הכירו את מתקן הלייזר העצום שיכול לפתור את בעיות האנרגיה בעולם

אתם בטח מכירים לייזרים, ואפילו יתכן שיש לכם סמן לייזר ששוכב איפשהו בבית, כזה שמתאים בדיוק לכף ידכם. אבל נסו לדמיין מתקן לייזר בגודל של שלושה מגרשי פוטבול אמריקאי. קצת קשה, נכון? ובכל זאת – מתקן הלייזר הענק הזה קיים גם קיים. הוא ממוקם במדינת קליפורניה, באתר ההצתה הלאומי האמריקאי (NIF) שבמעבדה הלאומית על שם לורנס ליברמור. NIF הוא מתקן הלייזר הגדול ביותר בעולם, ויש בו קרוב ל-40 אלף עדשות אופטיות ו-192 קרני לייזר.

המגבר הראשוני של ה-NIF | צילום: Lawrence Livermore National Laboratory

לשם מה יצרו מדענים כזה לייזר עוצמתי? ובכן, הם רוצים לייצר תנאים קיצוניים, ממש כמו התנאים בליבת השמש. הם רוצים לרתום את האנרגיה שבתהליך ההיתוך, אותו תהליך שמניע את השמש שלנו, כמו גם כוכבים אחרים, במטרה ליצור סוג חדש של אנרגיה "נקייה", שתספק חשמל לעולם.

בריאקציה של היתוך, גרעיני תא חוברים זה לזה ויוצרים יחד גרעין כבד יותר. במרכז השמש יש שני סוגים של מימן, הידועים בשמות דאוטריום ו-טריטיום, שהשילוב ביניהם יוצר הליום, נֵיוטרון וגם אנרגיה עודפת. דאוטריום וטריטיום זהים למימן, מלבד משקלם שמשתנה בהתאם למספר הניוטרונים העודפים שיש בהם.

כמו 3 מגרשי פוטבול, קליפורניה | צילום: Lawrence Livermore National Laboratory

אם הייתם יכולים להניח את החומרים שמשתתפים בתהליך ההיתוך ואת התוצר שלו על גבי מאזני שקילה, הייתם יכולים לראות שחומרי הבסיס שוקלים למעשה יותר מהתוצרים. אז, לאן כל המסה הזו הולכת? זה המקום שבו המשוואה המפורסמת של איינשטיין, E=mc², נכנסת לתמונה. המשוואה הזו מלמדת אותנו שמסה ואנרגיה יכולות להחליף זו את זו. כלומר, המסה "האבודה" הזו בעצם לא ממש אבדה, אלא הומרה לאנרגיה בדמות קרינה. זו האנרגיה שהמדענים רוצים לרתום ולהפוך לחשמל.

יחד עם זאת, ליצור מחדש את תהליך ההיתוך בתנאי מעבדה זה דבר מאתגר למדי. היתוך הוא תהליך שיכול להופיע רק תחת תנאי קיצון של טמפרטורות גבוהות ולחץ אדיר. הסיבה לכך היא שגרעיני התא טעונים במטען חיובי, ודוחים זה את זה. כך שאם אתם רוצים להתיך אותם יחד, אתם צריכים להתגבר על כוח הדחייה הזה, הידוע בתור "הכוח הקולוני" (על שם המדען שגילה אותו בשנות ה-80 של המאה ה-18, שארל-אוגוסטן דה קולון). כשיוצרים תנאים של טמפרטורות גבוהות מאוד, למעשה מייצרים עבור גרעיני התא די אנרגיה קינטית, שמאפשרת להם להתגבר על הדחייה הזו, ולעבור היתוך.

טכנאי בתוך ה-NIF | צילום: Lawrence Livermore National Laboratory

באמצעות לייזרים, מדענים יכולים ליצור באופן מלאכותי תגובה של היתוך, כמו זו שמתרחשת בליבת השמש, ולמעשה ליצור את התנאים הקיצוניים ביותר כאן על כדור הארץ. בעזרת הלייזר הגדול בעולם, אפשר להגיע לטמפרטורות של למעלה מ-3 מיליון מעלות צלזיוס. בטמפרטורות האלו, האטומים לא יכולים יותר להתקיים. האלקטרונים מופשטים מגרעיני התא שלהם, ומה שנשאר הוא בעצם מרק של יונים ואלקטרונים – וזה מה שנקרא פלזמה, מצב הצבירה הרביעי בטבע.

192 קרני לייזר עוצמתיות ממוקדות במתקן ה-NIF במטרות קטנות, שמתאדות והופכות לפלזמה. המטרות הגליליות הקטנות האלו, שמכונות Hohlraum's, מכילות דאוטריום וטריטיום, שכשהם מחוממים באמצעות 192 קרני לייזר, הופכות לתנור של קרני X. גלילי המטרה קורסים לתוך עצמם, והדטריום והטריטיום מתחממים ונדחסים עד לטמפרטורות ולחצים אדירים, שבסופו של דבר גורמים להם לעבור היתוך. אם הדבר נעשה בצורה נכונה, תגובת ההיתוך הזו יכולה להזין את עצמה, והאנרגיה שמיוצרת באמצעותה תגבר על זו שמושקעת בהנעת התהליך – מה שמוכר בשם הפשוט "הצתה". וזו הסיבה שה-NIF נקרא "מתקן ההצתה הלאומי" של ארצות הברית.

גלילוני ה-Hohlraum | צילום: Lawrence Livermore National Laboratory

למרות שעדיין לא הצליחו להשיג הצתה ב-NIF, המדענים עובדים קשה מאוד על מנת להגיע לשם, ואולי ביום מן הימים החשמל שלנו יופק מתהליכי היתוך "מעשה ידי אדם". קבל את זה, חלל חיצון.