Τι απέγινε η Ψυχρή Σύντηξη; (και κάποια άλλα ενεργειακά θέματα)

 Η Ψυχρή Σύντηξη είναι η προσπάθεια επίτευξης Σύντηξης Υδρογόνου (ειδικότερα του ισοτόπου του, Δευτέριου) σε θερμοκρασία όχι πολύ μεγαλύτερη του περιβάλλοντος και με μία σχετικά απλή εγκατάσταση, με στόχο την παραγωγή αξιοποιήσιμης θερμικής ενέργειας.

Με Θερμή Σύντηξη «λειτουργεί» ο Ήλιος, ο οποίος καταφέρνει να ισορροπήσει με επιτυχία τις προς τα έξω πιέσεις που δημιουργεί η ενέργεια της Σύντηξης, με τις προς τα μέσα πιέσεις που δημιουργεί η βαρύτητά του.

Οι πυρήνες των τριών βασικών ισοτόπων του Υδρογόνου: του Πρωτίου (το κανονικό μόριο του Υδρογόνου), του Δευτερίου και του Τριτίου. Το Δευτέριο περιέχεται αντί Πρωτίου στα μόρια του κανονικού νερού σε ποσοστό περίπου 120 ppm, ενώ το Tρίτιο σε ίχνη. Στο ITER (βλ. παρακάτω) θα χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός Δευτερίου - Τριτίου.

Η Σύντηξη, αποτελεί σήμερα το Ιερό Δισκοπότηρο της επιστήμης, καθώς εφόσον επιτευχθεί, αναμένεται να λύσει το παγκόσμιο ενεργειακό πρόβλημα άπαξ δια παντός.

Βέβαια η Θερμή Σύντηξη έχει επιτευχθεί από το 1952 στη μορφή της βόμβας Υδρογόνου (θερμοπυρηνική), η οποία όμως προφανώς είναι τελείως ακατάλληλη για ειρηνικές εφαρμογές.

Ο λόγος, είναι το απαραίτητο «έναυσμα», που είναι μια θερμοκρασία της τάξης των αρκετών εκατομμυρίων βαθμών Κελσίου και η αντίστοιχη πίεση, που εύκολα δημιουργείται σε ένα θερμοπυρηνικό όπλο «σκάζοντας» μια πυρηνική βόμβα Σχάσης (ουρανίου ή πλουτωνίου) κατ’ αρχήν, ώστε να δημιουργηθούν οι συνθήκες για τη Σύντηξη στη συνέχεια.

Εάν τελικά γίνει δυνατόν να επιτευχθεί ελεγχόμενη Σύντηξη, θα λυθούν τα δύο σημαντικότερα προβλήματα των σημερινών ορυκτών και των πυρηνικών καυσίμων, δηλαδή η πεπερασμένη τους ποσότητα, η μόλυνση του περιβάλλοντος (από ατυχήματα μεταφοράς ή την καύση τους) και το φαινόμενο του θερμοκηπίου για τα πρώτα, και η ραδιενεργή μόλυνση σε περίπτωση ατυχήματος και τα ραδιενεργά απόβλητα, για τα δεύτερα.

Η καρδιά της εγκατάστασης ITER, ο «σαμπρελοειδής» θάλαμος μέσα στον οποίο δημιουργείται ένα πλάσμα Δευτερίου που κρατιέται μακριά από τα τοιχώματα με ισχυρά μαγνητικά πεδία. Το απαιτούμενο όμως πολύ υψηλό κενό μέσα στον θάλαμο δυσκολεύει σημαντικά την απαγωγή της παραγόμενης θερμότητα για αξιοποίηση. Η εξωτερική διάμετρος του θαλάμου είναι 30 μέτρα!

