تقول الشركات إنها تقترب من الاندماج النووي كمصدر للطاقة. هل ستعمل؟

    في مجمع مستودعات لامع شمال Seattle، يقوم David Kirtley ببناء ما يأمل أن يكون مستقبلا لتوليد الطاقة.

    يقف كيرتلي أمام مجموعة من لفائف الألمنيوم التي تبدو وكأنها محرك متقدم لبعض المركبات الفضائية التي لم يتم بناؤها بعد، ويطرح قضية مشروعه الذي قدمه لشركات رأس المال الاستثماري والمستثمرين الأثرياء من القطاع الخاص:

    قوة الاندماج يمكن أن تغير العالم وإذا نجحت، فإنها ستمنح البشرية كميات هائلة من الكهرباء دون إنتاج أي انبعاثات غازات دفيئة. وسوف يتباطأ ارتفاع درجة حرارة كوكب الأرض، وينخفض التلوث البيئي، وسوف تصبح الطاقة أرخص من أي وقت مضى.

   ويقول: "يمكننا، نظريا، توليد الكهرباء بتكاليف أقل بكثير مما نولدها حاليا". "وأن نفعل ذلك بدون الوقود الأحفوري.".

   لقد نجحت الملعب. في آخر جولة كبيرة لجمع التبرعات في نوفمبر من عام 2021، جمعت شركة كيرتلي، المسماة Helion، مبلغًا مذهلاً قدره 500 مليون دولار. جاءت هذه الأموال من مستثمرين مثل سام ألتمان، الرئيس التنفيذي لشركة OpenAI، الذي أبدى اهتمامًا نشطًا بالاستثمار في الاندماج النووي والانشطار النووي كأشكال محتملة للطاقة النظيفة في المستقبل.

   ويعمل الآن أكثر من 200 موظف في شركة Helion بسرعة فائقة لمحاولة بناء أول محطة تجارية لتوليد الطاقة بالاندماج النووي في العالم. ويأملون أن تنتج أحدث آلاتهم، والتي هي قيد الإنشاء حاليًا، إنتاجًا كهربائيًا بحلول نهاية عام 2024 وصافي طاقة في غضون سنوات.

   إن وصف هذا الهدف بالطموح هو بخس مذهل. الاندماج النووي هو العملية التي تزود النجوم مثل الشمس بالطاقة. في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي، ضخت الحكومات الأموال في الأبحاث، على أمل الحصول على طاقة نظيفة لا حدود لها هنا على الأرض.

   حتى الآن، يبدو تعبئة قوة النجوم للاستهلاك البشري أصعب بكثير مما توقعه العلماء. لقد بذلت المختبرات الحكومية عقودًا من العمل في محاولة لتوصيل طاقة الاندماج إلى الشبكة. لكن هذه الجهود ابتليت ببدايات زائفة، ووعود لم يتم الوفاء بها، وتجاوزات هائلة في التكاليف.

    لقد انتشرت في هذا المجال نكتة قاتمة: الاندماج هو طاقة المستقبل، وسيظل كذلك دائمًا.

   وتأمل شركة "هيليون"، وعدد قليل من الشركات الأخرى، في تغيير وجهة النظر هذه من خلال توليد الاندماج النووي على مدى سنوات، بدلًا من عقود. ويقولون إن ذلك يجب أن يكون ممكنًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى الاستثمار العام طويل الأمد في أبحاث الاندماج، ولأن التكنولوجيا والمعدات الجديدة يمكن الاستفادة منها في حل المشكلة.

   بالنسبة للمستثمرين، يمكن أن يكون العائد هائلا. من المتوقع أن يرتفع الطلب على الكهرباء على مستوى العالم في العقود المقبلة، ويرجع ذلك جزئيًا إلى زيادة الاعتماد على التقنيات الصديقة للبيئة مثل السيارات والأجهزة الكهربائية. ومن ناحية أخرى فإن أمل الكوكب الوحيد في وقف الانحباس الحراري العالمي يتلخص في التخلص من الوقود الأحفوري. وفي قمة الأمم المتحدة للمناخ في دبي، من المتوقع أن يضع مبعوث المناخ الأمريكي جون كيري، يوم الثلاثاء، استراتيجية لمحاولة تسويق طاقة الاندماج النووي تجاريًا في جميع أنحاء العالم.

   وأيًا كانت الشركة التي يمكنها إنجاح تكنولوجيا الاندماج، فمن المرجح أن تحصل على تقييم من شأنه أن ينافس أكبر شركات وادي السيليكون اليوم.

