Drevet av milliardærdollar går kjernefysisk fusjon inn i en ny tidsalder

Etter å ha samlet inn mer enn 3 milliarder dollar i 2021 fra slike som Bill Gates og Jeff Bezos, insisterer fusjonsutviklere på at denne nullkarbonenergikilden kan være en realitet innen et tiår.

Det er klart at kjernefysisk fusjon kan fungere i stor skala - bare se på stjernene. I 70 år har fysikere drømt om å tappe den stjernekraften i form av fusjonsreaktorer som kan drive det elektriske nettet med de samme grenseløse, null-karbonreaksjonene som får solen til å skinne. Denne hellige gral har lenge vært annonsert som bare 20 eller 30 år unna, men fusjonsfans har nektet å gi opp troen. Og med god grunn. Fusjon (knuser sammen hydrogenatomer til helium) lover grenseløs nullkarbon elektrisk kraft med null risiko for nedsmelting og praktisk talt ingenting av det radioaktive avfallet knyttet til eksisterende kjernekraftverk som går på fisjon (splitting av uranatomer til mindre grunnstoffer). 

Drømmen inspirerte Ajay Royan, medgründer av Mithril Capital (sammen med milliardæren Peter Thiel), som i 2013 først investerte 2 millioner dollar i Redmond, Washington-baserte Helion Energy slik at den kunne bygge en prototype "repetitiv pulskraft"-maskin. Mithril har investert i Helion siden den gang, inkludert den nylige runden på 500 millioner dollar (vurderer selskapet til 3 milliarder dollar) - med løftet om 1.7 milliarder dollar mer hvis selskapets syvende prototype fungerer som håpet. Helions runde ble ledet av Sam Altman fra Y Combinator. 

Året 2021 var et stort år for både fusjonsfinansiering og prognoser, ettersom utviklere samlet inn mer enn 3 milliarder dollar for å finansiere sin neste runde med maskiner – med noen som nå lover kommersielt levedyktig fusjon på bare fem år. Royan er glad for å se at fusjon får mer oppmerksomhet; "Selvfølgelig kan 2021 være et vendepunkt for fusjon ifølge Google analytics, men det virkelige vendepunktet skjedde for et tiår siden da kraftelektronikk passerte en terskel." 

Administrerende direktør David Kirtley forklarer at det innledende FoU-arbeidet bak Helion ble gjort i føderale laboratorier, som Helion ble spunnet ut av i 2013. Frigjort fra det føderale FoU-byråkratiet, har Helion bygget nye prototyper etter hverandre siden den gang. «Startup-mentaliteten er ikke hyggelig å ha, det er et krav. og hva vi har fokusert på fra begynnelsen, sier Kirtley.

I 2020 fullførte Helion sin sjette prototypereaktor, kalt Trenta. Den bygger nå en syvende, Polaris, mens den allerede designer den åttende, Antares, som Kirtley har til hensikt å være den første fusjonsmaskinen noensinne som gir ut mer energi enn den tar inn. Ved siden av rask iterasjon drar Helion nytte av lokal ekspertise. Den bygger Polaris-maskinen i Everett, Washington, nær Boeings største fabrikker, hvor de kan benytte seg av et innbydende økosystem av kontraktsingeniører og presisjonsprodusenter. Kirtley sier at de bruker morgenen på å fikle, oppdatere systemer og slå på kondensatorer. "Hver ettermiddag klokken 3 begynner vi å gjøre fusjon."

For å forstå Helions tilnærming, bør du først vurdere den magnetiske frastøtingen som oppstår når du prøver å tvinge de positive polene til to stangmagneter sammen. Det er prinsippet som muliggjør «mag-lev»-teknologi som Japans berømte kuletog, som bruker magnetisk frastøting til å flyte på en luftpute. 

