Od ponad siedmiu dekad badacze fuzji próbują zbudować gwiazdę w pudełku, i od ponad siedmiu dekad gwiazda ta odmawia współpracy. Teraz naukowcy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) należącego do Departamentu Energii USA twierdzą, że znaleźli potencjalnie znacznie wydajniejszy sposób osiągnięcia zapłonu fuzyjnego – po prostu zmieniając kolejność, w jakiej plazma jest podgrzewana i sprężana. Co jest fizycznym odpowiednikiem odkrycia, że przez cały ten czas składałeś meble z IKEI w złej kolejności.

Długoletnim matematycznym regulaminem jest tu kryterium Lawsona, które określa, czy plazma może pozostać wystarczająco gorąca i gęsta, by podtrzymać fuzję bez zewnętrznego ogrzewania. Mówi ono, jakie warunki są wymagane do zapłonu. Nie mówi jednak, jak najefektywniej do nich dotrzeć – trochę jak mapa, która pokazuje cel, ale upiera się, że pasmo górskie musisz sobie rozpracować sam.

Fizycy PPPL Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono i Jonathan Menard opracowali teraz bardziej wszechstronną wersję tego kryterium, uwzględniającą cztery dodatkowe czynniki wpływające na wydajność fuzji. Ich wyniki opublikowano w Physical Review Letters. Czterech dodatkowych czynników nie podano w ogłoszeniu, przypuszczalnie dlatego, że to tego rodzaju szczegóły, po które trzeba sięgnąć do samej pracy.

Badania koncentrują się na plazmie, czwartym stanie materii, który powstaje, gdy gaz staje się tak energetyczny, że jego cząstki niosą ładunki elektryczne. W reaktorach fuzyjnych ten niezwykle gorący materiał zawiera jądra atomowe, które badacze mają nadzieję połączyć, uwalniając energię w reakcji fuzji jądrowej. Ostatecznym celem jest plazma paląca się – taka, w której reakcje fuzyjne wytwarzają dość ciepła, by podtrzymać proces bez ciągłego zewnętrznego ogrzewania. Osiągnięcie tego w wydajny sposób pozostaje jednym z najważniejszych wyzwań w badaniach nad energią fuzyjną, obok pamiętania, gdzie zostawiło się klucz imbusowy.

Delgado-Aparicio porównuje to odkrycie do znalezienia bardziej wydajnej trasy przez pasmo górskie. Wyobraź sobie wymagania energetyczne dla zapłonu fuzyjnego jako krajobraz zdominowany przez górujący szczyt. Cel jest po drugiej stronie, ale istnieje kilka możliwych dróg. Wiele proponowanych strategii zasadniczo próbuje wspiąć się bezpośrednio na górę – najpierw zwiększając gęstość plazmy, a następnie dostarczając ogromne ilości ciepła, by osiągnąć zapłon. Nowe obliczenia sugerują, że podgrzanie plazmy przed zagęszczeniem jej może być znacznie bardziej wydajne, pozwalając uniknąć najwyższych wymagań energetycznych, a jednocześnie osiągnąć pożądane warunki.

„Wiele firm chce wspinać się na górę na wprost i wydać na to ogromną energię” – powiedział Delgado-Aparicio. „Obejdź szczyt zamiast tego. Docierasz w to samo miejsce znacznie mądrzejszym sposobem i zużywasz o wiele mniej energii”. Sentencja, która zabrzmi znajomo każdemu, kto kiedykolwiek patrzył, jak GPS przelicza trasę w czasie rzeczywistym.

Badacze zidentyfikowali szczególnie ważny region tego matematycznego krajobrazu zwany siodłem Cordeya. W terminach geograficznych siodło to niskie przejście między wyższymi wzniesieniami. W fizyce fuzyjnej reprezentuje ono stosunkowo dostępny punkt na granicy oddzielającej plazmę, która wciąż potrzebuje zewnętrznego ogrzewania, od plazmy zdolnej do podtrzymania własnych reakcji fuzyjnych – fuzyjny odpowiednik przełęczy górskiej, która nie wymaga butli tlenowych.

Aby ocenić różne trasy, naukowcy użyli miary zwanej Q, która porównuje moc wytwarzaną przez reakcje fuzyjne z zewnętrzną mocą grzewczą dostarczaną do plazmy. Wartość Q równa 5 oznacza, że reakcje fuzyjne wytwarzają pięć razy więcej mocy, niż dostarcza zewnętrzny system grzewczy. W wyidealizowanej plazmie zawierającej wyłącznie czyste paliwo fuzyjne siodło Cordeya występuje przy około Q = 5. Rzeczywiste systemy fuzyjne są jednak znacznie bardziej skomplikowane. Zanieczyszczenia w plazmie i niezwykle silne pola magnetyczne mogą przesuwać położenie tego przejścia, zwiększając wartość Q potrzebną, by do niego dotrzeć. Un