Μέχρι σήμερα, οι καλύτερες προσπάθειες για επίτευξη Σύντηξης απαιτούν πολύπλοκες και πανάκριβες εγκαταστάσεις πολλαπλών και πανίσχυρων laser, πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία και απόλυτο κενό, και παρόλα αυτά έχουν κατορθώσει μόλις και μετά βίας να εξασφαλίσουν το ισοζύγιο της εισαγόμενης στο σύστημα με την παραγόμενη ενέργεια, αποτελώντας τελικά ένα πολύ ενδιαφέρον επιστημονικό πείραμα, αλλά όχι μονάδα παραγωγής ενέργειας.

Αυτή τη στιγμή (ολοκληρωμένο κατά 75% το 2021) βρίσκεται υπό κατασκευή στη νότια Γαλλία ένα εργοστάσιο Σύντηξης με το ακρωνύμιο ITER, το πρώτο που εκτιμάται ότι θα έχει τη δυνατότητα σαφώς θετικού ισοζυγίου ενέργειας (και μάλιστα δεκαπλάσιο) στα μέσα της δεκαετίας του 2030 που εκτιμάται ότι θα λειτουργήσει κανονικά, αλλά και πάλι σαν «proof of concept» και όχι για την παραγωγή βιομηχανικής ενέργειας, και με εκτιμώμενο κόστος (προς το παρόν, γιατί συνεχώς ανεβαίνει) γύρω στα 30 δισεκατομμύρια δολάρια.

Οι Fleischmann και Pons το 1989.

Με αυτά τα δεδομένα, έπεσε σαν βόμβα η ανακοίνωση τον Μάρτιο του 1989 από δύο επιστήμονες, τον Μartin Fleischmann και τον Stanley Pons,  ότι πέτυχαν Σύντηξη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και μάλιστα με πολύ απλή διάταξη.

Αυτό είναι κάπως αντίστοιχο με το να επιτευχθεί υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου, αντί της πολύ χαμηλής θερμοκρασίας που είναι απαραίτητη σήμερα και  απαιτεί τη χρήση είτε έτοιμου υγρού άζωτου, είτε εγκατάστασης συνεχούς παραγωγής του.

Μάλιστα, το αμέσως προηγούμενο βήμα (για την υπεραγωγιμότητα) είχε γίνει το 1986 με την κατασκευή υλικών που γίνονταν υπεραγωγοί σε θερμοκρασίες που μπορούσαν να επιτευχθούν με υγρό άζωτο (-135 C), αντί των κλασικών υλικών που χρειάζονταν την ψυκτική ικανότητα (-243 C) του πολύ πιο απαιτητικού σε εγκαταστάσεις υγρού ηλίου.

H ιδέα για την Ψυχρή Σύντηξη υπάρχει πάντως από το 1920 (την «τρομερή δεκαετία» της σύγχρονης Φυσικής), ότι δηλαδή η σύντηξη πυρήνων Υδρογόνου (το Δευτέριο ανακαλύφθηκε μόλις το 1932) θα μπορούσε να πραγματοποιηθεί σε θερμοκρασία περίπου περιβάλλοντος, παρουσία ενός καταλύτη.

Η αρχή της συσκευής των Fleischmann / Pons. Ουσιαστικά πρόκειται για μια κλασική συσκευή ηλεκτρόλυσης νερού με κάθοδο από το σπάνιο μέταλλο Παλλάδιο (Pd), ενώ η άνοδος είναι από Πλατίνα). Ο ηλεκτρολύτης είναι Βαρύ Ύδωρ (νερό που στο μόριό του περιέχει Δευτέριο αντί κανονικό Υδρογόνο). Η ιδέα είναι ότι η ισχυρή προσρόφηση από το Παλλάδιο του Δευτερίου που ελευθερώνεται στην κάθοδο, θα το συμπίεζε αρκετά και θα αύξανε κατ’ αντιστοιχία την κινητική ενέργεια των μορίων του, ώστε κάποια απ' αυτά να συντηχθούν σε ήλιο. Η όλη συσκευή είναι βυθισμένη σε θερμιδομετρικό δοχείο, για να μετριέται με ακρίβεια η εκλυόμενη ενέργεια. (Εικόνα: Pbroks 13).

