Al meer dan zeven decennia proberen fusieonderzoekers een ster in een doos te bouwen, en al meer dan zeven decennia weigert de ster mee te werken. Nu zeggen wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse ministerie van Energie dat ze een mogelijk veel efficiëntere manier hebben gevonden om fusieontsteking te bereiken — door simpelweg de volgorde te veranderen waarin plasma wordt verhit en samengedrukt. Wat het natuurkundige equivalent is van ontdekken dat je al die tijd IKEA-meubels in de verkeerde volgorde in elkaar hebt gezet.

Het aloude wiskundige regelboek hier is het Lawson-criterium, dat bepaalt of plasma lang genoeg heet en dicht genoeg kan blijven om fusie zonder externe verwarming in stand te houden. Het vertelt je welke voorwaarden nodig zijn voor ontsteking. Het vertelt je echter niet wat de efficiëntste manier is om daar te komen — een beetje als een kaart die je de bestemming toont maar erop staat dat je de bergketen zelf maar moet uitzoeken.

PPPL-natuurkundigen Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono en Jonathan Menard hebben nu een uitgebreidere versie van het criterium ontwikkeld, met vier extra factoren die de fusieprestaties beïnvloeden. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in Physical Review Letters. De vier extra factoren werden niet gespecificeerd in de aankondiging, vermoedelijk omdat het het soort details is waarvoor je het artikel moet lezen.

Het onderzoek richt zich op plasma, de vierde aggregatietoestand van materie, die ontstaat wanneer gas zo energierijk wordt dat de deeltjes elektrische ladingen dragen. In fusiereactoren bevat dit extreem hete materiaal de atoomkernen die onderzoekers hopen te laten samensmelten, waarbij energie vrijkomt door kernfusie. Het uiteindelijke doel is een brandend plasma — een plasma waarin fusiereacties genoeg warmte genereren om het proces in stand te houden zonder voortdurende externe verwarming. Dat efficiënt bereiken blijft een van de belangrijkste uitdagingen in fusie-energieonderzoek, naast onthouden waar je de inbussleutel hebt gelaten.

Delgado-Aparicio vergelijkt de ontdekking met het vinden van een efficiëntere route door een bergketen. Stel je de energiebehoeften voor fusieontsteking voor als een landschap dat wordt gedomineerd door een torenhoge berg. De bestemming ligt aan de andere kant, maar er zijn verschillende mogelijke routes. Veel voorgestelde strategieën proberen in wezen direct over de berg te klimmen — eerst de plasmadichtheid verhogen, dan enorme warmte toevoeren om ontsteking te bereiken. De nieuwe berekeningen suggereren dat het verhitten van het plasma voordat het dichter wordt gemaakt aanzienlijk efficiënter kan zijn, waarbij de hoogste energiebehoeften worden vermeden terwijl de gewenste omstandigheden toch worden bereikt.

"Veel bedrijven willen de berg frontaal beklimmen en besteden enorme energie om er te komen," zei Delgado-Aparicio. "Ga om de top heen. Je bereikt dezelfde plek op een veel slimmere manier, en je gebruikt veel minder energie." Een gevoel dat bekend zal klinken bij iedereen die ooit een GPS in real time heeft zien herberekenen.

De onderzoekers identificeerden een bijzonder belangrijk gebied van dit wiskundige landschap, de Cordey-zadel genoemd. In geografische termen is een zadel een lage doorgang tussen hogere verheffingen. In de fusiefysica vertegenwoordigt het een relatief toegankelijk punt langs de grens die plasma dat nog externe verwarming nodig heeft scheidt van plasma dat zijn eigen fusiereacties kan onderhouden — het fusie-equivalent van een bergpas waarvoor geen zuurstoftanks nodig zijn.

Om verschillende routes te evalueren, gebruikten de wetenschappers een maat genaamd Q, die het door fusiereacties geproduceerde vermogen vergelijkt met het externe verwarmingsvermogen dat aan het plasma wordt geleverd. Een Q-waarde van 5 betekent dat de fusiereacties vijf keer zoveel vermogen produceren als het externe verwarmingssysteem levert. In een geïdealiseerd plasma dat alleen pure fusiebrandstof bevat, treedt het Cordey-zadel op bij ongeveer Q = 5. Werkelijke fusiesystemen zijn echter veel gecompliceerder. Verontreinigingen in het plasma en extreem sterke magnetische velden kunnen de locatie van deze doorgang verschuiven, waardoor de Q-waarde die nodig is om die te bereiken toeneemt. On