ITER

Fuusiovoiman valjastaminen on askeleen lähempänä

To, 12/10/2015 - 22:04 Markus Hotakainen
Heliumplasmaa

Tänään tuotettiin Max Planckin plasmafysiikan instituutin Wendelstein 7-X -fuusiolaitteella ensimmäisen kerran heliumplasmaa. "Stellaraattorissa" tuotetun plasman lämpötila oli noin miljoona celsiusastetta.

Energiantuotantoon koelaitteistosta ei kuitenkaan ole, vaikka se onkin lajissaan suurin. Testeillä on tarkoitus tutkia, onko Lyman Spitzerin jo 1950-luvulla kehittelemästä laitteesta tulevaisuuden fuusiovoimalan sydämeksi.

7-X rakentuu 50 suprajohtavasta käämistä, joista kookkaimmat ovat 3,5 metriä korkeita. Käämit ympäröivät tyhjiökammiota ja ne jäähdytetään lähelle absoluuttista nollapistettä nestemäisen heliumin avulla. 

Kun käämit kytketään päälle, ne eivät kuluta juuri lainkaan energiaa. Niiden muodostama magneettinen "häkki" pitelee noin 30 kuutiometrin kokoista hyvin harvaa plasmapilveä irrallaan tyhjiökammion seinämistä.

1970-luvulla stellaraattorin ohi kiilasivat lupaavampina pidetyt tokamak-tyyppiset, rengasmaiset fuusiokammiot, mutta suurista odotuksista huolimatta niiden käytännön toteutuksessa on ollut suuria ongelmia.

Käytännöllisen fuusiovoiman toteutuminen onkin ollut jokseenkin koko alan tutkimuksen historian ajan noin kolmen vuosikymmenen päässä tulevaisuudessa. Nyt otettiin kuitenkin askel, joka saattaa lyhentää tuota aikaväliä.

Wendelstein 7-X -laitteistoa rakennettiin yhdeksän vuoden ja miljoonan työtunnin ajan, ja se saatiin rakenteellisesti valmiiksi huhtikuussa 2014. 

Sen jälkeen kokonaisuuden eri osia – tyhjiökammiota, jäähdytysjärjestelmää, suprajohtavia käämejä ja niiden tuottamaa magneettikenttää sekä ohjaus-, kuumennus- ja mittalaitteita – on testattu huolella.

Tyhjiökammio

Tänään laitteisto käynnistettiin ja sen sisuksiin syötettiin milligramman verran heliumkaasua, joka kuumennettiin lyhyellä 1,3 megawatin mikroaaltopulssilla, jolloin se muuttui plasmaksi.

"Aloitimme heliumista tuotetulla plasmalla, mutta siirrymme varsinaiseen tutkimuskohteeseen eli vetyplasmaan ensi vuonna", toteaa projektin vetäjä Thomas Klinger.

"Syynä on se, että heliumin saa muutettua helpommin plasmaksi. Lisäksi pystymme puhdistamaan plasmakammion sisäpinnat heliumilla."

Kokeessa helium pysyi plasmana sekunnin kymmenyksen. Seuraavaksi on tarkoitus pidentää plasman "elinaikaa" ja selvittää, miten plasman tuotanto mikroaalloilla onnistuu parhaiten. Kokeita jatketaan tammikuussa ja niiden tavoitteena on päästä siirtymään mahdollisimman pian vetyplasman tutkimukseen.

Varsinaisen fuusioreaktion käynnistyminen vaatii yli sadan miljoonan asteen lämpötilan, joten ongelmana on eristää vetyplasma tyhjiökammion seinämistä. Koska plasma johtaa sähköä, se onnistuu magneettikenttien avulla – mutta helppoa se ei ole.

Tällä hetkellä ainoastaan tokamak-tyyppistä reaktoria pidetään energiantuotannon kannalta toteuttamiskelpoisena. Parhaillaan Cadaracheen Ranskaan rakennetaan ITER-koereaktoria, jonka on määrä valmistua vuoden 2020 tienoilla.

Wendelstein 7-X -laitteistolla ei pystytä tuottamaan energiaa, mutta sillä kyetään kenties osoittamaan, että myös stellaraattori-tyyppisellä reaktorilla se on mahdollista. 

7-X on tullut maksamaan noin 370 miljoonaa euroa, joka jakautuu usean valtion sekä Euroopan Unionin kesken.

Onnistuneesta kokeesta kerrottiin Max Planckin plasmafysiikan instituutin uutissivuilla.

