A Tokamak, egy szupravezető technológia felgyorsítja a magfúziós energia kereskedelmi forgalomba hozatalát. De vajon ez lehet a válasz a környezetszennyezési problémáinkra?
A fosszilis tüzelésű energiatermelést bírálták a túlzott szén-dioxid-kibocsátás miatt, ami üvegházhatást és felgyorsította a globális felmelegedést. Megoldásként aktívan kutatják a környezetet nem szennyező megújuló energiaforrásokat. Az egyik ilyen forrás a magfúziós energia. A magfúzióról akkor beszélünk, amikor két vagy több atommag egyesül, és új atommag jön létre. Ez a folyamat nagy mennyiségű energiát szabadít fel a tömegveszteség miatt, amit „fúziós energiának” neveznek.
A nap kiváló példája annak a forrásnak, amely ezt a folyamatot használja fel hatalmas mennyiségű energia előállítására. A Nap magas hőmérsékletet és nagy nyomást használ, hogy energiát hozzon létre a hidrogénatommagok összeolvasztásával. Ez az energia olyan hatalmas, hogy elegendő a növények fotoszintéziséhez, és sok élőlény melegen tartásához a Földön. Ez a természeti csoda inspirálta az embereket, és keményen dolgoztunk, hogy ugyanezt az energiaforrást megismételjük a Földön.
A magfúziós energia felhasználása rendkívül magas hőmérsékleti és nyomású feltételeket igényel. E feltételek teljesítéséhez speciális edényekre és technológiákra van szükség. Könnyű úgy elképzelni, mint egy „mesterséges nap” edényét. A tudósok tehát kifejlesztettek egy új típusú hajót, amelyet tokamaknak neveznek.
A tokamak első pillantásra úgy néz ki, mint egy fánk, de belül a hidrogénatomok magfúziós reakción mennek keresztül, hogy mesterséges napot hozzanak létre. A fánk formájába rejtve van, hogyan lehet fenntartani az ultramagas hőmérséklet és ultramagas nyomás feltételeit, amelyek ezt létrehozzák. A tokamak spirál alakú vezetékekkel rendelkezik, amelyek körülveszik a fánk alakját, és amikor ezekre a vezetékekre áramot vezetnek, a spirál belsejében mágneses mező képződik - ez a tokamak alakja -, amely megemeli a hőmérsékletet és a nyomást a tokamak belsejében, és bezárja a mesterséges napot a mágneses mezőben. Azonban nem lehet rendkívül magas hőmérsékletet és nyomást létrehozni közönséges vezetékekkel, például egyszerű rézhuzallal, mivel magának a vezetéknek az ellenállása és az általa termelt hő lehetetlenné tenné a tokamak működését, ha túl sok elektromos áramot áramolna. Ennek kompenzálására speciális anyagból készült vezetékeket kell használnunk, amelyeknek nincs ellenállása, ezért nem termelnek hőt. Ez a tokamak kulcsa.
Léteznek ellenállás nélküli anyagok? Igen, léteznek. Természetesen csak speciális körülmények között, de vannak olyan anyagok, amelyeknek nincs ellenállása: „szupravezetők”. A szupravezető olyan anyag, amelynek ellenállása egy bizonyos ponton nullára csökken nagyon alacsony hőmérsékleten, például kriogén hőmérsékleten. A szupravezető vezetékek használatához a Tokamak mínusz 269 Celsius fokos folyékony héliumot áramoltat a vezetékek köré. Ennek a folyékony héliumnak az a célja, hogy a szupravezető hőmérsékletét kriogén hőmérsékleten tartsa.
Tehát miért nulla ellenállása a szupravezetőnek kriogén hőmérsékleten? Ennek az az oka, hogy amikor a hőmérséklet egy bizonyos pont alá csökken, az elektronok párosulnak, és olyan viselkedést mutatnak, amely szobahőmérsékleten nem látható. Ezt a pontot „kritikus hőmérsékletnek”, a párokat pedig „Cooper-párnak” nevezik. Elektromosan, amikor egy negatív töltésű elektron áthalad egy pozitív töltésű elektronok rácsán, az elektrosztatikus vonzás hatására a rács kissé megbillen az elektron útja irányába. A következő elektronra nagyobb hatással lesz a pozitív töltés, mint az előtte elhaladó elektronra. Ebben a folyamatban két elektron alkot egy párt.
Amikor két elektron Cooper-párt alkot, és úgy viselkedik, mint egy részecske, „orientálttá” válnak. Korábban az egyes elektronok „szimmetrikusak” voltak, nem pedig „irányosak”, mert mindegyik különböző irányba mozgott, de miután egy Cooper-párt alkottak, az összes Cooper-párnak megvan az a tulajdonsága, hogy egy irányba akar folyni, így az összes elektron úgy viselkedik, mintha egyetlen tömeg voltak. Ugyanezek az orientált Cooper-párok továbbra is áramlanak még akkor is, ha bármilyen akadályba ütköznek, ami azt jelenti, hogy az elektromos ellenállás teljesen megszűnik. Emiatt a kritikus hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékleten az ellenállás megszűnik, ami lehetővé teszi az erősebb elektromos áram áramlását.
Eddig azt láttuk, hogy a szupravezetők a magfúziós energia kulcselemei. Néhány évtizeden belül, amikor kifejlesztik a magasabb kritikus hőmérsékletű szupravezetőket, és fejlettebb lesz a szupravezető technológia, a magfúziós energia kereskedelmi forgalomba kerül, és az emberek szerte a világon élvezhetik a tiszta, megújuló energia előnyeit a környezet szennyezése nélkül. Ennek az elképzelésnek a megvalósításában számos folyamatban lévő kutatási projekt is fontos szerepet játszik. Ezek a technológiai fejlesztések a jövő generációi számára jobb környezetet és fenntartható energiát biztosítanak majd.
