لأكثر من سبعة عقود، كان باحثو الاندماج يحاولون بناء نجم داخل صندوق، ولأكثر من سبعة عقود، رفض النجم التعاون. الآن، يقول علماء في مختبر برينستون لفيزياء البلازما (PPPL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية إنهم وجدوا طريقة قد تكون أكثر كفاءة بكثير لتحقيق اشتعال الاندماج - ببساطة عن طريق تغيير الترتيب الذي يتم به تسخين البلازما وضغطها. وهو ما يعادل في الفيزياء اكتشاف أنك كنت تجمع أثاث ايكيا بترتيب خاطئ طوال هذا الوقت.

القاعدة الرياضية المعتمدة منذ زمن طويل هنا هي معيار لوسون، الذي يحدد ما إذا كانت البلازما قادرة على البقاء ساخنة وكثيفة بما يكفي للحفاظ على الاندماج دون تسخين خارجي. إنه يخبرك بالظروف المطلوبة للاشتعال. لكنه لا يخبرك بالطريقة الأكثر كفاءة للوصول إلى هناك - أشبه بخريطة تظهر لك الوجهة لكنها تصر على أن تكتشف سلسلة الجبال بنفسك.

طور فيزيائيو PPPL لويس ديلغادو-أباريسيو وماسايوكي أونو وجوناثان مينارد الآن نسخة أكثر شمولاً من المعيار، تتضمن أربعة عوامل إضافية تؤثر على أداء الاندماج. نُشرت نتائجهم في Physical Review Letters. لم تُحدد العوامل الأربعة الإضافية في الإعلان، ربما لأنها من النوع الذي يجب أن تقرأ الورقة لتعرفه.

يركز البحث على البلازما، الحالة الرابعة للمادة، التي تتشكل عندما يصبح الغاز طاقيًا لدرجة أن جزيئاته تحمل شحنات كهربائية. في مفاعلات الاندماج، تحتوي هذه المادة شديدة السخونة على النوى الذرية التي يأمل الباحثون في دمجها، مما يطلق الطاقة عبر الاندماج النووي. الهدف النهائي هو بلازما محترقة - واحدة تولد فيها تفاعلات الاندماج حرارة كافية للحفاظ على العملية دون تسخين خارجي مستمر. يظل تحقيق ذلك بكفاءة أحد أهم التحديات في أبحاث طاقة الاندماج، إلى جانب تذكر أين تركت مفتاح ألن.

يشبه ديلغادو-أباريسيو الاكتشاف بإيجاد طريق أكثر كفاءة عبر سلسلة جبال. تخيل متطلبات الطاقة لاشتعال الاندماج كمنظر طبيعي يهيمن عليه جبل شاهق. الوجهة على الجانب الآخر، لكن هناك عدة طرق ممكنة. العديد من الاستراتيجيات المقترحة تحاول بشكل أساسي التسلق مباشرة فوق الجبل - زيادة كثافة البلازما أولاً، ثم توفير حرارة هائلة للوصول إلى الاشتعال. تشير الحسابات الجديدة إلى أن تسخين البلازما قبل جعلها أكثر كثافة قد يكون أكثر كفاءة بكثير، مما يتجنب متطلبات الطاقة الأعلى مع الوصول إلى الظروف المطلوبة.

قال ديلغادو-أباريسيو: "العديد من الشركات تريد تسلق الجبل مباشرة وإنفاق طاقة هائلة للوصول إلى هناك. بدلاً من ذلك، التفف حول القمة. تصل إلى نفس المكان بطريقة أذكى بكثير، وتستخدم طاقة أقل بكثير." وهي مشاعر ستبدو مألوفة لأي شخص شاهد نظام تحديد المواقع يعيد الحساب في الوقت الفعلي.

حدد الباحثون منطقة مهمة بشكل خاص في هذا المنظر الرياضي تسمى سرج كوردي. من الناحية الجغرافية، السرج هو ممر منخفض بين ارتفاعات أعلى. في فيزياء الاندماج، يمثل نقطة يمكن الوصول إليها نسبيًا على الحدود الفاصلة بين البلازما التي لا تزال بحاجة إلى تسخين خارجي والبلازما القادرة على الحفاظ على تفاعلات الاندماج الخاصة بها - وهو ما يعادل في الاندماج ممرًا جبليًا لا يتطلب أسطوانات أكسجين.

لتقييم الطرق المختلفة، استخدم العلماء قياسًا يسمى Q، الذي يقارن الطاقة المنتجة من تفاعلات الاندماج مع طاقة التسخين الخارجية الموفرة للبلازما. قيمة Q = 5 تعني أن تفاعلات الاندماج تنتج طاقة تعادل خمسة أضعاف ما يوفره نظام التسخين الخارجي. في بلازما مثالية تحتوي فقط على وقود اندماج نقي، يحدث سرج كوردي عند حوالي Q = 5. لكن أنظمة الاندماج الفعلية أكثر تعقيدًا بكثير. يمكن للملوثات داخل البلازما والمجالات المغناطيسية القوية للغاية أن تغير موقع هذا الممر، مما يزيد قيمة Q اللازمة للوصول إليه. للأسف، لا يبدو أن أيًا من هذه التعقيدات قد اختفت لمجرد أننا أعدنا ترتيب الخطوات.