Kuvat: IPP [heliumplasma ja tyhjiökammio]; IPP, Thorsten Bräuer [7-X-koelaitteisto]

Suomalaisille suuri fuusioenergian robotiikkasopimus

To, 06/25/2015 - 15:52 Jari Mäkinen

Eteläisessä Ranskassa, Cadarachessa ollaan rakentamassa parhaillaan ITER-fuusioreaktoria, jolla tullaan ensimmäistä kertaa testaamaan suuressa mittakaavassa olisiko tästä Auringon periaatteella toimivasta menetelmästä tulevaisuuden energialähteeksi. Ainakin periaatteessa fuusiovoima on turvallista ja rajatonta sekä ympäristön kannalta hyvin vastuullinen energialähde.

Ongelmana fuusiovoimalaitoksissa on kuitenkin se, että niiden reaktorin sisäosia on hyvin vaikeaa huoltaa ihmisvoimin sen jälkeen, kun voimala käynnistyy. Osin syynä on lyhytaikainen säteily, mitä reaktorin sisälle syntyy, mutta toisaalta reaktori on rakenteeltaan niin kompakti ja monimutkainen, ettei sen sisälle voi rakentaa erityisiä huoltotunneleita ihmisille.

Niinpä ITER tarvitsee edistyksellisiä huoltorobotteja ja etäoperointia. Suomalaiset ovat olleet näiden kehittämisessä sekä tarjoamisessa ITERin käyttöön jo aiemminkin aktiivisia, mutta nyt ITER-hankkeen tiimoilta on saatu Suomeen myös merkittävä tilaus

Kyseessä on Amec Foster Wheelerin allekirjoittama 70 miljoonan euron alihankintasopimus VTT:n ja Tampereen teknillisen yliopiston kanssa ITERin etäoperointiin liittyvästä työstä.

Kyseessä on mittava teollinen sopimus, joka kokonaisuudessaan oli liian iso suomalaisille tutkimusorganisaatioille. Siksi Euroopan osuudesta kansainvälisessä ITER-hankkeessa vastaava Fusion For Energy (F4E) -organisaatio teki seitsenvuotisen sopimuksen Amec Foster Wheeler -yhtiön kanssa, joka puolestaan on tehnyt sopimuksen suomalaisten kanssa.

Tarkalleen ottaen tilatussa toimituskokonaisuudessa on niin sanottu Neutral Beam -etähuoltolaitteisto.

VTT:n ja TTY:n tehtävät koskevat huollon etäoperointiin liittyvien laitteiden ja ohjausjärjestelmien suunnittelua ja testausta Tampereella sijaitsevassa Divertor Test Platform 2 (DTP2) -tutkimusympäristössä. Etäoperointijärjestelmä on tärkeä ITERin onnistumisen kannalta, koska reaktorikomponentteja pitää huoltaa ja vaihtaa etäoperoidusti sekä automaattisesti.

"ITER-laitoksen ja siihen sisältyvä huoltorobotiikan kehitystyö ovat haastavuudeltaan maailman mittakaavassa aivan omaa luokkaansa", toteaa liiketoiminta-alueen johtaja Jouko Suokas VTT:ltä. 

"Suomelle tämä on näkyvä tehtävä, ja pohjautuu yli 15 vuoden kehitystyöhön VTT:llä ja TTY:llä. Tähän nojautuvaa mekaniikkasuunnittelua sekä kamera-, ohjaus- ja virtuaalitekniikkaa voidaan soveltaa myös muussa teollisuudessa maailmanlaajuisesti."

"TTY:n ja VTT:n valinta yhteistyökumppaniksi osoittaa, että ne ovat etäoperoitavien järjestelmien alalla maailman ehdotonta kärkeä", sanoo Tampereen teknillisen yliopiston rehtori Markku Kivikoski.

"Tämä on myös hyvä esimerkki siitä, kuinka tutkimustuloksia pystytään tuomaan yhteiskunnan ja teollisuuden hyötykäyttöön."

Amec Foster Wheeler johtamassa hankkeessa ovat Teknologian tutkimuskeskus VTT Oy:n ja Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) lisäksi mukana CCFE - Culham Centre for Fusion (Ison-Britannian kansallinen fuusiolaboratorio), Reel SAS Ranskasta, Walischmiller Engineering GmbH Saksasta, Hyde Group ja Capula Isosta-Britanniasta sekä Magyics Belgiasta.

