Kako krmiliti fuzijski reaktor in največji teleskop

Predstavljajte si projektiranje krmilnih sistemov za velikanske futuristične naprave, kot so fuzijski reaktor, pospeševalnik za proizvodnjo visokoenergijskih nevtronov in radioteleskop v puščavi Atacama v Čilu. O slovenskem deležu pri vsem tem govori namestnik direktorja Igor Verstovšek iz podjetja Cosylab v Ljubljani, ki je pred desetimi leti nastalo kot odcepljeno podjetje Instituta Jožef Stefan.

Trenutno se ukvarjate z več projekti. Kateri od njih je najbolj futurističen?

To je ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor. Je tudi največji, njegova skupna vrednost je ocenjena na petnajst milijard evrov: pet do deset milijard za zgraditev, ostalo pa za obratovalne stroške v prvih desetih ali petnajstih letih. Gre za fuzijski reaktor, torej tak na zlivanje atomskih jeder.

To pa je futuristično.
Zelo. In že 50 let govorijo, da bo to čez 20, 40 let rešilo vse naše energijske težave. Prvi načrti so iz 50., 60. let prejšnjega stoletja.

ITER naj bi imel izkoristek reakcije večji od ena. To pomeni, da bomo dobili iz njega več energije, kot jo bomo dovedli.

To je nemogoče.
Zakaj bo izkoristek tolikšen? V njem se bodo zlivala atomska jedra, in sicer devterijeva in tritijeva v helijeva; to je tudi reakcija, ki poteka v Soncu. Energijsko je veliko učinkovitejša od tiste, ki temelji na običajnem razpadanju jeder, v navadnih jedrskih elektrarnah oziroma njihovih reaktorjih. Vendar je problem, pozitivno nabite delce stisniti toliko skupaj, da pride do zlitja jeder, zelo velik. In to je težava te reakcije. Sredi Sonca zaradi njegove mase vlada velikanski tlak, tu na Zemlji pa znamo reakcijo te vrste za zdaj sprožiti samo nekontrolirano, z eksplozijo atomske in vodikove bombe.

Nadzorovano jo lahko sprožimo z napravo, imenovano tokamak, s tuljavami v obliki nekakšnega krofa, v katerem teoretično lahko ustvarimo kolobar oziroma svitek zelo segretih delcev. V tako nastalo plazmo potem dovajamo zelo veliko energije in na ta način zaženemo reakcijo. Takoj, ko presežemo kritično gostoto in temperaturo, se začno jedra zlivati in iz reaktorja prihaja energija, zelo veliko energije. In šele od tu naprej govorimo o visokem izkoristku kot razmerju med dovedeno in pridobljeno energijo.

O izkoristku, večjem od ena. To je, bi človek rekel, že teoretično nemogoče, kaj šele praktično.
No, energija se seveda ohranja, to vse velja, ampak tako kot recimo pri katerikoli elektrarni je pač treba najprej vložiti nekaj energije zato, da elektrarna sploh dela, za kar potrebujemo neko gorivo, šele potem dobimo iz nje več energije, kot smo je vložili. Dobra stran fuzijskega reaktorja je dejstvo, da so gorivo tu vodik, težki vodik in tritij, ki ga je sicer zelo težko pridobivati, a ga je mogoče sproti proizvajati z neko drugo reakcijo znotraj tokamaka. Vodik in težki vodik sta v bistvu brezplačna, glavno vprašanje pa se glasi, kako proces stabilizirati, da bo sploh potekal. Poleg tega se je izkazalo, da večji ko je tokamak, boljši je izkoristek. Zato je tokamak tu res velik. Konkretneje povedano, komora, v kateri sta vakum in plazma, ima premer 12,4 metra, skupaj z magneti in hladilnimi sistemi pa je premer naprave približno 30 metrov. In tuljave morajo biti superprevodne. Cena je tako visoka zaradi obojega.

To pomeni, da je treba tuljave ohladiti na ... blizu absolutne ničle.
Tako je. Hlajene so s tekočim helijem na štiri stopinje nad absolutno ničlo.
Zanimivo, tu je torej strahotno visoka temperatura, čisto blizu zraven pa absolutna ničla.
Gre za največji temperaturni gradient v znanem vesolju. V Soncu in drugih zvezdah je pač vse vroče, tukaj pa moramo imeti oboje. Potrebno je torej sodelovanje vsega sveta, saj je zadeva za izvedbo zelo zahtevna in zelo draga.

