Nuklear Fusion træder i kraft af milliardærdollars og går ind i en ny tidsalder

Efter at have rejst mere end 3 milliarder dollars i 2021 fra folk som Bill Gates og Jeff Bezos, insisterer fusionsudviklere på, at denne kulstoffri energikilde kan være en realitet inden for et årti.

Det er klart, at nuklear fusion kan fungere i skala - se bare på stjernerne. I 70 år har fysikere drømt om at aftappe den stjernekraft i form af fusionsreaktorer, der ville drive det elektriske net med de samme grænseløse, kulstoffri reaktioner, som får solen til at skinne. Denne hellige gral har længe været annonceret som kun 20 eller 30 år væk, men fusionsfans har nægtet at opgive troen. Og med god grund. Fusion (smadre brintatomer sammen til helium) lover ubegrænset kulstoffri elektrisk kraft med nul risiko for nedsmeltning og praktisk talt intet af det radioaktive affald, der er forbundet med eksisterende atomkraftværker, der kører på fission (opsplitning af uranatomer i mindre grundstoffer). 

Drømmen inspirerede Ajay Royan, medstifter af Mithril Capital (sammen med milliardæren Peter Thiel), som i 2013 først investerede 2 millioner dollars i Redmond, Washington-baserede Helion Energy, så det kunne bygge en prototype "repetitive pulse power"-maskine. Mithril har investeret i Helion lige siden, inklusive dens seneste runde på $500 millioner (vurderer virksomheden til $3 milliarder) - med løftet om $1.7 milliarder mere, hvis virksomhedens syvende prototype fungerer som håbet. Helions runde blev ledet af Sam Altman fra Y Combinator. 

Året 2021 var et stort år for både fusionsfinansiering og prognoser, da udviklere rejste mere end 3 milliarder dollars for at finansiere deres næste runde af maskiner - hvor nogle nu lover kommercielt levedygtig fusion på kun fem år. Royan er glad for at se fusion få mere opmærksomhed; "Selvfølgelig kan 2021 være et vendepunkt for fusion ifølge Google analytics, men det virkelige vendepunkt skete for ti år siden, da strømelektronik passerede en tærskel." 

Administrerende direktør David Kirtley forklarer, at det indledende R&D-arbejde bag Helion blev udført i føderale laboratorier, som Helion blev spundet ud af i 2013. Befriet fra det føderale R&D-bureaukrati har Helion bygget nye prototyper efter hinanden lige siden. ”Startup-mentaliteten er ikke rar at have, det er et krav. og hvad vi har fokuseret på fra begyndelsen,” siger Kirtley.

I 2020 færdiggjorde Helion sin sjette prototypereaktor, kaldet Trenta. Den er nu ved at bygge en syvende, Polaris, mens den allerede designer den ottende, Antares, som Kirtley har til hensigt at være den første fusionsmaskine nogensinde til at afgive mere energi, end den tager ind. Ud over hurtig iteration drager Helion fordel af lokal ekspertise. Den bygger Polaris-maskinen i Everett, Washington, nær Boeings største fabrikker, hvor de kan udnytte et indbydende økosystem af kontraktingeniører og præcisionsproducenter. Kirtley siger, at de bruger morgenen på at pille ved, opdatere systemer og tænde for kondensatorer. "Hver eftermiddag kl. 3 begynder vi at lave fusion."

For at forstå Helions tilgang skal du først overveje den magnetiske frastødning, der opstår, når du forsøger at tvinge de positive poler af to stangmagneter sammen. Det er princippet, der muliggør "mag-lev"-teknologi som Japans berømte kugletog, der bruger magnetisk frastødning til at flyde på en luftpude. 

Fusionsforskere i årtier har forsøgt at udtænke verdens stærkeste elektromagneter, med hvilke de konstruerer reaktionskamre med magnetiske felter så stærke, at de kan indeholde og komprimere en indsprøjtet strøm af positivt ladede protoner til en plasmakugle, der er så varm, at de smelter sammen. helium. 

I Helions nye system skubber den energi, der frigives i fusionsreaktionerne kontinuerligt ud mod dets magnetiske indeslutningsfelt, som skubber tilbage - hvilket forårsager oscillationer ("som et stempel," siger Kirtley), der genererer en elektrisk strøm, som Helion fanger direkte fra reaktoren . (For mere, læs om Faradays lov om induktion.) 

Royan fra Mithril siger, at den største attraktion ved Helions direkte elproduktionsmetode måske er dens enkelhed. Andre fusionstilgange sigter mod at generere varme for at koge vand og drive dampturbiner, som laver elektricitet - ligesom ved traditionelle atomkraftværker. "Vi kan gøre det uden dampturbiner eller køletårne. Vi slipper af med kraftværket.” 

For at være sikker forstår Kirtley fusionsskepsis, især omkring hans aggressive tidsplan. Han startede sin karriere inden for fusionsområdet, inspireret af forskere ved nationale laboratorier i 1960'erne, der gjorde store fremskridt inden for magnetisk indeslutning (dystede med russiske videnskabsmænd om at udtænke donutformede reaktorer kaldet tokamaks), selv før opfindelsen af ​​transistorer. Men Kirtley mistede troen efter at have fastslået, at tidlige tilgange bare ikke kunne udvikle sig hurtigt nok til at give en kommerciel løsning - så han gik i gang med at arbejde på avanceret rumskibsfremdrift ved hjælp af plasmajetfly styret af elektromagneter. Han kom tilbage til feltet i 2008 for at hjælpe med at kommercialisere Helions teknologi. 

Med tiden forestiller han sig at fremstille fusionsgeneratorer på en fabrik. Et skalasystem på 50 mw, pakket ind i tre enheder på størrelse med containere, ville drive 40,000 hjem. "Om 10 år vil vi helt sikkert have kommerciel elektricitet til salg." 

