Objevit levný zdroj nevyčerpatelné energie je na počátku 21. století sen podobný úsilí renesančních alchymistů o vytvoření kamene mudrců. V poslední době se objevují náznaky toho, že k cíli vede víc cest.
Nejnadějnější cesta zřejmě vede přes termojadernou fúzi – jenže její výzkum už pohltil miliardy dolarů a výroba energie je stále v nedohlednu. Některé z těch nových, nadějných, mohou být dokonce podstatně levnější.
Slepá ulička?
Klasická termojaderná fúze napodobuje jaderné reakce odehrávající se v nitru hvězd: za obrovských tlaků a teplot se při ní slučují izotopy vodíku. Docílit potřebných podmínek se sice už v obrovských a drahých pokusných zařízeních nakrátko podařilo – jenže za obrovských nákladů a nepříznivého poměru mezi vloženou a uvolněnou energií. Někteří vědci proto tvrdí, že toto drahé pachtění trvající už půl století představuje slepou uličku a že jadernou syntézu lze uskutečnit i za mnohem skromnějších podmínek.
Většina jaderných fyziků je dlouho označovala za neseriózní fantasty a zařazovala je po bok výrobců elixíru mládí a perpetua mobile.
Jak dotlačit atomy k sobě?
Historie „jaderné fúze za studena“ (cold fusion) nebo také „jaderné fúze na pracovním stole“ (tabletop fusion) sahá až do konce 80. let minulého století a popravdě řečeno, skutečně to nebyl moc slavný začátek. Anglický vědec československého původu Martin Fleischmann společně se svým americkým žákem Stanely Ponsem na univerzitě v Utahu tehdy uvažovali o alternativních mechanismech vedoucích k zažehnutí reakce, která pohání hvězdy. Zdánlivě je to jednoduché: aby se atomy izotopů vodíku deuteria a tritia spojil v hélium (přičemž se kromě velkého množství energie uvolňují také neutrony), je potřeba překonat odpudivé síly mezi nimi a „dotlačit“ je k sobě na velmi malou vzdálenost. V klasických zařízeních zvaných tokamaky nebo stelarátory – stejně jako ve vodíkové bombě – se toho dociluje vysokými tlaky a teplotami desítek až stovek miliónů stupňů. Fleschmann a Pons ale věřili, že téhož dosáhnou i méně drastickými metodami. A hlavně levněji.
Mrtvý laborant
Ve skutečnosti to nebyla myšlenka nijak nová – poprvé se objevila dokonce už v 19. století. Už tehdy totiž vědci věděli, že vzácný kov paládium má mimořádnou schopnost vázat velké množství atomů vodíku a tušili, že ze dvou jednoduchých atomů vodíku by šlo „sestavit“ složitější atom hélia. Fleschmann a Pons ale už byli teoreticky vybaveni mnohem lépe. Nemohli nevědět, že existují různé termojaderné reakce, včetně takové, kdy se spojují dva atomy deuteria. A deuterium je vlastně vodík, který má v jádře navíc jeden neutron. Proto do roztoku těžké vody (což je kysličník deuteria) ponořili elektrody, z nichž katoda byla z paládia, a zavedli do nich elektrické napětí. Věřili, že při elektrolýze se na povrchu paládia dostanou jednotlivé atomy deuteria do dostatečně těsného sousedství, aby se spojily v hélium.
Nějaký čas to vypadalo opravdu nadějně. Roztok se při elektrolýze údajně nadměrně zahříval, což badatelé považovali za projev energie uvolněné při termojaderné fúzi. Přístroje také skutečně zjistily výskyt neutronů. Dokonce se zdálo, že síla atomu se vědcům vymkla z ruky, když během experimentů došlo k explozi, při níž zahynul jeden z laborantů.
Vědecká ostuda nebo naděje?
Do opakování Fleschmannova pokusu se vrhla řada dalších vědeckých pracovišť, avšak slibné výsledky se už nepotvrdily. Neutrony patrně pocházely z kosmického záření a také další naměřené hodnoty bylo třeba připsat na vrub nedokonalé metodice. Za tragickou explozi patrně mohl vodík a kyslík, který se při elektrolýze uvolňoval. Pozdější práce ukázaly, že na paladiové elektrodě se sice atomy deuteria opravdu navzájem přiblíží, ale ne dost na to, aby došlo k jaderné syntéze a uvolňování energie. Pro úplnost je ale potřeba dodat, že některé obměny tohoto pokusu, například s použitím titanu či jiných prvků, sloučenin nebo slitin, změny tlaku, teploty apod., vědci občas došli k udivujícím výsledkům, které se zatím nepodařilo uspokojivě vysvětlit.