ITER-tilaus edesauttaa myös teollisuusautomaation sekä etäoperoinnin tutkimusta sekä sovellusten tekemistä Suomessa. Vastaavaa teknologiaa hyödynnetään avaruuslennoilla sekä vedenalaisissa ja maanalaisissa tehtävissä. Sitä mukaa kun teollisuuden laitteistot tulevat monimutkaisemmiksi, on etäoperoinnille kysyntää myös perinteisesti ihmisten huoltamissa laitteistoissa. Järjestelmässä yhdistyvät robotiikka, kehittyneet teknologiset työkalut, tehokkaat tietokoneet ja virtuaalisen todellisuuden menetelmät.

Alla on ITER-konsortion tekemä video vierailusta Tampereella.

 

Artikkeli perustuu TTY:n lähettämään tiedotteeseen. Tiedetuubi julkaisee tutkimuslaitosten ja yhtiöiden lähettämiä tiedotteita kuratoiden ja editoiden; nämä jutut erottaa journalistisesti toimitetusta sisällöstä punaisesta neliöstä jutun yhteydessä.

Tiedetuubi kävi ITER-työmaalla toukokuussa ja julkaisee hankkeesta syksyllä laajan raportin.

Fuusioreaktori joka kotiin?

Ti, 10/21/2014 - 18:23 Jari Mäkinen
Lockheed Martinin fuusiohankkeen projektipäällikkö Tom McGuire ja koereaktori T-4

Lockheed Martin, amerikkalainen ilmailu-, avaruus- ja sotilasteollisuusjätti, kertoi viime viikolla keksineensä tavan valmistaa pieniä, käteviä fuusioreaktoreita, jotka mullistaisivat energiantuotannon. Paitsi että fuusiovoiman saaminen arkikäyttöön olisi jo sinällään mullistavaa, myös se, että näin voitaisiin tehdä pienessä mittakaavassa, olisi melkeinpä suurempi edistysaskel. Silloinhan haave siitä, että sähköä tuotettaisiin edullisesti ja kätevästi siellä missä sitä tarvitaan, tulisi todeksi: laajoja sähkönsiirtoverkkoja ja suuria voimalaitoksia ei enää tarvittaisi lainkaan siinä määrin kuin nykyisin.

Valitettavasti vain uutiseen kannattaa suhtautua suurin varauksin. Kukaan ei missään ole vielä saanut fuusioreaktoria toimimaan siten, että reaktiosta saataisiin energiaa käyttöön. Vaikka Lockheed Martin julkaisi jo helmikuussa 2013 tietoja fuusiohankkeestaan ja viime viikon uutisointia edelsi yhtiön patenttihakemuksen julkaiseminen.

Monet muutkin henkilöt ja yhtiöt ajattelevat, että juuri tuollaisissa pienissä reaktoreissa voisi olla tulevaisuus. Hankkeita verhoaa kuitenkin salamyhkäyisyys: patentit suojaavat osaa keksinnöistä, mutta tuloksista ja tekeillä olevista uusista hankkeista ei juurikaan kerrota tarkemmin. Kenties näin mullistavista vempeleistä ei kannatakaan kertoa vielä yksityskohtia…etenkin kun sotilaat ovat sekaantuneet asiaan ja mukana on suuria kaupallisia intressejä.

Ensimmäisen kerran fuusioreaktiota koitettiin saada hallitusti syttymään laserilla vuonna 1984 Lawrence Livermoren kansallisessa laboratoriossa, Yhdysvalloissa, NOVA-nimisellä laitteistolla. Fuusioreaktio sinällään on pystytty tuottamaan hallitusti jo 1930 luvulta asti

Fuusio tulee kyllä - mutta milloin ja miten?

Nykyiset ydinvoimalat toimivat fissioperiaatteella, eli niissä raskaita atomiytimiä rikotaan kevyemmiksi, jolloin hitunen ainetta muuttuu energiaksi.

Fuusioreaktorissa puolestaan kevyet aineet törmäytetään yhteen raskaammiksi, jolloin saadaan myös energiaa, kun reaktiossa jää hieman ainetta (siis energiaa) ylitse. Aurinko tuottaa energiansa yhdistämällä vetyä heliumiksi, ja periaatteessa tämä reaktio on myös tavoitteena maanpäällisissä fuusioreaktoreissa. Tarkalleen ottaen aikomuksena on yhdistää deuteriumia ja tritiumia, vedyn raskaita isotooppeja, heliumiksi, ja energian lisäksi oheistuotteina on vain neutroneja.

Myös muita reaktiovaihtoehtoja on olemassa, kuten esimerkiksi deuterium ja Helium-3. Silloin tuloksena olisi alfahiukkasia ja protoneita.