Kje bo stal reaktor in kdo so partnerji?
V Franciji, na provansalskem posestvu Cadarache, blizu Marseilla. Evropska unija je en partner, potem so še ZDA, Japonska, Rusija, Kitajska, Indija in Južna Koreja, torej praktično ves razviti svet.
Bilo je precej politike, ne le glede vprašanja, kje bo stal reaktor, temveč tudi, kdo ga bo neposredno nadzoroval. Zato bo tudi več kontrolnih sob: glavna v Franciji, druge pa po vseh državah članicah, kjer bodo lahko izvajali eksperimente na sami napravi. Tu gre za politični kompromis, ki pa postavlja dodatne izzive za razvoj krmilnega sistema.
V osnovi bo reaktor še vedno eksperimentalen. Tu hočejo predvsem potrditi, da je lahko izkoristek res večji ali enak deset. Za pravo elektrarno pa bi morali dodati še parogenerator, turbino, električni generator itd.

Kam bo šla potem pridobljena toplota? V zrak?
Ja, v hladilne sisteme. Sicer pa bodo potekali zelo različni poskusi, tako da bo ta izkoristek večji od deset samo v določenih primerih. Tako da bi bilo po mojem iz tega tudi načeloma nemogoče narediti pravo elektrarno.
In kaj pri tem konkretno dela Cosylab?
Krmilni sistem. Naprav in signalov v njih, ki jih je treba krmiliti in meriti, je več sto tisoč. Izzivi so obdelava podatkov, časovna sinhronizacija ...

... potreben bo superračunalnik.
Ja, kompleten superračunalniški center. Mi sicer ne delamo vsega tega, pripravljamo pa programsko in izbiramo aparaturno opremo za nadzor teh naprav ter skupaj z Iterjem snujemo pravila, kako se bo vse to sestavljalo. Naredili smo tudi nekaj študij, kako bo s časovno sinhronizacijo, ali je to sploh izvedljivo, katere tehnologije to omogočajo itd. To bi bile lahko kritične zadeve na projektu, toda zdaj je videti, da krmilni sistem ne bo tisti, ki bo kritičen.

Ravno sem hotel reči, da bo.
Lahko bi bil, vendar sta programska in strojna oprema v zadnjih desetletjih tako napredovali, da je nalogo danes mogoče rešiti enostavneje kakor pred mnogimi leti. Dobro je tudi, da smo začeli s pospeševalniki in nam zdaj te izkušnje pridejo zelo prav.

Koliko ljudi konkretno dela na tem?
Iz Cosylaba med 10 in 15. Projekt zdaj traja že tri leta in bo lahko trajal še naslednjih deset let. Večina projektov, s katerimi delamo, je zdaj tega velikostnega reda.
Imamo tudi doktorje fizike in zelo veliko delamo z inštituti. Tam jim je všeč, da izhajamo iz tega okolja, da torej nismo le še ena komercialna firma več, da razumemo njihov jezik in s tem, kar nam oni povedo, znamo delati. Oni rešujejo svoje fizikalne probleme, mi pa jih znamo rešiti še tehnično in jih nazadnje tudi implementirati.

Vendar to ni edini projekt, s katerim se ukvarja Cosylab. Kako zmorete vse?
Skupaj nas je v podjetju več kot 50 fizikov, inženirjev in doktorjev znanosti pa še kakih 30 najboljših študentov, povezanih v več delovnih skupin okoli velikih projektov. Ravno zdaj organiziramo še eno, zelo veliko, in sicer za ESS, European Spallation Source. Spalacija je proces ustvarjanja nevtronov za izvajanje eksperimentov, dobimo pa jih iz posebnega visokoenergijskega pospeševalnika. Nevtroni so zelo primerni tudi za zelo fine eksperimente, ker so električno nevtralni, zelo so uporabni recimo v nanotehnologiji. Evropska unija bo postavila tak pospeševalnik na Švedskem, v Lundu, primerljiva dva pa sta še tista v Ameriki in na Japonskem. Sodelujemo tudi pri ameriškem SNS, Spallation Neutron Source. In tudi tam smo prevzeli odgovornost za razvoj delov krmilnega sistema.

Kateri del projektiranja takih naprav je najzahtevnejši?
Vsak projekt ima nekaj, kar je najbolj zahtevno. Recimo pri Iterju je najzanimivejše vprašanje, kako bodo vzdržali materiali. Tega še ne vemo, to je v bistvu največji problem. Lahko se zgodi marsikaj. Morda bo proizvodnja nevtronov celo tolikšna, da bo vse razpadlo. In to jih skrbi. Dalje, pri European Spallation Source so problem pospeševalne komore in energija. Krmilni sistem je velikokrat zelo pomemben. Če ga narediš narobe, se zelo vidi. To je nekako tako, kot električna napeljava v hiši: karkoli je narobe, se takoj vidi, če pa vse deluje, kot mora, se pa niti ne opazi.

