Protivsatelitski top u drugom podrumu

Inicijativa grupe mladih naučnika iz beogradske Laboratorije za fuzionu plazmu da se Srbija uključi u izgradnju postrojenja ITER, međunarodnog eksperimentalnog reaktora za kontrolisano dobijanje energije iz nuklearne fuzije, zvuči prilično ambiciozno. No, takav naučno-tehnološki ulazak u grupu bogatih zemalja koje razvijaju fuzione reaktore (kakvi bi, teorijski, mogli da proizvode električnu energiju za polovinu Evrope) u daljoj budućnosti bi otvorio razne plodne perspektive za energetsku budućnost Srbije. Mnogo pre toga, uključenje u ITER bi dramatično oživelo više naučnih oblasti i istovremeno dalo jedan sasvim nov zamajac domaćoj industriji.

Za sada, saradnja sa ITER-om bi se oslonila na karakteristična istraživanja takozvanih ubrzavača plazme, snažnih uređaja koji su, verovali ili ne, počeli da se razvijaju u Beogradu tokom devedesetih godina. Zapravo, u pozadini ove zgodne, današnje inicijative krije se jedna prilično bizarna ideja iz tog bezveznog doba, a cela priča je o tome kako se jedno istraživanje za koje su mnogi verovali da predstavlja bolesnu ideju pretvorilo u nešto što bi mogla biti jedna mirnodopska i istinska razvojna šansa.

TAJNA DRUGOG PODRUMA: Sredinom devedesetih, dok su trajali, gasili se i iznova izbijali protesti protiv autokratskog režima Slobodana Miloševića, među studentima je kružila legenda o opremanju tajne laboratorije u drugom podrumu zgrade Prirodno-matematičkog fakulteta. Na tom mestu je, navodno, režim nameravao da razvije tajno oružje za obaranje američkih satelita. Pominjali su se čudovišni plazmeni topovi i cela stvar je zvučala dovoljno naivno da niko normalan ne poveruje kako je ostvarljiva, ali i dovoljno morbidno da se za nju zagreju raznovrsni tipovi bolesne mašte koji su okruživali vladajuću porodicu sa Dedinja.

Međutim, u tami drugog podruma zgrade koja pripada Hemijskom fakultetu zaista je postojao Centar za nauku i tehnološki razvoj, koji je u to vreme izgledao kao neverovatno dobro opremljena laboratorija, mada to, zapravo, iz perspektive današnje opremljenosti boljih naučnoistraživačkih ustanova, najviše svedoči o jadnom stanju u kom se tada zatekao ostatak srpske nauke i društva.

Centrom je rukovodio profesor Jagoš Purić, ugledni fizičar sa impresivnom karijerom svetskog eksperta u oblasti plazme i fizike atoma, koji je u mladosti bio među najboljim studentima Univerziteta u Beogradu a kasnije, jedan od najmlađih profesora, ali koji je, s druge strane, imao kontroverznu političku biografiju kao jedan od prvih i najvernijih sledbenika Slobodana Miloševića. Još u periodu pre Osme sednice, na istorijskom sastanku Gradskog komiteta Saveza komunista Beograda, Purić je prešao na stranu partijske struje koja će u narednoj deceniji zapaliti ceo Balkan, izazvati četiri krvava rata i na razne načine unesrećiti stotine hiljada ljudi u Srbiji i susednim zemljama.

U smiraj Miloševićeve vlasti, Purić je bio postavljen za rektora Univerziteta bez samostalnosti, da bi doživeo kako mu desetine hiljada studenata mašu indeksima pod prozorima Rektorata, ogorčeno tražeći njegovu ostavku, koju je dao posle Petog oktobra. Po urbanim legendama, Jagoš Purić je bio u sjajnim odnosima sa porodicom Milošević, a Mira Marković je bila kuma njegovoj deci. Zato i ne čudi što je tadašnja saradnja njegove laboratorije sa centrima u prijateljskoj Rusiji i Belorusiji izazivala dosta sumnje. A kad se u Centru ispod PMF-a pojavio prototip „plazmenog topa“, legende su počele prirodno da se pletu.

