Категория: Инновации
Дата: 08 января 2022 06:00

Создать искусственное солнце. Почему Билл Гейтс и Джеф Безос поверили в ядерный синтез – источник энергии с нулевыми выбросами

Кристофер Хелман

Forbes

6 хв читання

В Чэнду китайские исследователи создали этот токамак, который назвали «Искусственное солнце». Фото Getty Images

Собрав более $3 млрд в 2021 году от таких людей как Билл Гейтс и Джефф Безос, разработчики технологии ядерного синтеза настаивают, что этот источник энергии с нулевыми углеродными выбросами может стать реальностью в течение десятилетия

Нет сомнений в том, что ядерный синтез может достигать больших масштабов – звезды на небе это доказывают. В течение 70 лет физики мечтают «законсервировать» энергию звезд в форме термоядерных реакторов, которые будут питать электросеть с помощью бесконечных и «чистых» реакций, позволяющих звездам сиять.

Уже не одно десятилетие мы слышим, что технология, которую окрестили Святым Граалем, вот-вот станет реальностью, но сторонники ядерного синтеза отказываются опускать руки. И у них есть на то причина.

Ядерный синтез (сочетание атомов водорода и гелия) обещает безграничную электроэнергию без углеродных выбросов, рисков перегрева реактора и фактически без радиоактивных отходов, ассоциируемых с современными АЭС, работающими за счет разделения ядер (атомы урана делятся на меньшие элементы).

Эта мечта вдохновила Аджая Рояна, соучредителя Mithril Capital (в партнерстве с миллиардером Питером Тилем), в 2013-м впервые вложить $2 млн в Helion Energy (Рэдмонд, Вашингтон), чтобы та собрала прототип термоядерного реактора. С тех пор Mithril продолжает инвестировать в Helion.

Так, например, инвестиционная фирма приняла участие в последнем раунде инвестиций, во время которого Helion удалось привлечь $500 млн (при оценке стоимости $3 млрд), а также потенциально еще $1,7 млрд, если седьмой прототип компании будет работать как следует. Этот раунд возглавил Сэм Альтман из Y Combinator.

Год 2021-й для технологии ядерного синтеза был очень успешным как в вопросе инвестиций, так и в прогнозах, ведь разработчикам удалось привлечь более $3 млрд для финансирования следующего поколения реакторов. Некоторые из них имеют потенциал коммерческого использования уже в течение пяти лет. Роян рад, что ядерный синтез привлекает все большее внимание.

«Конечно, 2021-й, может, и стал, согласно аналитическим данным Google, поворотным моментом для ядерного синтеза, но настоящий поворотный момент этой технологии произошел десять лет назад, когда силовую электронику прекратили ограничивать».

Гендиректор Дэвид Киртли объясняет, что начальная исследовательская работа, на которой основывается Helion, была выполнена в федеральных лабораториях, и именно из них вышла компания Helion в 2013 году. Освободившись от федеральной исследовательской бюрократии, Helion с тех пор один за другим создает новые прототипы. «Менталитет стартапа – это не просто хорошее качество, это необходимое условие. И именно на этом мы сосредоточились с самого начала», – говорит Киртли.

В 2020 году Helion завершила свой шестой прототип реактора, который назвала Trenta. Сейчас компания строит седьмой, Polaris, параллельно создавая восьмой Antares, который, по планам Киртли, должен стать первым термоядерным реактором, который будет продуцировать больше энергии, чем тратит. Helion также удается воспользоваться близким расположением к концентрации талантов.

Компания создает Polaris в Эверетти, Вашингтон, возле одного из крупнейших заводов Boeing, и это позволяет им легко найти инженеров-контрактников и конструкторов. Киртли говорит, что каждое утро они посвящают усовершенствованию и обновлению систем и конденсаторов. «Ежедневно в три часа пополудни мы начинаем синтез».

Чтобы понять подход Helion, сначала представьте отталкивание магнитов, когда вы пытаетесь приблизить их одинаковые полюса. Этот принцип позволяет таким технологиям, как известные японские скоростные поезда, использующие магнитное отталкивание, парить в воздухе.

Исследователи ядерного синтеза десятилетиями пытались создать сильнейшие в мире электромагниты, с помощью которых они бы разработали реакторы с таким мощными магнитными полями, чтобы те могли удержать и сжать поток положительно заряженных протонов в форме такой горячей плазмы, что те синтезируются в гелий.

В новейшей системе Helion энергия, вырабатываемая путем термоядерных реакций, постоянно наталкивается на отталкивающее ее магнитное поле. Это ведет к колебаниям, генерирующим электрический поток, – его и собирает Helion напрямую из реактора. (Для более подробной информации читайте о законе электромагнитной индукции Фарадея.)

Роян из Mithril говорит, что, наверное, больше всего в методе прямой генерации электричества Helion привлекает его простота. Другие термоядерные реакторы пытаются сгенерировать тепло, чтобы довести воду до кипения и благодаря этому приводить в действие паровые двигатели, которые и дают электроэнергию, – как на традиционных АЭС.

«Мы можем этого добиться без паровых двигателей или градирни. Мы убираем электростанцию по уравнению».

Киртли понимает скептицизм, окружающий ядерный синтез, особенно его проекты, обещающие скорые результаты. Свою карьеру он начал в сфере ядерного синтеза, вдохновленный учеными национальных лабораторий в 60-х, далеко продвинувшихся в создании магнитного поля для сдерживания плазмы (соревнуясь с российскими учеными в создании реактора в форме пончика, который называется токамак) даже до изобретения транзисторов.

