Stanford Universitiy
Ekipa iz Stanforda raziskuje, kako bi nove, izjemno natančne kapsule lahko izboljšale fuzijske reaktorje in druge energetske sisteme.
Ko je kemik Joseph DeSimone leta 2020 odprl svoj laboratorij na Stanfordski inženirski fakulteti, je delal s sistemi za 3D-tiskanje, ki so bili sposobni natisniti podrobnosti, manjše od širine človeškega lasu. Vendar ti sistemi niso bili dovolj natančni za revolucionarne pristope, ki si jih je DeSimone zamislil.
Od takrat sta DeSimone in njegova ekipa razvila sisteme, ki tiskajo materiale z detajli, širokimi le 10 mikronov – kar je približno desetina širine človeškega lasu, ter predstavila tehniko za njihovo masovno proizvodnjo.
Z DeSimonejevim dvofaznim postopkom izdelave, ki vključuje tiskanje polimerne strukture s pomočjo svetlobe in njeno naknadno izpostavljanje visokim temperaturam, lahko inženirji natančno nadzorujejo lastnosti materiala, vključno s številom in velikostjo por ter njihovo toplotno prevodnostjo.
Laboratorij je potreboval, kot rad pravi DeSimone, »killer app« ali idealno uporabo svojih materialov za rešitev obstoječega problema.
Konec leta 2024 sta se Philip Onffroy [1], član laboratorija DeSimone in doktorski študent kemijskega inženirstva, udeležila dogodka v okviru programa Stanford Sustainability Accelerator [2], ki deluje v okviru Doerr School of Sustainability. Program Accelerator pomaga stanfordskim ekipam pri prenosu njihovih raziskav v inovacije, ki obravnavajo globalne izzive trajnostnega razvoja, kot sta dekarbonizacija [3] industrijske proizvodnje in elektroenergetskega sektorja [4].
Onffroy, ki je tudi štipendist programa Knight-Hennessy [5], je upal, da bo program Accelerator pomagal pri uveljavljanju materialov DeSimone laboratorija v pomembnih trajnostnih energetskih aplikacijah. Onffroy in DeSimone sta se za subvencijo programa Accelerator prijavila skupaj s kolegi iz laboratorija, Jacobom Dobsonom, doktorskim študentom kemije na Fakulteti za humanistiko in znanosti [6], ter Mario Dulay, vodjo laboratorija in višjo raziskovalno znanstvenico na Medicinski fakulteti [7]. Ekipa je prejela sredstva za raziskovanje potencialnih uporab njihovih materialov v energetiki.
Sedaj so našli morebitno »prelomno rešitev«: februarja 2026 je Stanford vložil patent za uporabo svojih votlih, rešetkastih kapsul pri zadrževanju goriva za jedrsko fuzijo in fisijo.
Fuzija, jedrska reakcija, ki poganja Sonce, je eden najbolj ambicioznih projektov na področju trajnostne energije. Če bi se uresničila v velikem obsegu, bi fuzijski reaktorji zagotavljali energijo brez emisij in brez dolgotrajnih radioaktivnih odpadkov, ki nastajajo pri tradicionalnih fisijskih reaktorjih.
DeSimonova ekipa sodeluje z raziskovalci iz Nacionalnega laboratorija za pospeševalnike SLAC [8] pri preučevanju, kako bi se njihove kapsule obnesle v reaktorjih za fuzijo z inertnim zadrževanjem (ICF), ki jih raziskovalci razvijajo že desetletja.
V reaktorju ICF se kapsule napolnijo s tekočim gorivom iz devterija in tritija, nato pa se obsevajo z laserji. Ta intenzivna svetlobna energija povzroči implozijo kapsul, pri čemer nastanejo tako visoke temperature in tlak, da se atomi goriva združijo v helij in sprostijo energijo.