Μία από τις υλοποιήσεις της προηγούμενης θεωρητικής διάταξης, η συγκεκριμένη από το ερευνητικό κέντρο του Πολεμικού Ναυτικού των ΗΠΑ (SPAWAR).

Οι Fleischmann και Pons υπέθεσαν ότι η ισχυρή φυσική τάση του Παλλαδίου να απορροφά Δευτέριο (το Παλλάδιο απορροφά 900 φορές τον όγκο του σε Υδρογόνο, άρα το συμπιέζει με την ίδια αναλογία), θα κινητοποιούσε τα μόριά του αρκετά ώστε να συντηχθούν προς παραγωγή ηλίου.

Καθώς λοιπόν κάθε ηλεκτρόλυση νερού παράγει Υδρογόνο στην κάθοδο, εάν αντί Υδρογόνο παράγεται Δευτέριο, υπάρχει το ενδεχόμενο (μάλλον η ελπίδα, όπως αποδείχθηκε) ένα μικρό μέρος του να συντηχθεί μέσα στο Παλλάδιο προς ήλιο, παρότι η μεγαλύτερη ποσότητα θα διέφευγε στην ατμόσφαιρα.

Το πείραμα διαρκεί αρκετές ημέρες, μέσα σε θερμιδόμετρο ώστε να μετριέται η (ενδεχομένως) παραγόμενη ενέργεια, ενώ το Βαρύ Ύδωρ πρέπει να συμπληρώνεται περιοδικά.

Συνήθως η θερμοκρασία του ηλεκτρολυτικού κελιού που μετρούσαν οι Fleischmann και Pons παρέμενε σταθερή γύρω στους 30 C, αλλά σε κάποιες περιπτώσεις σύμφωνα με τους ίδιους, μέτρησαν αύξησή της στους 50 C, καθώς και εκπομπή νετρονίων και ιχνών Τριτίου, ενδεικτικών φαινομένων κατά την άποψή τους ενός θετικού ισοζυγίου ενέργειας για το πείραμα.

Το πρόβλημα όμως ήταν ότι καμία άλλη ομάδα επιστημόνων (και υπήρξαν πολλές που προσπάθησαν) δεν μπόρεσε να επαναλάβει και να επιβεβαιώσει τα αποτελέσματα, κάτι που είναι βασική προϋπόθεση για να έχει ένα πείραμα επιστημονική αξία.

Επιπλέον, οι περισσότεροι επιστήμονες δεν θεωρούσαν την εξήγηση που έδιναν οι Fleischmann και Pons για τη (ενδεχόμενη) λειτουργία της συσκευής τους, επαρκώς τεκμηριωμένη.

Το αρχικό πείραμα είχε χρηματοδοτηθεί από τους ίδιους τους ερευνητές με 100 χιλιάδες δολάρια, αλλά όταν μετά έναν μήνα από την αρχική δημοσίευση του πειράματος το πανεπιστήμιο της Utah στο οποίο εργάζονταν ο Pons ζήτησε 25 εκατομμύρια  δολάρια από το Κογκρέσο για τη συνέχισή των πειραμάτων, υπήρξε άρνηση.

Το Time της εποχής, σχολιάζοντας μάλλον απαισιόδοξα και ειρωνικά τον θόρυβο γύρω από την Ψυχρή Σύντηξη.

Την 1^η Μαΐου 1989, σε συνέδριο της Αμερικανικής Ένωσης Φυσικών για την Ψυχρή Σύντηξη, οι οκτώ από τις εννέα ομιλίες είχαν σαφώς αρνητική τοποθέτηση, ενώ η μία απέφευγε να πάρει θέση.

Παρόλα αυτά, τον Αύγουστο του ίδιου έτους το πανεπιστήμιο της Utah χρηματοδότησε με 4.5 εκατομμύρια δολάρια την ίδρυση ενός Ινστιτούτου για περαιτέρω έρευνα στο πεδίο αυτό.