UBRZAVAČI PLAZME: Ideja o plazmenim topovima potekla je iz naučnofantastične literature, a SF stripovi i filmovi su od pedesetih godina XX veka bili krcati herojima, vanzemaljcima i ludim naučnicima koji koriste ovo supermoćno oružje. Teorijski, ovo oružje može, zahvaljujući jakom izvoru energije, da izbaci mlaz ili impuls plazme ogromne brzine koja na ogromnoj daljini može da izazove velikoj razaranja.

Uporedo sa rasprostranjenim mirnodopskim istraživanjima plazme (vidi okvir), vojne laboratorije u SAD i Sovjetskom Savezu su tokom hladnog rata zaista radile i na projektovanju plazmenih topova. Jedna od ideja za njihovu primenu bilo je obaranje satelita u projektu „Ratovi zvezda“. Od ozbiljnijeg razvoja plazmenih topova za vojnu primenu se odustalo, ali se na njih naslonio gotovo celokupan razvoj ubrzavača plazme koji se danas koriste u raznim eksperimentima gde treba proizvesti i ubrzati gas u ovom stanju.

Danas „plazmotroni“ već predstavljaju standardnu tehnologiju u razvijenim zemljama. Međutim, razvoj uređaja koji plazmu ubrzavaju do ogromnih brzina (od 100 do 1000 kilometara u sekundi), kao i velikih energija mlaza, najdalje je odmakao u zemljama bivšeg Sovjetskog Saveza, sa kojima je laboratorija Jagoša Purića negovala odličnu saradnju još od osamdesetih godina. To je i dovelo do nastanka prvog plazmenog topa u Beogradu, takozvanog magnetoplazmenog kompresora (MPK).

„Sredinom devedesetih došlo se do ideje da se u Beogradu formira snažan centar u oblasti visokoenergetske plazme, tako da je pokrenut međudržavni naučni projekat“, kaže za „Vreme“ dr Ivan Dojčinović, koji danas zajedno sa grupom mlađih saradnika nastavlja istraživanja profesora Jagoša Purića, a uz podršku profesora Fizičkog fakulteta Milorada Kuraice, ali tako što usmerava plazmene topove u neočekivanom smeru – ka integraciji sa Zapadom i projektu ITER.

„Prvi prototip magnetoplazmenog kompresora urađen je u našoj zemlji 1999. godine“, objašnjava Dojčinović, dodajući da su sve komponente – vakuum komore, elektrode, izolatori i distanceri – napravljene u Srbiji. „Sem istraživačkih centara u Troitsku, Harkovu i Minsku, ovo je četvrti centar u svetu u kome se mogu proizvesti mlazevi plazme velikih energija i snaga. Na taj način Srbija postaje apsolutni lider u regionu u ovoj oblasti fizike plazme.“

BACAČ SUNČEVOG VETRA: Kako to sve danas izgleda u drugom podrumu? Studenti sasvim mirno čekaju predavanja u susednoj učionici, a iza metalnih vrata sa natpisom „Centar za nauku i tehnološki razvoj“ prolazi se kroz hodnik pun neuobičajenih električnih skalamerija i, potom, ulazi u laboratoriju punu čudnih komora raznih veličina i oblika. U njima se pomoću jakih napona proizvodi i održava plazma, koju Dojčinović i drugi naučnici snimaju i posmatraju spektroskopskim uređajima.

Gigantski kondenzator u uglu laboratorije obezbeđuje dovoljno energije za okidanje magnetoplazmenog kompresora (MPK). A MPK je najviše nalik na rotor motora sa elektrodama koje su kružno raspoređene oko katode u obliku strelice. Do takve geometrije se došlo kako bi se izazvale ogromne brzine plazme, a materijal „topa“ ostao neoštećen.

Smešten u zaštitnoj komori, MPK se aktivira okidačem sa nekoliko metara daljine. Veliki prasak i blještavo svetlo ispunjavaju laboratoriju. U režimu takozvanog jonskog prenosa struje MPK u komori dostiže ogromne struje pražnjenja. Sve to traje samo 150 μs, što je oko sedam hiljada puta kraće od jedne sekunde, ali je u svetu ovih procesa izuzetno dugo jer se sa lakoćom može snimiti brzim nanokamerama (stručno se kaže da je to kvazistacionaran proces). Mlaz plazme se kroz komoru kreće brzinom od 120 km/s, a potom udara u staklenu prepreku na kojoj se stvara talog posle okidanja.

