Një teknik i përpunimit të optikës përgatit një mburojë grirëse në Laboratorin Kombëtar Lawrence Livermore më 8 dhjetor 2023. Rrezet lazer kalojnë përmes këtyre mburojave në rrugën e tyre drejt dhomës së synuar
Pak pas orës 01:00 të mëngjesit të 5 dhjetorit 2022, Dave Schlossberg, një fizikant eksperimental në Instalimin Kombëtar të Ndezjes (NIF), u zgjua nga një telefonatë.
Një eksperiment i shkrirjes duke përdorur lazerët masivë të NIF ishte planifikuar të fillonte atë natë. Pasi kishte shkuar në shtrat disa orë më parë, ai i kishte thënë Alex Zylstra-s, një nga fizikantët në ekipin e tij, që ta thërriste “nëse ndodh ndonjë gjë interesante”.
Tani Zylstra po shihte të dhëna ndryshe nga çdo gjë që objekti kishte regjistruar më parë. Ata dukej se treguan se shkencëtarët kishin arritur një hap monumental në një kërkim që kishte zgjatur prej dekadash për të përsëritur burimin e energjisë që fuqizon diellin. Schlossberg ngriti telefonin.
“Unë mendoj se diçka interesante ka ndodhur,” tha Zylstra.
Studiuesit në këtë strukturë në Livermore, Kaliforni, kishin shpenzuar më shumë se 13 vjet duke u përpjekur dhe duke dështuar për të arritur ndezjen e shkrirjes, që do të thotë se reaksioni nxjerr më shumë energji se sa shkencëtarët kanë futur në të.
Disa vëzhgues ekspertë menduan se nuk do funksiononte kurrë.
Megjithatë, aty, në bazën e të dhënave eksperimentale të objektit ishte prova. Në orën 1:03:50 të mëngjesit, 192 rrezet e fuqishme lazer të NIF kishin lëruar 2,05 megaxhaul (MJ) energji në një cilindër të vogël ari, i cili e shndërroi atë rrezatim ultravjollcë në rreze X të fuqishme që mbështolli një kapsulë diamanti të madhësisë së një kokrre piperi që përmban dy isotope diamanti, deuterium dhe tritium.
Sa hap e mbyll sytë, pjesa e brendshme e izotopit u prish në 100 herë densitetin e plumbit, duke detyruar atomet e hidrogjenit të shkrihen në helium dhe duke shndërruar një sasi të vogël të masës në sasi të mëdha energjie. Rreth 70 trilionta e sekondës më vonë, kapsula shpërtheu, duke lëshuar 3.15 MJ energji, e barasvlershme me rreth tre kallëpe dinamiti.
Rezultati ishte një mrekulli shkencore, një vepër që studiuesit kishin shpresuar ta krijonin në një laborator që kur shkencëtarët filluan për herë të parë të diskutonin rreth idesë së përdorimit të shkrirjes bërthamore të kontrolluar për të prodhuar energji elektrike në vitet 1950.
Kjo ide – për të përsëritur reagimin që ushqen yjet duke copëtuar atomet e hidrogjenit së bashku për të formuar helium – teorikisht mund të sigurojë energji elektrike pothuajse të pakufizuar, pa ndotje, pa asnjë nga rreziqet e sigurisë ose problemet e depozitimit të mbetjeve të reaktorëve bërthamorë. Megjithatë, në praktikë, vërtetimi i një procesi të tillë në laborator u ka shpëtuar shkencëtarëve dhe inxhinierëve për dekada.
Që kur u hap në vitin 2009, NIF ka ndjekur një qasje ndaj sfidës: duke i përplasur ato atome të hidrogjenit së bashku, duke i goditur me rreze të fuqishme lazer me qëllimin për të arritur ndezjen, siç nënkuptohet në emrin e objektit, një hap vendimtar nëse teknologjia do të përdoret si burim i energjisë së pastër. Tani, një dekadë e gjysmë më vonë, shpresat janë ripërtërirë se ëndrra mund të realizohet një ditë.
