Jak se daří stelarátorům v éře startupů?

Může rostoucí vlna technologie stelarátorů pozvednout celý fúzní průmysl? Začátek milénia zastihl vývoj fúze ve znamení rození privátních společností. Kapitalista zavětřil a… ITER se mu jevil jako dobrá investice, ovšem na jeho vkus pomalá. Přece musí existovat něco svižnějšího než tokamak, nebo dokonce neohrabaný stelarátor. Po dvaceti letech privát zjistil, že koncept Sacharova či Spitzera má cosi do sebe, zejména když tokamaky už mají řadu slušných výsledků. Dokonce i otloukánek stelarátor s podivně zkroucenou vakuovou komorou, ale možností stacionárního režimu, v poslední době díky Wendelsteinu 7-X z Max Planck Institut of Plasma Physic v Garchingu ukázal, že se stelarátory je přece dobré počítat: výkonné počítače, AI, supravodiče a překvapivá vlna startupů jsou dnes v každém případě nezanedbatelnými pomocníky.

Wendelsteinových 43 sekund doby udržení plazmatu z letošního jara je nicméně proti očekávanému nekonečnu dost málo, ale co by za ně tokamak dal. Přehnaný optimismus v žádném případě není na místě. 30 m³ vakuové komory je proti ITER, který již sestavuje komoru o objemu 850 m³, přece jen málo. Nu, ale jak nedávno prohlásil ředitel ITER organization Pietro Barabashi: „S rostoucí velikostí roste počet problémů.“ Co ještě potomky Wendelsteinu čeká, nikdo nedokáže odhadnout. Takže sláva garchinskému IPP! V každém případě bude dobré, když si připomeneme, co vlastně stelarátory dneska představují. Začali jsme privátem a privátem můžeme pokračovat. Soukromých společností je 45 a konceptů stelarátorů je osm, o dva více než privátních tokamaků. Ony stelarátory nabízejí větší prostor rozvoje než tokamaky s přebohatou historií a lze tedy očekávat, že rozdíl v počtu tokamaků a stelarátorů mezi odvážnými startupy v nejbližší budoucnosti ještě poroste.

Fúzaři, spojte se!

Po desetiletích slibů se hledání životaschopné fúzní energie s využitím stelarátorů zrychluje díky rostoucím investicím, pokročilému počítačovému modelování, ambiciózním startupům, výzvám k veřejnému testovacímu zařízení ve Spojených státech a iniciativě ITER, která chce sdílet své odborné znalosti se soukromými společnostmi.

„Nepochybuji o tom, že dokážeme komerční fúzi s využitím stelarátorů realizovat,“ říká Lucio Milanese, spoluzakladatel a provozní ředitel společnosti Proxima Fusion, evropského startupu, který vyrostl na půdě Max Planckova institutu pro fyziku plazmatu a zaměřuje se na typ stelarátoru známý jako kvazi-izodynamický (QI). „Vždycky existovaly technické výzvy, ale nyní se hodně věcí změnilo a proto je možné tolik nových řešení.“

Magnetické udržení

Ve světě fúzních zařízení jsou tokamaky jako ITER a preferované stelarátory jako německý Wendelstein 7-X považovány za příbuzné, protože oba využívají k řízení horkého plazmatu magnetické udržení. Klíčový rozdíl spočívá v tom, že tokamaky udržují plazma kombinací magnetických polí vnějších cívek a indukovaného proudu v plazmatu, zatímco stelarátory se spoléhají pouze na udržení pomocí spirálového tvaru silokřivek magnetického pole v přesně vypočítané kroutící se komoře a planárních, resp. třídimenzionálních cívek na ní navlečených. Ovšem chce to odvahu srovnávat giganta ITER a trpaslíka Wendelstein. Pozor, srovnáváme jen princip.

Renesance stelarátorů

Zatímco tokamaky v posledních desetiletích zaujímaly čelo výzkumu díky významným projektům, jako je Joint European Torus (JET) a ITER, zdá se, že právě nastala dlouho očekávaná renesance technologie stelarátorů. Částečně je to způsobeno úspěšným testováním Wendelsteinu 7-X, které ukázalo, že energetické ztráty, které sužovaly dřívější stelarátory, byly překonány.

Došlo také k průlomům týkajícím se složitého tvaru komory stelarátoru. Zaprvé, počítačové modelování umožnilo větší toleranci magnetů, což usnadňuje montáž. Poté byl vylepšen design oblasti magnetického udržení, aby se dosáhlo přesnějších symetrií. A konečně, skupina společností pracuje na zjednodušení stelarátoru tak, aby měl rovinné nebo válcové povrchy, a byl tak snazší (a tím levnější) pro výrobu.

Tyto pokroky inspirovaly investiční stelarátorový boom. Podle poradenské společnosti pro udržitelnost Cleantech Group uzavřely v roce 2023 a na začátku roku 2024 soukromé společnosti zabývající se stelarátory s rizikovým kapitálem nejvíce obchodů. Asociace fúzního průmyslu (FIA) mezitím ve své výroční zprávě za rok 2024 uvedla, že mezi 45 zkoumanými soukromými společnostmi zabývajícími se fúzí jsou nyní stelarátory nejběžnější technologií, přičemž osm společností používá stelarátory, sedm laserově poháněné inerciální reaktory a šest projekty tokamaků (tradiční a sférické).

