La scurt timp dupa ora 1 dimineata in dimineata zilei de 5 decembrie 2022, Dave Schlossberg, un fizician experimental la National Ignition Facility (NIF), a fost trezit de un apel telefonic. Un experiment de fuziune folosind laserele masive ale NIF era programat sa declanseze in acea noapte. Mergandu-se la culcare cu cateva ore mai devreme, ii spusese lui Alex Zylstra, unul dintre fizicienii echipei sale, sa-l spuna „daca se intampla ceva interesant”. Acum Zylstra vedea date diferite de cele inregistrate inainte de unitatea. Ei pareau sa arate ca oamenii de stiinta au facut un pas monumental intr-o cautare de zeci de ani de a reproduce sursa de energie care alimenteaza soarele. Schlossberg a ridicat. „Cred ca s-a intamplat ceva interesant”, a spus Zylstra.
Cercetatorii de la aceasta unitate din Livermore, California, au petrecut mai mult de 13 ani incercand si esuand sa obtina aprinderea prin fuziune, ceea ce inseamna ca reactia produce mai multa energie decat au pus-o oamenii de stiinta. Unii observatori experti au crezut ca nu va functiona niciodata. Totusi, acolo, in baza de date experimentala a unitatii se aflau dovezile. La 1:03:50 am, cele 192 de fascicule laser puternice ale NIF au aruncat 2,05 megajouli (MJ) de energie intr-un mic cilindru de aur, care a transformat radiatia ultravioleta in raze X puternice care au invaluit o capsula de diamant de marimea unui boabe de piper care contine doi izotopi de hidrogen. , deuteriu si tritiu. Pentru cele mai scurte clipe, interiorul acelei capsule s-a prabusit la densitatea plumbului de 100 de ori, fortand atomii de hidrogen sa fuzioneze in heliu si transformand o cantitate mica de masa in cantitati enorme de energie. Aproximativ 70 de trilioane de secunda mai tarziu, capsula a explodat, eliberand 3,15 MJ de energie, echivalentul a aproximativ trei betisoare de dinamita.
Rezultatul a fost o minune stiintifica, o isprava pe care cercetatorii au sperat sa o creeze intr-un laborator, de cand oamenii de stiinta au inceput sa se chinuie despre ideea de a folosi fuziunea nucleara controlata pentru a produce electricitate in anii 1950. Acea idee – de a replica reactia care alimenteaza stelele prin zdrobirea atomilor de hidrogen impreuna pentru a forma heliu – ar putea, teoretic, sa furnizeze energie electrica aproape nelimitata, fara emisii, fara niciunul dintre riscurile de siguranta sau problemele de eliminare a deseurilor ale reactoarelor nucleare de fisiune. In practica, totusi, demonstrarea unui astfel de proces in laborator a eludat oamenii de stiinta si inginerii de zeci de ani.
De la deschiderea sa in 2009, NIF a urmarit o abordare a provocarii: fortarea acelor atomi de hidrogen impreuna, lovindu-i cu raze laser puternice, cu scopul de a ajunge la aprindere, asa cum este implicat in numele unitatii, un pas crucial daca tehnologia va fi vreodata. gasiti utilizarea ca sursa de energie curata. Acum, un deceniu si jumatate mai tarziu, s-au reinnoit speranta ca visul s-ar putea realiza intr-o zi.
Nu ca cercetatorii sunt aproape de a folosi orice energie pe care o produc la instalatia lor de marimea unui stadion pentru a alimenta mult din orice. NIF nu este o centrala electrica, iar puterea electrica pe care laserele sale masive o extrag din retea (de sute de ori mai mult decat o produc in camera tinta) depaseste cu mult orice ar putea spera vreodata sa o produca. Cu toate acestea, a atins un progres important in acea zi de decembrie. Pe masura ce stirile se scurgeau, febra fuziunii s-a raspandit in intreaga lume; Secretarul american pentru Energie, Jennifer Granholm, a descris-o drept cea mai importanta piatra de hotar stiintifica a secolului XXI. Antreprenorii din energia de fuziune s-au bucurat de noile sperante pentru domeniul lor.
Dar chiar si in mijlocul sarbatorii, presiunea a crescut la NIF pentru a reproduce rapid acele rezultate pentru a demonstra ca experimentul revolutionar nu a fost un accident si apoi pentru a face eforturi pentru randamente mai mari de energie de fuziune. TIME i-a urmarit pe oamenii de stiinta NIF prin acea calatorie post-aprindere in ultimul an – una de dificultati si mandrie, deznadejde si euforie, o dovada a ingeniozitatii si hotararii cercetatorilor si a rolului unic al intreprinderilor finantate de guvern in impingerea stiintifice dificile. straduinte inainte. Este, de asemenea, o reamintire a provocarii enorme si serioase care ramane: transformarea recentei descoperiri intr-o sursa de energie curata care ar putea ajuta la inversarea situatiei climatice a umanitatii cat mai este timp.
