Samoorganizace (v) plazmatu

Výzkum plazmatické samoorganizace najdete na křižovatce energie fúze, astrofyziky a pohonu vesmírných lodí. Je známa nejméně od počátku šedesátých let, i když se jí tak ještě neříkalo. Pod tímto názvem najdeme celou řadu jevů v plazmatu, které jsou široce používané, ačkoli jejich úplná teorie neexistuje. Úkolem současného výzkumu je porozumět schopnosti plazmatu spontánně se znovu uspořádat do různých tvarů. Díky využití této pozoruhodné vlastnosti by mohly být fúzní elektrárny kompaktnější, tedy ekonomičtější, a mohly by fungovat fúzní raketové motory.

Samoorganizaci jsme několikrát zmínili při objasňování fúze ve vakuové nádobě reaktoru. Zkusme vzpomenout krátkým odstavcem, jak velký máme dluh vůči horkému plazmatu pohánějícímu kosmická plavidla.

Plazmové raketové motory používají k urychlení plazmatu a generování tahu pro pohon kosmických plavidel elektřinu. Jako příklady lze uvést iontové trysky pro připravovanou misi BepiColombo k Merkuru nebo Hallovy trysky používané v kosmické lodi Deep Space 1. Primární výhodou použití plazmatu pro raketové motory ve vesmíru je, že pohonná látka může být vystřelována při rychlostech mnohem větších, než jsou možné u chemikálií, takže k rychlejšímu letu je zapotřebí méně pohonné látky. Tyto motory jsou omezeny dostupnou elektřinou a solární zdroje jsou zase omezené velikostí a hmotností solárních panelů a klesajícím množstvím slunečního světla s rostoucí vzdáleností od Slunce. Jednou z možností je využít spontánní interakce mezi plazmatem a magnetickými poli pro generování velkých toků.