„Naziv kompresor izabran je zbog snažne kompresije plazme na izlazu iz uređaja“, objašnjava Dojčinović, dodajući da se pri tom dobija veoma gusta plazma, kao i da je velika energija po čestici, tako da „ukupna gustina energija koja se predaje materijalu može biti impozantna“.

„U vakuumu ova plazma može da pređe veoma velika rastojanja, zbog zamrznutosti magnetnog polja u plazmi. Ovakve strukture, takozvani plazmoidi, mogu da se kao uređene strukture kreću bez značajnijeg razilaženja.“ Najsličnija pojava koja postoji u prirodi je plazma koja se u toku erupcija izbacuje sa površine Sunca, što je poznato kao sunčev vetar. Inače, deo te, sa Sunca potekle plazme dolazi i do Zemlje, gde magnetnim poljem biva usmeren ka polovima, zbog čega nastaju najlepše pojave u Zemljinoj atmosferi – aurore.

PUT NA ZAPAD: Pored ovog osnovnog ubrzavača plazme, u laboratoriji se pravi i savršeniji model MPK-YU, koji dostiže četvorostruko veće struje pražnjenja. Uporedo se razvija i uređaj koji bi zaista mogao biti ulaznica Srbije za ITER – novi plazmeni top koji će biti višestruko veći i zvaće se dvostepeni kvazistacionarni ubrzavač plazme (KSPU). Na njemu se očekuju brzine od oko 1000 km/s, temperature 150.000–200.000°C, a struje pražnjenja od milion ampera.

„Ovo je uređaj koji u potpunosti simulira sve procese u ITER-u“, kaže Dojčinović, objašnjavajući da su parametri plazme koji se dobijaju u ovoj laboratoriji takvi da se „eksperimentalno mogu simulirati procesi u najkritičnijem delu ITER-a, takozvanom divertoru, gde dolazi do vakuumiranja, odnosno izvlačenja potrošenog goriva iz komore i ubacivanja novog goriva“.

Kako bi predstavili ovdašnje rezultate i uspostavili dublje veze, Dojčinović i njegovi mladi saradnici – Ana Kostić, Nikola Stevanović, Ivan Šupić, Sanja Zdolšek i Nikola Božović – ovog meseca putuju u ITER. „Srbija bi uskoro trebalo da postane deo Euroatoma, evropske zajednice za atomsku energiju, i time dobije mogućnost priključenja evropskim fuzionim projektima“, nada se Dojčinović i dodaje da su ogromne mogućnosti i za saradnju sa Japanom, Rusijom, Kinom i Indijom, pošto se svi, kako kaže, „nalaze na istom zadatku“.

Obično se sled stvari doživljava sasvim obrnuto. Lepe, ponekad sasvim altruistične zamisli entuzijastičnih naučnika često se pretvaraju u opaka oružja, izazivajući zločine poput Hirošime i Nagasakija. Zaista se retko događa da se nešto što je u najmanju ruku izdašno finansirano zbog primisli o tajnom oružju, pokaže onako korisno kako bi beogradski plazmeni ubrzavači mogli biti za ITER. Igrom slučaja, čitava priča o primeni fuzije obeležena je takvim obrtom – termonuklearne, fuzione bombe su napravljene još 1952. godine, a zbog raznih tehnoloških prepreka, još uvek se nije ovladalo fuzionim procesom koji bi davao energiju za mirnodopske svrhe. Srbija se tu ne izdvaja, jer u ovom poduhvatu nema nevinih.

Plazma

POSLEDICE: Udar plazmenog mlaza na staklo

Kao četvrto agregatno stanje, plazma je jonizovani gas koje se u prirodi javlja na zvezdama. Plazma bi se proizvoljno mogla opisati kao vreo gas tako visoke temperature da su elektroni masovno napustili omotače svojih atoma, pa plazmu, zapravo, čine snažne struje „vrućih“ jona i elektrona koje mogu biti električnim i magnetnim poljima održavane i sabijene u uži prostor ili puštene iz izvora kao brzi mlaz. Plazma se najčešće proizvodi u gasu podvrgnutom vanredno jakim električnim poljima, gasu koji potom dostiže temperature od više desetina hiljada stepeni Celzijusa.