Annie Kritcher se trezeste adesea in miezul noptii cu idei noi de conectat la simularile ei. „Sotul meu l-ar caracteriza ca fiind obsesiv”, spune Kritcher. „Uneori ma voi juca cu copiii mei si apoi imi dau seama ca de fapt nu ma joc cu ei. Ei sunt de genul „Mama, doar esti acolo”. Aveam o conversatie intreaga in capul meu despre simulari.”
In calitate de fizician in proiectare, sarcina ei este sa foloseasca modele computerizate pentru a prezice ce ajustari ale lungimii de unda si puterii pulsului laser, modificari ale capsulei de combustibil si ale hohlraum-ului de aur din jur si nenumarate alte modificari potentiale ar putea strange atomii de hidrogen impreuna in modul corect pentru a produce o reactie de fuziune.
Kritcher a conceput un experiment NIF din august 2021 care a produs un record de 1,3 MJ de energie de fuziune folosind 1,9 MJ de energie laser introdusa – un succes care a venit datorita unor ajustari, inclusiv transferul mai mult din energia de intrare catre partea ulterioara a fotografiei laser. Rezultatul i-a pus pe oamenii de stiinta de la NIF in pragul de aprindere. Ulterior, instalatia a inceput sa se pregateasca pentru experimente care ar impinge laserele imbatranite la niveluri de energie si mai mari. Laserul a fost proiectat sa produca 1,8 MJ, iar tehnicienii au reusit deja sa-l aduca la 1,9 MJ. Acum, prin adaugarea unei noi optice care a protejat mai bine componentele laser de resturile zburatoare din apropierea camerei tinta, ei au crezut ca ar putea creste aceste fascicule pana la 2,05 MJ. Asta ar putea suna marginal. Dar pe masura ce aportul de energie intr-un experiment de fuziune creste, productia de energie tinde sa creasca exponential. Un plus de 0,15 MJ de energie laser, au considerat cercetatorii, ar putea fi suficient pentru a sparge bariera de aprindere.
Kritcher a conceput un plan pentru a folosi aceasta energie laser suplimentara, in principal prin cresterea grosimii capsulei tinta. Un experiment din septembrie a esuat – combustibilul a explodat sub forma unei clatite, cu un randament energetic de numai 1,19 MJ. Asemenea erori de „mancare de mic dejun”, asa cum le numeste Kritcher, sunt o realitate la NIF: in mod ideal, laserele vor comprima combustibilul de fuziune sub forma unei sfere uniforme, care aplica presiune maxima pentru a forta atomii de hidrogen impreuna, dar uneori. ajungeti cu implozii in forme de clatite, carnati si gheare de urs, care au ca rezultat mai putina energie. Echipa a facut cateva ajustari la lasere, inclusiv ajustarea lungimilor de unda ale acestora. Apoi, in acea dimineata devreme a zilei de 5 decembrie 2022, au dat o alta incercare – si a functionat.
Kritcher spune ca a plans cand a primit vestea. „Eram intr-o stare de extaz inghetat. Am avut un zambet permanent timp de o saptamana.”
Fusese un drum lung si greu pentru a obtine un astfel de rezultat; in 2013, a fost o performanta impresionanta sa obtii 14 kilojuli dintr-o reactie, mai putin de 0,5% din energia eliberata in decembrie anul trecut. „Totul a fost putin suprarealist”, spune Art Pak, unul dintre oamenii de stiinta din proiect, „si dand seama ca ceva la care ai lucrat timp de un deceniu, ceva la care oamenii au lucrat de 60 de ani, este aici.”
Dar stiinta nu inseamna sa scoti ceva o data. Pentru a arata ca intelegi cu adevarat un fenomen, trebuie sa fii capabil sa-l reproduc din nou si din nou. Dar incercarile ulterioare de a obtine aprindere au continuat sa esueze. O dificultate cu care s-a confruntat NIF a fost umplerea micilor capsule tinta de diamant ale experimentului cu atomi de deuteriu si tritiu, ceea ce a necesitat utilizarea unui tub mai mic de o sutime din latimea unui par uman. Daca izotopii de hidrogen se scurg in drum spre camera de testare, capsula devine inutila. Si multe dintre capsule esuau. „Am fost o epava completa de fiecare data cand am pierdut o tinta”, spune Kritcher. „Urmariti aceste tinte ca si cum ar fi copiii vostri.”
Pak a incercat sa nu lase dezamagirile sa ajunga la el – se familiarizase bine cu esecurile din primii ani grei ai programului: „Doar pentru ca muncesti din greu si faci tot ce crezi ca este corect, uneori lucrurile nu merg.” el spune. „Nu va legati stima de sine si fericirea personala de fizica experimentala.”