الأعمال لزجة

   تستخدم محطات الطاقة النووية اليوم عملية تسمى الانشطار، والتي تحصد الطاقة المنطلقة عن طريق تفكيك الذرات الثقيلة. لكن الاندماج النووي يفعل العكس: فهو يولد الطاقة عن طريق لصق الذرات خفيفة الوزن معًا. عندما تلتصق الذرات، فإنها تخلق عناصر وجسيمات جديدة تزن أقل من الكتلة الإجمالية للأصول الأصلية. وتتحول تلك الكتلة المفقودة إلى طاقة، من خلال معادلة أينشتاين الشهيرة E=mc2. إن ذلك التحويل من الكتلة إلى الطاقة هو الذي يجعل الاندماج من بين أقوى العمليات في الكون.

إنها أيضًا صعبة. نوى الذرات، المعروفة باسم النوى، مشحونة بشكل إيجابي. مثل الأطراف الشمالية لمغناطيسين، تتنافر هذه الشحنات الموجبة مع بعضها البعض عندما تقترب، وكلما اقتربت، كلما انحرفت الذرات الصغيرة وقفزت أكثر في محاولة لتجنب بعضها البعض. فقط في البيئات الأكثر سخونة وكثافة في الكون، تستطيع الذرات التغلب على هذا التنافر القوي والالتصاق فعليًا. المكان الأكثر شيوعًا الذي يحدث فيه هذا هو في النجوم، بما في ذلك شمسنا.

   تقول Carolyn Kuranz الأستاذة المشاركة في الهندسة النووية بجامعة ميشيغان: "في الأساس، تزن الشمس كثيرًا لدرجة أنها قادرة على ضغط هذه الذرات معًا ودمجها". تعمل الشمس في المقام الأول عن طريق دمج الهيدروجين في الهيليوم، لكن النجوم الأخرى تدمج عناصر أثقل، بما في ذلك الكربون والنيتروجين والأكسجين والليثيوم - وحتى الحديد. يقول كورانز: "في الواقع، هذه هي الطريقة التي يتم بها توليد الحديد الموجود في دمنا"، بواسطة نجوم أخرى، والتي عند وفاتها، ترسل هذه العناصر الأثقل إلى الكون.

   وبالعودة إلى الأرض، وبدون مساعدة مجال الجاذبية الساحق، يصبح الاندماج مهمة أكثر صعوبة. يجب تسخين ذرات الدمج إلى درجات حرارة عالية وتقريبها من بعضها البعض بدرجة كافية حتى تتمكن من التغلب على تنافرها. في هذه العملية، لا يمكنهم التفاعل مع الحاوية الخاصة بهم أو لمس أي شيء حولهم، وإلا فسوف يتسببون في ذوبانها.

وتقول: "تخيل وضع الشمس داخل خزان غاز ما".

   في الواقع، لم يكن هناك سوى جهاز واحد فقط تم تصنيعه يمكنه إنتاج طاقة اندماجية صافية - القنبلة النووية الحرارية. ويستخدم طاقة جهاز انشطار نووي "أصغر" لسحق الهيدروجين وتحويله إلى هيليوم. تتم العملية برمتها في جزء من الثانية فقط، وبمجرد أن تبدأ تفاعلات الاندماج النووي، ليس هناك أمل في الاحتواء - فقد أدت أول قنبلة هيدروجينية تم اختبارها على الإطلاق إلى تبخير الجزيرة التي تم استهدافها.

   هدف علماء الاندماج هو بناء جهاز يمكنه تسخير كل هذه الطاقة لتوليد تيار ثابت من الكهرباء بأمان. لعقود من الزمن كانوا يتبعون نهجين. أحدهما، المعروف باسم الحبس المغناطيسي، يتطلب تعليق البلازما الساخنة داخل غلاف مغناطيسي. إنها طريقة صعبة، وتتطلب وعاءًا كبيرًا يمكنه حمل الغاز الساخن دون لمسه. حاليًا، تحاول دول من جميع أنحاء العالم بناء مثل هذه الآلة في جنوب فرنسا. قد تولد هذه المحطة طاقة صافية في يوم من الأيام، لكنها متأخرة بسنوات عن الموعد المحدد وتتجاوز الميزانية بمليارات الدولارات.

   النهج الآخر، المعروف باسم الحبس بالقصور الذاتي، يستخدم أشعة الليزر لضغط كريات صغيرة من وقود الهيدروجين حتى يبدأ تفاعل اندماجي جامح. هذه العملية لا تختلف عن الأسلحة النووية، ولهذا السبب تم إجراء أول اختبار ناجح لإنتاج الطاقة الصافية في مختبر للأسلحة النووية.

