De uitdrukking "kernenergie" roept beelden op van grote stomende torens of de boogreactor van Tony Stark uit de iconische "Iron Man"-films. Maar twee in Seattle gevestigde startups ontwerpen nucleaire technologieën die klein genoeg zijn om die op te pikken en te dragen, mede dankzij de buy-in van het ministerie van Defensie, waarvan ze hopen dat ze een nieuwe generatie ruimteschepen van brandstof zullen voorzien.

Seattle's Avalanche Energy en Ultra Safe Nuclear Corporation ontvingen in mei niet bekendgemaakte bedragen van de Defense Innovation Unit van het Pentagon om twee verschillende benaderingen van kleinschalige kernenergie verder te ontwikkelen.

Avalanche verlegt de grenzen van kernfusie, terwijl Ultra Safe een revolutie wil ontketenen in nucleaire radio-isotoopbatterijen, zoals de batterijen die Mars-rovers aandrijven. Beide bedrijven zullen naar verwachting tegen 2027 functionele prototypen van ruimtevaartuigen aan het Pentagon leveren.

"Nucleair is een interessant gebied omdat dat traditioneel voornamelijk in het rijk van de overheid was", zegt majoor Ryan Weed van de Amerikaanse luchtmacht, de programmamanager van het nucleaire voortstuwings- en energieprogramma van de Defense Innovation Unit. De eenheid - de buitenpost van het Pentagon in Silicon Valley - werkt uitsluitend met bedrijven uit de particuliere sector om opkomende technologieën aan te passen voor militair gebruik.

Na zes decennia van materiaalwetenschappelijk onderzoek zijn nucleaire brandstoffen relatief veilig en worden ze omarmd in de particuliere sector. De klimaatcrisis heeft ook de publieke opinie doen verschuiven in de richting van het accepteren van kernenergie als een levensvatbare vervanging voor fossiele brandstoffen. Enorme vooruitgang in computermodellering heeft de commerciële ontwikkeling van kernenergie haalbaarder gemaakt, zei Chris Hansen, een fusie-onderzoeker die een laboratorium leidt aan de Universiteit van Washington.

De staat Washington heeft een relatie met nucleair onderzoek dat teruggaat tot de Hanford-site uit de Tweede Wereldoorlog, die het grootste deel van het plutonium voor de VS produceerde. Afgezien van zijn moreel complexe geschiedenis, koesterde Hanford onmiskenbaar een "cultuur van nucleaire expertise" in de staat, zei Scott Montgomery, een docent aan de Jackson School of International Studies van de University of Washington.

Tegenwoordig is de staat een knooppunt voor commerciële nucleaire startups, met name bedrijven die kleinschalige kernfusie proberen te kraken. In tegenstelling tot splijting, die energie genereert door het afbreken van zware radioactieve metalen zoals uranium, vindt fusie plaats wanneer twee kleinere atoomkernen botsen om de grotere kern van een ander element te vormen, waarbij energie vrijkomt tijdens het proces.

Avalanche mede-oprichter Brian Riordan visualiseert fusie graag als het proberen om twee met klittenband bedekte magneetballen aan elkaar te plakken.

"Het klittenband werkt over een zeer korte afstand, maar als je ze dichtbij genoeg zou kunnen krijgen, en het klittenband was sterk, zouden ze blijven plakken," zei Riordan.

Het is moeilijk om fusie te bereiken omdat, net als de met klittenband bedekte magneten, de positief geladen ionen elkaar van nature afstoten. Het is nog moeilijker om het in een kleine container te verpakken. Een goed voorbeeld:meer dan 35 landen hebben jaren en miljarden dollars besteed aan de bouw van de Iter Tokamak-reactor in Zuid-Frankrijk. De machine gaat pas in 2025 aan en zal pas in 2035 commercieel levensvatbaar zijn.

Ondertussen halen startups uit Seattle de krantenkoppen.