Fleischmann a Pons měli od samého počátku řadu vášnivých odpůrců a neslavný konec jejich práce jejich hlasy ještě posílil. Fúze za studena byla na dlouho odkázána do říše pavěd. Jenže některé vědecké odvážlivce neodradila ani tato exkomunikace. protože fúze za studena neodporuje fyzikálním zákonům a kdyby se povedla, byl by to jeden z největších objevů současnosti. To byla příliš velká výzva, než aby ji šlo jen tak snadno ignorovat. A poslední dobou se začíná ukazovat, že tito „alchymisté“ mají možná přece jen pravdu.
Pryč s velkými kotli!
I když se o termojaderné fúzi mluví jako o téměř definitivním vyřešení energetických trablů lidstva, není to tak docela pravda. Elektrárny vycházejících z dnešních pokusných zařízení typu tokamak totiž mají mnohé z nectností klasických atomových elektráren.Jsou investičně nesmírně náročné, vedou k devastaci krajiny a produkují radioaktivitu. Kritici této cesty poukazují i na archaický a neefektivní způsob převodu energetického zisku z termonukleární reakce na elektřinu – teplo zahřívá chladící médium a to pohání generátor. Ani v 19. století se to nedělalo jinak.
Někteří badatelé soudí, že jaderná fúze si tak primitivní přístup nezaslouží. Proč za velkých ztrát využívat energii hvězd na roztáčení parní turbiny, když by teoreticky bylo možné uskutečňovat reakci atom po atomu a vyrábět tak přímo elektřinu? To ovšem s monstrózními tokamaky nelze, a tak se američtí vědci Forrest Bishop a Brian Donovan rozhodli jít na to trochu jinak. Podle nich je třeba místo obrovských plasmových „kotlů“ vyvíjet naopak zařízení velmi malá, doslova mikroskopická. Přesněji řečeno, zařízení nanotechnologická.
Sen o vodíkové bombě v kapse
Nanotechnologie je věda, která se snaží vyrábět velmi malé konstrukce. Dnes již jsou vědci schopni manipulovat s jednotlivými molekulami a atomy a sestrojovat z nich funkční konstrukční prvky. Forrest Bishop a Brian Donovan proto usoudili, že by bylo možné pomocí těchto metod vytvořit i velmi malý termonukleární reaktor.
Myšlenka amerických vědců o termojaderné mikrofúzi je jednoduchá: zatímco ve velkých zařízeních je potřeba k dosažení potřebných podmínek dodat nepředstavitelně mnoho energie, z níž velká část padne na ztráty, v „nanoreaktoru“ by se slučovaly jednotlivé atomy. Celý proces by mohl probíhat za podstatně nižších teplot i tlaků a především mnohem hospodárněji.
Takový reaktor by patrně nepracoval na principu stlačování plazmy, jako je tomu u tokamaku, ale spíš by měl podobu miniaturního urychlovače částic. Atomy těžkého vodíku by byly v nanotrubici proti sobě vystřelovány pomocí elektrostatických sil, použít lze i miniaturní laser, mikrovlnný ohřev, nebo kombinaci všech těchto metod.
Jako nejperspektivnější se ale jeví využití zákonů kvantové mechaniky. Jedno z jejích základních pravidel totiž říká, že u objektů mikrosvěta nikdy nemůžeme zároveň znát přesně jejich polohu a hybnost. Když tedy vhodnou částici těsně uvězníme v nanostruktuře, bude se, věrna tomuto příkazu, snažit obrovskou silou uniknout. Stačí dát této snaze správný směr a máme, samozřejmě při troše zjednodušení, mikroskopický urychlovač i termojaderný reaktor.
Vědci mají také na výběr mezi několika typy jaderných reakcí. Buď takových, kde se navzájem srážejí částice deuteria (izotopu vodíku se dvěma neutrony), nebo deuterium s tritiem (izotopem vodíku se třemi neutrony v jádře) a další. Produkty těchto jaderných reakcí jsou elektricky nabité, takže by takové mikrourychlovače přímo vyráběly elektrickou energii.