Periaatteessa siis vaikkapa pallojen täyttämiseen sopivaa heliumia tuottava fuusiovoimala on saasteeton siinä missä fissiovoimalan jätökset ovat radioaktiivisia vuosituhansien ajan, ja siinä missä uraani on hankalasti saatavaa ainetta, on vetyä saatavissa kaikkialta missä on vettä.

Perinteinen fissiovoimala vaatii myös koko ajan paapomista, sillä jos sen reaktio pääsee villiksi, tuloksena on suuria ongelmia. Fuusiovoimalassa kaikki käyttöhäiriöt puolestaan johtaisivat siihen, että voimala vain sammuisi. Koska fuusioreaktiota täytyy pitää koko ajan yllä, se on erittäin turvallinen jopa perinteiseen hiilivoimalaan verrattuna.

Lisäksi fuusio tuottaa hurjasti energiaa. Verrattuna fissioon, kilosta fuusiopolttoainetta saa neljä kertaa enemmän energiaa, ja verrattuna hiileen luku on vielä huimempi: fuusio on 10 miljoonaa kertaa tehokkaampi energiantuotantotapa.

Fuusiovoima olisi siis puhdasta, tehokasta ja sitä riittäisi ylitse kaiken kuviteltavissa olevan tarpeemme.

Käytännössä kuva ei ole aivan näin ruusuinen, sillä fuusiovoimalan rakenteet muuttuvat neutronipommituksessa radioaktiivisiksi. Ongelmat ovat kuitenkin minimaalisia verrattuna fissiovoimaloiden riskeihin ja ongelmiin.

Suurempi ongelma on vielä se, että fuusiota ei ole saatu toimimaan. Parhaimmillaan hetken kestänyt toiminta on tuottanut teoreettisesti enemmän energiaa kuin sen käynnistäminen on vaatinut, mutta jatkuva, koko ajan energiaa tuottava voimalaitos on vielä haavetta vain.

ITER

Tie kohti fuusiota on jo tähän mennessä ollut pitkä ja tavoite on siirtynyt koko ajan tulevaisuuteen. Klassisen sanonnan mukaan fuusiovoima on 30 vuoden päässä tulevaisuudessa, mutta aika, mistä kolme vuosikymmentä lasketaan alkavaksi, on siirtynyt koko ajan eteenpäin.

Monien pienikokoisten koelaitosten jälkeen ensimmäinen kunnollisen kokoinen fuusiovoimala on parhaillaan rakenteilla eteläisessä Ranskassa, Cadarachessa. Kansainvälinen ITER-koelaitos (International Thermonuclear Experimental Reactor, http://www.iter.org) on tarkoitus saada toimintaan 2020-luvun puoliväliin mennessä ja sen jälkeen sitä on aikomus käyttää parinkymmenen vuoden ajan.

Laskelmien mukaan se olisi ensimmäinen tarpeeksi suuri fuusiovoimala, missä reaktio voisi jatkua pitkään ja tuottaa oikeasti energiaa kuten voimalaitoksen tulisi tuottaa.

Laitoksen ydin on donitsin muotoinen säiliö, tokamak, jonka sisällä deuterium ja tritium ovat kuumana plasmana voimakkaiden magneettikenttien kahlitsemana. Rinkulan halkaisija on kuusi metriä ja sen suprajohtavilla magneeteilla synnytetyn magneettikentän voimakkuus viisi Teslaa (tämä on todella paljon). Lämpötila, missä fuusioreaktio deuteriumia ja tritiumia käytettäessä käynnistyy, on 100 miljoonaa astetta. Tuloksena toivotaan olevan 500 megawattia ylimääräistä energiaa.

Kokonaisuudessaan ITER-laitteisto olisi 60 metriä korkea ja sen massa olisi 23000 tonnia. Sähkö tuotettaisiin sitten vieressä olevilla perinteisillä generaattoreilla, joita pyörittää fuusiovoiman kuumentama vesi.

Plasmaa

Hohtavaa plasmaa tokamakin sisältä kuvattuna.

Pallosalama purkkiin

Johtoajatuksena ITERin rakentamisessa on ollut se, että suurentamalla laitoksen kokoa saadaan fuusio kunnolla toimimaan, mutta samalla pieni joukko tutkijoita on pohtinut juuri päinvastaista: entä jos laitteisto yksinkertaistettaisiin ja tehtäisiin paljon pienemmäksi?

