I n-amanna réamh-dhóiteáin an 5 Meán Fómhair, 2021, shroich innealtóirí míle stoirm shuntasach i saotharlanna Ionad Eolaíochta Plasma agus Comhoibrithe MIT (PSFC), nuair a shroich cineál nua maighnéid, a rinneadh as ábhar superconductor ard-teocht, laigeacht maighnéid domhanda de 20 tesla do mhaighnéid ar scála mór. Sin é an laigeacht atá ag teastáil chun planda cumhachta comhoibrithe a thógáil a bhfuiltear ag súil go gcuirfidh sé amach aschur net cumhachta agus go bhféadfadh sé ré a thabhairt isteach de tháirgeadh cumhachta beagnach gan teorainn.
D'fhógair an tástáil go gasta mar rath, tar éis di comhlíonadh na critéar go léir a leagadh síos do dhearadh an ghléas fuinnimh nua, ar a dtugtar SPARC, ar a bhfuil na maighnéid mar theicneolaíocht chabhrach ríthábhachtach. Phop na corkaí champagne agus na foirne tástála tuirseach, a d'oibrigh go crua agus go fada chun an éacht a dhéanamh indéanta, ag ceiliúradh a n-éachtaí.
Ach níorbh é sin deireadh an phróisis. Le himeacht na míonna, d'oscail an foireann na comhpháirteanna de na maighnéid, d'athbhreithnigh agus d'analúigh siad na sonraí ó na céadta uirlisí a thaifead na sonraí faoin tástáil, agus rinneadh dhá thástáil bhreise ar an maighnéad céanna, ag brú é go dtí a phointe briste chun na sonraí a fhoghlaim faoi aon mhodhanna teip a d'fhéadfadh a bheith ann.
Tá an obair seo go léir tar éis a bhuachan anois i dtuarascáil mhionsonraithe ag taighdeoirí ag PSFC agus MIT spinout cuideachta Commonwealth Fusion Systems (CFS), a foilsíodh i mbailiúchán de shé páipéir athbhreithnithe le comhghleacaithe i eagrán speisialta de eagrán Márta de IEEE Transactions on Applied Superconductivity . Le chéile, déanann na páipéir cur síos ar an dearadh agus ar an gcruthú ar an maighnéad agus ar an trealamh diagnóise a theastaíonn chun a fheidhmíocht a mheas, chomh maith leis na ceachtanna a foghlaimíodh ón bpróiseas. Ar an iomlán, fuair an foireann, go raibh na tuairimí agus an múnlú ríomhaireachta ar an airde, ag deimhniú go bhféadfadh gnéithe uathúla dearadh an maighnéid a bheith mar bhonn do phlanda fuinnimh comhoibrithe.
Ag cur ar chumas fuinneamh comhoibrithe praiticiúil
Deir an tOllamh Innealtóireachta Dennis Whyte ó Hitachi America, a d'éalaigh le déanaí ó bheith ina stiúrthóir ar an PSFC, go raibh an tástáil rathúil ar an maighnéad “an rud is tábhachtaí, i mo thuairim, sna 30 bliain atá caite de thaighde fuinnimh comhoibrithe.”
Roimh an léiriú ar an 5 Meán Fómhair, bhí na maighnéid superconductor is fearr atá ar fáil láidir go leor chun fuinneamh comhoibrithe a bhaint amach — ach amháin ag méideanna agus costais nach bhféadfadh a bheith praiticiúil nó inbhuanaithe ó thaobh eacnamaíochta de. Ansin, nuair a thaispeáin na tástálacha praiticiúlacht maighnéid chomh láidir sin ag méid mór laghdaithe, “oíche amháin, d'athraigh sé go bunúsach an costas in aghaidh an watt de reaktor comhoibrithe le fachtóir de thart ar 40 i laethanta amháin,” a deir Whyte.
“Anois tá seans ag comhoibriú,” a chuireann Whyte leis. Tá seans ag Tokamaks, an dearadh is coitianta a úsáidtear do ghléasanna comhoibrithe turgnamhach, “i mo thuairim, a bheith inbhuanaithe mar go bhfuil athrú cainníochtúil agat ar do chumas, le rialacha fisice comhoibrithe a bhfuil aithne orthu, maidir le bheith in ann méid agus costas na n-ábhar a laghdú go mór a d'fhéadfadh comhoibriú a dhéanamh indéanta.”