Leta 2022 so znanstveniki iz Nacionalnega laboratorija Lawrence Livermore sporočili, da so to reakcijo uspešno sprožili v laboratoriju in prvič za kratek čas pridobili več energije, kot jo je bilo potrebno za sprožitev reakcije. Onffroy je dejal, da njegova ekipa upa, da bodo njihove kapsule prispevale k prizadevanjem za prenos teh eksperimentalnih rezultatov v komercialno izvedljiv sistem.
Ker so laserji v reaktorju ICF nameščeni tako, da natančno zadenejo kapsule, lahko vsaka strukturna napaka v materialu kapsule vpliva na enakomernost stiskanja goriva in izhodno energijo, je pojasnil DeSimone. Pri penah ali aerogelih, materialih, ki se uporabljajo v sedanjih eksperimentalnih pristopih, se pore med posameznimi kapsulami razlikujejo, podobno kot edinstveni vzorci snežinke.
Toda DeSimoneove kapsule so digitalno zasnovane tako, da so ob vsakem tiskanju popolnoma enake. »Ne izdelujemo snežink. Izdelujemo natančne delce,« je dejal DeSimone.
Onffroy je povedal, da ekipa pred pridobitvijo podpore programa Accelerator ni razmišljala o fuziji kot potencialni uporabi za svoje materiale. Vendar so strokovni sodelavci programa Accelerator, med njimi izvršni direktor Albert Chan in analitičarka za trajnostne tehnologije in poslovne zadeve Mana Iwata, spodbudili njihovo zanimanje za jedrsko industrijo. Ko se je DeSimonova ekipa povezala z raziskovalci iz SLAC-a, so skupaj poiskali priložnost za izdelavo materialov za reaktorje ICF.
DeSimone in sodelavci raziskujejo tudi možnosti za razvoj materialov za sisteme jedrske fisije, baterije za shranjevanje energije in električno ogrevane kemijske reaktorje.
»Program Accelerator nam je omogočil, da smo svojo platformo predstavili različnim potencialnim uporabnikom, ki se zavzemajo za trajnost,« je dejal DeSimone.
DeSimoneova ekipa je vzpostavila stike tudi z drugimi ekipami, ki jih podpira program Accelerator. Onffroy je povedal, da se je pogovarjal s študenti poslovnih in ekonomskih ved, ki ga spodbujajo, naj upošteva različne vidike širitve tehnologij. V zameno jim je delil svoje strokovno znanje s področja materialov.
»Menim, da bo, še posebej zdaj, ko je umetna inteligenca povsod prisotna, malo ‚NI‘ – naravne inteligence – pomembnejše kot kdaj koli prej,« je dejal DeSimone. »Pogledi ljudi, ki se združujejo, in raznolikost njihovih izkušenj so neprecenljivi. Menimo, da je prav to naš skrivni recept za uspeh naših idej.«
Joseph DeSimone je profesor translacijske medicine na katedri Sanjiv Sam Gambhir ter profesor radiologije na Medicinski fakulteti Stanford in profesor kemijskega inženirstva na Inženirski fakulteti Stanford. Max Saccone, nekdanji član projektne skupine in podiplomski raziskovalec na področju kemijskega inženirstva na Fakulteti za inženirstvo ter radiologije na Medicinski fakulteti, je zdaj povezan z Univerzo Kolorada v Boulderju. Stanfordska univerza ne podpira nobenih subjektov, programov, izdelkov ali storitev, ki niso povezani s Stanfordom in so navedeni v članku.
Ta članek je prvotno objavil Stanford Sustainability Accelerator, ki deluje v okviru Doerr School of Sustainability.
Viri:
1: https://knight-hennessy.stanford.edu/people/philip-onffroy
2: http://sustainability-accelerator.stanford.edu/
3: https://sustainability-accelerator.stanford.edu/focal-areas/industry
4: https://sustainability-accelerator.stanford.edu/focal-areas/electricity-and-grid-systems
5: https://knight-hennessy.stanford.edu/
6: https://humsci.stanford.edu/
7: https://med.stanford.edu/
8: https://www6.slac.stanford.edu/
Povzeto po:
https://news.stanford.edu/stories/2026/03/3d-printing-fusion-reactor-energy-efficiency