Megjithatë studiuesit nuk janëë ende shumë afër përdorimit të çdo energjie që ata prodhojnë në objektin e tyre të madhësisë së një stadiumi. NIF nuk është një termocentral dhe fuqia elektrike që lazerët e tij masivë marrin nga rrjeti (qindra herë më shumë se sa prodhojnë në dhomën e synuar) tejkalon shumë çdo gjë që mund të shpresonte ndonjëherë të prodhonte.
Megjithatë, ajo kishte arritur një përparim të rëndësishëm atë ditë dhjetor. Ndërsa lajmet u përhapën, ethet e shkrirjes u shpërndanë në mbarë botën; Sekretarja e Energjisë e SHBA-së, Jennifer Granholm e përshkroi atë si momentin më të rëndësishëm shkencor të shekullit të 21-të. Sipërmarrësit e energjisë së shkrirjes u mbështetën në shpresat e reja për fushën e tyre.
Një objektiv i sapomontuar në laboratorin e fabrikimit të objektivit të Laboratorit Kombëtar Lawrence Livermore
Por edhe në mes të festës, presioni u rrit në NIF për të përsëritur me shpejtësi ato rezultate për të provuar se eksperimenti novator nuk ishte aksident, dhe më pas për të nxitur për rendimente akoma më të larta të energjisë së shkrirjes.
TIME i ka ndjekur shkencëtarët e NIF gjatë atij udhëtimi pas ndezjes së vitit të kaluar, një udhëtim me shumë vështirësi e krenari, dëshpërim dhe eufori, një dëshmi e zgjuarsisë dhe vendosmërisë së studiuesve dhe rolit unik të ndërmarrjeve të financuara nga qeveria në shtyrjen e vështirë shkencore përpara.
Është gjithashtu një përkujtues i sfidës së madhe dhe të kthjellët që mbetet: shndërrimi i zbulimit të fundit në një burim energjie të pastër që mund të ndihmojë për të ruajtur burimet e të frenojë gjendjen klimatike, ndërsa ka ende kohë.
Annie Kritcher shpesh zgjohet në mes të natës me ide të reja për t’u futur në simulimet e saj.
“Burri im do e karakterizonte atë si obsesive,” thotë Kritcher.
“Ndonjëherë luaj me fëmijët e mi dhe më pas e kuptoj se në fakt nuk po luaj me ta.”
Si një fizikante projektimi, detyra e saj është të përdorë modele kompjuterike për të parashikuar se çfarë rregullimesh në gjatësinë e valës dhe fuqinë e impulsit lazer, ndryshimet në kapsulën e karburantit dhe hohlraum-in (Në termodinamikën e rrezatimit, një hohlraum është një zgavër, muret e së cilës janë në ekuilibër rrezatues me energjinë rrezatuese brenda zgavrës.) përreth arit dhe ndryshime të tjera të panumërta të mundshme mund të shtrydhin atomet e hidrogjenit së bashku në mënyrën e duhur për të prodhuar një reaksion bashkimi.
Kritcher kishte projektuar një eksperiment NIF në gusht 2021 që prodhoi një rekord 1.3 MJ energji të shkrirjes duke përdorur 1.9 MJ energji lazer të futur – një sukses që erdhi falë ndryshimeve, duke përfshirë zhvendosjen e më shumë energjie hyrëse në pjesën e mëvonshme të shkrepjes me lazer.
Rezultati i vendosi shkencëtarët e NIF në pragun e ndezjes. Më pas, objekti filloi përgatitjet për eksperimente që do shtynin lazerët e vjetëruar në nivele edhe më të larta të energjisë. Lazeri ishte projektuar për të nxjerrë 1.8 MJ, dhe teknikët tashmë kishin qenë në gjendje ta arrinin atë në 1.9 MJ.