Η «ταφόπλακα» όμως για την επίσημη έρευνα μπήκε τον Νοέμβριο του ίδιου έτους σε συνέδριο του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, που κατέληξε ότι τα αποτελέσματα δεν ήταν πειστικά.

Οι Fleischmann και Pons πάντως δεν το έβαλαν κάτω, και τον Ιανουάριο του 1991 πέτυχαν συνεργασία με την Toyota για να συνεχίσουν την έρευνά τους σε εργαστήριο στη Γαλλία, αλλά το 1998 και μετά από 12 εκατομμύρια δολάρια που ξοδεύτηκαν, η συνεργασία και η έρευνα σταμάτησε.

Το 2004 εξετάστηκε επίσημα στις ΗΠΑ το ενδεχόμενο να επανεκκινήσει η έρευνα για το θέμα, αλλά δεν προέκυψαν αρκετά νέα στοιχεία που να δικαιολογούσαν κάτι τέτοιο.

Σήμερα, κάποιες ανεξάρτητες ομάδες συνεχίζουν την έρευνα στον τομέα της Ψυχρής Σύντηξης, με ορισμένους δημοσιογραφικούς κύκλους να δίνουν και τις αναπόφευκτες «συνωμοσιολογικές» ερμηνείες για την αποτυχία της, το απλό γεγονός όμως παραμένει ότι ήταν ένα πολύ αισιόδοξο σενάριο για να είναι αληθινό. 
Πάντως μέχρι και σήμερα που γράφεται αυτή η ενημέρωση (τέλος του 2022) τα αποτελέσματα εξακολουθούν να παραμένουν αμφισβητούμενα και φαίνεται να έχει πάψει οποιοδήποτε ενδιαφέρον γύρω από το θέμα της Ψυχρής Σύντηξης, αν εξαιρέσουμε κάποιες ταινίες και διαφημίσεις που χρησιμοποίησαν τον όρο μάλλον με χιουμοριστικό ή "πιασάρικο" τρόπο.

YΓ. Σε μία από τις πιο ενδιαφέρουσες συνέχειες της ιστορίας, εμπλέκεται και μία εταιρεία κυπριακών συμφερόντων, η «Δευκαλίων», η οποία το 2011 και με τη συνεργασία του Ιταλού επιστήμονα Andrea Rossi επιδίωξε να ξεκινήσει στην Ελλάδα την κατασκευή μονάδων παραγωγής ενέργειας ισχύος μερικών δεκάδων kW, με μέθοδο βασισμένη στις γενικές αρχές της Ψυχρής Σύντηξης αλλά με τη χρήση Νικελίου αντί Παλλαδίου.
Η επένδυση τελικά δεν υλοποιήθηκε και μάλιστα στη συνέχεια διακόπηκε και η συνεργασία με τον Α. Rossi, ο οποίος προχώρησε μόνος του στην παραγωγή των δικών του μονάδων παραγωγής ενέργειας, με το όνομα E-cat.

Συστήματα ανάκτησης θερμικής ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας. 
Αν και όπως αναφέρθηκε παραπάνω, δεν πρέπει να περιμένουμε πολλά από τον τομέα της Ψυχρής Σύντηξης, υπάρχει ενδιαφέρουσα δραστηριότητα στον τομέα της έρευνας για την αξιοποίηση θερμικής ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας.

Είναι γνωστό, ότι οι θερμικοί κινητήρες των αυτοκινήτων σπαταλούν το 70 % της θερμικής ενέργειας του καυσίμου τους, ενώ ακόμα και για τα μεγάλα θερμικά εργοστάσια ηλεκτροπαραγωγής το νούμερο αυτό είναι γύρω στο 50 %.

Αυτό οφείλεται κυρίως στο γεγονός ότι για τεχνικούς λόγους δεν μπορεί να επιτευχθεί πολύ χαμηλή θερμοκρασία καυσαερίων ούτε να αποφευχθεί η ψύξη του κινητήρα, πράγμα που αφήνει μεγάλα περιθώρια εξοικονόμησης ενέργειας, εφόσον έστω και το 50 % αυτής της ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας θα μπορούσε να ανακτηθεί και αξιοποιηθεί*.

