کیو (Q) ۱۰ دست یابد.

خوش‌بینی جدید ناشی از پیشرفت نهادهای دولتی مانند جت، نیف و ایتر و پیشرفت در علم مواد است. آهنرباهای ابررسانا و مدل‌سازی رایانه‌ای و موجی از شرکت‌های خصوصی از جمله شرکت‌های نوپای نوآورانه، با رویکردهای جدید، نوید خوبی برای موفقیت آن است.

شرکت بزرگ نفتی آمریکا، شورون در سال ۲۰۲۰ روی یک شرکت‌ نوپای همجوشی به‌نام «زپ انرژی» سرمایه‌گذاری کرد. هلیون که انرژی را به‌طور مستقیم از واکنش همجوشی به جای گرمایش استخراج می‌کند در ماه نوامبر ۵۰۰ میلیون دلار جمع‌آوری کرد که در آن زمان برای گسترش توسعه خود یک رکورد بود.

این رقم در دسامبر فراتر رفت، زمانی که سرمایه‌گذاران مبلغ قابل‌توجه ۱.۸ میلیارد دلار را در سیستم‌های همجوشی مشترک‌المنافع (CFS) که حامیان آن شرکت‌های نفتی انی (Eni) و اکوینور (Equinor) و صندوق سرمایه‌گذاری بیل گیتس هستند، سرمایه‌گذاری کردند. CFS در تلاش است تا همجوشی را بر اساس آهنرباهای ابررسانا با دمای بالا تجاری‌سازی کند.

تنوع رویکردها و بودجه هنگفتی که اکنون در دسترس است، امید به دستیابی به حداقل یک سیستم ماندنی را بوجود می‌آورد. هلیون می‌خواهد تا سال ۲۰۲۴ یک کارخانه نمایشی فعال داشته باشد، در حالی که CFS امیدوار است تا اوایل دهه ۲۰۳۰ یک واحد تجاری راه‌اندازی کند.

هلیون تخمین می‌زند که می‌تواند به ازای هر سنت آمریکا در هر کیلووات ساعت برق تولید کند. این به‌طور تقریبی ارزان‌ترین سطح انرژی خورشیدی فعلی است اما از یک سیستم ۵۰ مگاواتی به اندازه یک کانتینر حمل و نقل و صرف‌نظر از روز، آب و هوا و فصول در دسترس است که بسیار کمتر از هزینه‌های زغال سنگ، گاز یا شکافت هسته‌ای سنتی است.

چنین سیستم فشرده‌ای می‌تواند برق کشتی‌ها یا شاید حتی هواپیماها و فضاپیماها را تامین کند. این سیستم می‌تواند برق و گرما را برای صنایع، تولید هیدروژن، نمک‌زدایی آب و جذب دی‌اکسیدکربن اضافی از جو تامین کند.

البته نباید آینده انرژی و آب و هوای خود را روی همجوشی شرط‌بندی کنیم اما برای دستیابی به اهداف جهانی کربن صفر خالص در حدود سال ۲۰۵۰، تولید برق باید تا سال ۲۰۴۰ به صفر خالص برسد که زمان زیادی برای مشارکت همجوشی باقی نمی‌گذارد.

ممکن است در سال ۲۰۴۰ برای ارائه شبکه‌های قابل اعتماد، مقرون‌به‌صرفه و بدون کربن در سراسر جهان، به‌ویژه برای پوشش قطعی ۲۰ درصد یا بیشتر تقاضا که با انرژی‌های تجدیدپذیر بسیار پرهزینه می‌شود، تلاش کنیم. به‌عنوان مثال، این امر شامل دوره‌های زمستانی طولانی سرد اما بدون باد در اقلیم‌های شمالی، یا جبهه‌های هوای سردی است که در عرض چند ساعت تقاضای گرمایش را به شدت افزایش می‌دهد.

میزان استفاده از مواد معدنی و سوخت‌های زیستی برای ساخت مجموعه‌ای از انرژی‌های تجدیدپذیر بسیار زیاد است و شاید هزینه‌ها را افزایش دهد و موجب آسیب‌های زیست‌محیطی شود. هرچه گزینه‌های بیشتری مانند جذب و ذخیره کربن و شکافت هسته‌ای پیشرفته داشته باشیم، شانس بیشتری برای ساختن یک سیستم قوی و مقرون به صرفه داریم که بر موانع غیرمنتظره ناشی از رویکرد تنگ‌نظرانه غلبه کند.

نیازهای انرژی جدید مانند وسایل نقلیه خودران و پهپادهای در دسترس، سفرهای بین قاره‌ای مافوق صوت، ربات‌های شخصی گسترده، صنعت و گردشگری فضایی و معمولی تا اواسط قرن ظهور خواهند کرد. برای دستیابی به اهداف جهانی آب و هوا، جنگلی از ماشین‌های جاذب دی‌اکسیدکربن از هوا در سال ۲۱۰۰، انرژی معادل بیش از نیمی از کل تقاضای جهانی امروز را مصرف می‌کنند.

راکت‌های کم‌هزینه و قابل استفاده مجدد، مرزهای فضایی را باز می‌کنند و سفرهای زیاد حتی استقرار در مدار یا ماه و مریخ را محتمل می‌سازند. ما حدود ۵۰۰۰ سیاره فراخورشیدی از جمله سه سیاره در اطراف نزدیکترین ستاره همسایه خورشیدمان، پروکسیما قنطورس پیدا کرده‌ایم. یک ماموریت همجوشی رباتیک ممکن است طی چند دهه به آنجا برسد و این نه یک چشم‌انداز برای امروز بلکه شاید یک رویای واقع‌بینانه برای اواخر این قرن است.

آینده‌ای فراتر از چالش آب و هوایی وجود دارد. انرژی پاک بسیار ارزان و فراوان حاصل از همجوشی بیش از یک تدبیر هوشمندانه خواهد بود. فقط تصور و کمی بی‌توجهی آنچه را که ما می‌توانیم به آن دستیابیم، محدود می‌کند.