Tani, duke shtuar një optikë të re që mbronte më mirë përbërësit e lazerit nga mbeturinat fluturuese pranë dhomës së synuar, ata besuan se mund t’i shtrëngonin ato rreze deri në 2.05 MJ. Kjo mund të tingëllojë margjinale.
Por ndërsa inputi i energjisë në një eksperiment të shkrirjes rritet, prodhimi i energjisë tenton të rritet në mënyrë eksponenciale. Studiuesit menduan se një shtesë prej 0,15 MJ energji lazer mund të jetë e mjaftueshme për të thyer barrierën e ndezjes.
Kritcher konceptoi një plan për të përdorur atë energji shtesë lazer, kryesisht duke rritur trashësinë e kapsulës së synuar.
Një eksperiment në shtator dështoi – karburanti kishte shpërthyer me vetëm 1,19 MJ energji. Gabime të tilla, siç i quan Kritcher, janë një fakt i jetës në NIF: në mënyrë ideale, lazerët do ngjeshin karburantin e shkrirjes në formën e një sfere uniforme, e cila ushtron presion maksimal për të detyruar atomet e hidrogjenit së bashku, por ndonjëherë përfundon me shpërthimes, të cilat rezultojnë në më pak energji.
Ekipi bëri disa ndryshime në lazer, duke përfshirë rregullimin e gjatësisë së valës së tyre. Më pas, atë mëngjes të hershëm të 5 dhjetorit 2022, ata i dhanë një lëvizje tjetër dhe funksionoi. Kritcher thotë se ajo qau kur mori lajmin.
Kim Budil, drejtore e Laboratorit Kombëtar Lawrence Livermore, thotë se objekti kishte një detyrim publik të përpiqej të mposhtte rezultatet e tij të dhjetorit 2022
“Isha në një gjendje ekstaze të ngrirë. Kam pasur një buzëqeshje të vazhdueshme për një javë.”
Kishte qenë një rrugë e gjatë dhe e vështirë për të arritur një rezultat të tillë; në vitin 2013 ishte një arritje mbresëlënëse për të marrë 14 kiloxhaul nga një reagim, më pak se 0.5% e energjisë së lëshuar dhjetorin e kaluar.
“Ishte gjithçka paksa surreale,” thotë Art Pak, një nga shkencëtarët në projekt, “duke kuptuar se diçka për të cilën keni punuar për një dekadë, diçka për të cilën njerëzit kanë punuar për 60 vjet, është këtu.”
Por shkenca nuk është nxjerrja e prodhimi i diçkaje vetëm një herë. Për të treguar se e kupton vërtet një dukuri, duhet të jesh në gjendje ta riprodhosh atë vazhdimisht. Por përpjekjet e mëvonshme për të arritur ndezjen vazhduan të dështonin.
Një vështirësi me të cilën NIF u përball ishte mbushja e kapsulave të vogla të synuara të diamantit të eksperimentit me atome deuterium dhe tritium, të cilat kërkonin përdorimin e një tubi më pak se një të qindtën e gjerësisë së një floku të njeriut. Nëse izotopet e hidrogjenit rrjedhin gjatë rrugës për në dhomën e provës, kapsula bëhet e padobishme. Dhe shumë nga kapsulat po dështonin.
Annie Kritcher projektoi eksperimentin që arriti ndezjen e shkrirjes në dhjetor 2022. Tani ajo e ka kthyer vëmendjen në përpjekjen për të prodhuar rendimente më të larta të energjisë nga shkrirja
“Ishte një rrënim i plotë sa herë që humbja një objektiv,” thotë Kritcher.
“Ju i ndiqni këto objektiva sikur të jenë fëmijët tuaj.”
Pak u përpoq të mos lejonte që zhgënjimet t’i preknin. Ai ishte njohur mirë me dështimet në vitet e para të vështira të programit: “Vetëm sepse punon shumë dhe bën gjithçka që mendon se është e drejtë, ndonjëherë gjërat nuk funksionojnë.” thotë ai.
