Forskare har intresserat sig för fusionsteknik sedan 1950-talet, men något genombrott för denna framtida energikälla, som producerar energi enligt samma princip som sker i solen, har inte kommit och lär dröja många år än. Men 2021 kommer ändå gå till historieböckerna som året för en av de viktigaste milstolparna för fusionsenergi, då en aldrig tidigare skådad våg av pengar flödat in i olika startups med inriktning mot fusionsenergi. Bland investerarna i den största privata satsningen på fusionsenergi någonsin återfinns bland andra Bill Gates och George Soros.
Översättning och redigering: Simon Matthis
Teoretiskt sett skulle två kärnreaktorer kunna försörja hela jorden med energi. Det är vad fusionsenergi ytterst handlar om. Det är inte lite som står på spel med andra ord.
Men trots eller kanske på grund av detta svindlande scenario och inte minst fusionsforskarnas obotliga optimism om att ett genombrott för denna sciencefictionartade energikälla står för dörren, har många slutat ta denna forskning på något större allvar.
1,9 miljarder dollar
Flera startups har också sett dagens ljus med löften om att de lyckats betvinga fysikens lagar och göra det ingen annan tidigare gjort - möjliggöra att ett kärnfusionskraftverk byggs på jorden. Men ingen annan fusionsenergistartup har väckt så mycket investerarentusiasm som Commonwealth Fusion Systems, en Massachusetts-baserad startup som dragit in mer än 1,8 miljarder dollar i den största privata investeringen inom kärnfusion hittills. En lång rad namnkunniga investerare, däribland Bill Gates, George Soros och riskkapitalisten John Doerr är med i projektet.
Commonwealth Fusion System är i gott sällskap. Ett annat företag, Helion Energy, meddelade så sent som i november att de dragit in 500 miljoner dollar i sin senaste insamlingsrunda, vilket gör det till den näst största enskilda rundan någonsin för ett privat fusionsföretag.
Helion Energy kan till och med bli kapitalstarkare än Commonwealth Fusion System eftersom dess senaste finansieringsrunda omfattar ytterligare 1,7 miljarder dollar knutna till vissa så kallade prestationsmilstolpar. Ett tredje företag, kanadensiska General Fusion, avslutade nyligen en insamlingsrunda på 130 miljoner dollar som snabbt övertecknades.
Sammanlagt landar fjolårets våg av investeringar i fusionsstartups på över 1,9 miljarder dollar.
–Det är ett tecken på att branschen håller på att mogna, säger Christofer Mowry, vd för General Fusion, till Wall Street Journal.
Positiv nettoenergi genom fusion
Fusionsföretagen tittar på lite olika fusionsreaktorerdesigner, även om majoriteten av dem planerar att fusionsreaktionen ska i plasma, en het gas.
Commonwealth Fusion genomförde förra året framgångsrika tester med den mest kraftfulla fusionsmagneten i sitt slag på jorden, som skulle kunna innesluta och komprimera plasman.
Företaget samarbetar med det ansedda MIT-universitetet för att bygga deras fusionsreaktor. Tillsammans planerar de ett fusionsexperiment de kallar Sparc, som är 65 gånger mindre volymmässigt än fusionsexperimentreaktorn ITER i Frankrike.
Sparc ska generera cirka 100 MW värmeenergi i pulser om cirka 10 sekunder, tillräckligt för att trygga elförsörjningen för en mindre stad. Forskarteamet räknar med att uteffekten kommer att vara mer än dubbelt så stor som den effekt som används för att värma plasman. Därmed kan man överkomma det största tekniska hindret på området: positiv nettoenergi genom fusion. Sparc-teamet har satt upp som mål att reaktorn ska vara i drift inom 15 år, vilket på området anses vara ett ambitiöst mål.
Extrem utmaning
Hur kommer det sig att forskare hittills gått bet med uppgiften att återskapa det som är en naturlig process i världsrymden, stjärnornas energikälla?