Eräs ensimmäisistä oli Kalifornian yliopiston fyysikko Norman Rostoker, joka perusti vuonna 1998 yhtiön nimeltä Tri Alpha. Hänen ideanaan oli käyttää vedyn isotooppien sijaan polttoaineena booria ja protoneita. Boori-11 on kuitenkin hankala aine siksi, että reaktio olisi hyvin kuuma (noin miljardi astetta) ja tuo lämpötila pitäisi myös pystyä synnyttämään, jotta reaktio lähtisi alkuun. Lisäksi reaktio tuottaa vain puolet vetyreaktion tuottamasta energiasta. Hyvä puoli olisi kuitenkin se, että reaktion oheistuotteena ei olisi juurikaan neutroneita ja sähkövirtaa olisi mahdollista kehittää magnettikenttien avulla jopa 90% hyötysuhteella. Klassisen fuusioreaktorin (jos niin voi sanoa) hyötysuhde olisi vain noin 40%.

Miljardin asteen lämpötilaa ei voida pitää yllä pienessä tokamakissa, koska vaadittava magneettikentän voimakkuus olisi täysin mahdottomuus. Siksi Tri Alphassa kehitettiin boxer-moottoria muistuttava systeemi, missä kaksi vastakkain toisiaan olevaa plasmatykkiä ampuu keskellä olevaan kammioon eräänlaisia plasmarinkuloita, plasmoideja.

Sopivasti rengasmaiset plasmarinkulat kehittävät itse ympärilleen magneettikentän, joka pitää ne kasassa. Pallosalamien oletetaan olevan luonnollisia plasmoideja, eli salamaniskussa syntyneitä kuuman, sähköisesti varautuneen kaasun renkaita, joita niiden itsensä synnyttämä magneettikenttä pitää hengissä.

Kun plasmoidit osuvat toisiinsa keskellä olevan kammion sydämessä, ne synnyttävät boori-11 kaasun kanssa fuusioituvan plasmakuplan, jota pidetään paikallaan kammion keskellä magneettikentällä. Reaktio jatkuu niin kauan polttoainetta syötetään laitteeseen ja plasmoideja ammutaan.

Syntyvät alfahiukkaset ohjattaisiin takaisin plasmoiditykkeihin, ja niissä ne saadaan muutettua sähkövirraksi prosessilla, jota yhtiö luonnehtii ”väärinpäin kytketyksi hiukkaskiihdyttimeksi”.

Tri Alpha ei ole kertonut toiminnastaan juurikaan julkisuuteen, mutta se on tehnyt kokeita noin 10 metriä pitkällä laitteella, jota se kutsuu nimellä C-2. Laite pystyy ampumaan plasmoideja toisiinsa ja pitämään yllä raktiota jopa viiden millisekunnin ajan. Tämä on kunnioitettava saavutus, vaikkakin boorin sijaan kokeissa on toistaiseksi käytetty deuteriumia ja sähkövirran tuottaminen liki suoraan alfahiukkasista ei ole onnistunut.

Toinen pientä fuusioreaktoria suunnitteleva yhtiö on Helion Energy (http://www.helionenergy.com). Washingtonissa, Yhdysvalloissa, toimiva yhtiö kehittää myös plasmoideihin perustuvaa laitteistoa, joka on ”kuin diesel-moottori” yhtiön omien sanojen mukaan: plasmatykit syöttävät plasmoidipareja reaktiokammioon, missä magneettikenttä puristaa ne kasaan ja saa aikaan fuusioreaktion. Se saa aikaan puolestaan uudet kaksi plasmoidia, jotka puolestaan fuusioituvat ja saavat aikaan seuraavien syntymisen. Kun laite tuottaa näitä noin sekunnin kestäviä fuusiosykähdyksiä jatkuvalla syötöllä, se tuottaa tasaisesti energiaa.

Toistaiseksi Helion Energy on käyttänyt polttoaineinaan deuteriumia ja saanut aikaan reaktion kolmen minuutin välein. Yhtiö etsii Tri Alphan tapaan lisää rahoitusta suuremman koelaitteen tekemiseen ja olettaa, että viiden vuoden päästä laite voisi tuottaa energiaa enemmän kuin se kuluttaa – nyt siis ollaan vielä kaukana toimivasta reaktorista.

Kolmas kiinnostava uuden ajan ydinenergiayhtiö tulee Kanadasta. General Fusion (http://www.generalfusion.com) on hahmotellut aivan toisenlaisen fuusioreaktorin: siinä deuteriumia ja tritiumia sisältävät plasmoidit syötetään vinhasti pyörivän, pyöreän palokammion sisällä olevan sulan lyijymassan keskelle, jolloin puristamalla lyijyä nopeasti ja voimakkaasti kasaan lukuisilla pallon ulkopuolella olevilla männillä saadaan fuusioreaktio syttymään.