   في ديسمبر الماضي، استخدم الباحثون في مرفق الإشعال الوطني التابع لمختبر لورانس ليفرمور الوطني مجموعة من 192 ليزر لضغط كرية صغيرة مجمدة من الوقود الاندماجي حتى تنفجر. وكانت الطاقة المنبعثة من الحبيبات أكبر من الطاقة التي يرسلها الليزر، مما يمثل معلمًا رئيسيًا للاندماج كمصدر للطاقة.

   وعلى الرغم من هذا النجاح، أقر باحثون مثل Kuranz بأن هذه التقنية تواجه تحديات هندسية ضخمة قبل أن تصبح قابلة للتطبيق تجاريًا. وتقول: "هناك الكثير من الخطوات بينهما للوصول إلى الكهرباء". وتقول إن إنشاء تدفق ثابت من قوة الاندماج يتطلب من أشعة الليزر إطلاق هدف صغير "عدة مرات في الدقيقة أو حتى عدة مرات في الثانية". ويجب أن تكون أجهزة الليزر أكثر كفاءة بعدة مرات من تلك المستخدمة في المنشأة، فهي تستهلك كميات كبيرة من الكهرباء لإنتاج ضوء الليزر اللازم لضغط الكرية.

الحصول على الشبكة

   بالنسبة ل David Kirtley من شركة هيليون، فإن النهج العلمي الثقيل الذي اتبعته الحكومات في عملية الاندماج النووي أمر محبط. يقول: "في بداية مسيرتي المهنية، أردت حل المشكلات الكبيرة في الكون؛ مشكلات كبيرة للإنسانية". ولكن مع تقدمه في درجة الدكتوراه. في الفيزياء، اكتشف أن "طرق الاندماج التي كنت أتعلمها في المدرسة لم تكن في الواقع قادرة على تشغيل وتوليد الإلكترونات على الشبكة في حياتي."

     تأسست شركة "هيليون" في عام 2013 بهدف واحد، وهو وضع طاقة الاندماج النووي على الشبكة. بينما كنا نتجول في منشأة التصنيع الخاصة بالشركة، يشرح كيرتلي كيف يعمل. تصميم هيليون هو في الأساس أنبوب طويل من الملفات المغناطيسية. عند كل طرف من طرفي الأنبوب، تبدأ العملية بحقن كمية صغيرة من غاز الهيدروجين والهيليوم. يتم تسخين هذا الغاز حتى تفقد الذرات إلكتروناتها، مما يؤدي إلى تكوين كعكة من الوقود الساخن المتوهج المعروف باسم البلازما. يتم بعد ذلك إرسال كعكات البلازما عند كل طرف إلى مركز الجهاز، حيث تتصادم وتسحق بواسطة مجالات مغناطيسية إضافية.

    تقوم الآلة بضغط الوقود بسرعة إلى أكثر من 100 مليون درجة وضغط أعلى من 250 ضغط جوي، مما يسمح للهيليوم والهيدروجين بالاندماج. يوضح كيرتلي: "عندما يحدث الاندماج، فإنه يدفع المجال المغناطيسي للخلف". "نحن نستعيد الكهرباء مباشرة من المجال المغناطيسي."

   إنها طريقة جريئة وذات كفاءة عالية لتوليد الكهرباء من الاندماج النووي، ولكنها أيضًا تمثل تحديًا كبيرًا. تكافح غازات البلازما الساخنة للهروب من حبسها المغناطيسي، ويتطلب التصاق الهيدروجين والهيليوم كمية هائلة من الحرارة والضغط، أكثر من أنواع الوقود الاندماجي الأخرى.

   لقد ناضل الباحثون من أجل تنفيذ تصميمات مماثلة خلال الأيام الأولى لأبحاث الاندماج، لكن كيرتلي يعتقد أن المفهوم يستحق نظرة ثانية. تتيح الإلكترونيات عالية السرعة، والألياف الضوئية، ومفاتيح الحالة الصلبة المتقدمة، إمكانية تسخين وضغط الوقود الاندماجي بسرعة أكبر بكثير مما كان عليه في الماضي، مما يقلل الوقت اللازم للهروب من حدوده المغناطيسية. ويقول: "كلما زادت سرعتنا، كلما تمكنا من ضغطها، وسخنناها، وتمكنا من الحصول على قدر أكبر من الاندماج".