Cu toate acestea, frustrarile interne si presiunea exterioara au crescut pe masura ce iarna s-a transformat in primavara. Sustinatorii FNI din congres au pledat pentru facilitate, in ciuda anilor de progres lent; acum au vrut ca cercetatorii sa demonstreze ca isi pot repeta succesul din decembrie 2022. Criticii programului au devenit din ce in ce mai vocali. „Acest program are o istorie lunga de dezamagitori si adversari”, spune Kim Budil, directorul Laboratorului National Lawrence Livermore, care supravegheaza NIF. „Au crezut ca este o abordare stupida, iar noi am fost ridicol de aroganti.”
Echipa NIF a simtit si un sentiment de obligatie fata de public, spune Budil. Guvernul ii daduse miliarde de dolari de finantare, iar conducerea laboratorului a simtit ca contribuabilii americani merita un succes ulterior si rapid. In martie, Budil a convocat conducerea programului de fuziune. „Am introdus un nou termen numit „an fiscal de aprindere”, spune Budil. „Nu putem ajunge la sfarsitul anului fiscal de aprindere”, adica pana in decembrie 2023, „fara a repeta acest experiment”.
In iunie, oamenii de stiinta ai unitatii au efectuat un experiment care nu a fost aproape de aprindere: apoi, pe 30 iulie, cercetatorii au reusit in sfarsit sa depaseasca rezultatul din 5 decembrie, producand 3,9 MJ de energie, un nou record, cu 2,05 MJ de intrare laser. . A urmat o expiratie colectiva. „Acest rezultat nu a fost o intamplare”, spune Budil. „A fost un lucru grozav sa poti spune: „Am inteles asta. Ce urmeaza?” In octombrie, cercetatorii au obtinut un rezultat probabil si mai semnificativ. Folosind un nou design experimental, oamenii de stiinta ai unitatii au reusit sa obtina un randament de 2,4 MJ – cu doar 1,9 MJ de energie laser. „Incepem sa intelegem o imagine mai completa a modului in care functioneaza aceste sisteme”, a spus Pak pentru TIME dupa ce au aparut rezultatele. „Intr-un caz, incepi cu un ciocan mai mare si lovesti chestia mai greu. In celalalt caz, tintiti foarte atent si o faceti corect.”
Timp de ani de zile dupa deschiderea NIF in 2009, un banner atarnat de cladirea enorma nu a tocat cuvintele despre scopul sau: „Aducerea puterii stelelor pe Pamant”. Majoritatea raportarilor si comentariilor cu privire la succesele si esecurile instalatiei s-au concentrat, la randul lor, pe scopul pe care il implica motto-ul: dezvoltarea unei noi tehnologii energetice, care se schimba in lume.
Realitatea este insa complicata. NIF, care a costat 3,5 miliarde de dolari pentru a construi, isi primeste bugetul anual de functionare de aproximativ 380 de milioane de dolari de la Administratia Nationala de Securitate Nucleara, o agentie a Departamentului pentru Energie al SUA insarcinata cu mentinerea stocului nuclear al natiunii. Impulsul principal pentru constructia NIF a fost promisiunea ca reactiile de fuziune aprinse de laserele puternice ale instalatiei vor furniza date care ar ajuta SUA sa-si mentina arsenalul nuclear fara teste nucleare subterane. Conducerea FNI subliniaza ca progresul in energia de fuziune si fizica fundamentala sunt co-beneficii importante ale acestei lucrari – si este adevarat ca, in anumite privinte, aceste trei obiective sunt inseparabile. In mod fundamental, totusi, efortul de a produce noi cercetari stiintifice ample si de a avansa energia de fuziune este pe locul al doilea. „Scopul NIF este descurajarea nucleara”, spune Mark Herrmann, director de program pentru fizica si proiectarea armelor la NIF. „Nu exista daca, si sau dar in legatura cu asta.”
Totusi, oamenii de stiinta din NIF spun ca munca lor ar putea fi un avantaj stiintific in toate ramurile dezvoltarii energiei de fuziune. „Exploram reactii din stiinta si fizica care nu au fost niciodata facute intr-un cadru controlat de laborator”, spune Schlossberg. „Nimeni nu a mai facut asta pana acum.” Intr-adevar, succesul de aprindere a stimulat investitiile din sectorul public si entuziasmul in lumea agitata a fuziunii private, desi ratele mari ale dobanzilor au luat o muscatura din noile finantari cu capital de risc.
