Hoogenergiedichtheidsfysica: een ster nabouwen in een laboratorium
Stel je voor: je neemt alle zonlicht dat in één seconde op een voetbalveld valt, en je perst dat samen tot een bal ter grootte van een speldenknop. Wat er dan gebeurt — de extreme hitte, de gigantische druk, materie die zich anders gaat gedragen dan we gewend zijn — dat is ongeveer waar hoogenergiedichtheidsfysica over gaat. Het is de tak van de natuurkunde die bestudeert wat er met materie gebeurt als je er ontzettend veel energie in een ontzettend klein volume propt.
Onderzoekers gebruiken hiervoor geen speldenknoppen en zonlicht, maar reusachtige laserinstallaties, krachtige elektrische pulsen of deeltjesversnellers om piepkleine hoeveelheden materiaal — soms niet groter dan een peperkorrel — samen te persen tot condities die je normaal alleen vindt in de kern van een ster, in het binnenste van een planeet, of tijdens een kernfusiereactie. Zulke experimenten duren vaak maar een fractie van een miljardste seconde, maar leveren cruciale inzichten op over sterren, planeten en de mogelijke energiebron van de toekomst: kernfusie.
Wat is het precies?
De term "energiedichtheid" betekent simpelweg: hoeveel energie er in een bepaald volume zit. Een liter benzine heeft een hoge energiedichtheid vergeleken met een liter lucht. In de hoogenergiedichtheidsfysica gaat het om extremen die de menselijke ervaring ver overstijgen: drukken van honderden miljoenen tot miljarden atmosfeer, en temperaturen van miljoenen graden.
Om zulke condities te creëren, richten onderzoekers meestal een reeks krachtige lasers tegelijk op een piepklein balletje brandstof, vaak gemaakt van waterstofisotopen (deuterium en tritium). Door het balletje van alle kanten tegelijk te beschieten, wordt het razendsnel samengeperst — dit heet "inertiële opsluiting" (inertial confinement), omdat de traagheid (inertie) van het materiaal zelf het even bijeenhoudt terwijl het wordt samengedrukt, net zoals een ballon eventjes zijn vorm behoudt voordat hij knapt. Op het hoogtepunt van de compressie ontstaat een plasma: een hete, elektrisch geleidende gasachtige toestand waarin atomen uit elkaar zijn gerukt in kale atoomkernen en losse elektronen.
Naast lasers gebruiken sommige faciliteiten korte, extreem krachtige elektrische stroompulsen die een cilindervormige draad laten imploderen (een zogeheten Z-pinch), of zware-ionenbundels uit deeltjesversnellers. Al deze methoden zijn verschillende manieren om hetzelfde te bereiken: heel veel energie heel snel in heel weinig ruimte proppen, en vervolgens met precisie-instrumenten meten wat er gebeurt. Die metingen — met röntgenflitsen, hogesnelheidscamera's en stralingsdetectoren — leveren gegevens op over de zogeheten "toestandsvergelijking" van materie: hoe druk, temperatuur en dichtheid van een stof met elkaar samenhangen onder omstandigheden die in een gewoon laboratorium ondenkbaar zijn.
Wat wil men ermee bereiken?
Het veld dient meerdere doelen tegelijk. Het meest besproken doel is kernfusie: als je een brandstofkorrel voldoende samenperst en verhit, kunnen waterstofkernen samensmelten tot helium en daarbij energie vrijgeven — hetzelfde proces dat de zon laat schijnen. Lukt dat op aarde op een gecontroleerde, herhaalbare manier, dan zou dat in theorie een vrijwel onuitputtelijke, relatief schone energiebron kunnen opleveren, zonder de broeikasgasuitstoot van fossiele brandstoffen en zonder het langlevende radioactieve afval van huidige kernsplijtingscentrales.
Een tweede, minstens zo belangrijk doel is het begrijpen van het heelal zelf. De binnenkant van sterren, het hart van reuzenplaneten zoals Jupiter en Neptunus, en de omstandigheden vlak na een supernova-explosie zijn onbereikbaar voor directe metingen. Door in het lab vergelijkbare druk- en temperatuurcondities na te bootsen — een discipline die ook wel "laboratoriumastrofysica" wordt genoemd — kunnen wetenschappers modellen van sterren en planeten toetsen aan echte metingen in plaats van alleen aan berekeningen.
Een derde, gevoeliger doel is militair van aard: landen met kernwapens gebruiken deze experimenten om de werking van hun bestaande wapenvoorraad te blijven begrijpen en controleren zonder daadwerkelijke kernproeven te hoeven uitvoeren, iets wat sinds de jaren negentig grotendeels verboden is. Dit heet "stockpile stewardship" (letterlijk: rentmeesterschap over de voorraad), en het is in landen als de Verenigde Staten en Frankrijk historisch de belangrijkste financieringsbron geweest voor de grootste hoogenergiedichtheidsfysica-faciliteiten.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste faciliteit ter wereld is de National Ignition Facility (NIF) van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, VS. Met 192 lasers die hun energie op één piepklein doelwit bundelen, slaagde NIF er op 5 december 2022 voor het eerst in om een fusiereactie op gang te brengen die meer energie opleverde dan de laserenergie die het brandstofkorreltje raakte — zo'n 3,15 megajoule aan fusie-energie uit ongeveer 2,05 megajoule aan laserenergie. Dit werd wereldwijd aangekondigd als een historische doorbraak, al is het belangrijk te melden dat dit geen "netto" energiewinst voor een centrale betekent: het kost NIF nog altijd rond de 300 megajoule aan elektriciteit uit het net om die laserflits af te vuren, dus van een werkende energiecentrale is nog geen sprake. Sindsdien zijn er meerdere vervolgexperimenten geweest waarbij de opbrengst verder is verbeterd.