   وقد قامت الشركة بالفعل ببناء ستة أجيال من الأجهزة، مما يدل على تحسن مطرد. يقول كيرتلي إنه يعتقد أن الآلة التالية، المعروفة باسم بولاريس، ستكون قادرة على إنتاج كهرباء أكثر مما تحتاج إليه - وهو معلم حاسم يعرف باسم "التعادل". من المتوقع أن يبدأ تشغيل Polaris، الذي هو قيد الإنشاء في المستودع التالي، في عام 2024. ويعتقد كيرتلي أنهم سيثبتون قدرتهم على استخراج الطاقة الكهربائية من الجهاز بحلول نهاية العام المقبل، على الرغم من أنه ليس من الواضح ما إذا كان انقطاع التيار الكهربائي سيستمر أم لا. تتجاوز السلطة في.

مليارات في الاستثمار

   ليست شركة Helion هي اللعبة الوحيدة في المدينة: في الواقع، على بعد خمس دقائق فقط من الطريق، تحاول شركة ناشئة منافسة اتباع نهج مختلف. تستخدم الشركة، المعروفة باسم Zap Energy، نظامًا آخر يُعرف باسم Z-pinch لمحاولة توليد الطاقة. يعتبر مفهوم زاب أبسط من مفهوم هيليون، حيث يتم دفع تيار عبر الوقود الاندماجي، مما يؤدي إلى تسخينه. ويولد التيار نفسه مجالًا مغناطيسيًا حول الوقود الذي يضغط عليه.

   يقول Ben Levitt نائب رئيس البحث والتطوير في شركة Zap: "لا أريد أن أسميها مجرد صاعقة، لأن ذلك يجعل الأمر يبدو بسيطًا". إذا كان من الممكن تسخين الوقود وضغطه بسرعة وبقوة كافية، فإن الاندماج الذي ينتجه يجب أن يتجاوز الطاقة الموضوعة.

   مثل هيليون، فإن مفهوم زاب ليس جديدًا، فقد حاول الباحثون الحكوميون إنجاحه في الخمسينيات من القرن الماضي، لكنهم واجهوا مشكلة في منع صاعقة البرق الاصطناعية من التفكك قبل حدوث الاندماج. اقترحت أبحاث جديدة أجريت في التسعينيات طريقة للتغلب على المشكلة، ويقترب زاب الآن، على الأقل من حيث المبدأ، من إظهار ما إذا كان بإمكانه إنتاج طاقة الاندماج النووي. يتم تمويل الشركة بمبلغ 200 مليون دولار من رأس المال الاستثماري من الشركات الكبرى، بما في ذلك شيفرون وشل.

   تدفق رأس المال الخاص إلى أبحاث الاندماج في السنوات الأخيرة، حيث تجاوزت الاستثمارات الجديدة 2.8 مليار دولار في عام 2022، وفقًا لرابطة صناعة الاندماج، وهي مجموعة تجارية للاندماج. تعمل الآن حوالي 25 شركة في الولايات المتحدة، وهي تتبع مجموعة واسعة من التصاميم - يستخدم بعضها الليزر لضغط الوقود، مثل التجربة الحكومية الكبيرة التي حققت للتو تقدمًا كبيرًا، بينما يستخدم البعض الآخر المغناطيس للاحتفاظ بالوقود في شكل دونات.

   يقول Levitt  إن الأموال الخاصة تسمح للباحثين مثله بالعمل بشكل مختلف. ويقول: "ليس هناك روتين، فنحن نحظى بالتمويل المناسب لاتخاذ قرارات جريئة بشأن الهندسة". "هذه هي أطروحة شركة الاندماج الخاصة."

   إن جاذبية المستثمرين بسيطة إلى حد ما. يقول Phil Larochelle الشريك في شركة Breakthrough Energy Ventures، وهي شركة رأس مال استثماري خاصة تستثمر في أربع شركات اندماج، بما في ذلك شركة Zap: "الاندماج هو المصدر النهائي للطاقة". يعتبر الاندماج النووي أكثر كفاءة بكثير من مصادر الطاقة الكيميائية مثل النفط والغاز. ويقول: "لقد تحسنت كثافة الطاقة بمليون مرة مقارنة بما نستخدمه الآن، وأيضًا إذا تمكنا من تشغيلها، فهي في الأساس غير محدودة ومجانية ومتاحة للجميع، وإذا قمنا بها بشكل صحيح، فهي خالية من الكربون". .

    قال Sam Altman الرئيس التنفيذي لشركة OpenAI والمستثمر في شركة Helion، لـ NPR عبر رسالة نصية: "إن الذكاء الوافر والطاقة الوفيرة هما من أهم المدخلات لمستقبل أفضل بكثير". ويقول إن هيليون "تقنية رائعة للحصول على طاقة آمنة ونظيفة ورخيصة الثمن (والكثير منها)."