Intre timp, temperaturile record de anul trecut la nivel mondial – un semn al accelerarii incalzirii globale – au facut ideea ca energia de fuziune poate fi o trecere de grindina care rezolva criza climatica cu atat mai puternica. Antreprenorii au imbratisat aceasta incadrare, iar unii au promis ca vor functiona centrale comerciale de fuziune in urmatorii cinci ani. Cercetatorii academicieni tind sa ofere orare mai precaute, adesea pe linia a doua decenii. Vechea gluma este un punct dureros: energia de fuziune este sursa de energie a viitorului si va fi intotdeauna.
Succesul la aprindere al NIF si progresul din lunile care au urmat demonstreaza ca sperantele de lunga durata pentru energia de fuziune ar putea fi inca sustinute si poate chiar sa apara in scurtul interval de timp pe care il are omenirea pentru a reduce emisiile la zero si a evita. cele mai grave efecte ale schimbarilor climatice. Dar, dupa cum a aratat istoria NIF, progresul stiintific este un lucru inconstant. Lumea subatomica nu urmeaza niciun program. Cu o oarecare regularitate, cercetatorii de la NIF produc stele minuscule, in nanosecunde. Dar mai este atat de departe de mers.
Multi oameni de la NIF vorbesc despre modul in care asteptarile cresc aproape imediat in urma succeselor mari, atat pentru oamenii de stiinta insisi, cat si pentru nivelurile superioare de supraveghere administrativa si politica. „Suntem fericiti cand lucrurile merg bine”, spune Kritcher. „Dar apoi ajungi aproape imediat in aceasta stare de [intrebare]: „Cum pot face totul mai bine?””
John Nuckolls, fostul director la Lawrence Livermore National Laboratory, care supravegheaza NIF, este un fel de legenda a laboratorului guvernamental. El a venit cu ideea originala de a folosi lasere, apoi o noua inventie, pentru a genera reactii de fuziune inca din anii 1960. La 92 de ani, inca mai vine ocazional la munca la laborator. Dupa fotografierea de succes din decembrie 2022, Budil l-a felicitat pe Nuckolls; raspunsul lui a fost sa o intrebe cand cercetatorii aveau de gand sa depaseasca acest lucru si sa atinga un randament energetic de 5 MJ.
„Nu mai faceti conferinte de presa”, isi aminteste Budil ca a spus. „Hai sa mergem la munca.”
De aproximativ un an, NIF se pregatea pentru un nou experiment care va impinge instalatia si mai departe, tehnicienii modernizand laserele vechi de 14 ani pentru a-si creste energia pana la 2,2 MJ. Laboratorul va putea gestiona doar cateva dintre aceste fotografii super-putere pe an, deoarece pot deteriora componentele unitatii mai repede decat pot fi inlocuite. „2.05 [MJ] il transforma la 11”, spune Town. „2.2 [MJ] il transforma la 12.”
Ruland numerele inainte de primul test de fuziune de 2,2 MJ, oamenii de stiinta NIF au proiectat ca randamentul energetic ar putea atinge aproximativ 10 MJ, de trei ori mai mult decat a produs injectia din anul precedent – presupunand ca totul a decurs conform planului, ceea ce se intampla rar pentru prima data.
Vorbind inainte de acel test, Pak s-a referit la primele zile ale NIF, cand modelele predictive ale unitatii si realitatea experimentala erau la kilometri distanta. Au parcurs un drum lung de atunci, dar nu atat de departe incat sa poata prezice perfect toate problemele care pot aparea in lumea supraincalzita, in nanosecunde, a unei aprinderi prin fuziune. „Cu istoria pe care am avut-o, cred ca este mai bine sa nu-ti faci sperante”, spune Pak. „Asteptari scazute si nu vei fi niciodata dezamagit.”
Pe 30 octombrie, cercetatorii au declansat laserul pentru a arunca o capsula tinta cu 2,2 MJ de lumina ultravioleta. Experimentul a realizat aprinderea, o explozie care a eliberat 3,4 MJ de energie, al doilea cel mai mare randament inregistrat vreodata la instalatie.
Dintr-un punct de vedere, a fost un mare succes. Dintr-o alta perspectiva, a fost un esec: datele ulterioare au aratat o asimetrie complexa in implozia de combustibil, partial carnati, partial clatite. Budil spera sa sparga 5 MJ la prima lovitura de 2,2 MJ. Urmatoarea incercare este programata provizoriu pentru februarie. „Asteptarile mele cresc”, spune ea.
Problemele care au scufundat prima incercare ar trebui sa fie rezolvabile, desi cercetatorii avertizeaza ca rezolvarea acestei asimetrii complicate ar putea fi dificila. Stiinta fuziunii se misca rapid, poate mai repede decat a facut-o vreodata. Dar asta nu inseamna ca progresul vine usor.
„Este realizabil?” Town spune despre remedierea problemelor in urmatorul al doilea experiment de 2,2 MJ. „Ei bine, o sa incercam.”
