Eroon öljystä ja ydinjätteistä – Saasteeton fuusioenergia voi tulla alle kymmenessä vuodessa

Ihmiskunnan suuren unelman, fuusioenergian tuottaminen saattaa olla jo muutaman vuoden päässä. Näin väittävät alalle tulleet uudet yritykset, jotka toivovat ilmastonmuutoksen vauhdittavan satsauksia. Fuusiolla yhden ihmisen vuosikymmenien sähköntarve voitaisiin tuottaa muutamasta vesilitrasta ja kännykän akusta.

talous
fuusio.
Tri Alpha Energy -yhtiön C-2U laite sisältä. Yhtiö uskoo tehneensä laitteella tärkeän läpimurron fuusioenergian kehityksessä.Tri Alpha Energy

Kymmenen vuoden päästä maailma näkee fuusion toteutuksen jossakin muodossa, uskoo kalifornialainen energiayhtiö Tri Alpha Energy.

– Ei ehkä vielä kaupallisessa tuotannossa, mutta jossakin nettoenergiaa tuottavassa muodossa, sanoo yhtiön teknologiajohtaja Michl Binderbauer Ylen haastattelussa.

– Viime kesänä saavutimme merkittävän läpimurron. Uskomme, että noin kolmen vuoden päästä voimme aloittaa varsinaisen prototyypin suunnittelun, Binderbauer kertoo.

Tri Alpha Energy (TAE) on salamyhkäinen yritys, joka on saanut lyhyessä ajassa kerättyä satojen miljoonien edestä riskisijoituspääomaa. Yhtiöön ovat sijoittaneet muun muassa investointipankki Goldman Sachs ja miljardööri Paul Allen, Microsoftin toinen perustaja.

Pieniä startup-yrityksiä, jotka uskovat pystyvänsä kehittämään toimivaa fuusionenergiaa, on syntynyt viime vuosina lukuisia Yhdysvaltoihin, Kanadaan ja Iso-Britanniaan. Nämä yhtiöt uskovat kaikki löytäneensä fuusion hallintaan jotakin sellaista, joka voisi mullistaa kehityksen.

tiedenaisia työssään
Asejätti Lockeed Martin kehittää myös fuusiovoimaa.Lockheed Martin

Myös maailman suurimpiin asevalmistajiin kuuluva Lockheed Martin on kertonut, että sen kuuluisa kokeellinen tuotekehitysyksikkö Skunk Works pyrkii kehittämään pienen fuusiovoimalan, joka mahtuisi rekkaan, ja voisi olla toimintakykyinen jopa muutaman vuoden päästä.

Tri Alpha Energyn ja muiden yksityisten firmojen väitteet ovat hurjia, sillä hallittua fuusiovoimalaa on kehitetty vuosikymmeniä. Vanhan tiedevitsin mukaan fuusioenergia on 30 vuoden päässä – ja tulee aina olemaan. Tiedemaailman vallitsevan käsityksen mukaan se ei ole näköpiirissä ennen kuin tämä vuosisadan puolivälissä.

Lähes täydellinen energiamuoto

Fuusioenergian edut ovat valtavat. Muutamasta litrasta vettä ja yhdestä kännykän litium-akusta saadaan tehtyä polttoainetta yhden ihmisen vuosikymmenien sähkötarpeiksi. Polttoainetta eli vedyn raskaita isotooppeja on helposti saatavissa sadoiksi vuosiksi.

Fuusioenergian tuotannossa ei vapaudu kasvihuonekaasuja, eikä siinä synny vaarallista korkea-aktiivista jätettä kuten perinteisessä fissioydinvoimassa. Fuusiovoima ei myöskään voi aiheuttaa perinteisen ydinvoimalan kaltaisia suuria vaaratilanteita. Jos jokin menee fuusiossa pieleen, reaktio yksinkertaisesti pysähtyy.

Ei siis ihme, että fuusioenergiatuotannon odotetaan mullistavan koko maailman.

fuusio
Etelä-Ranskaan rakennettava ITER koereaktori on mittasuhteiltaan valtava.Iter

Jättiläismäinen fuusiovoimala rakenteilla Etelä-Ranskaan

Vuosikymmenien yrittämisestä huolimatta missään ei ole pystytty tuottamaan fuusiolla enemmän energiaa kuin mitä sen ylläpitämiseen on kulunut. Tähän mennessä sitä ovat yrittäneet monet isot tutkimuslaitokset, ja tällä hetkellä myös niissä tehdään poikkeuksellisen suuria satsauksia.

Etelä-Ranskaan rakennetaan parasta aikaa suurella kansainvälisellä rahoituksella ITER-nimistä fuusiokoereaktoria. ITERiä on sanottu maailman monimutkaisimmaksi koneeksi. ITERillä on tarkoitus pystyä tuottamaan kymmenen kertaa enemmän energiaa kuin fuusion vaatima lämmitys vaatii.