Det har att göra med att de förutsättningar som måste vara tillhanda för att kärnfusion ska kunna ske på jorden utgör en extrem utmaning.
Fusion går ut på att ett lättare ämne formas till ett tyngre. När två väteatomer slås ihop tillräckligt hårt, smälter de samman, fusionerar och bildar helium. Den nya atomen har en total massa som är mindre än summan av dess delar, där den ”förlorade” delen har försvunnit som energi enligt Einsteins berömda ekvation E=mc2, som beskriver relationen mellan energin (E) hos en kropp och dess massa (m) samt ljusets hastighet i vakuum. Det är en något förenklad beskrivning eftersom väteatomerna inte fusionerar direkt utan det sker via en flerstegsreaktion.
Problemet är att kärnfusion producerar nettoenergi endast vid extrema temperaturer - i storleksordningen hundratals miljoner grader Celsius. Det är varmare än solens kärna och alldeles för varmt för något känt material på jorden att uthärda.
För att ta sig runt det problemet använder forskare kraftfulla magnetfält för att innesluta den heta plasman och förhindra den från att komma i kontakt med reaktorhärdens väggar. Till det går det åt extrema mängder energi.
Stjärnor klarar detta galant eftersom deras enorma massa och kraftfulla gravitationsfält håller samman allt. Solen är exempelvis 333 000 gånger jordens massa och dess gravitation ungefär 27,9 gånger jordens.
Dessvärre har alla fusionsexperiment hittills varit ”energinegativa”, det vill säga de har förbrukat mer energi än de har genererat, vilket gör de otjänliga för elproduktion.
Att få till stånd en första fusionsreaktionen är inget problem - men att hålla den igång är en desto större utmaning, för att inte tala om den extremt sofistikerade ingenjörskonst som krävs för att bygga kärnreaktorer.
Internationellt megaprojekt
Nu är dock forskarna övertygade om att de i närtid kan bygga en kärnreaktor som kommer att producera mer energi än den förbrukar.
International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) i södra Frankrike är världens största fusionsreaktionsanläggning. Målsättningen är utveckla kommersiellt gångbara fusionsreaktorer.
Finansierat av bland andra USA, EU, Ryssland, Kina, Japan, Sydkorea och Indien planerar ITER att bygga världens största tokamak-fusionsenhet, en munkformad burliknande anordning som kommer att producera 500 ME termisk fusionsenergi.
Anläggningen har en budet på 24 miljarder dollar och ska vara i full produktion 2035. Den gigantiska maskinen - den största fusionsmaskinen som någonsin byggts - väger kolossala 23 000 ton och inryms i en 60 meter hög byggnad. Färdig ska den stå 2025 och då kan experiment med fusionsenergi inledas.
Vad är då annorlunda den här gången?
Nya kraftfullare magneter
Forskare har framgångsrikt utvecklat ett nytt supraledande material, ett slags ståltejp belagd med yttrium-barium-kopparoxid som gör att de kan bygga mindre och kraftfullare magneter. Detta sänker dramatiskt mängden energin som krävs för att få igång fusionsreaktionen.
Enligt Fusion for Energy, EU:s organisation för dess bidrag till ITER, kommer 18 supraledande magneter av niob-tenn, så kallade toroidala fältspolar, att användas för inneslutningen av 150 miljoner grader varm plasma. De kraftfulla magneterna kommer att generera ett magnetfält som är lika med 11,8 tesla, eller en miljon gånger starkare än jordens magnetfält. EU och Japan ska tillverka ungefär hälften var av de toroidala fältspolarna.
Ytterligare ett decennium kommer att dröja innan ett fullskaligt demonstrationskraftverk kan byggas med hjälp av lärdomar från ITER. Först därefter kan kommersiella fusionskraftverken börja anslutas till elnätet.
Bygget av ITER-anläggningen är nu färdig till nästan 80 procent.
Källa: oilprice.com