De grootste technische wegversperring naar fusie is ervoor te zorgen dat de machine meer energie produceert dan hij verbruikt, maar het in Seattle gevestigde Zap Energy kondigde vorige week aan dat het verwacht binnen het jaar een werkend prototype te hebben. In 2021 kondigde het in Everett gevestigde Helion Energy aan dat het zou beginnen met de bouw van de eerste commerciële kernfusiereactor in Everett met een verwachte einddatum van 2028.

Avalanche, mede opgericht door de voormalige Blue Origin-ingenieurs Riordan en Robin Langtry, deed in 2018 mee aan de race naar fusie en heeft een patent aangevraagd voor een nieuwe fusiereactor ter grootte van een lunchbox, genaamd "Orbitron".

Het apparaat combineert twee bestaande instrumenten in een vacuümkamer - een "orbitrap", die positief geladen ionen in een kleine baan rond een negatief geladen kathode gebruikt, en een "magnetron", die een stroom elektronen genereert. Het introduceren van elektronen in de reactor neutraliseert de positieve lading en zorgt ervoor dat een groter aantal ionen de ruimte kan binnendringen, en het inpakken van meer ionen in die kleine ruimte vergroot de kans op fusie exponentieel.

Het team verfijnt het eerste prototype en is van plan in augustus op te schalen naar een groter apparaat. De belangrijkste technische uitdaging zal het miniaturiseren van de hoogspanningsgeleider zijn, zodat deze in het gewenste pakket past, maar toch voldoende energie aan de kathode levert, zodat de ionen snel genoeg om elkaar heen draaien om samen te smelten.

Uiteindelijk zou het eindproduct tussen de 5 en 15 kilowatt moeten produceren, hoewel gebruikers veel eenheden kunnen groeperen om veel grotere hoeveelheden stroom te produceren. De grootte maakt Orbitron bevorderlijk voor ruimtereizen, wat Avalanche onderscheidt tijdens het contractselectieproces van het Pentagon, zei Weed, de projectmanager van de Defense Innovation Unit.

Terwijl Avalanche probeert om kleinschalige fusie te ontsluiten, ontwikkelt Ultra Safe een nieuwe en verbeterde "nucleaire batterij" genaamd EmberCore. Deze apparaten zijn in wezen hete, radioactieve rotsen die gestaag energie afgeven terwijl ze vervallen.

"Je kunt het hete gesteente gebruiken als hete gesteente, of je kunt er energieconversietechnologie omheen wikkelen om die warmte in elektriciteit om te zetten", zegt Adam Schilffarth, directeur strategie voor de divisie geavanceerde technologieën van Ultra Safe.

NASA heeft van oudsher plutonium gebruikt voor radio-isotoopbatterijen, zoals degene die de Curiosity-rover op Mars en de Voyager 1 en 2 ruimtesondes aandrijven. Plutonium is echter een dure, zeldzame en gevaarlijke stof. Ultra Safe heeft verschillende isotopen onderzocht, zoals kobalt-60 en thulium, die kunnen worden opgeschaald om 10 keer de energie van traditionele plutoniumsystemen te produceren, terwijl ze veiliger en kosteneffectiever zijn.

Het eerste EmberCore-product Ultra Safe dat op de markt wordt gebracht, is zo groot als een appel. It operates like a "hand warmer" for moon landers so they can survive a 14-day lunar night, said Chris Morrison, chief engineer for the EmberCore project. The final prototype for the Pentagon will be the size of a small filing cabinet.

Weed said EmberCore and Orbitron may allow spacecraft to travel farther and eliminate reliance on solar panels. With such large power capacities, these technologies could also spawn a new generation of spacecraft that can easily jump between Earth's orbit levels. That could open the door to all kinds of commercial space travel, tourism and trade.

"These new propulsion systems will enable us to have known new missions, and so it'll affect how we employ space power," Weed said. "It'll definitely be a game changer." + Verder verkennen

French scientist leading nuclear fusion project dies at 72

©2022 The Seattle Times.

Gedistribueerd door Tribune Content Agency, LLC.