Reaktorin tulisi olla valmis vasta vuonna 2027 ja nykyinen hinta-arvio on yli 15 miljardia euroa.

EU:n komission tavoitteen mukaan fuusioenergia pitäisi saada sähköverkkoihin vuonna 2050. Tutkimusreaktori ITER on keskeinen vaihe tässä suunnitelmassa.

Ennen kuin voi tarkastella, mitä Tri Alpha Energy ja muut yksityiset yritykset oikeastaan yrittävät, pitää ymmärtää, miten haasteellista fuusioenergian kehittäminen on.

Fuusio vaatii miljoonien asteiden lämpötilan

Jo vuosikymmeniä on tiedetty, että fuusion käynnistämiseksi tarvitaan valtava lämpötila, jotta aine muuttuu ns. plasmaksi. Auringossa fuusio myllertää noin 17 miljoonan celsiusasteen lämpötilassa. Maapallolla fuusio vaatii vielä suuremman lämpötilan, noin 100 miljoonaa astetta.

Kuuman plasman hallitseminen on äärimmäisen vaikeaa. Sadanmiljoonan asteen plasma ei voi koskea mihinkään.

– Tieteellisesti haastavinta on varmasti plasman koossapito. Siinä on monia muitakin haasteita, joista materiaalin kestävyys on ehkä tunnetuin, kertoo VTT:n fuusiotutkimusta johtava Tuomas Tala.

Käytännössä kaikissa fuusiolaitteissa plasmaa yritetään pitää koossa voimakkaiden magneettikenttien avulla.

ITERin tekniset haasteet ovat hämmentäviä. Laitteen magneetit pitää saada suprajohtaviksi, jolloin sähkövirta kulkee niiden läpi ilman vastusta. Tämä taas toteutetaan jäähdyttämällä magneetit -269 celsiusasteeseen. Samaan aikaan aivan vieressä, laitteen reaktiokammiossa plasma kuumennetaan jopa 150 miljoonaan lämpöasteeseen.

kaavakuva fuusio
Rakenteilla olevaa ITER koereaktoria on sanottu maailman monimutkaisimmaksi laitteeksi. Iter

Yksityiset yritykset haastavat tutkimuslaitokset

Useat yksityiset yritykset uskovat, että toimiva fuusioenergia on saavutettavissa paljon helpommin ja nopeammin.

– Usein fuusiotiedemiehet ajattelevat aina seuraavaa kiinnostavaa tieteellistä haastetta, sanoo kalifornialaisen Tri Alpha Energy -yhtiön teknologiajohtaja Michl Binderbauer.

– Me ajattelimme eri tavalla, lopputulos edellä, eli sitä minkälainen voimalaitoksen täytyy todellisuudessa olla.

Tri Alpha Energy on eräs vakuuttavimmista yksityisistä tahoista, jotka kehittävät fuusioenergiaa. Kaikki alan yritykset pyrkivät löytämään uudenlaisia ratkaisuja keskeiseen plasman hallinnan ongelmaan. TAE:n konsepti on erikoinen.

– Vallankumouksellisin tieteellinen ajatuksemme on käyttää fuusion synnyttämisessä hiukkaskiihdytinfysiikkaa, joka on pitkälle kehittynyt tieteenhaara, Binderbauer vakuuttaa.

fuusio.
Tri Alpha Energyn kone näyttää hieman tieteisfilmien kulissilta, mutta se on äärimmäisen monimutkainen laite. Siinä on yhdistetty hiukkaskiihdytintekniikkaa plasmafuusioon. Tri Alpha Energy

TAE:n laitteessa kaksi plasmapilveä ammutaan yhteen lähes miljoonan kilometrin tuntinopeudella. Yhtiö sanoo viime kesänä saaneensa vallankumouksellisia tuloksia.

- Tarpeeksi pitkään ja tarpeeksi kuumaa, siten minä kutsun fuusion kahta perusongelmaa, Binderbauer sanoo.

TAE uskoo nyt saavuttaneensa ratkaisun ensimmäiseen ongelmaan, riittävän pitkään.

Se tarkoittaa, että plasmafuusiossa plasma täytyy saadaan pidettyä riittävän kuumana riittävän pitkään, jotta fuusiosta vapautuu enemmän energiaa kuin siihen kuluu.

TAE uskoo nyt saavuttaneensa ratkaisun ensimmäiseen ongelmaan, riittävän pitkään. Viime kesänä yhtiön laite piti plasmaa kasassa viisi millisekuntia. Se kuulostaa äärettömän lyhyeltä ajalta, mutta Binderbauerin mukaan se on riittävän pitkä aika osoittamaan, toimiiko plasman koossapito.

