Framtidens europeiska laserteknik

2015-10-28 06:00  

I en förort till Prag byggs just nu en av tre nya europeiska forsknings­anläggningar med världens starkaste lasrar. På sikt ska lasertekniken ersätta konventionella partikelacceleratorer för forskning om materiens inre och ge energi genom kärnfusion.

Det vimlar av folk utanför den futuristiska byggnaden. På ett podium står en rad potentater från regeringen, tjeckiska vetenskapsakademien, katolska kyrkan, EU och en rad internationella forskningsorganisationer uppställda redo för att invigningstala och klippa av ett röd-blå-vitt plastband. Här kommer att skrivas ny vetenskapshistoria, hävdar talarna. Förhoppningsvis kommer forskare i denna byggnads källarvåning att lösa problemen med fusionskraft med hjälp av proton-borreaktionen.

Publiken tisslar och tasslar och smuttar på sina champagneglas.

Vi befinner oss i den lilla byn Dolní Brežany strax söder om Prag i Tjeckien. Här invigs det första av tre forskningsinstitut i EU:s projekt ELI – Extreme Light Infrastucture – för högeffektslaserforskning. Förutom här i Tjeckien byggs också en anläggning i Szeged i Ungern och en i Magurele söder om Bukarest i Rumänien (Se NyT 2012:39).

Anläggningarna bekostas till största delen av EU:s fond för regional utveckling, den största av strukturfonderna, berättar Dolní Brežanys energiske borgmästare Veslav Michalik, som sedan 2008 har drivit på för att få hit projektet. Till för några år sedan var Dolní Brežany en sömnig bondby, men närheten till Prag gjorde att platsen hade precis de förutsättningar som projektet behövde. Dessutom fanns här ett stycke oanvänd mark.

Problemet var att marken ägdes av katolska kyrkan. Här ligger nämligen också Prags ärkebiskops sommarresidens. Efter förhandlingar med Vatikanen – affären var för stor för att ärkebiskopen själv skulle kunna besluta om den – lyckades borgmästaren med konststycket att köpa ut både marken och residenset. Det senare byggs nu om till hotell för framtida tillresta forskare.

– Nu ska här bli nya tider, myser borgmästaren. Dolní Brežany ska bli ett internationellt vetenskapligt centrum i världsklass. Förutom ELI byggs här ett laserlaboratorium i tjeckiska vetenskapsakademiens regi, och vi hoppas kunna locka privata investerare till den ny forskningsbyn.

ELI är inte bara ett vetenskapligt projekt utan lika mycket ett politiskt. Det handlar om att ge de nya EU-staterna i Östeuropa utvecklingspotential. Högenergilaserteknik är ett område som både har kommersiella applikationer för industrin och öppnar nya fält för grundforskning i den absoluta frontlinjen.

De nya högeffektslasrarna har i mångt och mycket utvecklats av Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien. Institutet grundades ursprungligen på 1950-talet av Nobelpristagaren och uppfinnaren av synkrotronen Ernest Lawrence tillsammans med Edward Teller (känd som vätebombens fader) i syfte att undersöka kärnreaktioner för det amerikanska kärnvapenprogrammet. I dag forskar man också kring laserteknik och kärnprocesser som kan ge framtida fusionskraft.

ELI:s kommande högeffektslasrar är av en rad olika typer. Vissa ger hög effekt i ultrakorta pulser – tiotals petawatt (1015 W) vid en femtosekund (en miljarddels miljarddels sekund). Andra ger lägre pulseffekter men med repeterade pulser – från 10 Hz till 10 kHz. De senare kan användas som skärverktyg, men också för att producera sekundär strålning – UV, röntgen och hård gammastrålning. Laser kan också användas för att driva partikelacceleration. På bara några centimeter kan elektroner, protoner eller joner accelereras till energier som en konventionell accelerator behöver hundratals meter för att åstadkomma. Kommer lasertekniken på sikt att konkurrera ut dyra och utrymmeskrävande acceleratorringar som LHC i Cern?

Den allra första lasern konstruerades 1960 av den amerikanske ingenjören Theodore Maiman vid Hughes Research Laboratories i Malibou, Kalifornien. Med hjälp av en dopad rubinkristall lyckades han skapa ett koherent ljus, ett monokromt ljusknippe där alla fotoner låg i fas med varandra. Ordet laser är för övrigt en akronym för ”Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”.

Lasertekniken har sedan dess utvecklats med rasande fart, och ligger i dag till grund för många av våra vanligaste teknikprylar – inte minst cd-spelaren. Skärande och svetsande laser används inom industrin. Andra lasrar används inom konstruktion, materialforskning, kirurgi, astronomi och praktiskt taget alla teknik- och vetenskapsområden.

