Ludzkość poszukuje nowych źródeł energii, która zastąpi tę pochodzącą ze spalania paliw kopalnych. Energetyka jądrowa też przeżywa trudne chwile, wiele krajów chce z niej zrezygnować. Najlepsi fizycy świata od lat próbują ujarzmić reakcję termojądrową. Czy nowa energia rozwiąże problemy ludzkości? A przede wszystkim, czy za kilkadziesiąt lat będzie jeszcze potrzebna? Pytamy dr Marcina Jakubowskiego, fizyka, eksperta w dziedzinie plazmy, szefa zespołu badawczego w Instytucie Maxa Plancka w Greifswaldzie.

Reakcja termojądrowa może być źródłem energii odnawialnej. Czy ludzkość stoi u progu zdobycia nowego źródła energii? Jesteśmy blisko, czy daleko?

Mam nadzieję, że jesteśmy już w miarę blisko, ale trzeba to rozumieć w innych kategoriach. Jeżeli prześledzimy, jak ludzkość pozyskiwała energię, to zobaczymy, że wraz z postępem sięgaliśmy po kolejne źródła. Poczynając od siły ludzkich mięśni, palenie drzewa, później odkryto węgiel, ropę, gaz, elektrownie jądrowe. Dzisiaj wdrażamy źródła odnawialne. Gdy prześledzimy dwa ostatnie stulecia, to da się zauważyć, że od pierwszych komercyjnych zastosowań do zauważalnego udziału w rynku takiego źródła energii mijało około 60 lat. Jest to skala życia jednego pokolenia.

Na południu Francji powstaje olbrzymi projekt ITER, który kosztuje około 15 miliardów Euro. To największe przedsięwzięcie badawcze na świecie, nie było nigdy większego, ani droższego. ITER jest dwa razy droższy niż zderzacz hadronów pod Genewą. Jego zadaniem jest wytworzenie 10 razy więcej energii z syntezy termojądrowej, niż się do niego włoży. Ma on uzyskać pozytywny bilans energetyczny Ten bardzo skomplikowany technologicznie projekt jest budowany jako konsorcjum Unii Europejskiej, Indii, Japonii, Chin, Rosji, Korei Południowej i Stanów Zjednoczonych.

Na jakim etapie jest zaawansowanie projektu?

Pomysł ITER powstał bardzo dawno temu, jeszcze w latach 80., na spotkaniu Ronalda Reagana z Michaiłem Gorbaczowem. Koszt tego projektu sprawił, że politycy długo negocjowali warunki finansowania i znaleźli miejsce. W 2005 ruszyła budowa. Ponieważ nigdy wcześniej czegoś takiego nie budowano, to się okazało, że takich obiektów nie buduje się w ciągu 5 lat tylko 15. Synteza termojądrowa, jako źródło energii zmaga się teraz nie tyle z fizyką, co z ograniczeniami technologii. Chodzi o to, żeby infrastruktura wytrzymywała na tyle długo, żeby opłacała się komercyjnie.

Wokół ITERa powstała ogromna społeczność fizyków, która poświęca swój czas i wiedzę temu, jak ten projekt ma działać. W celu usprawnienia wymiany wiedzy, powołano organizację The International Tokamak Physics Activity (ITPA), w której też działam. Jej formuła ma  umożliwić naukowcom z całego świata dopracowanie fizyki tego urządzenia, na podstawie aktualnych eksperymentów. Zadaniem badaczy jest opracować takie scenariusze działania, które będą atrakcyjne jeśli chodzi o ilość energii uzyskiwanej, ale również bezpieczeństwo pracy urządzenia. Wyładowania muszą dawać dużo energii, ale z drugiej strony muszą działać stabilnie i być bezpieczne dla całego urządzenia.

Jedną z metod przewidywania warunków pracy reaktora jest przeprowadzenie symulacji w skali mikro. Czy to są miarodajne badania, które pozwalają wyciągnąć wnioski w skali makro?

To działa tak, jak w przypadku klimatologów. Oni modelują, jak zmienia się klimat i jak się będzie zmieniał w przyszłości. Z kolei fizycy modelują obecnie działające eksperymenty. Wyniki ich obliczeń porównuje się z wynikami eksperymentów, dzięki czemu uzyskujemy większą pewność w ich przewidywaniach. Mamy nadzieję, że nasza ekstrapolacja też się sprawdzi.