Να σημειωθεί εδώ ότι αυτό σήμερα ήδη γίνεται, μόνο όμως στις περιπτώσεις που υπάρχει η δυνατότητα να αξιοποιηθεί η ενέργεια χαμηλής θερμοκρασίας των εργοστασίων σε τηλεθέρμανση, ή των αυτοκινήτων στο καλοριφέρ τους.

* Ένα τέτοιο σύστημα θα ήταν μια γεννήτρια με κινητήρα Stirling (κινητήρας εξωτερικής καύσης που μπορεί να αξιοποιήσει μικρές σχετικά θερμοκρασιακές διαφορές), όμως με τη σημερινή τεχνολογία θα ήταν αρκετά ογκώδες και ακριβό.

Υπάρχει συνεπώς πολύ μεγάλο περιθώριο εξοικονόμησης ενέργειας, και δύο από τα πλέον ελπιδοφόρα συστήματα (στο ερευνητικό στάδιο προς το παρόν) που επιδιώκουν να αξιοποιήσουν τη θερμική ενέργεια χαμηλής θερμοκρασίας (θερμοκρασία χαμηλότερη από 100 C), αναφέρονται στη συνέχεια.

Το πρώτο σύστημα είναι του πανεπιστημίου του Yale και χρησιμοποιεί «μεμβράνη νανοφυσαλίδων», μία μέθοδο που αξιοποιεί τις ιδιότητες ορισμένων υδρόφοβων νανοϋλικών να παγιδεύουν μικροφυσαλίδες αέρα.

Στην περίπτωση αυτή όμως πρόκειται για ατμό που παράγεται από τη θερμότητα προς αξιοποίηση, που ταξιδεύει μέσα από τη μεμβράνη στην άλλη πλευρά της όπου και συμπυκνώνεται, δημιουργώντας μια σημαντική διαφορά πίεσης.

Η διαφορά πίεσης αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κίνηση ενός στροβίλου που κατά τα γνωστά θα κινεί μια γεννήτρια και θα παράγει ηλεκτρική ενέργεια (σχέδιο κάτω).

Το δεύτερο σύστημα των πανεπιστημίων Stanford – MIT βασίζεται στο «θερμογαλβανικό φαινόμενο», σύμφωνα με το οποίο ένας ξεφόρτιστος συσσωρευτής με ηλεκτρόδια από ειδικά (και διαφορετικά μεταξύ τους) κράματα χαλκού, αρχικά θερμαίνεται στους 60 C, μετά φορτίζεται με ρεύμα, ενώ στη συνέχεια ψύχεται στη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Κατόπιν είναι έτοιμος να χρησιμοποιηθεί, παρέχοντας αρκετά μεγαλύτερη ποσότητα ηλεκτρισμού από αυτή που χρειάστηκε για να φορτιστεί, και μετατρέποντας με τον τρόπο αυτό ένα ποσοστό της τάξης του 50 % της θερμότητας που δαπανήθηκε για τη θέρμανσή του, σε ηλεκτρισμό.

Αυτό αποτελεί μία σημαντική βελτίωση της απόδοσης σε σχέση με ένα κοινό θερμοηλεκτρικό στοιχείο, που και αυτό ουσιαστικά μετατρέπει θερμότητα σε ηλεκτρισμό, αλλά με πολύ χαμηλότερη απόδοση και αρκετά υψηλότερο κόστος.

Μένει όμως να δούμε αν ο ίδιος ο κινητήρας εσωτερικής καύσης θα έχει αρκετό μέλλον, ώστε η έρευνα για συστήματα ανάκτησης ενέργειας χαμηλής θερμοκρασίας να έχει ενδιαφέρον, ή όπως διαφαίνεται η εξέλιξη των κινητήρων εσωτερικής καύσης θα εγκαταληφθεί σταδιακά προς όφελος της ηλεκτροκίνησης και κυρίως της έρευνας για τη βελτίωση της χωρητικότητας των μπαταριών κίνησης και της ταχύτητας φόρτισής τους.