Tugann na sonraí cuimsitheacha agus anailís ó thástáil maighnéad PSFC, mar a leagtar amach sna sé páipéar nua, le fios go bhfuil pleananna do ghlúin nua de ghléasanna comhoibrithe — an ceann a dhear MIT agus CFS, chomh maith le dearadh comhchosúil ó chuideachtaí comhoibrithe tráchtála eile — bunaithe ar bhonn láidir sa eolaíocht.
An dul chun cinn superconductor
Is é comhoibriú, an próiseas a bhaineann le comhoibriú adaimh éadroma chun iad a dhéanamh níos troma, a chothaíonn an ghréin agus na réaltaí, ach tá sé cruthaithe go bhfuil sé ina dhúshlán mór é a chur i bhfeidhm ar an Domhan, le blianta fada oibre crua agus go leor billiún dollar a chaitheamh ar ghléasanna turgnamhach. Is é an sprioc a bhí á lorg le fada, ach nár éirigh leis go fóill, ná planda cumhachta comhoibrithe a thógáil a tháirgeann níos mó fuinnimh ná a thógann sé. D'fhéadfadh planda cumhachta den sórt sin leictreachas a tháirgeadh gan gásanna ceaptha teasa a scaoileadh le linn oibríochta, agus ag giniúint an-luachmhar dramhaíl radaighníomhach. Is é breosla comhoibrithe, foirm hidrigine a d'fhéadfadh a bheith bunaithe ar uisce farraige, beagnach gan teorainn.
Ach chun é a dhéanamh ag obair, tá sé riachtanach an breosla a comhoibriú ag teochtaí agus brúanna an-ard, agus ó tá aon ábhar a bhfuil aithne air nach féidir le teochtaí mar sin a sheasamh, caithfear an breosla a choinneáil ar an áit le réimsí maighnéadacha an-láidir. Éilíonn táirgeadh réimsí chomh láidir sin maighnéadanna superconductor, ach tá gach maighnéad comhoibrithe roimhe seo déanta le hábhar superconductor a éilíonn teochtaí fuaracha thart ar 4 céim os cionn an t-ábhar neamhchinnte (4 kelvins, nó -270 céim Celsius). Le cúpla bliain anuas, cuireadh ábhar níos nuaí ar a dtugtar REBCO, do ocsaíd copair barium na talún, le maighnéad comhoibrithe, agus ligeann sé dóibh oibriú ag 20 kelvins, teochtaí a bhfuil, cé go bhfuil sé ach 16 kelvins níos teo, buntáistí suntasacha a thabhairt i dtéarmaí tréithe ábhartha agus innealtóireacht praiticiúil.
Ní raibh sé ach ábhar é a chur in ionad na n-ábhar nua seo atá thar-sheoltóch ag teocht níos airde i ndearaí maighnéada atá ann cheana féin. Ina ionad sin, bhí sé ina ath-obraíocht ó bhonn suas de beagnach na prionsabail go léir a úsáideann tú chun maighnéid thar-sheoltóireachta a thógáil, a deir Whyte. Tá an t-ábhar nua REBCO iondúil difriúil ó ghlúin roimhe seo de shupráincheannairí. Ní hamháin go mbeidh tú ag dul chun oiriúnú agus a athsholáthar, beidh tú ag nuálaíocht i ndáiríre ó bhonn suas. Na páipéir nua i Transactions on Applied Superconductivity déanfar an próiseas athdhearadh sin a thuairisciú go mion, anois go bhfuil cosaint paitinne i bhfeidhm.
Nuálaíocht thábhachtach: níl aon insliú
Duine de na nuálaíochtaí drámatúla, a raibh go leor daoine eile sa réimse amhrasach faoi na seansanna a bhí aige, ba é an t-aistriú ar an insliú timpeall na snáithíní tanaí, leibhéalacha de théip superconductor a chruthaigh an maighnéad. Cosúil le beagnach gach sreang leictreach, tá maighnéid superconductor traidisiúnta go hiomlán cosanta ag ábhar inslithe chun cosc a chur ar ghearrthóga idir na sreanga. Ach sa maighnéad nua, bhí an téip fágtha go hiomlán nocht; bhí na hengineers ag brath ar choinníollacht i bhfad níos mó REBCO chun an reatha a choinneáil ag sreabhadh tríd an ábhar.