Mówimy o okresie eksperymentalnym. Wyniki badań są obiecujące. Czy potrzeba jakiegoś dodatkowego bodźca, żeby szybciej osiągnąć sukces?

To prawda, synteza termojądrowa nabrała dużego szwungu w latach 70., kiedy na świecie panował kryzys paliwowy. Wtedy Stany Zjednoczone zainwestowały ogromne pieniądze w badania nad syntezą termojądrową. Powstały wówczas duże eksperymenty. Na podstawie skali i tempa badań przewidywano, że wystarczy raptem 30 lat, by zbudować działający reaktor. Kryzys paliwowy minął i finansowanie badań zmalało i tak się dzieje do dzisiaj. Czy można szybciej? Liczba ludzi, którzy zajmują się badaniami jest stosunkowo mała. Poza tym to fizyka eksperymentalna i postępy robi się krokowo. Kroki robi się budując nowe urządzenia, takie jak nasz eksperyment Wendelstein 7-X w Greifswaldzie, gdzie my mamy docelowo utrzymać 30 minut wyładowania plazmowego. Pracujemy metodą małych kroków. Zaczęliśmy od 200 milisekund wyładowań, żeby sprawdzić, czy wszystkie komponenty dobrze działają. W ciągu trzech kampanii doszliśmy do wyładowań, które trwają około 2 minut.

Na świecie działa kilkanaście mniejszych i większych eksperymentów. Na razie nie udało się jeszcze doprowadzić do syntezy, której bilans energetyczny byłby dodatni, ale jesteśmy już bardzo blisko. Infrastruktura, która jest potrzebna do używania trytu, który jest paliwem termojądrowym jest bardzo kosztowna. Tylko dwa eksperymenty dysponowały taką infrastrukturą: The Joint European Torus (JET), zlokalizowany w brytyjskim Culham Centre for Fusion Energy i amerykański TFTR. Obydwa zademonstrowały, że reaktor termojądrowy może wytwarzać energię.

Czy w ciągu 10 lat damy radę?

Do 2030 ITER ma mieć dodatni bilans energetyczny. Nie czekając na ten moment, pierwsza elektrownia zacznie być budowana w następnej dekadzie. Myślę, że w 2060 roku prąd z elektrowni termojądrowej popłynie do sieci. W tym momencie przejmie to przemysł i on zdecyduje, jak to będzie dalej działało. Będziemy korzystać z energii termojądrowej jeszcze w tym stuleciu.

Czy istnieje taka możliwość, że pojawi się jakieś nieznane dotąd źródło energii, które zastąpi fuzję termojądrową, zanim ona jeszcze w zdąży się rozwinąć do opłacalnej postaci?

Futurologia to ciężki kawałek chleba. Patrząc na procesy, które teraz się dzieją, tak się nie stanie. Nowe źródła energii nie biorą się od pstryknięcia palcem. Widać, jakie energetyka odnawialna ma problemy, bo zależy od warunków pogodowych. Kiedy za mocno wieje i świeci produkujemy za dużo energii, ale nie mamy wielkoskalowego sposobu, żeby ją magazynować. Gdy nie wieje, to musimy posiłkować się innymi sposobami: elektrowniami gazowymi czy jądrowymi. To jest główny zarzut wobec energetyki odnawialnej. Może do 2060 roku tanie magazynowanie energii ze źródeł odnawialnych będzie możliwe. Na razie nie ma tego na horyzoncie.

Niemcy, którzy rozwinęli najbardziej w Europie energię odnawialną, są jednocześnie największym emitentem CO2. 40 procent energii w Niemczech pochodzi ze spalania węgla i gazu, a będzie jeszcze gorzej, bo chcą zamknąć elektrownie atomowe. Zastąpią je elektrownie gazowe i będą emitowali jeszcze więcej dwutlenku węgla. Na dodatek przy wydobywaniu gazu, wydziela się metan, a on jest też gazem cieplarnianym, jeszcze gorszym od dwutlenku węgla. Ale kto wie, może uda się stworzyć metodę bezpiecznego, skalowalnego magazynowania energii, które będzie w zasięgu wszystkich bogatych Niemców i biednej Etiopii. Bardzo by mnie to cieszyło.

