Стартапы утверждают, что мы как никогда близки к практически безграничной, безуглеродной энергии термоядерного синтеза. Когда мы до этого доберёмся?

Поиски термоядерной энергии — чистого, потенциально безграничного источника, способного положить конец энергетическим проблемам человечества, — начались как ответ на старый вопрос, который мы задавали с тех пор, как впервые подняли голову к небу.

Шла середина XIX века. Теория естественного отбора Чарльза Дарвина перевернула наши представления о себе и о мире. Но у теории была проблема. Как, спрашивал физик лорд Кельвин, солнце могло светить так долго? Разве оно не исчерпало бы своё топливо задолго до того, как люди эволюционировали, как предполагал Дарвин?

Ни тот, ни другой не дожили до удивительного ответа: внутри нашего солнца лёгкие элементы постоянно превращаются в более тяжёлые, высвобождая при этом огромное количество энергии.

«Запасы практически неисчерпаемы, — писал астроном Артур Эддингтон в 1920 году, — ах, если бы только их можно было использовать».

Спустя столетие несколько начинающих компаний утверждают, что мы как никогда близки к тому, чтобы это произошло. По словам этих компаний, в ближайшие несколько лет их термоядерные установки будут производить больше энергии, чем требуется для их работы. Вскоре они начнут вырабатывать электричество для фабрик, центров обработки данных, сталелитейных заводов и многого другого, помогая человечеству сделать решительный шаг в сторону от ископаемого топлива, от глобального потепления и загрязнения воздуха, от того, чтобы питать нашу жизнь, разжигая крошечные костры в двигателях, котлах и печах.

Известные инвесторы, включая Билла Гейтса, Джеффа Безоса, Винода Хосла и Сэма Альтмана, сделали ставку в сотни миллионов долларов на этот потенциальный технологический прорыв, сравнимый с полётом братьев Райт.

Сегодняшние стартапы в области термоядерного синтеза готовятся к этому моменту не только в лабораториях. Они подписывают предпродажные соглашения с клиентами, разрабатывают цепочки поставок, готовят рабочую силу, ведут переговоры с регулирующими органами – проходят все этапы, которые потребуются для того, чтобы термоядерный синтез стал доступным и практичным источником энергии, а не просто научным экспериментом.

И всё же, «ближе, чем когда-либо», необязательно означает «близко». История термоядерного синтеза — это кладбище пропущенных сроков и сорванных обязательств, всплесков воодушевления, сменяющихся жестокими разочарованиями.

Позитивная точка зрения заключается в том, что стартапы двигаются быстрее, чем могли бы это делать государственные лаборатории. Они могут пробовать, терпеть неудачи и пытаться снова. Но опыт более чем полувекового исследования термоядерного синтеза, говорит Джеральд Навратил, профессор физики плазмы в Колумбийском университете, заключается в том, что неудачи случаются в непредвиденных местах.

«Даже если физическая идея звучит заманчиво, — сказал доктор Навратил, — пока вы не сделаете это по-настоящему», в реальной машине, производящей реальную энергию, «это всего лишь идея».

А что там сложного?

Создание работающей звезды на Земле могло бы показаться совершенно невозможным, если бы учёные уже не продвинулись в этом направлении достаточно далеко.

Сначала нужно нагреть облачко газа до невообразимых температур, более 100 миллионов градусов Цельсия. При этом газ становится настолько горячим, что его электроны вырываются из атомов. Настолько, что газ перестаёт быть газом и переходит в другое состояние материи — плазму.

При достаточном нагреве атомы начинают сливаться, чего они обычно не желают делать. Заставьте плазму удерживать это тепло достаточно долго и при достаточно высоком давлении, и из неё выделится больше энергии, чем вы вложили в её нагрев.

Термоядерный синтез противоположен процессу деления, который используется на современных атомных станциях. Атомы не расщепляются, а сливаются. Основным топливом является не уран, а водород, добываемый из морской воды. Угрозы выходящей из-под контроля реакции нет, а радиоактивные отходы менее опасны. Вот только запустить процесс и контролировать его гораздо сложнее.

«В случае деления, если просто собрать нужное количество материала в одном месте, он начнёт нагреваться, — говорит Роберт Голдстон, профессор астрофизических наук из Принстона. — С термоядерным синтезом совсем другая история».

Как только вы создали плазму, что делать дальше? Она извивается и корчится, как змея из сверхгорячего желе, поэтому её нужно держать ровно, иначе она может вырваться и расплавить ваше оборудование. Или же она может просто развалиться на части, ведь плазма настолько же агрессивна, насколько и хрупка: её можно уничтожить, просто подув на неё.

Внутри Солнца плазму удерживает гравитация. На Земле люди используют сверхсильные магниты или лазеры.