Bij Sandia National Laboratories in New Mexico staat de Z Machine, de krachtigste puls-vermogeninstallatie ter wereld. In plaats van lasers gebruikt deze machine extreem korte, hevige stroompulsen om een cilinder van dunne draden te laten imploderen, wat eveneens dient voor fusie-onderzoek, astrofysica en het testen van materiaaleigenschappen onder extreme druk.
Frankrijk bouwde zijn eigen tegenhanger van NIF: de Laser Mégajoule (LMJ) van het CEA nabij Bordeaux, operationeel sinds de jaren 2010 en met een vergelijkbaar doel als NIF, namelijk het bestuderen van fusie-ontsteking en het onderhouden van kennis over het Franse kernwapenarsenaal zonder testexplosies.
Bij het European XFEL in Hamburg, Duitsland, gebruiken onderzoekers een röntgen-vrije-elektronenlaser — een instrument dat extreem korte, felle röntgenflitsen produceert — om "warme dichte materie" te onderzoeken: de overgangstoestand tussen een vaste stof en een volwaardig plasma, relevant voor het begrijpen van planeetkernen en witte dwergsterren.
In Rochester, in de Amerikaanse staat New York, bevindt zich sinds de jaren tachtig het OMEGA-lasersysteem van het Laboratory for Laser Energetics, een kleinere maar veelgebruikte faciliteit waarmee fundamentele natuurkunde van laser-plasma-interacties wordt onderzocht en die vaak als testbed dient voor experimenten die later op grotere schaal bij NIF worden herhaald.
Hoe ver is de techniek?
De doorbraak van NIF in december 2022 was wetenschappelijk gezien een mijlpaal: voor het eerst werd aangetoond dat gecontroleerde laserfusie in een laboratorium meer energie uit een reactie kan halen dan er direct in werd gestoken. Toch staat het veld nog ver af van een werkende fusiecentrale die stroom aan het net levert. Het rendement van het hele systeem — inclusief de energie om de lasers op te laden en af te vuren — is nog altijd sterk negatief, en NIF is ook niet ontworpen als prototype-energiecentrale maar primair als onderzoeksfaciliteit voor wapenonderhoud en fundamentele natuurkunde.
Bovendien is het herhalen van zulke schoten op dit moment nog traag en kostbaar: NIF kan hooguit een handvol keer per dag een schot afvuren, terwijl een echte centrale er tientallen per seconde nodig zou hebben, met goedkopere brandstofkorrels dan de huidige, met de hand gemaakte exemplaren. Er lopen wel initiatieven, deels bij private bedrijven, om herhaalbaarheid en efficiëntie te verbeteren, maar experts binnen en buiten de sector schatten doorgaans dat commerciële laserfusie-energie, als het al lukt, nog op zijn vroegst over enkele decennia beschikbaar zou kunnen zijn — met nadrukkelijk grote onzekerheid over dat tijdpad.
Los van de fusie-belofte boekt het bredere vakgebied gestaag voortgang: metingen van de toestandsvergelijking van waterstof, koolstof en andere elementen onder extreme druk worden steeds preciezer, en die gegevens verbeteren rechtstreeks de modellen die astronomen gebruiken om planeten en sterren te begrijpen.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten zijn met afstand de grootste speler, via het Department of Energy en de nationale laboratoria Lawrence Livermore (NIF), Sandia (Z Machine) en Los Alamos, aangevuld met universitaire faciliteiten zoals het Laboratory for Laser Energetics in Rochester. Frankrijk speelt via het CEA en de Laser Mégajoule een vergelijkbare rol op kleinere schaal, eveneens met een sterke koppeling aan het eigen kernwapenprogramma.
In Europa draagt Duitsland bij via het European XFEL in Hamburg en het GSI/FAIR-complex in Darmstadt, waar zware-ionenversnellers worden gebruikt voor verwant onderzoek. Het Verenigd Koninkrijk heeft de Central Laser Facility bij het Rutherford Appleton Laboratory, en meerdere Europese landen werken samen binnen het Extreme Light Infrastructure (ELI)-netwerk, met faciliteiten in onder meer Tsjechië en Roemenië, gericht op ultrakorte, ultrakrachtige laserpulsen.
Ook China investeert fors, onder meer met de Shenguang-laserfaciliteiten, die qua opzet vergelijkbaar zijn met NIF en eveneens gericht zijn op inertiële fusie-onderzoek en wapengerelateerde toepassingen. Daarnaast zijn er in de sector de laatste jaren private bedrijven opgestaan die met eigen, vaak kleinere en snellere systemen proberen bij te dragen aan zowel fusie-energie als aanverwant natuurkundig onderzoek, al opereren die doorgaans op een andere schaal dan de nationale laboratoria.