Mohlo by to mít i ekonomické výhody. Zatímco termojaderná elektrárna (podobě jako atomová) je vždy unikátní a neobyčejně drahou konstrukcí, kapesní urychlovače by šlo vyrábět sériově. Jejich cena by proto mohla být velmi nízká. Taková termojaderná „baterie“ by už mohla pohánět nejen elektromobily, ale i letadla a další dopravní prostředky. Místo klasických elektráren, rozvoden a stovek kilometrů drátů by měl každý dům svůj věčný zdroj energie někde ve sklepě. Místo uhelných dolů a dalších zdrojů znečištění by solární elektrárny z mořské vody získávaly deuterium, kterého by k uspokojení energetických potřeb celé planety stačilo jen několik desítek tun ročně.
Stačí obyčejný aceton
Bishop a Donovan pouze teoretizovali, jiní se ale snaží po jimi naznačené cestě opravdu jít. Jednou z nadějných možností realizace termojaderné fúze na laboratorním stole je tzv. fúze v bublinkách, o kterou už několik let usilují výzkumníci z Oak Ridge National Laboratory (ORNL) a Renssealer Polytechnic Institute v USA. V porovnání s tokamaky je jejich metodika opravdu bezmála lidová. To se vezme obyčejný aceton, přimíchá do něj trochu deuteria a pak se tím prožene ultrazvuk. A je to!
Zdánlivě pošetilý nápad vychází z teoreticky dobře podepřené úvahy. Již dříve totiž fyzikové při průchodu ultrazvuku některými kapalinami pozorovali nepatrné záblesky světla, které si nedovedli vysvětlit. Shodli se pouze na tom, že je patrně má na svědomí takzvaná kavitace, jev, kdy v důsledku zvukových vln vysoké frekvence vznikají a vzápětí kolabují mikroskopické bublinky. Některé teorie se snažily sonoluminiscenci vysvětlit právě termojadernými reakcemi. A na tom spočívaly i pokusy s deuteriem v acetonu.
Síla hvězd ukrytá v bublinkách
Výsledky experimentů provedených roku 2002 v Oak Ridge vypadaly slibně: byla naměřena emise neutronů a jako produkt jaderných reakcí vznikalo tritium. Autoři výzkumné studie věří, že se jim opravdu podařilo dosáhnout fúze za podmínek nesrovnatelně skromnějších, než je tomu v tokamacích.
„V současnosti je těžké vůbec dohlédnout konečného významu tohoto objevu,“ konstatoval jeden z členů výzkumného týmu, profesor Richard T. Lahey z Renssealer Polytechnic Institute. „V každém případě to však vypadá velmi slibně.“
„Mohl by to být unikátní nástroj pro studium jaderné fúze v laboratorních podmínkách,“ souhlasil s ním profesor Fred Becchetti z University of Michigan.
Ostatní kolegové z jiných výzkumných zařízení však byli většinou mnohem opatrnější a nezřídka mluvili i o tom, že stejně jako v případě Fleischmannova pokusu byla práce zveřejněna poněkud předčasně.
Mnozí odborníci ani nevěřili, že by v bublinkách mohly nastat podmínky, které by umožnily jadernou fúzi. Letos v březnu však prestižní vědecký časopis uveřejnil práci Kena Suslicka z Beckmanova institutu pro pokročilou vědu a technologii v Illinois, naznačující, že to přinejmenším nelze tak docela vyloučit. „Zjistili jsme, že když bublinky v kapalinách kolabují, bývá v jejich nitru opravdu zatraceně horko,“ konstatoval profesor Suslick.
Suslickův tým použil metodu vyvinutou původně astronomy k měření teplot na povrchu vzdálených hvězd. Došli přitom k udivujícímu výsledku, že teplota v kolabující bublince může dosáhnout hodnoty až 20 000 stupňů Kelvina. To přinejmenším stačí na vznik horkého plazmatu, nelze ale vyloučit, že se za určitých okolností vytvoří podmínky pro fúzi jednotlivých atomů. Bublina tedy zdaleka nesplaskla, tedy alespoň ne tak, jak předpovídali pesimisté.