Naprawdę nie ma bardziej efektywnych źródeł energii? Generator nieograniczonej energii zawsze rozbudzał wyobraźnię futurystów, wynalazców i pisarzy. Czy to jest choćby teoretycznie osiągalne przy obecnym stanie nauki?

Reaktor potrzebuje siły zewnętrznej, aby doszło do reakcji, wtedy już sam się napędza, bo stosunek energii włożonej do uzyskanej jest nieskończony. Nie wkładasz nic, a dostajesz dużo. Co do uzyskiwania energii, jak prześledzimy historię cywilizacji, to coraz głębiej sięgamy w atom. Pierwsze spalanie węgla było procesem chemicznym, gdzie tylko korzystaliśmy z zewnętrznych powłok elektronowych. Później doszliśmy do energii atomowej, gdzie już zmienialiśmy jądro. I tak samo jest energetyką termojądrową. Z wnętrza atomu uzyskujemy energię, ale głębiej sięgnąć jest trudniej. Możemy zacząć rozdzielać cząstki elementarne, kwarki i z tego uzyskiwać energię, ale nie stanie się to w ciągu 60 lat.

Najbardziej niepokojące jest jednak to, że w 2060 roku nie będzie już po co tej energii produkować, bo zmienimy Ziemię tak bardzo, że warunki będą już do tego stopnia niesprzyjające życiu, że resztki homo sapiens będą się skupiały na tym, żeby przeżyć, a nie tworzyć jakieś wielkie idee.

To dosyć katastroficzna wizja, ale wnioskuję, że opiera się ona na wyliczeniach naukowców. Czy ludzie, którzy budują swój obraz świata na podstawie niepodważalnych danych, są bardziej przerażeni procesami degradacji i zmian klimatu? Negacjoniści wydają się być spokojni jak gdyby nigdy nic.

Podstawą jakichkolwiek prognoz i wniosków jest wiedza, w jaki sposób działają systemy fizyczne, te większe i mniejsze. Gdy mamy homeostazę i równowagę sił, wszystko jest w porządku. A my coraz bardziej ingerujemy w system, choć do końca nie rozumiemy, jak on działa. Jeżeli ten system wytrącimy z równowagi, nie uda nam się utrzymać go w ryzach.

W fizyce mamy do czynienia z równowagą stabilną i równowagą niestabilną. Jeśli układ wyjdzie z równowagi niestabilnej, to nie można już nic zrobić, bo siły, które zostały wzbudzone są tak potężne. Działają sprzężenia zwrotne, których nie jesteśmy w stanie kontrolować i w tym momencie jest już pozamiatane.

Ludzkość zachowuje się jak nastolatek, który widząc stary, rozwalający się dom, coraz mocniej wali w ściany. Naukowcy mówią: „jak będziesz za mocno uderzać, ściana się zawali  i zniszczy dom, w którym mieszkamy”. Aż tu nagle przychodzi ktoś i mówi: “czy naukowcy na pewno rozumieją, jak każda cegła jest w tej ścianie zbudowana? A może to nie jest tak jak mówią. Przecież te ściany stoją tak od stuleci. A naukowcy patrzą na tę ścianę przez dwadzieścia minut i twierdzą, że się zawali”. Na dodatek są ludzie, którzy twierdzą, że wszyscy klimatolodzy kłamią. To jest jakiś horrendalny pomysł, że nagle tysiące naukowców na całym świecie uczestniczą w jakimś globalnym spisku.

Jako naukowcy nie używamy wielkich kwantyfikatorów. My nie mówimy nigdy “nigdy”, my nie mówimy “zawsze”, bo takie kwantyfikatory są zarezerwowane dla Boga. My mówimy: “przy pewnych warunkach”, “przy takich założeniach”. Z drugiej strony są politycy, aktywiści, którzy mówią: “kłamiecie, mylicie się”, a nawet nie rozumieją systemu, o którym mówią. Naukowcy muszą nauczyć się, jak zmierzyć się z ludźmi, którzy nie biorą odpowiedzialności za własne słowa. Na szczęście to już się dzieje.