Příklady samoorganizace plazmatu

• FRC – Field Reverse Configuration (Obrácená či spíše Vrácená konfigurace magnetického pole). Část magnetických silokřivek uvnitř vakuové nádoby se totiž uzavírá - vrací. Na počátku šedesátých let bylo pozorováno zlepšené udržení plazmatu ve známém zařízení ZETA v Harwellu. Zajímavému jevu se tehdy nedostalo pozornosti, kterou by zasluhoval, a teprve v poslední době se ukazuje jeho význam pro řízenou fúzi. Zejména soukromé společnosti, které nejsou zaměstnány tokamaky nebo v menší míře stelarátory, se pokoušejí FRC zakomponovat do svých zařízení: Helion Energy z Redmondu, Washington, TAE Technologies z Foothill Ranch, California. Abych nekřivdil veřejným projektům: jedním z nich je toroidální RFX v Padova University. Reverse Field eXperiment v italské Padově je největší zařízení pro udržení plazmatu reverzním polem.. Bylo postaveno v letech 1985 až 1991 a funguje od roku 1992. Experimenty prováděné v posledních dvou desetiletích na dvou velkých strojích MST (Madison Symetric Torus) v Madisonu ve Wisconsinu a zmíněném RFX v Padově poskytly nový pohled na fyzikální jevy probíhající v dynamice magneticky udržovaného plazmatu.
• Sféromak. Kdysi se o něm uvažovalo jako o možném přístupu k energetické fúzi. Ukázalo se totiž, že toroidální plazma dokáže po jistou dobu žít, aniž by se rozpadlo, a to jak ve vakuu, tak při atmosférickém tlaku. Sféromak bývá přirovnáván k prstýnkům dýmu „šikovného“ kuřáka. Využít jeho stabilní konfiguraci pro zapálení fúze? Sféromak je konfigurace magnetického pole shodná s tokamakem, ale vytvořená bez použití toroidálních magnetických cívek a vnitřního primárního vinutí. Ukázalo se však, že konkurovat stelarátoru či dokonce tokamaku je nad jeho síly. Nyní se ale sféromaky zabývají privátní firmy - již zmíněná TAE Technology a CTFusion, odnož University of Washington. Větší sféromak pod názvem Proto-Sphera funguje za veřejné peníze v italské Laboratori Nazionali di Frascatti.
• H-mod. V roce 1982 si prof. Wagner náhodou všiml, že za určitých podmínek je v tokamaku ASDEX Upgrade dvakrát delší doba udržení než jindy. Ukázalo se, že hlavním viníkem je divertor – součást na dně vakuové komory pro čistění plazmatu. V pražském tokamaku COMPAS stačilo pro režim H-mod nahradit divertor speciálně utvářeným magnetickým polem na dně vakuové komory. A ITER? Ten by bez H-modu zřejmě nešlo postavit.
• S Marianem Karlickým jsme se koncem sedmdesátých let poznali na úžasných přednáškách statistické fyziky prof. Kvasnici. Marian, dnes již profesor, mi tehdy poslal svůj článek jak využít přepojování magnetických silokřivek k ohřevu plazmatu v tokamaku. Seznámil jsem s jeho zprávou své zkušenější kolegy, ale článek žádnou pozornost v ÚFP nevzbudil. Jiný prof. Setthivoine You z Katedry letectví a astronautiky na Washingtonské univerzitě byl jiného názoru a více než dvacet let se pokouší rekonekci uskutečnit. Změť magnetických silokřivek se při ní mění v jinou, s menší energií, a uvolněnou energií se pokouší ohřát plazma. Kromě svého vlastního zařízení Mochi.LabJet, kde studuje samoorganizované plazma, se účastní v soukromé firmě Helicity Space Corp. výzkumu samoorganizovaného plazmatu s cílem zapálit fúzi. Netradiční cestou – nejprve postavit raketu poháněnou vysokoteplotním plazmatem a zkušenosti využít ke stavbě reaktoru.
• Kulový blesk – jev, na jehož vysvětlení existuje nespočetné množství teorií, ale žádná není experimentálně ověřitelná a žádná nedokáže vysvětlit všechny vlastnosti přírodního kulového blesku. Přitom jde o typický příklad samoorganizovaného plazmatu! Tak o něm psal prof. Sebastian Popescu s kolegy z rumunské Univerzity Al. I. Cuza.
• Bootstrapový proud. Jedním z mála nedostatků tokamaku je principiálně pulzní režim činnosti. Jedná se totiž o transformátor. Vědci zkoušejí slabinu napravit neinduktivně buzeným elektrickým proudem. Tím je kupříkladu tzv. bootstrapový proud, který se za vhodných podmínek spontánně objeví v plazmatu tokamaku. Třeba když se v plazmatu, zvýší tlak. Bootstrap v překladu znamená „přezka vysokých bot“ a evokuje vyprávění barona Prášila, který za přezky svých jezdeckých bot vytáhl sám sebe i s koněm z bažiny. Bootstrapový proud (zdánlivě) vzniká také sám od sebe. Fyzikální porozumění a přesná predikce velikosti proudu na okraji plazmatu jsou zásadní pro předpověď jeho vlivu na nestability, které mohou snížit výkon fúzních reaktorů.
• Sluneční protuberance – Ve volnépřírodě můžeme pozorovat samoorganizaci plazmatu v širokém intervalu měřítek. Opětovné propojení magnetických polí a nové uspořádání magnetických trubic jsou jádrem slunečních erupcí, samoorganizace vysvětluje tajemství slunečního koronárního ohřevu a původ magnetických polí kolem planet a hvězd v celém vesmíru. Astrofyzikální výtrysky jsou projevy hmoty rotující kolem hvězd propojených magnetickými poli.

Byly použity některé obecné informace z článku:

Setthivoine You from the Department of Aeronautics & Astronautics at the University of Washington shares his insights into the intriguing world of self-organisation in plasmas. Dostupné na https://www.openaccessgovernment.org/research-on-self-organisation-in-plasmas/45023/