Fúze z plynového zapalovače
„Bublinková metoda“ ale není jedinou nadějnou cestou k fúzi na laboratorním stole. Už roku 1989 přišly pokusy s takzvanou piezofúzí, kdy při mechanickém namáhání krystalů sloučeniny deuteria a lithia někteří badatelé pozorovali emisi neutronů. Jedním z možných vysvětlení je, že piezoelektrické jevy (podobné, jaké produkují jiskry v piezoelektrických zapalovačích) k sobě „přitiskly“ atomy deuteria natolik, že došlo k jaderným reakcím mezi atomy deuteria (tzv. D-D fúze). Jev jako první teoreticky popsal ruský vědec V. A. Kljujev a stejně jako jiní hledači netradičních a levných cest k energii hvězd se setkal s velmi odmítavou reakcí odborné veřejnosti. A také v tomto případě se pomalu ukazuje, že nebyl ani šílenec, ani mystifikátor.
Kámen mudrců 21. století
Do výzkumu se špatnou pověstí se nebál pustit tým Setha Puttermana z University of California at Los Angeles (UCLA). Místo piezokrystalů pouze použili krystal s pyroelektrickými vlastnostmi, který při změnách teploty produkuje elektrické pole. Posloužila jim sloučenina lithia, tantalu a kyslíku (LiTaO3) s wolframovou sondou, umístěná do komory se zředěným deuteriem. Po ochlazení a následném zahřátí vzniklo silné elektrické pole, které v okolí hrotu sondy odtrhlo elektrony od jader deuteria a vrhlo je proti destičce z deuteridu erbia (ErD2). Prokazatelně vzniklo hélium a došlo k tak velké emisi neutronů, že to vědci považují za spolehlivý důkaz splynutí jader deuteria – termojaderné fúze. Předpokládají, že zvětšením teplotních rozdílů a nahrazení deuteria v destičce tritiem se podaří docílit ještě výraznějšího efektu.
Zařízení zkonstruované v UCLA má do energetického zdroje velmi daleko – tepelný výkon je zlomkem toho, co bylo třeba vynaložit na ochlazení a ohřátí krystalu. Mohlo by se ale stát předobrazem jednoduchých miniaturních zdrojů neutronového záření, nebo iontových motorů malých kosmických sond. Především však demonstruje, že „fúze na laboratorním stole“ není přelud.
Přestože fúze za studena stále ještě nemá moc dobrou pověst, dnes už se jí zabývá celá řada vědeckých týmů. Dá se předpokládat, že většina z nich neuspěje a ukáže kudy to nejde. Některý z nich ale možná onen „kámen mudrců 21. století“ třeba přece jen nalezne.
Z pravěku studené fúze
Pokusy o slučování atomů vodíku za pokojových teplot mají překvapivě dlouhou historii. Koncem 19. století byla objevena schopnost paladia (a také titanu) vázat velká množství atomů vodíku. Už krátce nato němečtí vědci F. Paneth a K. Peters věřili, že pozorují spontánní vznik hélia z vodíku na paladiovém povrchu. Později se zjistilo, že atomy hélia patrně pocházejí z okolní atmosféry. Přesto od roku 1927 zkoumal Švéd J. Tanberg elektrolýzu vody za pomoci paladiových elektrod. Po objevení deuteria (roku 1932) pokračoval v experimentech s těžkou vodou a dokonce na syntézu hélia z vodíku získal švédský patent, který však byl později zamítnut.
Aby to nebylo drahé…
Výzkum termojaderné fúze při extrémně vysokých teplotách (v zařízeních podobných tokamakům) počítá výhradně s reakcí mezi atomy deuteria a tritia, přičemž při uvolňování energie a neutronů vzniká helium.
Zatímco deutérium je v přírodě běžné, tritium je velmi vzácné a muselo by se vyrábět z lithia, které rovněž nepatří mezi snadno dostupné prvky. Ve skutečnosti však existuje celá řada jaderných syntéz, přičemž při „fúzi na laboratorním stole“ se počítá se vzájemným slučováním atomů deuteria bez nutnosti získávat tritium. Jsou známy tři typy této reakce, které se liší množstvím uvolněné energie a výslednými produkty. Při první vzniká hélium s jedním neutronem v jádře a uvolňují se neutrony, při druhé tritium a uvolňují se protony, při třetí izotop hélia se dvěma neutrony a záření gama.