Yhtiö tutkii plasman kompressointia kahdella eri tavalla. Toinen on 14-mäntäinen koelaitteisto ja toinen on kokonaan erillinen koesarja, jossa plasmaa puristetaan kokoon pelkästään räjähdysaineilla. Männät saadaan liikkumaan nopeasti sylinteriensä sisällä joko paineilmalla tai höyryllä. Varsinaisessa, lopullisessa reaktorissa on tarkoitus käyttää höyryä.

Onko Lockheed onnistunut?

Lockheed Martinin esittelemä voimalaitos on kooltaan vain kolmisen metriä ja se tuottaisi 100 megawattia energiaa. Selvästikin sen käyttökohteina ovat laivat, lentokoneet ja monet muut puolustuksellisestikin kiinnostavat kohteet, mutta samalla luonnollisesti kaikki muutkin hyötyisivät laitteen ketteryydestä ja helppokäyttöisyydestä. Kuvissa – kuten otsikkokuvassamme – on yhtiön koelaitos nimeltä T-4, mutta tuotantoversio olisi noin 10 metriä pitkä laite. Verrattuna sen tuottamaan tehoon ja toiminta-aikaan, olisi se hurjan pieni ja kompakti.

Jos todellakin kerrostalon kellariin tai kuorma-auton konttiin saisi tällaisen fuusiovoimalan, menisi maailman energiantuotannon lisäksi maailmanpolitiikka uusiksi, kun kaasusta tai öljystä ei olisi kiistakapulaksi.

Laitteen periaatteesta ei kuitenkaan ole kerrottu muuta kuin sen, että se käyttää fuusiota ja että reaktiossa on ”korkea beta”. Tämä tarkoittaa sitä, että se tuottaa suuren plasman paineen suhteellisen pienellä magneettikentän aiheuttamalla paineella.

Rahoitus laitteen kehittämiseen on nähtävästi tullut Yhdysvaltain puolustushallinnolta ja työtä on tehty kuuluisassa Skunk Works -ideaverstaalla Kaliforniassa. Ennen kaikkea lentokoneistaan tunnetusta salaisten projektien pajasta ovat kotoisin monet Yhdysvaltain ilmavoimien erikoiskoneet, kuten U-2, SR-71 Blackbird, F-117 Nighthawk ja F-22 Raptor.

On hyvinkin mahdollista, että jokin lentämiseen liittyvä hanke on ollut reaktorin kehittämisen päätavoite. Tällainen voisi olla esimerkiksi lentokoneeseen (tai laivaan) sijoitettava laserase, sillä niiden käyttöön saamisen suurin ongelma on ollut riittävä virransaanti tarpeeksi pienestä ja kevyestä energianlähteestä.

Se, että hankkeen takana on Skunk Works tarkoittaa salaisuuden lisäksi myös sitä, että puheiden pohjalla todennäköisesti on jotain todellistakin. Heillä on ollut tapana tuottaa aina jotain toimivaa. Lockheed Martin kertoo laitteiston kehittämisen vievän vielä kymmenisen vuotta, ja voi myös ajatella, että viime viikon julkistuksen takana on tarve saada projektille rahoitusta.

Saatavilla olevien tietojen perusteella ei voi sanoa toimiiko uusi ihmereaktori, mutta varmaa on se, että paine hajautetun, puhtaan ja edullisen energiantuotannon suuntaan on erittäin suuri. Nykyiset suuret voimalaitokset tulevat käymään harvinaisiksi ja niihin investoimisen sijaan kannattaisi maailman (ja samalla Suomen) energianhuoltoa pohtia uudesta näkökulmasta.

Ja voi myös olla, että myös ITER tulee jäämään keskeneräiseksi hankkeeksi – onhan sekin eräänlainen dinosaurus.

-
Juttua on päivitetty 22. lokakuuta: ensimmäisen kuvan virheellistä kuvatekstiä ensimmäisestä hallitusta fuusioreaktiosta on muutettu, General Fusionin koelaitteista kertovaa tekstiä on tarkennettu ja mm. tieto Lockheed Martinin patenttihakemuksista on lisätty. Kiitos Helsingin yliopiston Tomas Lindénille!

Kuvat: Lockheed Martin; LLNL ja ITER.

