I över sju decennier har fusionsforskare försökt bygga en stjärna i en låda, och i över sju decennier har stjärnan vägrat samarbeta. Nu säger forskare vid USA:s energidepartements Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) att de har hittat ett potentiellt mycket effektivare sätt att uppnå fusionständning – genom att helt enkelt ändra ordningen i vilken plasman värms upp och komprimeras. Vilket är fysikens motsvarighet till att upptäcka att man har monterat IKEA-möbler i fel ordning hela tiden.

Den långvariga matematiska regelboken här är Lawson-kriteriet, som avgör huruvida plasma kan förbli tillräckligt varm och tät tillräckligt länge för att upprätthålla fusion utan extern uppvärmning. Det talar om vilka förhållanden som krävs för tändning. Det talar dock inte om det mest effektiva sättet att nå dit – lite som en karta som visar dig destinationen men insisterar på att du själv listar ut bergskedjan.

PPPL-fysikerna Luis Delgado-Aparicio, Masayuki Ono och Jonathan Menard har nu utvecklat en mer omfattande version av kriteriet, som införlivar fyra ytterligare faktorer som påverkar fusionsprestanda. Deras resultat publicerades i Physical Review Letters. De fyra ytterligare faktorerna specificerades inte i tillkännagivandet, förmodligen för att de är den typen av detaljer som man måste läsa artikeln för.

Forskningen fokuserar på plasma, det fjärde aggregationstillståndet, som bildas när gas blir så energirik att dess partiklar bär elektriska laddningar. I fusionsreaktorer innehåller detta extremt heta material de atomkärnor som forskarna hoppas kunna kombinera, vilket frigör energi genom kärnfusion. Det ultimata målet är ett brinnande plasma – ett där fusionsreaktioner genererar tillräckligt med värme för att upprätthålla processen utan fortsatt extern uppvärmning. Att uppnå detta effektivt förblir en av de viktigaste utmaningarna inom fusionsenergiforskning, tillsammans med att komma ihåg var man lade insexnyckeln.

Delgado-Aparicio jämför upptäckten med att hitta en effektivare väg genom en bergskedja. Föreställ dig energikraven för fusionständning som ett landskap dominerat av ett högt berg. Destinationen ligger på andra sidan, men det finns flera möjliga vägar. Många föreslagna strategier försöker i huvudsak klättra direkt över berget – öka plasmatätheten först, och tillför sedan enorm värme för att nå tändning. De nya beräkningarna antyder att uppvärmning av plasman innan den görs tätare kan vara betydligt effektivare, vilket undviker de högsta energikraven samtidigt som man fortfarande når de önskade förhållandena.

"Många företag vill klättra uppför berget frontalt och spendera enorma mängder energi för att komma dit", säger Delgado-Aparicio. "Gå runt toppen istället. Du når samma plats på ett mycket smartare sätt, och du använder långt mindre energi." En känsla som kommer att låta bekant för alla som någonsin har sett en GPS räkna om i realtid.

Forskarna identifierade en särskilt viktig region i detta matematiska landskap som kallas Cordey-sadeln. I geografiska termer är en sadel en låg passage mellan högre höjder. Inom fusionsfysik representerar den en relativt tillgänglig punkt längs gränsen som separerar plasma som fortfarande behöver extern uppvärmning från plasma som kan upprätthålla sina egna fusionsreaktioner – fusionsmotsvarigheten till ett bergspass som inte kräver syrgastuber.

För att utvärdera olika vägar använde forskarna ett mått som kallas Q, vilket jämför den effekt som produceras av fusionsreaktioner med den externa uppvärmningseffekt som tillförs plasman. Ett Q-värde på 5 innebär att fusionsreaktionerna producerar fem gånger så mycket effekt som det externa uppvärmningssystemet levererar. I ett idealiserat plasma som endast innehåller rent fusionsbränsle inträffar Cordey-sadeln vid ungefär Q = 5. Verkliga fusionssystem är dock mycket mer komplicerade. Föroreningar i plasman och extremt starka magnetfält kan förskjuta platsen för denna passage, vilket ökar det Q-värde som krävs för att nå den. Un