Az első lépést megtettük, hogy egy sokkal egyszerűbb módszerrel termeljünk energiát

„A kőkorszak nem azért szűnt meg, mert elfogyott a kő, az olajkorszak sem azért fog, mert elfogy az olaj” – parafrazálta James Canton író szavait Kroó Norbert fizikus a Magyar Tudományos Akadémia Szegedi Akadémiai Bizottságának székházában tartott előadásán Szegeden. A professzor Csernai Lászlóval közösen kifejlesztett ötletéről, a nanofúzióról beszélt, ami forradalmi jelentőségű technológia lehet az energiatermelésben. A plazmonika annyira fiatal tudományterület, hogy ők a második csoport, akik ezzel foglalkoznak, ötvözve a lézerfizikát, az optikát és a nanotechnológiát.

A nanotechnológia az anyagok atom- és molekulaszintű manipulálásával foglalkozik. Rendkívül kicsi méretekről van szó – egy nanométer egymilliószor kisebb, mint egy milliméter –, így számos technikai kihívást támaszt a kutatók elé.

„Szerencsére az emberek nagyon kíváncsiak, és mindig gondolkodtak azon, hogy hogyan lehetne részletesebb képeket alkotni azokról a dolgokról, amiket látunk” – kezdte előadását Kroó Norbert, majd úgy folytatta, hogy az optikában „van egy furcsa korlát, amellyel mindnyájan küszködünk”. A diffrakciós limitről beszélt, ami lényegében azt határozza meg, hogy mekkora felbontású egy optikai rendszer, például egy mikroszkóp vagy távcső. Egy adott hullámhosszú fény ugyanis nem tud megkülönböztetni két pontot, ha azok túl közel vannak egymáshoz: a minimális távolság a hullámhossz fele, ennél közelebb egy pontként érzékeli őket a mikroszkóp.

Ez azt jelenti, hogy nem lehet a végtelenségig nagyítani, mert ahhoz kisebb hullámhossz szükséges, az ilyen fény azonban az emberi szem számára nem látható. „Tehát nanotechnológiában a fényt nem lehet használni” – mondta Kroó. Bár a látható fény alternatíváiként röntgent, elektron- és neutronsugarakat is alkalmaznak a kutatók, a diffrakciós limitre újfajta megoldást jelentenek a felületi plazmonok.

Az újfajta fény

Egy fémben az elektronok szabadon mozognak, és ha az elektronokat fénnyel megzavarják, akkor hullámszerűen kezdenek viselkedni – ez a hullám a plazmon, aminek a különleges tulajdonságai közé tartozik, hogy nem vonatkozik rá a diffrakciós limit. „Ezért én a felületi plazmonokat szeretem a nanotechnológia fényének is nevezni” – fogalmazott a professzor.

„Egy technológia általában azért sikeres, mert a természetből sikerült az ötletet ellopni” – folytatta a kutató, és ezt szemléltetve megemlítette, hogy a számítógépeket is az emberi agyról modellezték. A tudományban most az egyik nagy kérdés az, hogy hogyan lehetne a Napban zajló magfúziót leutánozni, az a folyamat ugyanis hatalmas mennyiségű energiát termel.

A Nap gravitációs ereje összenyomja az égitest közepét, így hő keletkezik. Ennek hatására megy végbe a belsejében a fúzió, mely során két hidrogénatom magja deutériummá, más néven nehézhidrogénné egyesül. A deutérium annyiban különbözik a hidrogéntől, hogy az atommagja a proton mellett egy neutront is tartalmaz. A fúziós reakció végén hélium keletkezik, az így felszabaduló energiát az egyesülő részecskék tömegének csökkenése adja, amelyet Einstein híres E=mc² egyenlete ír le.

Akció-reakció

Mivel a Nap gravitációját nem lehetett leutánozni, a tudósoknak máshogy kellett elérniük a fúziót. Ebben Newton harmadik törvénye, az akció-reakció (vagy hatás-ellenhatás) törvény bizonyult hasznosnak. „Ha van egy kis gombócom, és annak a felületét elpárologtatom, az elpárolgó anyag ellenereje nyomást gyakorol a közepére” – magyarázta Kroó.

Jelenleg ezzel kísérleteznek Kaliforniában is – csak egy kis gombócnál sokkal nagyobb méretben –, a National Ignition Facility (NIF) nevű, három Puskás stadion méretű létesítményben: egy óriási gömböt minden irányból, egyenletesen világítanak meg, összesen 192 darab lézer segítségével. Ez a berendezés már több mint tíz éve működik és másfélszer annyi energiát termel, mint amennyit használ, működése azonban rendkívül költséges.

Kroó Norbert ötlete az volt, hogy a magegyesülés feltételeit ne magas hőmérséklettel vagy nyomással, hanem a plazmonok segítségével teremtsék meg. Normális körülmények között a proton nehéz, az elektron pedig könnyű, de ez már nem igaz akkor, ha ezek nagyon erős elektromágneses térbe kerülnek.„Elektronplazmonok mellett protonplazmonok jönnek létre, ez a kölcsönhatás az elektronok effektív tömegét megnöveli. És ez bizony hozzájárulhat ahhoz, hogy könnyebben létrejöjjenek olyan átalakulások, amelyek esetleg nekünk hasznosak” – magyarázta a kutató, aki a „fúzióban otthonos” Csernai Lászlóval együtt kezdett el kísérletezni.

„Az első támadás, ami bennünket ért, az úgy szólt, hogy ez a fény soha nem fog bemenni az anyagba, mert ha a felületre esik, az anyag elpárolog.” Azonban ez sem minden esetben igaz, és a kutatóknak sikerült megtalálni a megfelelő körülményeket a kísérletekhez.

Forradalmi újdonság

Sok kutatás után Kroó Norbertnek végül 2024 augusztusában jelent meg az elsőszerzős tudományos cikke, amelyben arról számol be, hogy plazmonok segítségével jelentős mennyiségű deutérium atomot sikerült létrehozniuk. A kutatás során azt figyelték meg, hogy minél erősebb volt a lézer, annál több deutérium képződött.

Ez az eredmény fontos lehet az energiatermelés jövőjére nézve, mivel a plazmonika úgy teszi lehetővé a magfúzió megvalósítását, hogy ahhoz nincs szükség magas hőmérsékletre vagy nyomásra. „Az első lépést megtettük annak érdekében, hogy egy energetikailag és technológiailag sokkal egyszerűbb módszerrel termeljünk energiát fúziós folyamatokkal. Ez szerintem egy forradalmi újdonság” – zárta előadását a professzor.

A szerző a Szegeder újságírója. A cikk a Szegeder és a Telex együttműködésének keretében jelenik meg a Telexen is.