Komora s terčem pro fúzní experimenty. V pozadí laser. Kredit: Advanced Beam Laboratory/Colorado State University.

Jaderná fúze krásně běží na Slunci a dalších hvězdách. My bychom ji rádi rozchodili na Zemi, není to ale vůbec snadné. Už při experimentování s fúzí a vyvíjejí nových technologií a postupů musejí vědci vynakládat maximální důvtip. Jednu s možností, jak s fúzí pracovat, představují experimenty v mikroměřítku. Jsou levnější, méně náročné a přesto nabízejí pozoruhodné výsledky.

Jorge Rocca. Kredit: CSU.

K fúznímu experimentování v mikroměřítku se uchýlili v laboratořích Státní univerzity v Coloradu (CSU). Šéf výzkum Jorge Rocca a jeho spolupracovníci v těchto experimentech použili menší, ale přesto velmi výkonný laser, kterým pálili do plošek s uspořádanými nanodrátky. Tímto způsobem dosáhli laboratorní jaderné fúze v mikroměřítku, kterou uskutečnili s rekordní účinností při produkci neutronů pocházejících z procesu fúze. Jejich výzkum v těchto dnech publikoval časopis Nature Communications.

Fúzní experimenty, v nichž se pálí výkonnými lasery, se obvykle provádějí na laserových systémech v hodnotě mnoha set milionů dolarů. Odehrávají se v budovách a velikosti stadionu a veřejnost jen zírá v tichém úžasu. Takové fúzní experimenty bývají součástí výzkumu fúze pro aplikace ve výrobě čisté energie.

Terč z nanodrátků, před a po zásahu laserem. Kredit: Advanced Beam Laboratory/Colorado State University.

Rocca a jeho tým studentů, vědců a techniků ale postupoval poněkud jinak. Jejich laserový systém se vešel na stoly a postavili si ho sami. I tak je to ale ultra rychlý a hodně výkonný laser. S tímhle laserem pak pálili do terče s nanodrátky a vytvářeli tím extrémně horké a husté plazma. Podmínky v těchto plazmatech se přitom blížily podmínkám, jaké panují uvnitř Slunce. V plazmatech se rozbíhala fúzní reakce, při které vznikalo hélium a energetické neutrony.

Použití nanodrátků bylo klíčové. Rocca a spol. dosáhli rekordního počtu produkovaných neutronů na jednotku energie laserového paprsku. Jde o hodnoty asi 500krát vyšší, než v podobném experimentu s plochým terčem, bez nanodrátků. Jako materiál pro tvorbu terče s nanodrátky použili deuterovaný polyetylén, čili vlastně polyetylén, v němž byly atomy vodíku nahrazeny jeho těžším izotopem, deuteriem. Významnou roli v experimentech sehrály i intenzivní počítačové simulace, které probíhaly v CSU a na německé Univerzitě v Düsseldorfu.

Logo Colorado State University.

K čemu jsou dobré podobné experimenty? Efektivní produkce neutronů v mikroměřítku by mohla vést k pokroku v technologiích zobrazování, které jsou založené na neutronech. Platí to i pro sondy založené na neutronech, které se používají k detekci struktury a vlastností materiálů. Výsledky Roccova týmu by rovněž měly přispět k lepšímu porozumění interakcí mezi ultra intenzivními laserovými paprsky a hmotou.

Video: Lasers, plasmas, quantum electronics - Jorge Rocca


Literatura
Colorado State University 14. 3. 2018, Nature Communications 9: 1077.