Fusjonsforskere i flere tiår har forsøkt å utvikle verdens sterkeste elektromagneter, som de konstruerer reaksjonskamre med magnetiske felt med så sterke at de kan inneholde, og komprimere, en injisert strøm av positivt ladede protoner til en ball med plasma som er så varm at de smelter sammen. helium. 

I Helions nye system skyver energien som frigjøres i fusjonsreaksjonene kontinuerlig ut mot dets magnetiske inneslutningsfelt, som skyver tilbake - og forårsaker oscillasjoner ("som et stempel," sier Kirtley) som genererer en elektrisk strøm, som Helion fanger direkte fra reaktoren . (For mer, les opp om Faradays lov om induksjon.) 

Royan fra Mithril sier at kanskje den største attraksjonen ved Helions metode for direkte elektrisitetsproduksjon er dens enkelhet. Andre fusjonstilnærminger tar sikte på å generere varme, for å koke vann og drive dampturbiner, som lager elektrisitet - som ved tradisjonelle kjernekraftverk. «Vi kan gjøre det uten dampturbiner eller kjøletårn. Vi kvitter oss med kraftverket.» 

For å være sikker, Kirtley forstår fusjonsskepsis, spesielt rundt hans aggressive timeplan. Han startet sin karriere innen fusjonsfeltet, inspirert av forskere ved nasjonale laboratorier på 1960-tallet som gjorde store fremskritt innen magnetisk inneslutning (kamp med russiske forskere om å utvikle smultringformede reaktorer kalt tokamaks) selv før oppfinnelsen av transistorer. Men Kirtley mistet troen etter å ha fastslått at tidlige tilnærminger bare ikke kunne utvikle seg raskt nok til å gi en kommersiell løsning - så han begynte å jobbe med avansert fremdrift av romskip ved bruk av plasmajetfly kontrollert av elektromagneter. Han kom tilbake til feltet i 2008 for å hjelpe til med å kommersialisere Helions teknologi. 

Med tiden ser han for seg å produsere fusjonsgeneratorer i en fabrikk. Et skalasystem på 50 mw, pakket inn i tre enheter på størrelse med fraktbeholdere, ville drive 40,000 10 hjem. "Om XNUMX år vil vi ha kommersiell elektrisitet for salg, helt sikkert." 

Det setter Helion i et kappløp med Boston-baserte Commonwealth Fusion Systems, en MIT-spinoff, som samlet inn 1.8 milliarder dollar fra investorer inkludert Bill Gates og George Soros. Administrerende direktør Bob Mumgaard sier at de vil ha en fungerende reaktor om 6 år. Hans optimisme styrkes av Commonwealths vellykkede sommertest av nye elektromagneter konstruert med superledere laget av sjeldne jordarters bariumkobberoksid. 

Mumgaard sier at disse superdrevne magnetene vil gjøre det mulig for Commonwealth å perfeksjonere sin noe mer tradisjonelle fusjonstilnærming med å bygge en smultringformet "tokamak"-reaktor, som Mumgaard kaller en "stor magnetisk flaske" der kraftige magnetiske felt kontrollerer baller med 100 millioner graders plasma - " stjerneting.» 

Det er omtrent 150 tokamaks rundt om i verden; den største er under bygging i Frankrike for 30 milliarder dollar av et internasjonalt konsortium kalt ITER. Maskinen på 20,000 2035 tonn, på størrelse med en basketballarena, skal stå ferdig innen XNUMX. 

Men Mumgaard har til hensikt at Commonwealth Fusion skal gjøre ITER foreldet før den i det hele tatt er fullført. Dens kant er i bruken av "høytemperatur" superledere laget med sjeldne jordarter barium kobberoksid (aka ReBCO). 

Superledere flytter elektrisk strøm med praktisk talt null tap (langt mer effektivt enn kobber, for eksempel). Og de er nøkkelen til å lage kraftige elektromagneter. Commonwealth har funnet ut at ved å lage sine magneter ved hjelp av en spesiell barium-kobberoksidtape (som båndet som finnes i en VHS-kassett) kan den oppnå magnetiske felt kraftigere enn de som ble forventet ved ITER, men på 1/20 av skalaen. 