Допустим, что вам это удалось: атомы сливаются, высокоэнергетические частицы вырываются из плазмы. Ваша машина должна выдержать все эти удары. Но она также должна пустить эту энергию в работу, вырабатывая электричество, поддерживая реакцию, и при этом не повреждая плазму, которая так же неустойчива, как юла, вращающаяся на кончике пальца.

В течение десятилетий после окончания Второй мировой войны правительственные лаборатории по всему миру всё ближе и ближе подбирались к тому, чтобы сделать всё это. Они строили более совершенные машины, поддерживали плазму в рабочем состоянии в течение более длительного времени, создавали более мощные выбросы энергии. Затем, в 1990-х годах, Конгресс сократил финансирование термоядерного синтеза на основе магнитов, и прогресс замедлился.

Однако учёные не остановились на достигнутом. Используя компьютерные модели, они теперь могут с удивительной точностью моделировать поведение плазмы внутри реактора. Они понимают, почему одни вещи работают, а другие нет. Благодаря этим достижениям в 2022 году в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса от термоядерного синтеза было получено больше энергии, чем затрачено на питание входящих лазерных лучей, пусть и ненадолго. Они также помогли европейским исследователям произвести рекордное количество термоядерной энергии на установке в Великобритании в прошлом году.

Но чтобы пойти дальше, нужны новые машины. А новые машины требуют денег, причём в космических масштабах. Они также могут потребовать новых технологий и даже новых материалов.

«Братья Райт, располагая лишь инструментами из мастерской по ремонту велосипедов, смогли создать технологию, позволяющую летать, — говорит доктор Навратил. — С термоядерным синтезом так не получится».

Навстречу 2030-м годам

Зайдите в огромное новое здание компании Commonwealth Fusion Systems, расположенное в сельской местности штата Массачусетс, и вы окажетесь на строительной площадке: голый серый пол, приклеенные скотчем пластиковые листы, пауки по углам.

Но стоит пройти дальше, и вы натолкнётесь на стену: восемь футов бетона, обвивающего внутреннее святилище здания и защищающего окружающий мир от того, что находится внутри.

Здесь, в просторном и величественном, как храм, помещении, на алтарь вскоре будет возложена колоссальная машина. По кругу вокруг её ядра расположатся 18 гигантских магнитов, каждый из которых достаточно мощный, чтобы поднять авианосец. Когда машина будет включена, магнитные силы внутри неё будут такими же мощными, как у 10 тяжёлых ракет, взлетающих с Земли.

Только в индустрии термоядерного синтеза такая установка может считаться компактной, но именно таковой она и является: маленькая, но усовершенствованная версия токамака — термоядерного устройства в форме пончика, придуманного советскими физиками, которые учёные строили десятки раз с 1960-х годов.

Если в пруду коммерческого термоядерного синтеза и есть крупная рыба, то это Commonwealth. С момента своего основания в 2018 году компания привлекла более 2 миллиардов долларов — больше, чем любой другой термоядерный стартап.

Установка, которую компания строит в Массачусетсе, SPARC, является демонстрационным устройством. Commonwealth стремится к тому, чтобы SPARC производила чистую энергию, как она называет, пригодным для коммерциализации способом, в 2027 году. Следующая машина, ARC, по словам компании, начнёт генерировать электроэнергию для бизнеса в начале 2030-х годов.

(Название ARC дано не случайно — это название термоядерного устройства, построенного Тони Старком, героем комиксов «Железный человек». А среди инвесторов Commonwealth — фирма, одним из основателей которой является Роберт Дауни-младший, сыгравший Старка на экране.)

По словам Боба Мумгаарда, исполнительного директора компании, одна из причин, по которой Commonwealth уверена в достижении своих целей, заключается в том, что в некоторых отношениях SPARC — это «консервативная» машина, даже «скучная». Учёные уже так давно изучают и строят токамаки, что Содружеству не нужно изобретать велосипед, за исключением нескольких ключевых областей, говорит доктор Мумгаард.

Другими словами, вместо того чтобы брать воздушного змея и пытаться модернизировать его до сверхзвукового самолёта, Commonwealth начинает с довольно быстрого самолёта, говорит Брэндон Сорбом, главный научный сотрудник компании.

«Иногда на конференциях нас попрекают, — говорит доктор Сорбом. — Люди говорят: "Ребята, вы создали очень скучную машину". Ну вы же практически уверены в том, что она будет работать».

В результате сотрудники Commonwealth могут сосредоточиться на быстрой сборке SPARC — «режим бескомпромиссного исполнения», как называет его доктор Мумгаард, — а не ждать новых открытий в лаборатории. Они также могут сосредоточиться на главных магнитах SPARC, которые отличают его от предыдущих токамаков. Каждый магнит будет весить 30 тонн и содержать около 300 км сверхпроводящей ленты, которая тщательно наматывается машинами в аккуратные, плотные катушки — этот процесс занимает более 120 часов.

