Gecontroleerde kernfusie is een heilige graal geweest voor natuurkundigen die op zoek zijn naar een eindeloze voorraad schone energie. Wetenschappers aan de Rice University, de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign en de Universiteit van Chili boden een kijkje in een mogelijk nieuw pad naar dat doel.

Hun rapport over kwantumgestuurde fusie brengt het idee naar voren dat in plaats van atomen te verhitten tot temperaturen in de zon of ze in een botser te verpletteren, het is misschien mogelijk om ze dicht genoeg bij elkaar te duwen om samen te smelten met behulp van gevormde laserpulsen:ultrakort, afgestemde uitbarstingen van coherent licht.

Auteurs Peter Wolynes van Rice, Martin Gruebele van Illinois en Illinois alumnus Eduardo Berrios van Chili simuleerde reacties in twee dimensies die, indien geëxtrapoleerd naar drie, misschien gewoon efficiënt energie produceren uit deuterium en tritium of andere elementen.

Hun paper verschijnt in de festschrift-editie van Chemisch-fysische letters opgedragen aan Ahmed Zewail, Gruebele's postdoctoraal adviseur en Nobelprijswinnaar voor zijn werk over femtochemie, waarin femtosecondenlange laserflitsen chemische reacties veroorzaken.

De femtochemische techniek staat centraal in het nieuwe idee dat kernen dicht genoeg bij elkaar kunnen worden geduwd om de Coulomb-barrière te overwinnen die atomen met dezelfde lading dwingt elkaar af te stoten. Wanneer dat is gelukt, atomen kunnen samensmelten en warmte afgeven door neutronenverstrooiing. Wanneer er meer energie wordt gecreëerd dan nodig is om de reactie in stand te houden, aanhoudende fusie levensvatbaar wordt.

De kunst is om dit alles gecontroleerd te doen, en wetenschappers volgen al tientallen jaren zo'n truc, voornamelijk door waterstofplasma's te bevatten bij zonachtige temperaturen (in de National Ignition Facility van het Amerikaanse Department of Energy en de International Thermonuclear Experimental Reactor-inspanning in Frankrijk) en in grote faciliteiten.

Het nieuwe artikel beschrijft een fundamentele proof-of-principle-simulatie die laat zien hoe, in twee dimensies, een gevormde laserpuls zou een molecuul deuterium en tritium duwen, zijn kernen al op een veel kleinere internucleaire afstand dan in een plasma, bijna dicht genoeg om te smelten. "Wat hen ervan weerhoudt om samen te komen, is de positieve lading van de kernen, en beide kernen hebben de kleinste lading, 1, ' zei Wolynes.

Hij zei dat 2D-simulaties nodig waren om de iteratieve berekeningen praktisch te houden, hoewel hiervoor elektronen van de modelmoleculen moesten worden gestript. "De beste manier om dit te doen zou zijn om de elektronen aan te laten om het proces te helpen en hun bewegingen te beheersen, maar dat is een hoger-dimensionaal probleem dat wij - of iemand - in de toekomst zullen aanpakken, ' zei Wolynes.

Zonder de elektronen, het was nog steeds mogelijk om kernen binnen een kleine fractie van een angstrom te brengen door de effecten van gevormde 5-femtoseconden te simuleren, nabij-infrarood laserpulsen, die de kernen bij elkaar hield in een "veldgebonden" molecuul.

"Al decenia, onderzoekers hebben ook muon-gekatalyseerde fusie onderzocht, waarbij het elektron in het deuterium/tritiummolecuul is vervangen door een muon, "Zei Gruebele. "Zie het als een 208 keer zwaarder elektron. Als resultaat, de moleculaire bindingsafstand krimpt met een factor 200, de kernen nog beter klaarmaken voor fusie.

"Helaas, muonen leven niet voor altijd, en de verhoogde fusie-efficiëntie is net niet break-even in de energie-output, "Hij zei. "Maar wanneer gevormde vacuüm ultraviolette laserpulsen net zo beschikbaar worden als de nabij-infrarode die we hier hebben gesimuleerd, kwantumcontrole van muonische fusie kan het over de drempel halen."

Omdat het model op kwantumniveau werkt - waar subatomaire deeltjes onderhevig zijn aan verschillende regels en de kenmerken van zowel deeltjes als golven hebben - komt het onzekerheidsprincipe van Heisenberg in het spel. Dat maakt het onmogelijk om de precieze locatie van deeltjes te kennen en maakt het afstemmen van de lasers een uitdaging, zei Wolynes.

"Het is duidelijk dat het soort pulsen dat je nodig hebt, zeer gebeeldhouwd moet zijn en veel frequenties in zich moet hebben, "zei hij. "Het zal waarschijnlijk experimenteren vergen om erachter te komen wat de beste pulsvorm zou moeten zijn, maar tritium is radioactief, dus niemand wil ooit tritium in hun apparaat stoppen totdat ze zeker weten dat het gaat werken."

Wolynes zei dat hij en Gruebele, wiens laboratorium eiwitvouwing bestudeert, cel dynamiek, nanostructuur microscopie, zwemgedrag van vissen en andere onderwerpen, denken al ongeveer tien jaar na over de mogelijkheden, al is kernfusie voor beiden meer een hobby dan een beroep. "We hebben eindelijk de moed om te zeggen:'We zullen, het is de moeite waard om er iets over te zeggen.'

"We beginnen geen bedrijf... nog niet, " zei hij. "Maar er kunnen hier invalshoeken zijn die andere mensen kunnen doordenken die zelfs op korte termijn tot iets praktisch zouden leiden, zoals de productie van korte alfadeeltjespulsen die nuttig kunnen zijn in onderzoekstoepassingen.

"Ik zou liegen als ik zou zeggen dat toen we met de berekening begonnen, Ik hoopte niet dat het de energieproblemen van de mensheid zou oplossen, "Zei Wolynes. "Op dit punt, het niet. Anderzijds, Ik denk dat het een interessante vraag is die ons op een nieuwe weg zet."