“Nuair a thosaíomar an tionscadal seo, inis go 2018, bhí an teicneolaíocht a bhaineann le supercondóirí ardteochta a úsáid chun maighnéid ard-fhórsa a thógáil ar scála mór ag a céim tosaigh,” a deir Zach Hartwig, an tOllamh Forbartha Gairme Robert N. Noyce sa Roinn Eolaíochta Núicléiche agus Innealtóireachta. Tá comhoifig ag Hartwig ag an PSFC agus is é ceann na grúpa innealtóireachta atá freagrach as an tionscadal forbartha maighnéid. “Ba é an staid ealaíne turgnaimh bheaga ar bhord, nach raibh i ndáiríre ionadaíoch ar an méid a theastaíonn chun rud a thógáil ar scála iomlán. Thosaigh ár dtionscadal forbartha maighnéid ar scála bord agus críochnaigh sé ar scála iomlán i méid ama gairid,” a chuireann sé leis, ag tabhairt le fios go tógadh foireann maighnéid 20,000 punt a tháinig le réimse maighnéid seasta, comhoiriúnach de thart ar 20 tesla — i bhfad níos faide ná aon réimse den sórt sin a tháinig riamh ar scála mór.
“Is é an bealach caighdeánach chun na maighnéid seo a thógáil ná go ndéanfaí an comhoibriú a chaitheamh agus go mbeadh insliú idir na casadh, agus teastaíonn insliú chun déileáil leis na voltas ard a ghintear le linn imeachtaí neamhghnácha mar shrian.” Ag baint na sraitheanna inslithe, deir sé, “tá an buntáiste ann a bheith ina chóras voltas íseal. Cuireann sé go mór le próisis déantúsaíochta agus le sceidil.” Fágann sé freisin níos mó spáis do dhéantáin eile, cosúil le níos mó fuaraithe nó níos mó struchtúir le haghaidh neart.
Is leagan beagán níos lú de na maighnéid a bheidh ag cruthú an chamber cruth donut de ghléas comhoibrithe SPARC atá á thógáil anois ag CFS i Devens, Massachusetts. Comhtháthaíonn sé 16 pláta, ar a dtugtar pancóga, gach ceann acu ag iompar casadh spioradach den téip superconductor ar thaobh amháin agus cainéil fuaraithe do ghas héilíom ar an taobh eile.
Ach cuireadh an dearadh gan insliú i gcontúirt, agus bhí go leor ag brath ar an gclár tástála. “Seo an chéad maighnéad ag aon scála leordhóthanach a scrúdaigh go fírinneach cad atá i gceist le dearadh, tógáil agus tástáil maighnéid leis an teicneolaíocht gan insliú gan casadh,” a deir Hartwig. “Ba é an-chuid iontas do na daoine sa phobal nuair a d’fhógair muid go raibh sé ina chiorcal gan insliú.”
Ag brú go dtí an teorainn … agus níos faide
Thug an tástáil tosaigh, a tuairiscíodh i ndoiciméid roimhe seo, le fios go raibh an dearadh agus an próiseas déantúsaíochta nár oibrigh amháin ach go raibh sé an-stáit — rud a raibh amhras ag roinnt taighdeoirí air. D’fhuair na dhá rith tástála eile, a rinneadh freisin ag deireadh 2021, an gléas go dtí an teorainn trí choinníollacha neamh-stáit a chruthú go deonach, lena n-áirítear múchadh iomlán ar an gcumhacht atá ag teacht isteach a d’fhéadfadh a bheith ina chúis le teasa tubaisteach. Ar a dtugtar quenching, cuireadh seo i gcontúirt mar an scéal is measa do chruinneas na maighnéid sin, le poitéinseal chun an trealamh a scriosadh.
Cuid de mhisean an chláir tástála, a deir Hartwig, ba ea “dul ar aghaidh agus an magnet iomlán a chur as feidhm go deonach, ionas go bhféadfaimid an t-eolas criticiúil a fháil ag an scála ceart agus na coinníollacha cearta chun an eolaíocht a chur chun cinn, chun na cóid dearaidh a fhíorú, agus ansin an magnet a dhíscaoileadh agus a fheiceáil cad a chuaigh mícheart, cén fáth a chuaigh sé mícheart, agus conas a thógfaimid an chéad athrú eile chun é sin a shocrú. … Ba tástáil an-rathúil í.”