“Mos e lidhni vetëvlerësimin dhe lumturinë tuaj personale me fizikën eksperimentale.”
Megjithatë, zhgënjimet e brendshme dhe presioni i jashtëm u rritën ndërsa dimri iku e erdhi pranvera. Mbështetësit e NIF në Kongres kishin mbrojtur objektin pavarësisht viteve të përparimit të ngadaltë; tani ata donin që studiuesit të tregonin se mund të përsërisnin suksesin e tyre të dhjetorit 2022. Kritikët e programit po bëheshin më të zëshëm.
“Ky program ka një histori të gjatë kundërshtuesish dhe kundërshtarësh,” thotë Kim Budil, drejtore e Laboratorit Kombëtar Lawrence Livermore, që mbikëqyr NIF.
“Ata menduan se ishte një qasje e çmendur dhe se ne ishim tepër arrogantë.”
Teknikët në punë në NIF
Ekipi i NIF ndjeu gjithashtu një ndjenjë detyrimi ndaj publikut, thotë Budil. Qeveria i kishte dhënë miliarda dollarë financim dhe udhëheqja e laboratorit mendoi se taksapaguesit amerikanë meritonin një sukses të mëtejshëm dhe të shpejtë. Në mars, Budil mblodhi së bashku udhëheqjen e programit të shkrirjes.
“Kam prezantuar një term të ri të quajtur “viti fiskal i ndezjes”, thotë Budil.
“Ne nuk mund të arrijmë në fund të vitit fiskal të ndezjes” – domethënë deri në dhjetor 2023 – “pa përsëritur këtë eksperiment”.
Në qershor, shkencëtarët e objektit kryen një eksperiment që ishte thjesht i ndrojtur nga ndezja. Më pas, më 30 korrik, studiuesit më në fund arritën të tejkalonin rezultatin e tyre të 5 dhjetorit, duke prodhuar 3,9 MJ energji, një rekord i ri, me 2,05 MJ input lazer. Pasoi një frymëzim kolektiv.
“Ky rezultat nuk ishte një rastësi,” thotë Budil.
“Ishte një gjë e mrekullueshme të isha në gjendje të thosha, ‘E arritëm atë. Çfarë vjen më pas?”
Në tetor, studiuesit arritën një rezultat ndoshta edhe më domethënës. Duke përdorur një dizajn të ri eksperimental, shkencëtarët e objektit arritën të merrnin një rendiment prej 2.4 MJ – me vetëm 1.9 MJ energji lazer.
“Ne po fillojmë të kuptojmë një pamje më të plotë të mënyrës se si funksionojnë këto sisteme,” tha Pak për TIME pasi dolën rezultatet.
“Në një rast, ju filloni me një çekiç më të madh dhe e goditni gjënë më fort. Në rastin tjetër, ju synoni me shumë kujdes dhe e bëni atë siç duhet.”
Një topth karburanti i ekspozuar në laboratorin e fabrikimit në Laboratorin Kombëtar Lawrence Livermore
Për vite pasi NIF u hap në vitin 2009, një baner i varur nga ndërtesa gjigante nuk fshihte fjalët për qëllimin e saj: “Sjellja e fuqisë së yjeve në Tokë”.
Shumica e raportimeve dhe komenteve mbi sukseset dhe dështimet e objektit, nga ana tjetër, janë përqendruar në qëllimin që nënkupton motoja: zhvillimi i teknologjisë së re të energjisë që ndryshon botën.
E vërteta, megjithatë, është e ndërlikuar. NIF, i cili kushtoi 3.5 miliardë dollarë për t’u ndërtuar, merr buxhetin vjetor operativ prej rreth 380 milionë dollarësh nga Administrata Kombëtare e Sigurisë Bërthamore, një agjenci e Departamentit të Energjisë të SHBA-së, e ngarkuar me ruajtjen e stokut bërthamor të vendit.