Lisätietoja Lockheed Martinin hankkeesta: http://www.lockheedmartin.com/us/products/compact-fusion.html ja http://www.fusenet.eu/node/400

General Fusion -yhtiön esittelyvideo:

Päivän kuva 23.10.2013: Kaksi kertaa maapallon ympäri...

Ti, 10/22/2013 - 22:50 Markus Hotakainen

...ulottuisivat suprajohtavat niobium-tina-säikeet, jotka tarvitaan ITER-koefuusioreaktorin munkkirinkilän muotoisiin magneetteihin. Alkujaan ITER-nimi oli lyhenne sanoista International Thermonuclear Experimental Reactor, mutta sittemmin nimen merkitykseksi on otettu latinankielisen sanan "iter" tarkoittama "polku" tai "tie". Ennen kuin ITER-säikeen tuotanto aloitettiin vuonna 2009, sitä valmistettiin maailmassa noin 15 tonnia vuodessa. Neljän vuoden rupeaman aikana sitä on tuotettu yli 400 tonnia, parhaimmillaan 150 tonnia vuodessa. Valmistus on hajautettu kuudella taholle: Kiinaan, Japaniin, Koreaan, Venäjälle, Yhdysvaltoihin ja Eurooppaan. ITER-projekti on ollut käynnissä vuodesta 1985 ja koereaktorin on määrä valmistua Ranskan Cadaracheen vuonna 2020. Tavoitteena on tuottaa fuusioreaktion avulla energiaa kymmenkertaisesti reaktorin toiminnan vaatimaan määrään verrattuna – tosin vain hetkellisesti.

Printterillä avaruuteen

To, 10/17/2013 - 13:42 Markus Hotakainen

Ei nyt aivan, mutta melkein. Euroopan avaruusjärjestö ESA järjesti 15. lokakuuta Lontoon Tiedemuseossa tiedotustilaisuuden, jossa julkistettiin AMAZE-projekti (Additive Manufacturing Aiming Towards Zero Waste & Efficient Production of High-Tech Metal Products). Sen vaatimattomana tavoitteena on viedä 3D-tulostus ”metalliaikaan”.

Tilaisuuden avanneen ESAn avaruustekniikkakeskuksen ESTECin johtajan Franco Ongaron mukaan uuden menetelmän keskeisiä etuja ovat komponenttien lujuus ja keveys, materiaalihävikin merkittävä väheneminen ja ylipäätään avaruusteollisuuden ”vihertyminen”: materiaalien lisäksi 3D-tulostus säästää energiaa.

Paikalla oli edustajia useista alan yrityksistä ja tutkimuskeskuksista. Vaikka kyseessä on ESAn ”lippulaivahanke”, tarkoitus ei ole kehittää teknologiaa pelkästään avaruustutkimuksen tarpeisiin. Esimerkiksi Chris Waldon Ison-Britannian atomienergiajärjestöstä esitteli ITER-fuusiokoereaktoria, jota rakennetaan parhaillaan Ranskan Cadaracheen. Kuumuuden ja kestävyyden kannalta kriittisiä reaktorikammion osia valmistetaan 3D-tulostusmenetelmällä.

Avaruus- ja lentokoneteollisuus ovat kuitenkin merkittävässä osassa kehitettäessä uutta tekniikkaa. Kumpainenkin käyttää komponentteja, joiden laatuvaatimukset ovat äärimmäisen tiukkoja. Samalla niiden on oltava mahdollisimman keveitä, sillä etenkin avaruusrakenteissa mutta toki myös lentokoneissa kaikki ylimääräinen paino on saatava karsittua.

Perinteisillä valu- ja työstömenetelmillä on usein pakko turvautua suoriin kulmiin ja krouveihin rakenteisiin, jotta vaatimukset lujuuden suhteen saavutetaan. 3D-tulostuksella komponenteista pystytään tekemään sulavalinjaisempia, tietyllä tavalla ”orgaanisia”: valmistusmetodi ei enää sanele muotoa, vaan komponentin käyttötarkoitus ja sille asetetut vaatimukset.

Additive Manufacturing eli ”kerrosvalmistus” toimii nimensä mukaisesti. CAD-ohjelmalla suunniteltu komponentti tulostetaan tietokoneen ohjaamalla laitteistolla, joka kasaa sen kerros kerrokselta. Näin pystytään valmistamaan esimerkiksi monimutkaisia, mutta keveitä verkkorakenteita, jollaisesta on esimerkki huomisessa päivän kuvassa.