Но Киртли потерял веру в этот подход после того, как понял, что он не может развиться достаточно быстро, чтобы стать коммерческим решением. Поэтому он отправился в разработку движущей установки для космических аппаратов, использующей контролируемые электромагнитами струи плазмы. Он вернулся к своему первому научному интересу в 2008 году, чтобы помочь с коммерциализацией технологии Helion.

В будущем он представляет создание термоядерных генераторов. Система на 50 мегаватт из трех частей, каждая из которых размером с грузовой контейнер, сможет снабжать электроэнергией 40 000 домов. «Через десять лет мы точно будем продавать электричество в больших масштабах».

Это делает Helion конкурентом бостонской компании Commonwealth Fusion Systems, вышедшей из МIТ и собравшей $1,8 млрд от инвесторов, таких как Билл Гейтс и Джордж Сорос. Ее гендиректор Боб Мумгаард говорит, что у них будет рабочий реактор через шесть лет. Его оптимизм основывается на успешном испытании компанией новых электромагнитов, содержащих сверхпроводники из редкоземельного оксида бария-меди.

Мумгаард рассказывает, что эти сверхмощные магниты позволят Commonwealth усовершенствовать их несколько традиционный подход к созданию термоядерного реактора токамака. Мумгаард называет его «большой магнитной бутылкой», в которой мощные магнитные поля контролируют плазменные шары температурой в миллионы градусов – «звездный материал».

В мире примерно 150 токамаков; крупнейший сейчас строят во Франции в рамках международного проекта ITER, и на него выделили $30 млрд. Двадцатитонная машинерия, площадью с баскетбольную арену, должна быть готова к 2035-му.

Но Мумгаард намерен вместе с Commonwealth Fusion сделать так, чтобы проект ITER стал устаревшим еще до конца строительства. Преимущество его технологии в том, что они применяют сверхпроводники высоких температур, сделанные из редкоземельного оксида бария-меди (ReBCO).

Сверхпроводники производят электрический поток фактически без потерь (намного эффективнее, чем, например, медь). И они являются ключом к созданию мощных электромагнитов.

В Commonwealth определили, что создание магнитов со специальной лентой (как та, которая находится в старых видеокассетах), которую производят из специального оксида бария-меди, делает магнитные поля значительно мощнее, чем те, которые ожидают получить в проекте ITER, да еще и в масштабе 1:20.

Commonwealth планирует получить магниты весом 15 т, на каждом из которых будет 300 км тонкой ленты ReBCO, с магнитной индукцией 20 тесла (для сравнения, аппарат МРТ имеет 1,5 тесла), одновременно главные магниты в ITER (называются соленоиды) будут весить примерно 400 т, а мощность полей будет больше 12 тесла.

«Это открывает путь для аппарата термоядерных реакций», – говорит Мумгаард. Commonwealth опробовала магниты прошлым летом и провозгласила их «доказательством» того, что научные расчеты ядерного синтеза фактически завершены и теперь остается только построить реактор.

«Мы хорошо понимаем эту тему и считаем, что нам это удастся через три года, – уверяет Мумгаард. – К 2030 году электросети на термоядерных реакторах станут реальностью».

Commonwealth готовится построить свой реактор на 47 акрах в Массачусетсе и уже работает над изготовлением тысяч километров ленты ReBCO. Может ли ограниченная доступность редкоземельных элементов негативно отразиться на создании их реактора? Нет, уверяет Мумгаард. «На станции с термоядерным реактором будет меньше редкоземельных элементов, чем в ветровой турбине. Термоядерный реактор не зависит от ресурсов, которые нужно выкопать или скачать. Все дело в технологии».

Места хватит и не на одну разновидность термоядерного реактора. Внимание также заслуживает и компания General Fusion, которая расположилась в Канаде и заручилась поддержкой Джеффа Безоса, собрав $130 млн в прошлом году.

Среди других известных игроков-миллиардеров термоядерного поля Нил и Линден Блу, владеющих компанией General Atomics (Сан-Диего), которая десятилетиями проводила исследование токамака от имени Министерства энергетики, а в прошлом году сделала электромагнитную основу токамака ITER – тысячетонный центральный соленоид.

А еще есть TAE Energy из Калифорнии, которая последние десять лет провела эксперименты на $1 млрд и привлекла $130 млн во время пандемии.

Термоядерная разработка зародилась в лабораториях на правительственном финансировании, но расцвета она достигнет благодаря частным инвестициям.

Легендарный инвестор в сферу технологий Стив Джурветсон, впервые выписавший чек Commonwealth Fusion на исследование ядерного синтеза 25 лет назад, в восторге от того, что эта давняя мечта скоро может стать реальностью. «Скептиков целая куча, пока реактор не будет готов. Затем они же скажут, что потенциал проекта был очевиден».

Роян из Mithril уже думает о том, каким будет мир, когда термоядерный реактор станет реальностью. «Подумайте о возможности опреснения соленой воды и производстве удобрений. Это коренным образом меняет водную экономику, а значит, и экономику сельского хозяйства». Все это – часть пути человечества, говорит он, на котором оно «продолжает доказывать, что Мальтус был идиотом».

Материалы по теме