Shtysa kryesore për ndërtimin e NIF ishte premtimi se reaksionet e shkrirjes të ndezura nga lazerët e fuqishëm të objektit do jepnin të dhëna që do ndihmonin SHBA-në të ruante arsenalin e saj bërthamor pa testime bërthamore nëntokësore.
Udhëheqja e NIF thekson se përparimi në energjinë e shkrirjes dhe fizikën themelore janë bashkëpërfitime të rëndësishme të asaj pune dhe është e vërtetë që në një farë mënyre, këto tre synime janë të pandashme. Megjithatë, në themel, nxitja për të prodhuar kërkime të reja të gjera shkencore dhe për të çuar përpara energjinë e shkrirjes vjen e dyta.
Teknikët kryejnë punën delikate të montimit të një objektivi
“Qëllimi i NIF është sigurimi ynë bërthamor,” thotë Mark Herrmann, drejtor programi për fizikën dhe dizajnin e armëve në NIF.
Megjithatë, shkencëtarët e NIF thonë se puna e tyre mund të jetë një ndihmë shkencore në të gjitha degët e zhvillimit të energjisë së shkrirjes.
“Ne jemi duke eksploruar reaksionet e shkencës dhe fizikës që nuk janë bërë kurrë në një mjedis të kontrolluar laboratorik,” thotë Schlossberg.
“Askush nuk e ka bërë këtë më parë.”
Në të vërtetë, suksesi i ndezjes ka nxitur investimet dhe emocionet e sektorit publik në botën e zhurmshme të kapitalit privat, megjithëse normat e larta të interesit kanë hequr dorë nga financimi i ri i kapitalit sipërmarrës.
Ndërkohë, temperaturat rekord të vitit të kaluar në mbarë botën e kanë bërë edhe më të fuqishme idenë se energjia e shkrirjes mund të jetë një zbulim që zgjidh krizën klimatike.
Sipërmarrësit e kanë përqafuar atë kornizë dhe disa kanë premtuar termocentrale komerciale funksionale me shkrirje brenda pesë viteve të ardhshme. Studiuesit akademikë priren të japin afate më të kujdesshme, shpesh përgjatë linjave të dy dekadave.
Pozicionimi i objektivit në vendin e synuar. Objektivat vendosen në majë të pozicionuesit dhe më pas futen në dhomën e synuar përpara se të lëshojnë lazerët e objektit
Suksesi i ndezjes së NIF dhe përparimi në muajt që pasuan, bën që shpresat e kahershme për energjinë e shkrirjes mund të provohen ende dhe ndoshta edhe të vijnë brenda periudhës së shkurtër kohore për të ulur emetimet në zero.
Por siç ka treguar historia e NIF, përparimi shkencor është një gjë e paqëndrueshme. Bota nënatomike nuk ndjek asnjë plan. Me njëfarë rregullsie, studiuesit në NIF po prodhojnë yje të vegjël, nanosekonda. Por ende ka ende për të bërë.
Shumë njerëz në NIF flasin për mënyrën se si pritshmëritë rriten pothuajse menjëherë pas sukseseve të mëdha, si për vetë shkencëtarët, ashtu edhe në shtresat më të larta të mbikëqyrjes administrative dhe politike.
Këto tuba vakumi janë pjesë e sistemit të madh që krijon rrezet e fuqishme lazer të NIF
“Ne jemi të lumtur kur gjërat shkojnë mirë,” thotë Kritcher.
“Por atëherë ju pothuajse menjëherë futeni në këtë gjendje të pyetjes: “Si ta përmirësoj atë?””
John Nuckolls, ish-drejtori në Laboratorin Kombëtar Lawrence Livermore, i cili mbikëqyr NIF, është një lloj legjende e laboratorit qeveritar.
Ai doli me idenë origjinale të përdorimit të lazerëve, më pas një shpikje të re, për të nxitur reaksionet e shkrirjes në vitet 1960.