Однако уже сейчас компания Commonwealth направляет большую часть своей творческой энергии на ARC — машину, которую она хочет построить следующей. «Мы всё ещё находимся на крутом отрезке кривой обучения», — говорит доктор Мумгаард.

Учёные и инженеры компании всё ещё выясняют, например, как сделать так, чтобы плазма в ARC меньше «трепыхалась», и как уберечь части машины от перегрева. Они также изучают, насколько хорошо используемые материалы могут выдержать воздействие высокоэнергетических частиц, проходящих сквозь них, и не придётся ли дополнить их материалами, которые ещё предстоит изобрести.

Богиня зари

Как признаёт доктор Мумгаард, критики токамаков говорят, что это сложные штуковины.

Их трудно строить. Сложно разбирать и обслуживать. И они дорогие: по словам доктора Мумгаарда, строительство SPARC в итоге обойдётся примерно в 1,2 миллиарда долларов.

Самый большой токамак, который строится на Земле, — многонациональный проект во Франции под названием ITER (который, кстати, произносится как eater — «едок») — обойдётся в десятки миллиардов долларов и будет готов к экспериментам только к середине 2030-х годов.

Вот тут-то и проявляется другая сторона частного термоядерного бума. Большинство современных стартапов не следуют примеру ITER и Содружества и не строят токамаки. Они считают, что могут сделать термоядерный синтез дешевле и проще, используя другие типы машин, хотя разные конструкции добились разного уровня успешности и работоспособности.

«Их пригодность ещё не доказана, — говорит Эрл Мармар, физик из Массачусетского технологического института. — Но, знаете, удачи им. Надеюсь, скоро что-нибудь заработает».

Компании Type One Energy и Thea Energy работают над стеллараторами, которые похожи на токамаки, но они скрученные и сложным образом деформированы – как рисовал бы пончик Сальвадор Дали. Компания Realta Fusion строит реактор, который соучредитель компании Кэри Форест называет «конфетой»: это цилиндр с магнитами на обоих концах.

В офисном парке недалеко от Сиэтла компания Zap Energy создаёт термоядерные устройства, в которых нити плазмы, да, бьют током. Менее чем в миле от них компания Helion Energy работает над термоядерной установкой, которая выстреливает друг в друга два кольца плазмы. Helion заявляет, что начнёт использовать свою технологию для выработки электроэнергии для Microsoft в 2028 году.

По ту сторону канадской границы, недалеко от Ванкувера, компания General Fusion намерена сжимать плазму не с помощью причудливых магнитов, лазеров или других экзотических деталей, а с помощью поршней, похожих на те, что используются в автомобильных двигателях. Компания надеется продемонстрировать возможности своей новой машины в 2026 году.

«Сейчас это своего рода Дикий Запад, — сказал Ричард Мейджи, вице-президент по физическим исследованиям термоядерной компании TAE Technologies, демонстрируя испытательный реактор размером с автобус в Южной Калифорнии. — Будет очень интересно посмотреть, кто останется на ногах через 10 лет».

Когда речь идёт о большой цели — перевести человечество в эпоху термоядерного синтеза, больше компаний может означать больше успешных попыток, как говорит Жан-Поль Аллен, руководитель научной программы Министерства энергетики по термоядерному синтезу. Когда кто-то один забивает гол, выигрывают все.

Исследователей беспокоит то, насколько много обещают некоторые термоядерные стартапы и как скоро это произойдёт. Даже если их экспериментальные установки окажутся успешными, до того, как они будут готовы удовлетворить серьёзную долю потребностей планеты в электроэнергии, ещё далеко, говорит Стивен Коули, директор Принстонской лаборатории физики плазмы.

«Сейчас очень много нагнетаемой шумихи, — сказал доктор Коули. — Становится боязно за последствия обещаний, если люди не смогут выполнить свои обязательства».

Дэвид Гейтс три десятилетия проработал в правительственных лабораториях, а в 2022 году помог основать компанию Thea Energy. «Если бы вы спросили меня 10 лет назад: „Стоит ли мне создавать компанию по термоядерному синтезу? Я бы сказал, что вы сошли с ума“, — говорит доктор Гейтс. — Частный сектор не проявлял ни малейшего интереса к термоядерному синтезу».

Компания Thea работает над машиной под названием Eos. Тея, или Тейя, — греческая богиня зрения и света; её дочь — Эос, богиня зари.

И когда же заря наступит в Fusion? По крайней мере, Эос планируют запустить к 2030 году.