   يقول لاروشيل إن الوقت قد حان لكي تدعم الصناعة الخاصة هذا الإنجاز، ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى عقود من العمل الحكومي الذي تم إنجازه لتطوير علوم الاندماج.

   يقول: "من المؤسف للغاية أن تكون عبارة "الاندماج بعد 30 عامًا وسيظل كذلك دائمًا" جذابة للغاية". "في الواقع، كان هناك قدر كبير من التقدم في مجال الاندماج، بدءًا من الستينيات."

   وتحاول الحكومة تعزيز المصلحة التجارية الحالية. وفي شهر مايو، أعلنت وزارة الطاقة الأمريكية أنها ستستثمر 46 مليون دولار في ثماني شركات، بما في ذلك شركة «زاب»، لمحاولة تسريع تطوير طاقة الاندماج التجارية.

   تقول Anne White أستاذة العلوم النووية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، إن اللحظة الحالية "مثيرة للغاية". "لقد أجرينا دائمًا أبحاثًا أساسية، لكن لم يكن لدينا شركات ومستثمرون من القطاع الخاص على استعداد لأخذ الكثير من ذلك وترجمته".

الاندفاع نحو الهدف

   إن السباق مستمر الآن لمعرفة ما إذا كانت هذه الأساليب الجديدة في التعامل مع الأساليب القديمة يمكن أن تنجح. في حين لم يكن هيليون ولا زاب على استعداد لتقديم تاريخ محدد للوقت الذي يمكن أن تنتج فيه أجهزتهما طاقة صافية، فقد تحدث كلاهما عن عام أو عامين، بدلاً من عقود.

ولكن هل يمكنهم فعل ذلك فعلاً؟

  يقول Carlos Paz-Soldan الأستاذ المشارك في الفيزياء التطبيقية بجامعة كولومبيا في نيويورك: "أعتقد أن هذا الأمر لم يتحدد بعد". مع الاندماج، كان الشيطان يكمن دائمًا في التفاصيل. أشياء مثل الاضطراب في غاز البلازما الساخن يمكن أن تتسبب في تسربه قبل حدوث الاندماج. وأحيانًا تظهر حالات عدم الاستقرار بشكل غير متوقع مع زيادة حجم الأجهزة أو قوتها.

   يقول Paz-Soldan إن الارتفاع الحالي في الاستثمار الخاص جاء في نهاية الوباء، عندما كانت الديون رخيصة. ويقول: "عندما كانت أسعار الفائدة منخفضة، كان الناس على استعداد للقيام برهانات طويلة الأجل".

    إنه يعتقد أن الكمية الكبيرة من الأموال التي تدفقت بشكل خاص على الاندماج ستؤدي إلى تقدم هذا المجال. ويقول: "كان مستوى الاستثمار كبيرا، وينبغي أن يؤدي إلى تقدم تكنولوجي". ولكن مع ارتفاع أسعار الفائدة مرة أخرى، فإن استعداد المستثمرين لتحمل المخاطر في المستقبل سيكون أقل. إذا لم تتمكن الشركات من إظهار تقدم كبير، فهو يعتقد أنها قد لا تكون قادرة على جمع المزيد من الأموال في الجولات المستقبلية. في الواقع، أظهر أحدث تقرير صادر عن رابطة صناعة الاندماج أن الاستثمار الجديد انخفض بشكل كبير في عام 2023.

   وتقول وايت إنها متفائلة بأن السباق الحالي في الصناعة الخاصة سيحقق نتائج. وفي حين أن توصيل الكهرباء إلى الشبكة قد يستغرق بعض الوقت، فإنها تعتقد أن أحد الأنظمة المدمجة العديدة سينتج قريبًا طاقة أكثر مما تستهلك: "أعتقد أننا سنرى ذلك في غضون خمس سنوات"، كما تقول. "آمل حقا أن نفعل ذلك."

   بالعودة إلى منشأة التصنيع التابعة لشركة Helion، يدرك Kirtley الرياح المعاكسة التي تواجه شركة تكنولوجيا متقدمة مثل شركته، لكنه أيضًا متفائل بشأن المستقبل. جمعت جولة التمويل الأخيرة لشركة Helion ما يكفي من المال لاستكمال بناء آلتها الحالية وبدء العمل على التصميم الكامل لمحطة توليد الكهرباء.

هناك مقولة قديمة في هذا المجال فحواها: "سنحصل على الاندماج عندما يحتاج العالم إلى الاندماج".

ويقول كيرتلي إن العالم لم يكن في حاجة إليها قط أكثر مما هو عليه اليوم، ويأمل أن تكون شركته هي التي تقدم الخدمات.