Në moshën 92-vjeçare, ai ende herë pas here hyn në punë në laborator. Pas goditjes së suksesshme të dhjetorit 2022, Budili uroi Nuckolls; përgjigja e tij ishte ta pyeste atë se kur studiuesit do ta kalonin atë dhe do të arrinin 5 MJ rendiment energjie.
“Mos bëni më konferenca për shtyp”, kujton Budili duke thënë. “Le të ecim me punën.”
Lentet e fokusit me pykë përdoren për të përqendruar rrezet e lazerit në objektivat e vegjël
Për rreth një vit, NIF ishte përgatitur për një eksperiment të ri që do ta shtynte objektin edhe më tej, me teknikët që përmirësonin lazerët 14-vjeçarë për të rritur energjinë e tyre deri në 2.2 MJ. Laboratori do jetë në gjendje të menaxhojë vetëm disa nga këto shkrepje me superfuqi në vit, pasi ato mund të dëmtojnë përbërësit e objektit më shpejt sesa mund të zëvendësohen.
“2.05 MJ po e kthente në 11,” thotë Town.
“2.2 MJ po e kthen atë në 12.”
Duke përdorur numrat përpara testit të parë të shkrirjes 2.2 MJ, shkencëtarët e NIF parashikuan që rendimenti i energjisë mund të arrinte rreth 10 MJ, tre herë më shumë se sa kishte prodhuar gjuajtja e vitit të kaluar – duke supozuar se gjithçka do shkonte sipas planit, gjë që rrallë ndodh herën e parë.
Duke folur përpara atij testi, Pak iu referua ditëve të para të NIF, kur modelet parashikuese të objektit dhe realiteti eksperimental ishin milje larg njëri-tjetrit. Ata kanë bërë një rrugë të gjatë që atëherë, por jo aq larg sa të jenë në gjendje të parashikojnë në mënyrë të përsosur të gjitha çështjet që mund të lindin në botën e mbinxehur të një ndezjeje nanësekonde me shkrirje.
“Me historinë që kam pasur, mendoj se është më mirë të mos i shtosh shpresat”, thotë Pak.
“Mbani pritshmëri të ulëta dhe nuk do të zhgënjeheni kurrë.”
Një ‘dritare neutronike’ është pjesë e një sistemi që i ndihmon shkencëtarët të analizojnë reaksionet e shkrirjes në dhomën e synuar
Më 30 tetor, studiuesit ndezën lazerin për të shpërthyer një kapsulë të synuar me 2.2 MJ dritë ultravjollcë. Eksperimenti arriti ndezjen, një shpërthim lëshoi 3.4 MJ energji, rendimenti i dytë më i lartë i regjistruar ndonjëherë në objekt.
Nga një këndvështrim, ishte një sukses i madh. Nga një këndvështrim tjetër, ishte një dështim: të dhënat pasuese treguan një asimetri të ndërlikuar në shpërthimin e karburantit. Budil kishte shpresuar të thyente 5 MJ në atë goditje të parë 2.2 MJ. Përpjekja tjetër është planifikuar paraprakisht për në shkurt. “Pritshmëritë e mia po rriten”, thotë ajo.
Problemet që fundosën përpjekjen e parë duhet të jenë të rregullueshme, megjithëse studiuesit paralajmërojnë se zgjidhja e asaj asimetrie të ndërlikuar mund të jetë e e ngatërruar. Shkenca e shkrirjes po ecën shpejt, ndoshta më shpejt se kurrë më parë. Por kjo nuk do të thotë se përparimi vjen lehtë.
“A është e mundur?” thotë Town për rregullimin e problemeve në eksperimentin e dytë të ardhshëm 2.2 MJ.
“Epo, ne do e provojmë njëherë.”
VINI RE: Ky material është pronësi intelektuale e Time
Përgatiti për Hashtag.al, Klodian Manjani