Σύστημα ανάκτησης γεωθερμικής ενέργειας μεγάλου βάθους.

Η γεωθερμική ενέργεια είναι μία πολύ καθαρή και σταθερή ενέργεια, αρκεί βέβαια να υπάρχει πρόσβαση σ' αυτήν. Κάτι που μέχρι σήμερα μόνο η Ισλανδία έχει καταφέρει να αξιοποιήσει σε μεγάλη κλίμακα, αξιοποιώντας τη γεωλογική ιδιαιτερότητά της. Αντίθετα, δοκιμαστική γεώτρηση μέχρι του βάθους των 12 km στη Ρωσία τελικά εγκαταλήφθηκε, καθώς συνάντησε θερμοκρασίες που πλησίαζαν τους 200 C και το υλικό άρχισε να ρέει κλείνοντας βαθμιαία την τρύπα.
Το 2018 όμως, ιδρύθηκε η νεοφυής (start up) εταιρεία Quaise Energy από απόφοιτους του πανεπιστημίου ΜΙΤ στις ΗΠΑ, με σκοπό τη διάνοιξη τρύπας βάθους 20 km στον φλοιό της Γης, χρησιμοποιώντας ένα πρωτοποριακό τρυπάνι μικροκυμάτων πολύ υψηλής συχνότητας (γυροτρόνιο, 100-300 GHz) και ισχύος 1 MW, με στόχο να διερευνήσει τη δυνατότητα παραγωγής ενέργειας υπέρθερμου ατμού από τις θερμοκρασίες των 400-500C που επικρατούν στα βάθη αυτά.
Με αυτό το σύστημα, τα τοιχώματα της τρύπας υαλοποιούνται και έτσι εμποδίζεται το κλείσιμό τους. Η εταιρεία εκτιμά ότι θα φθάσει στα 20 km βάθος μέσα σε 100 ημέρες από την έναρξη των εργασιών της, κάπου στα μέσα της δεκαετίας του 2020, ενώ μέχρι το τέλος του θα έχει ξεκινήσει (τρυπώντας με ισχυρότερη συσκευή και σε μεγαλύτερη διάμετρο) να παράγει και ηλεκτρική ενέργεια, αξιοποιώντας τις εγκαταστάσεις κάποιου από τα απενεργοποιημένα εργοστάσια παραγωγής ενέργειας από άνθρακα.

Ο κινητήρας σύντηξης της Pulsar Fusion.

Φαίνεται πολύ ωραίο για να είναι αληθινό, αλλά μια start up εταιρεία με έδρα το Beltchey στην Αγγλία σχεδιάζει έναν πυραυλοκινητήρα με το όνομα Direct Fusion Drive, ο οποίος θα λειτουργεί συνδυάζοντας την αρχή της σύντηξης χαμηλής ραδιενέργειας και αυτής του κινητήρα ιόντων. 

Η συσκευή θα καταναλώνει μικρές ποσότητες Ηλίου-3 και Δευτερίου (Υδρογόνο-2) για την επίτευξη συνθηκών σύντηξης μέσα στον θάλαμο, όπου το πλάσμα θα διατηρείται συγκεντρωμένο με μαγνητικούς δακτυλίους, ενώ στη συνέχεια θα εγχέεται μια ποσότητά αδρανούς αερίου που θα εκτοξεύεται με μαγνητικούς επιταχυντές δημιουργώντας ώθηση.
Προφανώς η συσκευή θα δουλεύει μόνο στο κενό του Διαστήματος, αλλά θα προσφέρει μακροχρόνια επιτάχυνση ικανή να συντομεύσει σημαντικά τα ταξίδια στο Ηλιακό Σύστημα.
Δοκιμές αναμένονται μέσα στο 2024.

                                                                                                                                    Γ. Μεταξάς