Malo nehvaležna vloga.
Ja, točno to. In problem je tudi, da lahko krmilni sistem preizkusiš šele na koncu, ko pride vse skupaj. In če karkoli narediš narobe, te potem vsi gledajo postrani, češ, zakaj pa tega nisi ugotovil že prej. Vendar so to stvari, ki jih ne moreš preizkusiti, dokler nimaš vsega. To je eden večjih problemov tovrstnega krmilnega sistema in ravno zato je pri njih tako pomembno, da lahko izkušnje iz pospeševalnikov uporabiš na novo.
In tu je Cosylab v veliki prednosti tako pred inštituti kot pred drugimi podjetji, saj smo do zdaj sodelovali že pri več kot 70 projektih z vsega sveta. Vemo, kaj je kje posebnost in kako je to aplicirano na nov projekt. V nasprotju s tem, kakor so delali prej, ko Cosylaba še ni bilo. Zaposlili so svoje ljudi, ki so se morali na novo učiti in svoje naprave in kako izgledajo krmilni sistemi, oboje pa jim je uspelo povezati šele precej pozneje. Mi pa, ki smo zraven od začetka, lahko že takoj povemo, kaj je bistvo. Tako da krmilni sistem zdaj v večini primerov ni več tisti, ki lahko celo zadevo tehnično skorajda ustavi, ker probleme znamo rešiti mi. Le stvari je treba narediti prav in vedeti je seveda treba, kako.

Ali lahko navedete še kakšen projekt, primerljiv s tema dvema?
Ja, to je trenutno največji astronomski projekt poleg vesoljskih teleskopov, imenuje pa se ALMA, Atacama Large Millimeter Array. Naš del smo že končali. Gre za 12-metrske radioteleskopske antene v puščavi Atacama. Ko bo vse končano, jih bo nekje med 50 in 64. To je v Čilu, na 5000 metrih nadmorske višine. Med njimi bodo nekatere tudi premične. V bistvu gre za interferometer, kar pomeni, da so vse te antene ...

... usmerjene v isto točko neba?
Tako je. Signali se seštevajo, vse skupaj deluje kot ena sama velika antena, ki zdaj že začenja obratovati. Glavno območje opazovanja je valovna dolžina milimeter in manj. To je zelo malo in pomeni, da je treba antene pozicionirati s tolikšno natančnostjo, ker mora biti napaka manjša od valovne dolžine.
Z radioteleskopom bo mogoče opazovati, kako so nastale prve galaksije, navadne zvezde, planeti itd. Uporaben bo tudi za vesoljsko kemijo in ugotavljati, kateri elementi, ki niso primarni zvezdni, so okrog planetov, kar je pomembno tudi za iskanje življenja itd.

To so elementi razen vodika in helija, kajne?
Ja.

In tudi tu je seveda potreben krmilni sistem, ker je treba vse te posamezne antene povezati v en sam sklop.
Tako je. In izkaže se tudi, da so tehnologije distribuiranega krmiljenja tako velike stvari zelo podobne pospeševalniškim.

In to je, pravite, že narejeno?
Z opazovanji so začeli oktobra lani, vse antene pa bodo do konca zgrajene in vključene v sistem predvidoma do 2013.

Pri 12-metrskih »skledah« je problem že poves zaradi lastne teže.
Ja, pa zaradi temperaturnih razlik. Vzrok je osončenje.

Vlaga pa tam ni problem, kajne?
Ne, v povprečju imajo pol oblačnega dneva na leto. Je pa tik zatem, ko so objavili, kako zelo je tam suho, dva dni deževalo.

Atacama je menda najbolj suha puščava na svetu.
Poleg vsega je še na veliki nadmorski višini, kar še dodatno posuši zrak. In vse to omogoča, da so delovne razmere res ugodne. Tam je Evropska astronomska opazovalnica, ESO, European Southern Observatory, evropski observatorij za opazovanje južnega neba. Imajo tudi optične teleskope.

Da Evropa lahko vidi tudi južno polovico neba.
To je en razlog. Poleg tega gre tudi za dejstvo, da je na stari celini danes že zelo težko najti kraj s takimi razmerami. Pa ne samo zaradi večje vlage, temveč tudi zaradi naseljenosti in s tem povezane radijske in svetlobne onesnaženosti, vojn itd.