Deir Hartwig go raibh an tástáil dheireanach sin, a chríochnaigh le leá na cúinne amháin de cheann de na 16 pancake, tar éis a bheith ina fhoinse saibhir faisnéise nua. Ar an gcéad dul síos, bhí siad ag úsáid roinnt samhlacha ríomhaireachta éagsúla chun dearadh agus tuairim a thabhairt ar fheidhmíocht gnéithe éagsúla de fheidhmíocht an maighnéid, agus don chuid is mó, bhí comhoiriúnacht ag na samhlacha ina dtuairimí ginearálta agus bhí siad bailí go maith trí shraith na tástálacha agus tomhais sa saol réalaíoch. Ach maidir le tuairim a thabhairt ar éifeacht an chuisle, d'éalaigh na tuairimí samhlacha, mar sin bhí sé riachtanach na sonraí turgnamhacha a fháil chun bailíocht na samhlacha a mheas.
“Bhí na múnlaí is airde-fidil a bhí againn ag tuar beagnach go díreach conas a théadh an maighnéad, cén leibhéal a théadh sé agus cá háit a mbeadh an damáiste a bheadh ann don mhaighnéad,” a deir sé. Mar a dhéantar cur síos go mion i gceann de na tuairiscí nua, “Dúirt an tástáil sin go díreach dúinn an fisic a bhí ag tarlú, agus dúirt sé linn cé na múnlaí a bhí úsáideach chun tosaigh agus cé na múnlaí a bhí le fágáil ar an taobh mar nach raibh siad ceart.”
Deir Whyte, “Go bunúsach rinneamar an rud is measa a bhí indéanta do chóil, ar chuspóir, tar éis dúinn gach gné eile de fheidhmíocht na cóil a thástáil. Agus fuair muid go raibh an chuid is mó den chóil beo gan damáiste,” cé go raibh limistéar aonair amháin a d'fhulaing roinnt leá. “Is cosúil go bhfuil cúpla céatadán den toirt na cóil a dhoirteadh.” Agus thóg sé sin go hathruithe sa dearadh a bhfuiltear ag súil go gcuirfidh sé cosc ar an damáiste sin a tharlóidh i maighnéid na feiste comhoibrithe, fiú faoi na coinníollacha is déine.
Leagann Hartwig béim ar an gcúis mhór a d'éirigh le foireann an taifead nua réabhlóideach a shocrú, agus é a dhéanamh i gceart an chéad uair agus ar sceideal gasta, a bhí mar gheall ar an leibhéal domhain eolais, saineolais, agus trealaimh a bhailíodh thar na blianta de oibriú an Alcator C-Mod tokamak, an Francis Bitter Magnet Laboratory, agus obair eile a rinneadh ag PSFC. “Téann sé seo go croí na gcumas institiúideacha atá ag áit mar seo,” a deir sé. “Bhí an cumas againn, an bonneagar, agus an spás agus na daoine chun na rudaí seo a dhéanamh faoi aon díon.”
Bhí an comhoibriú le CFS ríthábhachtach freisin, a deir sé, le MIT agus CFS ag comhoibriú ar na gnéithe is cumhachtaí de institiúid acadúil agus comhlacht príobháideach chun rudaí a dhéanamh le chéile nach bhféadfadh aon duine acu a dhéanamh ar a n-aonar. “Mar shampla, bhí laige amháin de na comhoibriúcháin mhóra ó CFS ag baint úsáide as cumhacht comhlacht príobháideach chun slabhra soláthair a bhunú agus a scálú ar leibhéal agus ar amlíne nach raibh a leithéid ann riamh don ábhar is tábhachtaí sa tionscadal: 300 ciliméadar (186 míle) de shúbhóid ardteochta, a fuarthas le rialú cáilíochta dian i níos lú ná bliain, agus a cuireadh isteach ar an sceideal sa mhagnéad.”
Bhí an comhtháthú na dteamanna beirt, iad siúd ó MIT agus iad siúd ó CFS, ríthábhachtach freisin don rath, a deir sé. “Smaoiníomar orainn féin mar aon fhoireann, agus rinne sé sin indéanta an rud a rinneamar.”