Det sætter Helion i et kapløb med Boston-baserede Commonwealth Fusion Systems, en MIT-spinoff, som rejste $1.8 milliarder fra investorer, herunder Bill Gates og George Soros. CEO Bob Mumgaard siger, at de vil have en fungerende reaktor om 6 år. Hans optimisme understøttes af Commonwealths succesfulde sommertest af nye elektromagneter, der er konstrueret med superledere lavet af sjældne jordarters bariumkobberoxid. 

Mumgaard siger, at disse superdrevne magneter vil sætte Commonwealth i stand til at perfektionere deres noget mere traditionelle fusionsmetode med at bygge en donut-formet "tokamak"-reaktor, som Mumgaard kalder en "stor magnetisk flaske", hvor kraftige magnetfelter styrer kugler med 100 millioner graders plasma - " stjerneting." 

Der er omkring 150 tokamaks rundt om i verden; den største er under opførelse i Frankrig for 30 milliarder dollars af et internationalt konsortium kaldet ITER. Maskinen på 20,000 tons, på størrelse med en basketball-arena, forventes at være færdig i 2035. 

Men Mumgaard har til hensigt, at Commonwealth Fusion skal gøre ITER forældet, før det overhovedet er færdigt. Dens kant er i anvendelsen af ​​"høj temperatur" superledere lavet med sjældne jordarters barium kobberoxid (aka ReBCO). 

Superledere flytter elektrisk strøm med praktisk talt nul tab (langt mere effektivt end kobber, for eksempel). Og de er nøglen til at lave kraftige elektromagneter. Commonwealth har fundet ud af, at ved at lave sine magneter ved hjælp af et specielt barium-kobberoxidbånd (som båndet, der findes i en VHS-kassette) kan det opnå magnetiske felter kraftigere end dem, der forventes ved ITER, men på 1/20 skalaen. 

Mens ITERs primære magneter (kaldet solenoider) vil veje omkring 400 tons og opnå felter, der er stærkere end 12 tesla, kigger Commonwealth på 15-tons magneter, der hver bruger 300 km ReBCO tyndfilmtape, som vil generere 20 tesla (til sammenligning, en magnetisk resonansbilledmaskine gør 1.5 tesla). 

"Dette låser fusionsmaskinen op," siger Mumgaard. CES testede magneterne sidste sommer og erklærede det som et "bevis" på, at videnskaben om fusion nu var praktisk talt færdig, og at alt, der er tilbage, er at bygge reaktoren. "Vi forstår godt materialet og tror, ​​vi kan klare det på tre år," siger Mumgaard. "I 2030 vil vi se fusion på nettet." 

CES er indstillet på at konstruere sin fusionsmaskine på en 47 hektar stor grund i Massachusetts, og arbejder allerede på at skaffe tusindvis af kilometer ReBCO-tape. Kunne tilgængeligheden af ​​den sjældne jordart blive en begrænsende faktor i fusionens udrulning? Nej siger Mumgaard. »Et fusionsanlæg vil have mindre sjældne jordarter end en vindmølle. Fusion handler ikke om en ressource, du har brug for at mine eller pumpe. Det handler om en teknologi.” 

Der skal være plads til mere end én fusionsvinder. Andre ledere inkluderer General Fusion, baseret i Canada og støttet af Jeff Bezos, som rejste $130 millioner i år. Andre bemærkelsesværdige milliardærer i fusionsspillet er Neal og Linden Blue, som ejer San Diego-baserede General Atomics, som i årtier har drevet en forsknings-tokamak på vegne af DOE, og som i år leverede til ITER indmaden af ​​sine tokamak-elektromagneter - en 1,000 tons central magnetventil. Og der er TAE Energy of California, som har eksperimenteret med $1 milliard i det sidste årti og rejste $130 millioner under pandemien.

Fusionsteknologi kan have fået sin start i offentligt finansierede laboratorier, men dens udmøntning skal være afhængig af privat finansiering. Amy Roma, partner hos Hogan Lovells i Washington, DC, siger, at den nu i limbo Build Back Better-regning ville have inkluderet 875 millioner dollars til avanceret atomkraft, men indtil videre må industrien nøjes med et nyt kontor for avanceret reaktordemonstration under Department of Energy, finansieret af den seneste Infrastructure Act. Nukleart nuklearenergi ville også drage fordel af præsident Bidens nylige bekendtgørelse, der opfordrer til, at den føderale regerings energiindkøb skal være "netto-nul" i 2030. 

Den legendariske teknologiinvestor Steve Jurvetson, en Commonwealth Fusion-støtter, der skrev sin første check til fusionsforskning for 25 år siden, er næsten svimmel over, at denne drøm, der længe er blevet udskudt, snart kan blive til virkelighed. "Der er masser af nej-sigere, indtil det er gjort. Så siger de, at det er indlysende.” 

Mithrils Royan siger, at han allerede arbejder på at justere sine rammer for at overveje, hvor anderledes verden vil se ud, når fusion er reel - "Tænk på mulighederne for vandafsaltning og gødningsproduktion. Dette ændrer fundamentalt vandøkonomien fra den ene dag til den anden, og dermed landbrugets økonomi." Det er alt sammen en del af menneskehedens vej, siger han, "at blive ved med at bevise, at Malthus var en idiot." 

MERE FRA FORBESThe New Nuclear: How A $600 Million Fusion Energy Unicorn Plans To Beat SolarBy Christopher Helman
MERE FRA FORBESDe stille milliardærer bag USAs rovdyrdrone, der dræbte Irans SoleimaniBy Deniz Çam