Att Maiman aldrig fick Nobelpriset verkar i dag fullkomligt obegripligt.

Framtidens fusionsforskning

På Institutet för plasmafysik i Prag finns en fusionsreaktor av tokamaktyp, men allt fler forskare tror nu att det blir laser­driven proton-bor­fusion som kommer att ge framtidens kärnenergi.

Ursprungligen byggdes tokamakreaktorn i Storbritannien på 1990-talet, men flyttades till Prag när britterna byggt en större och modernare. Den är på tok för liten för att någonsin kunna få i gång någon som helst fusionsreaktion, men tokamaken ”Compass” används flitigt för försök med magnetisk plasmainneslutning och konfiguration och mycket annat. Forskning som kan komma till användning vid Iter, den enorma internationella fusionsförsöksreaktorn som byggs i Cadarache i Sydfrankrike. Se NyT 2015:22.

Men många forskare ställer sig nu alltmer skeptiska till att tokamaktekniken någonsin kommer att ge oss framtidens energi. Tokamaken är nämligen behäftad med en rad problem.

Det har visat sig att en tokamak måste vara enormt stor (och därmed dyr) för att man ska lyckas hålla det heta plasmat i reaktorn på avstånd från väggarna. Iter är tio gånger så stor som Compass. Det behövs om man ska kunna få i gång en fusionsreaktion. Fast frågan är om ens det räcker.

Iter är tänkt att använda deuterium – tungt väte – och tritium – extratungt väte – som bränsle. Tyvärr kommer energiöverskottet från fusionsprocesserna mellan deuterium och tritium i tokamaken till 80 procent i form av energirika neutroner. Neutroner är besvärliga partiklar, de är oladdade och därför är det svårt att tillvarata deras rörelseenergi. När de väl bromsas upp och stannar är det för att de tas upp i atomkärnor, något som tyvärr oftast gör atomerna radioaktiva. Hela reaktorns inre kommer alltså under drift att bli alltmer radioaktiv.

Är Iter en återvändsgränd? En dinosaurie som blivit obsolet innan den ens är född?

– Det finns faktiskt andra, aneutroniska, kärnprocesser som ger energi utan att sprida neutroner omkring sig, säger Jiri Ullschied, tidigare chef för Laserlaboratoriet vid Institutet för plasmafysik i Prag. Den kanske mest lovande kallas proton-bor-fusion. Det går ut på att en proton tas upp av en bor­atomkärna vilken därefter delar upp sig i tre heliumkärnor (alfapartiklar). Så här ser formeln ut:

1p + 11B ger 3 4He + 8.7 MeV

Inte nog med att vi slipper neutroner, huvuddelen av energin kommer i form av elektriskt laddade alfapartiklar. Det gör det möjligt att omvandla energin direkt till elström – man bromsar ­alfapartiklarna i magnetfältet hos en bakvänd linjär accelerator.

Nu undrar ni naturligtvis varför det inte redan finns proton-bor-reaktorer om de nu är så himla bra. Svaret är att det krävs oerhört hög temperatur för att få i gång reaktionen. Mycket högre än för deuterium-tritiumreaktionen i en tokamak. Men det går att genomföra. Med hjälp av laserteknik.

2013 meddelades från franska École Polytechnique i Palaiseau att man lyckats genomföra fusion i ett borplasma som värmts av en nanosekundlång laserpuls samtidigt som man sände en lasergenererad pikosekundlång protonpuls in i det extremt heta plasmat.

Det gäller alltså att lyckas koordinera två extremt korta pulser så att de avfyras samtidigt, något som inte är det enklaste. Men sådan teknik kommer att utvecklas när ELI drar i gång på allvar 2018.

ELI – Extreme Light Infrastructure

ELI (se https://en.wikipedia.org/wiki/Extreme_Light_Infrastructure) är ett nätverk bestående av tre forskningsanläggningar för högeffektlaserforskning som finansieras av EU genom Fonden för regional utveckling, den största av de fyra strukturfonderna. Det hela beräknas totalt kosta 850 miljoner euro. Se http://www.eli-laser.eu

De tre anläggningarna är:

ELI Beamlines i Dolní Brežany strax söder om Prag, Tjeckien, ELI Attosecond i Szeged, Ungern och ELI Nuclear Physics i Magurele, Rumänien.

Med tiden kommer även en fjärde anläggning att byggas med erfarenheter från de tre första. Var är inte bestämt, men det blir i någon av EU-staterna i Östeuropa.

 

 

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Debatt

Läs mer