Tulostuksen jäljiltä komponentti on muodoiltaan ja mitoiltaan jo hyvin lähellä lopullista, joten työstövaihe on yksinkertaisempi ja nopeampi, ja siinä syntyvä materiaalihukka on vain murto-osa perinteisen menetelmän hävikistä. Isokokoisiakin komponentteja pystytään valmistamaan yhden vuorokauden kuluessa ja tulostettavien komponenttien kokoskaala on suuri, millimetreistä metreihin – ainakin piakkoin.

3D-tulostusta kehitetään jo kovaa vauhtia eri puolilla maailmaa, mutta ESAn tavoitteena on lisätä hankkeensa avulla yhteistyötä ja kehittää laajamittaista tuotantoa. Avaruustutkimusta on aina moitittu kalleudesta ja jopa vähäisistä hyödyistä suhteessa siihen uhrattuihin rahasummiin – vaikka monet nykypäivän arkisilta tuntuvista asioista olisivat mahdottomia ilman avaruustekniikkaa.

AMAZE-hankkeen myötä tyyriiksi arvosteltu avaruusala on tavallaan maksamassa ”velkaansa” takaisin: avaruustekniikassa sovellettavaa 3D-tulostustekniikkaa kehittämällä pystytään parantamaan myös tavallisessa teollisuudessa käytettäviä menetelmiä. Jotkut puhuvat jopa ”kolmannesta teollisesta vallankumouksesta”.

Hilde Løken Larsen, Norsk Titanium AS -yrityksen tutkimus- ja kehitystoiminnan johtaja, näkee AMAZE-hankkeeseen osallistumisen luontevana osana Norjan avaruustoimintaa, vaikka projektilla on muitakin tavoitteita kuin tulostaa avaruusalusten osia. Larsenin mukaan avaruustekniikka on kuitenkin viemässä teollisuudenalaa voimakkaasti eteenpäin.

Larsenin edustama Norsk Titanium keskittyy nimensä mukaisesti titaanikomponenttien valmistukseen. Titaani on kevyttä ja lujaa, joten sitä on perinteisesti käytetty lentokoneiden ja avaruusalusten rakenteissa. Sen sulamispiste on liki 1700 celsiusastetta, mutta Larsenin esittelemässä tulostusmenetelmässä titaanin, alumiinin ja vanadiinin seoksesta valmistetun metallilangan sulattamiseen käytetään ionisoidun argonin muodostamaa plasmakaarta, jonka lämpötila on yli 5000 celsiusastetta.

”Tällä hetkellä kehitystyö kohdistuu erityisesti komponenttien rakenteelliseen laatuun. Kun osat tulostetaan kerros kerrokselta, niiden väliin ei saa jäädä vähäisimpiäkään saumoja tai huokoisuutta. Se on aikamoinen haaste, mutta olemme päässeet jo hyvin tuloksiin”, Larsen toteaa.

Omasta innostuksestaan huolimatta EADS Innovation Worksissa tutkimusryhmää johtava Jonathan Meyer toppuuttelee vielä innokkaampia: ”Joidenkin mielestä 3D-tulostus on ratkaisu kaikkeen. Ei se kuitenkaan ole. Sillä pystytään valmistamaan monia sellaisia komponentteja, joiden valmistus perinteisin valu- ja työstömenetelmin on hyvin hankalaa ja kallista tai tyystin mahdotonta, mutta silläkin on rajoituksensa. Hassua kyllä, yksinkertaiset asiat ovat hankalimpia. Yksi hyvä esimerkki ovat umpimetalliset, massiiviset kappaleet. Sellaisia ei kannata valmistaa 3D-tulostuksella, koska niihin muodostuu voimakkaita jännityksiä.”

Tieteiskirjallisuuden kuvitelmat ovat silti muuttumassa vähitellen todellisuudeksi, kun metallijauheesta tai -langasta voidaan tulostaa melkein minkämuotoisia kappaleita tahansa. Ja kohta myös missä tahansa: Kansainväliselle avaruusasemalle ollaan viemässä ensi vuonna 3D-tulostinta. Tosin Meyer on siinäkin suhteessa sanoissaan varovainen: ”Pikapuoliin science fiction voi olla todellisuutta, mutta ei ihan vielä.”

Aiheeseen liittyy Lontoon Tiedemuseossa vastikään avattu näyttely 3D: printing the future, joka on avoinna ensi kesään saakka. Lisätietoja löytyy Tiedemuseon sivuilta.

3D-tulostuksen avaruussovelluksista on kerrottu tarkemmin Tiedetuubin ESA-blogissa.