ITER

Fuziona energija se oslobađa u procesu spajanja jezgara izotopa vodonika (deuterijuma i tricijuma). Fuzioni procesi se odigravaju na Suncu ili pri eksplozijama termonuklearnih oružja. Fuzione elektrane nisu dostigle komercijalnu upotrebu jer je materijal u kome se fuzija odvija u stanju plazme i toliko je vreo da ne postoje odgovarajući sudovi u kojima bi se to dešavalo, već se sve mora zbivati u magnetnim poljima. Zato je i smišljen ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), dvadeset milijardi evra skup generator tokamak tehnologije, koji će pomoću izuzetno jakih magneta zadržavati vrelu plazmu u sudu oblika đevreka. On će se razvijati i graditi u gradiću Kadarašu u južnoj Francuskoj, ujedinjenim snagama EU, Japana, Ruske Federacije, SAD, Kine, Koreje i Indije. „I druge zemlje mogu se priključiti bilateralnim sporazumima. Tako je Brazil potpisao ugovor sa EU i brazilski naučnici će biti na kvoti evropskih istraživača“, kaže dr Ivan Dojčinović iz Laboratorije za fuzionu plazmu, koji je sa saradnicima pokrenuo inicijativu da se Srbija priključi ITER-u. „Dok je CERN pravi naučni projekat čiji je osnovni cilj sticanje novih znanja, pred ITER-om je mnogo kompleksniji zadatak. Izgradnja električnih centrala na principu fuzije omogućila bi rešavanje dva velika problema: predstojeću energetsku krizu, kao i problem klimatskih promena, odnosno emisije ugljen-dioksida“, objašnjava Dojčinović dodajući da su istraživanja u ITER-u planirana do 2050. godina. Ukoliko se stvari budu razvijale u željenom smeru, u tom periodu će početi i izgradnja prve eksperimentale električne centrale DEMO u Japanu.

Intervju – Dr Ivan Dojčinović, Laboratorija za fuzionu plazmu Fizičkog fakulteta

Budući da fizika plazme i spektroskopija u Srbiji imaju tradiciju dugu pola veka, u Laboratoriji za fuzionu plazmu Fizičkog fakulteta i Centru za nauku i tehnološki razvoj okupila se grupa mladih naučnika koji su pokrenuli inicijativu da se Srbija uključi u izgradnju novog fuzionog rekatora ITER. „Srbija će se u dogledno vreme naći u grupi najrazvijenijih država koje učestvuju u ovim istraživanjima“, kaže za „Vreme“ docent dr Ivan Dojčinović. „Već sada se otvara niz mogućnosti. Pre svega, uključenje Srbije u Euroatom, zatim i veoma intenzivna saradnja sa Japanom, kao i mogućnosti saradnje sa Rusijom, Kinom i Indijom. Svi smo uređaje koje posedujemo prepoznali kao moćne sprave koje mogu da predstavljaju veliki naučni izazov, ali i da omoguće dobijanje veoma zanimljivih rezultata. Ti rezultati predstavljaju potpuno nove podatke, praktično na granici postojećeg znanja, što je veliki izazov za svakog mladog i hrabrog fizičara.“

„VREME„: Uređaji poput vaših ubrzavača su sredinom XX veka mogli da se vide samo u naučnofantastičnim filmovima. Koliko se oni danas koriste?

IVAN DOJČINOVIĆ: Naši uređaji, magnetoplazmeni kompresor (MPK), kao i kvazistacionarni ubrzavač plazme (KSPU), zaista predstavljaju plazma topove. Jedna od ideja je bila da to bude oružje, ali su istraživanja pokazala da mogu imati i humanu komponentu, pa je razvoj nastavljen u cilju dobijanja plazma trastera, koji služe za korekciju putanja satelita, ili plazma motora za istraživanje dalekog svemira. Iako se istraživanja nastavljaju, ovi plazma uređaji se već uveliko koriste u svemirskim istraživanjima.