Yhtiön mukaan sen laite olisi pitänyt plasmaa kontrollissa paljon kauemminkin, mutta se olisi vaatinut liikaa sähköä.

- Me pystymme nyt pitämään plasman kasassa periaatteessa niin kauan kuin haluamme, Binderbauer väittää.

Kolme miljardia astetta

TAE:n ratkaisu fuusioenergiaan on muutenkin poikkeuksellisen kunnianhimoinen.

Lähes kaikki fuusion kehittäjät pyrkivät fuusioimaan vedyn isotooppeja deuteriumia ja tritiumia, joista syntyy heliumia.

Tällaisessa ns. DT-fuusiossa on kuitenkin sellainen ongelma, että siinä vapautuu neutroneja. Ne eivät varauksettomina hiukkasina pysy magneettikenttien sisällä, vaan syöksyvät ympäröiviin rakenteisiin valtavalla nopeudella. Se tekee plasmakammiota ympäröivistä materiaaleista radioaktiivisia.

Ydinfuusioreaktio
Ns. DT-fuusio, jossa fuusioidaan vedyn raskaita isotooppeja, deuteriumia ja tritiumia. DT-fuusion ongelmana ovat vapautuvat neutronit.Yle Uutisgrafiikka

Neutronit on tarkoitus vangita erilliseen hyötyvaippaan, jolloin voidaan samalla valmistaa tritiumia uudeksi polttoaineeksi. Tämä on kuitenkin hankala prosessi ja itse tritium on radioaktiivinen aine.

– Neutronit ovat iso pulma, monet reaktorin osista rapautuisivat nopeasti. Vaikka ITER olisikin menestys, heidän täytyy silti ratkaista nämä materiaalipäänsäryt ja neutroneihin liittyvät ongelmat, sanoo TAE:n Binderbauer.

Tri Alphan Energyn ajatus on käyttää erilaista polttoainetta kuin käytännössä kaikki muut alan toimijat.

Yhtiö pyrkii fuusioimaan protoneja (eli vety-ytimiä) ja booria, ns. pb11-fuusiossa. Tällaisessa pB11-fuusiossa ei neutroneita vapaudu. Mutta pB11-fuusio vaatii lähes käsittämättömän kolmen miljardin asteen lämpötilan. Siitä syystä juuri kukaan muu ei yritä samaa.

pB11-fuusio vaatii lähes käsittämättömän kolmen miljardin asteen lämpötilan.

– Reaktorin materiaaleilta vaaditaan kaksi tärkeää ominaisuutta. Niiden tulee kestää neutronit, ja on totta, että Tri Alphan konseptissa tästä päästään eroon, koska neutroneja ei synny. Mutta toinen ongelma ovat lämpökuormat. Tri Alphan fuusiossa vaaditaan noin sata kertaa suurempi lämpötila, pohtii Tuomas Tala.

– Minun näkemykseni mukaan suurin ongelma siinä tulee olemaan se, että ympäröivät rakenteet joutuvat kestämään sata kertaa suurempaa lämpökuormaa, eikä tällaisia materiaaleja ole todellakaan vielä kehitetty.

Tri Alpha Energyn Michl Binderbauerin mukaan materiaalin lämpökestävyys ei kuitenkaan ole ongelma. Sen sijaan hän myöntää, että pb11-fuusion aikaansaaminen ja plasman hallinta tällaisissa lämpötiloissa on tieteellisesti hyvin haasteellista.

Suuri tiede vastaan pienet startup-yritykset

Monet uusista fuusioyrityksistä yrittävät uudelleen kehittää vanhoja ideoita, jotka hylättiin plasmatutkimuksessa vuosikymmeniä sitten.

Yritykset kritisoivat perinteistä tiedemaailmaa siitä, että se on jämähtänyt paikalleen kehittelemään tokamak-tyyppisiä laitteita, vaikka suurta läpimurtoa ei niissä ole vuosikymmenien työstä huolimatta tapahtunut.

– On totta, että nykyinen kehitys on ollut hidasta, myöntää tokamak-laitteilla pitkään työskennellyt Tala.

Tala ei kuitenkaan usko, että vanhoista hylätyistä ideoista löytyisi mitään uutta ratkaisua kaupallisesti kilpailukykyiseen energiatuotantoon.

Sen sijaan Tala on innostunut Saksaan juuri valmistuneesta uudesta stellaraattorilaitteesta. Wendelstein 7-X –niminen laite on julkisrahoitteisen fuusiotutkimuksen kuumin puheenaihe. Se teki ensimmäiset plasmatestinsä joulukuussa.