Mens ITERs primærmagneter (kalt solenoider) vil veie rundt 400 tonn og oppnå felt sterkere enn 12 tesla, ser Commonwealth på 15 tonns magneter, som hver bruker 300 km med ReBCO tynnfilmtape, som vil generere 20 tesla (til sammenligning, en magnetisk resonansbildemaskin gjør 1.5 tesla). 

"Dette låser opp fusjonsmaskinen," sier Mumgaard. CES testet magnetene i fjor sommer og erklærte det som et "bevis" på at vitenskapen om fusjon nå var praktisk talt fullført, og alt som gjenstår er å bygge reaktoren. "Vi forstår materialet godt og tror vi kan gjøre dette på tre år," sier Mumgaard. "Innen 2030 vil vi se fusjon på nettet." 

CES skal bygge sin fusjonsmaskin på et 47 mål stort område i Massachusetts, og jobber allerede med å skaffe tusenvis av kilometer med ReBCO-tape. Kan tilgjengeligheten av den sjeldne jordarten bli en begrensende faktor i utbyggingen av fusjon? Nei sier Mumgaard. «Et fusjonsanlegg vil ha mindre sjeldne jordarter enn en vindturbin. Fusjon handler ikke om en ressurs du trenger å utvinne eller pumpe. Det handler om en teknologi." 

Det skal være plass til mer enn én fusjonsvinner. Andre ledere inkluderer General Fusion, basert i Canada og støttet av Jeff Bezos, som samlet inn 130 millioner dollar i år. Andre bemerkelsesverdige milliardærer i fusjonsspillet er Neal og Linden Blue, som eier San Diego-baserte General Atomics, som i flere tiår har drevet en forskningstokamak på vegne av DOE, og som i år leverte til ITER tarmene til sine tokamak-elektromagneter - en sentral solenoid på 1,000 tonn. Og det er TAE Energy of California, som har eksperimentert med 1 milliard dollar det siste tiåret, og samlet inn 130 millioner dollar under pandemien.

Fusjonsteknologi kan ha fått sin start i statlig finansierte laboratorier, men dens utførelse vil måtte stole på privat finansiering. Amy Roma, partner ved Hogan Lovells i Washington, DC, sier at den nå i limbo Build Back Better-regningen ville ha inkludert 875 millioner dollar for avansert atomkraft, men foreløpig må industrien nøye seg med et nytt kontor for avansert reaktordemonstrasjon under Department of Energy, finansiert av den nylige infrastrukturloven. Nullkarbonatomkraft vil også dra nytte av president Bidens nylige eksekutivordre som krever at den føderale regjeringens energikjøp skal være "netto-null" innen 2030. 

Den legendariske teknologiinvestoren Steve Jurvetson, en Commonwealth Fusion-støttespiller som skrev sin første sjekk mot fusjonsforskning for 25 år siden, er nesten svimmel over at denne drømmen som lenge ble utsatt snart kan bli virkelighet. «Det er mange som sier nei før det er gjort. Da sier de at det er åpenbart.» 

Mithrils Royan sier at han allerede jobber med å justere rammeverket for å vurdere hvor annerledes verden vil se ut når fusjon er ekte - "Tenk på mulighetene for vannavsalting og gjødselproduksjon. Dette endrer grunnleggende vannøkonomi over natten, og dermed økonomien til landbruket.» Det hele er en del av menneskehetens vei, sier han, "å fortsette å bevise at Malthus var en idiot." 

MER FRA FORBESThe New Nuclear: How A $600 Million Fusion Energy Unicorn Plans To Beat SolarBy Christopher Helman
MER FRA FORBESDe stille milliardærene bak USAs rovdyrdrone som drepte Irans SoleimaniBy Deniz Çam