Sdílení informací

Dění kolem stelarátorů se markantně zvýšilo v květnu 2024, kdy organizace ITER uspořádala workshop soukromého sektoru o fúzi, aby položil základy pro větší sdílení informací se soukromými společnostmi zabývajícími se fúzí: „Co pro vás můžeme udělat?“. Speciální panel byl věnován stelarátorům a představil šest předních společností – Type One Energy, Renaissance Fusion, Thea Energy, Gauss Fusion, Helical Fusion a Proxima Fusion – a také Max Planckův institut pro fyziku plazmatu (IPP), který provozuje Wendelstein 7-X. Sdílení znalostí o ITER má pro společnosti provozující stelarátory zvláštní smysl, protože pokrok může být vzájemně prospěšný, jelikož existuje mnoho překrývajících se technologií. V nedávné analýze technologie stelarátorů publikované pro Světové ekonomické fórum byla zmíněna paralela fúze s elektrickými a tradičními automobily. Bez ohledu na konkrétní metodu magnetického udržení jsou klíčové prvky, jako množivé obaly nebo divertory u tokamaků a stelarátorů do značné míry stejné, stejně jako lze nalézt paralely u technologií řízení nebo brzdění elektrických i spalovacích automobilů. Tyto společné rysy jsou důvodem, proč společnost jako Gauss Fusion, kterou založily průmyslové společnosti, jež dodaly komponenty pro ITER, jejímž cílem je vybudovat fúzní elektrárnu se stelarátorem jako hnacím motorem, se spoléhá na iniciativu sdílení informací. „ITER může poskytnout odborné znalosti v oblasti technologií fúze, které jsou vzájemně kompatibilní se stelarátory,“ říká Richard Kembleton, hlavní vědecký pracovník společnosti Gauss Fusion, který dříve pracoval pro EUROfusion na DEMO, evropském projektu fúze. „Důležitými zdroji jsou také poznatky získané v rámci ITERu, pokud jde o vývoj, zadávání veřejných zakázek a řízení projektů,“ dodává.

Výzva pro USA

Optimismus ohledně stelarátorů se dále projevil letos v létě, když skupina dvou desítek vědců zabývajících se fúzí publikovala článek požadující veřejný program stelarátorů ve Spojených státech – Flexible Stellarator Physics Facility (Přizpůsobivá zařízení pro fyziku stelarátorů). Vědci pod vedením Felixe Parry Diaze z Princeton Plasma Physics Laboratory tvrdí, že testování technologie stelarátorů ve velkém měřítku prokáže, zda tato technologie může pomoci Spojeným státům dosáhnout cílů v oblasti čisté energie uvedených v jejich Desetileté vizi pro komerční energii z fúze. Tento návrh byl přijat americkým systémem stelarátorů, včetně společnosti Thea Energy, která je jednou ze společností, jež se snaží zjednodušit stelarátory pomocí planárních magnetických konstrukcí.

„Výzva k takovému zařízení ze strany širší komunity výzkumu fúze je nepochybně způsobena optimismem vyvolaným důležitými novými výsledky udržení plazmatu z Wendelstein 7-X,“ poznamenává David Gates, spoluzakladatel a technický ředitel společnosti Thea Energy. „Doufáme, že komunita stelarátorů bude ve svém úsilí o vytvoření tohoto zařízení úspěšná a těšíme se na spolupráci s nimi, abychom tuto zajímavou vizi pomohli uskutečnit.“

O peníze jde především

Stelarátory samozřejmě stále čelí stejné výzvě jako celý sektor fúze: penězům. K financování projektů stelarátorů v soukromém sektoru a navrhovaného veřejného testovacího zařízení jsou zapotřebí miliardy investic. Francesco Volpe, zakladatel a generální ředitel francouzské společnosti Renaissance Fusion, která se zabývá vývojem stelarátorů, říká, že technologie stelarátorů musí být jednodušší, aby splnila svůj slib. Pokroky v obecné technologii fúze, jako jsou vysokoteplotní supravodiče (HTS), které snižují náklady na magnetické udržení, a tekuté kovy, které prodlužují životnost klíčových komponent, jsou vítaným krokem vpřed. Volpe se však domnívá, že přístupy specifické pro stelarátory, jako je zjednodušený design, na kterém Renaissance pracuje, s válcovou komorou a HTS povlakem, který lze tvarovat gravírováním, by mohly výrobní náklady také snížit. „Potřebujeme změnu paradigmatu,“ říká Volpe. „Fyzice rozumíme dostatečně dobře na to, abychom začali stavět další stelarátor, ale existuje riziko, že si ho nikdo nekoupí jako elektrárnu. Proto potřebujeme vynalézavost, abychom tuto krásnou fyziku sladili s pragmatickým inženýrstvím a konkurenceschopnou ekonomikou.“

Optimismus

Tento vývoj by skutečně mohl vést k dlouho očekávanému průlomu pro stelarátory. A pokud se tak stane, širší hnutí fúze by mohlo dostat nový impuls. „Zlomový moment povede k boomu fúze jak pro tokamaky, tak pro stelarátory,“ předpovídá Lucion Milanese z Proxima Fusion. „Jsme v podstatě bratranci, ne-li bratři.“

Stelarátory vpřed! (Ať to stojí, co to stojí!?)