Kako se odustalo od razvoja oružja?

Niko ne kaže da se od toga odustalo. Osnovna namena plazma topova trebalo je da bude obaranje neprijateljskih satelita. Međutim, kako je sam koncept „rata zvezda“ postao preskup, a okončan je i hladni rat, dalja istraživanja su uglavnom preusmerena na neke druge teme.

Vaš magnetoplazmeni kompresor u režimu jonskog prenosa struje dostiže struje pražnjenja od 100 kA u trajanju do 150 μs. Kolika je to prednost u odnosu na druge ubrzavače plazme?

U svetu postoji veliki broj impulsnih ubrzavača plazme koji proizvode čestice većih energija, pri čemu plazma traje 100 puta kraće od MPK plazme. To znači da je ukupna energija plazme u tim impulsnim izvorima znatno manja od energije koju mi dobijamo. Uz to, procesi koji se očekuju u ITER-u traju duže 100 μs, tako da impulsni izvori nisu pogodni za simulaciju ovih procesa.

Kako napredniji model ovog topa, MPK–YU, dostiže četvorostruko veće struje pražnjenja?

MPK-YU poseduje razvijenu geometriju katode, poput one koja se koristi u dvostepenom uređaju KSPU. Naime, korišćenjem profilisane šipkaste katode sa nizom šiljaka omogućeno je da se erozija smanji, odnosno struje koje se mogu dobiti u ovom uređaju su višestruko veće od onih u MPK. Zanimljivo je da je to jedini uređaj na svetu sa takvim karakteristikama.

Kako se došlo na ideju za plazmeni top koji bi bio dvostepen?

Izgradnja KSPU uređaja počela je krajem devedesetih godina u saradnji sa kolegama iz Minska. Do sada su završeni vakuum komora i anodni deo. Naš cilj je ne samo da završimo izgradnju ovog uređaja, već da on po svojim karakteristikama postane vodeći u svetu. Dosadašnja izgradnja se odvijala pod rukovodstvom profesorâ sa Fizičkog fakulteta Jagoša Purića i Milorada Kuraice.

Kako zaključujete da bi mogao dostići struje pražnjenja od milion ampera?

Koncept je već testiran i dobijene su struje preko 1 MA. U našem uređaju će biti povećana energija plazme prvog, ulaznog stepena, kao i kapacitet kondenzatora koji snabdevaju drugi stepen. Uz veoma malu eroziju, energija kondenzatora će se, dominantno, pretvoriti u energiju mlaza plazme. Očekuju se brzine plazme oko 1000 km/s i temperature reda 150.000–200.000 °C.

Zbog povezivanja sa ITER–om, planirate da u KSPU ispitujete interakcije materijala sa ubrzanom plazmom. Koje materijale ćete ispitivati?

Za fuzione reaktore od značaja su, pre svih, berilijum, volfram i ugljenična vlakna. To su materijali koji će biti u neposrednom kontaktu sa plazmom. Osim ovih eksperimenata, jako su značajna istraživanja vezana za mogućnost ubacivanja plazme u fuzione uređaje, što je jedan od načina da se ubaci energija, ali i samo gorivo. Zatim sledi razvoj dijagnostičkih tehnika, poput Doplerove spektroskopije. Materijal kojim ćemo prezentovati naše rezultate već je pripremljen. Letnja škola će biti idealno mesto da se uspostave kontakti sa skoro svim istraživačima relevantnim u ovoj oblasti. Mnogi od njih su i direktori pojedinih sekcija ITER-a, tako da ćemo imati prilike ne samo da naučimo mnogo toga, već i da prezentujemo našu zemlju i naše rezultate. Očekujem da vrlo brzo postanemo deo zajedničkih istraživanja. Sa već dobijenim rezultatima možemo se uključiti u evropske i svetske projekte, koji bi značili opremanje naših uređaja svim potrebnim mernim tehnikama. Tako bismo postali jedan od dva najaktivnija centra u svetu (Troick i Beograd) za ispitivanje interakcije fuzione plazme sa materijalima.