Na jakiej podstawie naukowcy formułują swoje alarmistyczne wnioski na temat globalnego ocieplenia?

Klimatolodzy stworzyli modele, które potrafią przewidywać, jak zmienia się klimat, bo tak działa fizyka. Nie trzeba opisywać wszystkich cząsteczek na świecie, żeby opisać zmiany klimatu. Wystarczy wybrać te procesy, które są istotne i je modelować. Klimatolodzy robią to od lat. Zainwestowano ogromne pieniądze w urządzenia pomiarowe, satelity, które na okrągło mierzą temperatury, CO2, mają wszystkie dane, a tu przychodzi negacjonista i mówi, że to kłamstwo. Stawia marksizm, leninizm i materializm w jednym szeregu z naukowcami zajmującymi się klimatem. Jeżeli publicyści wyśmiewający zmiany klimatyczne uważają, że naukowcy są opłaceni, to niech pokażą sponsora X, który zapłacił naukowcowi Y za badanie. Niech takie dowody będą potwierdzeniem ich dziennikarskiego kunsztu. Kiedy na przykład pytam negacjonistów, niech pokażą, które artykuły w fachowym piśmie Nature Climate są opłacane przez „jakieś światowe spiski”, zapada cisza.

Czy fizyka przeżywa swój wielki moment? Czy naukowcy powinni szukać bliższego kontaktu z ludźmi i promować wiedzę?

Obecnie nauka jest na takim poziomie abstrakcji, że jest nierozróżnialna od magii dla 99 procent społeczeństwa. Teorie naukowe są już tak skomplikowane, że inteligentny człowiek potrzebuje bardzo dużo czasu, aby zbudować sobie podstawy do zrozumienia problemów, którymi zajmuje się nauka. Często ludzie krytykują klimatologów, mówiąc, że ich wnioski są wbrew zdrowemu rozsądkowi, co jest zabawnym argumentem, bo przecież już ponad 100 lat temu ogłoszono postulaty mechaniki kwantowej i ogólnej teorii względności, a tam nie ma niczego, co można ze zdrowym rozsądkiem porównać. Jeśli w mechanice kwantowej twierdzi się, że cząstka jest wszędzie, czy to jest zdroworozsądkowe? W teorii względności czasoprzestrzeń jest zaginana przez masę i wtedy tor, po którym porusza się światło zagina się wbrew naszemu „zdrowemu rozsądkowi”. Zdrowy rozsądek to nic innego, jak zespół naszych przekonań i mechanizmów biologicznych, które miały nam kiedyś pomóc przeżyć w jaskiniach i na sawannie. Zdrowy rozsądek to mechanizm myślenia: “widzę lwa, to uciekam” i jakiegoś kulturowego tła, które nabywamy, dorastając w społeczeństwie..

Nauka ma dużo do zrobienia, żeby umieć komunikować się z wszystkimi, a nie tylko tymi, którzy chcą słuchać naukowców, ale przy odrobinie uporu, wszystko jest możliwe. Jeden z takich dialogów śledziłem w Japonii. Japończycy boją się wszystkiego, co związane z promieniotwórczością, to traumatyczna pozostałość po Hiroszimie. W jednym z ośrodków naukowych, badacze chcieli uzyskać pozwolenie na eksperymenty z promieniotwórczym deuterem. Wprawdzie on sam nie jest radioaktywny, ale wyładowanie deuterów emituje neutrony, a one z kolei aktywują (dość słabo i na krótko) elementy reaktora. Otóż Japończycy przekonywali do tych eksperymentów lokalną społeczność przez 10 lat! Co roku organizowali spotkania dla lokalnej społeczności, festiwale, zapraszali emerytów, żeby mogli wejść do komory reaktora. Oswajali ludzi i w końcu dostali tę licencję.

Z ludźmi trzeba rozmawiać trochę, jak z dziećmi, prowadzić za rękę. Na całym świecie wygląda to inaczej. W Polsce, póki co, naukowców uważa się za jakichś biednych frajerów, którym się w życiu nie powiodło. To cóż oni mogą mieć ciekawego do powiedzenia? Dużo jest tutaj do zrobienia.