Wendelstein 7-X
Wendelstein 7-X stellaraattorin magneetit ovat äärimmäisen monimutkaisia. Stefan Sauer / EPA

– Siinä magneettikelat ovat kolmiulotteisia ja optimoitu tietynlaiseen koossapitoon, jolloin hiukkaset karkaavat mahdollisimman vähän, Tala selittää.

Wendelstein 7-X maksoi satoja miljoonia ja valmistui vuosia aikataulusta jäljessä. Pienet yritykset kritisoivat perinteisen tiedemaailman hankkeita kalliiksi ja hitaiksi toteuttaa. Esimerkiksi Tri Alpha Energy on rakentanut lyhyessä ajassa useita laitteita.

– Yksityisen yrityksen täytyy onnistua nopeasti tai se kaatuu. Se pakottaa meidät hyvin organisoituun toimintaan, Binderbauer selittää.

– Esimerkiksi viimeisin koneemme oli piirustuspöydällä vuonna 2014. Kerroimme rahoittajillemme kesällä 2014, että kestäisi vuoden rakentaa laite, käyttää sitä ja saada kokeesta tarvittava data ulos. Me teimme sen kaiken aikataulussa.

Uusien yksityisyrittäjien taustalla onkin usein fuusiotutkijoita, jotka ovat kyllästyneet tiedevetoisiin hankkeisiin.

Binderbauerin mukaan heidän syklinsä on valmistaa uuden sukupolven laite kolmen vuoden välein, mikä on valtavan nopeaa, jos sitä vertaa julkisrahoitteisiin, vuosikymmeniäkin kestäviin hankkeisiin.

fuusio.
TAE:n laitteessa plasmapilviä ammutaan toisiaan vasten lähes miljoonan kilometrin tuntinopeudella. Tri Alpha Energy

Uusien yksityisyrittäjien taustalla onkin usein fuusiotutkijoita, jotka ovat kyllästyneet tiedevetoisiin hankkeisiin.

Michl Binderbauer
Michl BinderbauerTri Alpha Energy

– Kysymys on myös siitä, voidaanko itse tieteellistä tutkimusta yrityksissä nopeuttaa, Binderbauer kysyy ja vastaa itse.

– Meidän menetelmillämme tutkimusta on voitu nopeuttaa dramaattisesti. Voimme käyttää moderneja tietokoneiden tekoälyjärjestelmiä ja kehittyneitä algoritmeja. Minä tulen itsekin akateemisesti fuusiomaailmasta ja minulla on siellä paljon ystäviä.

Tiedän mitä he tekevät ja tiedän, että tällaiset menetelmät ovat siellä tuntemattomia, Binderbauer sanoo.

Binderbauer väittää myös, että heidän laitteellaan testien tekeminen onnistuu valtavasti nopeammin kuin suurissa tiedelaitoksissa.

– Me olemme tehneet laitteellamme jo 50 000 testiä. Suurissa installaatioissa saadaan hädin tuskin tehtyä muutamia tuhansia kokeita koko laitteen elinkaaren aikana.

Tuomas Tala
Tuomas TalaYle

Perinteistä tiedemaailmaa edustava VTT:n Tuomas Tala pitää yksityisiä fuusioyrityksiä sinänsä hyödyllisinä.

– Ehdottomasti se on hyvä asia, ja se on tuonut tälle alalle paljon uutta.

Tala ei silti usko kaupallisten yritysten suuriin lupauksiin fuusioenergian nopeasta tulosta. Hän myös muistuttaa, että fuusiovoiman käyttöönotossa olennaista tulee olemaan myös sillä tuotetun energian hinta.

– Sieltä voi ehkä löytyä joitakin ratkaisuja, mutta lähes varmasti ne ovat kuitenkin kalliimpia kuin tällaisella isommalla laitoksella tuotettu energia. Olen aivan varma, että fuusioreaktorin rakentamisessa tarvitaan tätä valtavaa tiedeyhteisöä.

Joka tapauksessa fuusioenergian kehityksessä näyttää nyt tapahtuvat enemmän kuin vuosikymmeniin. Kaikki osapuolet tuntuvat olevan samaa mieltä siitä, että mikäli ihmiskunta todella panostaisi fuusioenergiaan samalla tarmolla kuin aikoinaan atomipommin kehittämiseen tai kuulentoon, tämä saasteeton ja loputun ihme-energia voisi olla saavutettavissa nopeastikin.

Binderbauer toivoo, että ilmastonmuutoskeskustelu vauhdittaisi fuusioenergian kehittämistä.

– Minun suurin motivaattorini ovat omat lapseni. Kun katson heitä pihalla leikkimässä, toivon, että he ja heidän lapsenlapsensa perisivät saman ympäristön kuin missä me olemme kasvaneet.

Mutta energiaratkaisuissa eivät tunnetusti aina järkevimmät ratkaisut voita, sen verran kovaa taistelua valtava energiabisnes maailmanmittakaavassa on.