Vessel Fusio Sferis dan Mayones – Membayangkan Kebutuhan Energi Masa Depan Kita

Energi fusi sudah ada sejak sistem kosmik kita terbentuk. Ia memberi tenaga pada matahari dan bintang-bintang. Namun, penerapannya di planet kita masih bersifat eksperimental.

Menurut laporan pertengahan Juli, investasi di bidang ini naik lebih dari $900 juta tahun ini menjadi sekitar $7,1 miliar. Namun, para ahli percaya bahwa pertumbuhan investasi belum memadai. Angka tersebut lebih rendah dibandingkan kenaikan US$1,4 miliar yang dicapai tahun lalu dan US$2,8 miliar pada 2022.

Menurut Andrew Holland, kepala Fusion Industry Association:

“Pertumbuhan yang terlihat dalam 12 bulan terakhir bersifat positif, tetapi tidak akan cukup untuk mewujudkan tujuan ambisius fusi.”

Seperti di sektor lain, pertumbuhan hanya dapat dicapai melalui inovasi. Hari ini, kami akan mengeksplorasi salah satu inovasi yang efisien dan penting—yang bertujuan menghilangkan kebutuhan akan solenoida pemanasan Ohmik—yang dapat menjadi pendorong desain paling berdampak dalam mewujudkan sistem reaktor tokamak fusi yang ekonomis dan kompak.

Namun sebelum menyelami lebih dalam penelitian dan implikasinya, kita harus memiliki gambaran singkat tentang cara kerja ilmu energi fusi dan peran sistem tokamak di dalamnya.

Ilmu Energi Fusi dan Sistem Tokamak

Ini adalah bidang ilmu multidisiplin yang bertujuan mengembangkan sumber energi berbasis fusi terkendali. Prinsip dasar fusi melibatkan penggabungan dua inti untuk membentuk satu inti.

Pada tingkat yang lebih praktis, fusi di Bumi melibatkan penciptaan kondisi yang menghasilkan plasma berkelanjutan, yaitu gas yang sangat panas sehingga elektron terlepas dari inti atom. Peneliti menggunakan medan listrik dan magnetik untuk mengendalikan kumpulan ion dan elektron yang dihasilkan karena keduanya memiliki muatan listrik. Mekanisme ini yang menginspirasi nama fusi terkendali.

Sistem tokamak membantu menahan plasma menggunakan medan magnet dalam bentuk donat yang disebut torus. Selama bertahun‑tahun, tokamak telah menjadi konsep penahanan plasma terdepan untuk pembangkit listrik fusi masa depan. Penelitian yang akan kami bahas pada segmen berikutnya berfokus pada optimalisasi ruang tokamak.

Vessel Fusio Sferis Kompak: Tokamak Lebih Kecil sebagai Pilihan Fusio yang Lebih Ekonomis

Tim peneliti yang luas telah memimpin penelitian ini, termasuk ilmuwan dari Departemen Energi AS (DOE), Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), perusahaan swasta Tokamak Energy, dan Universitas Kyushu di Jepang. Proposal mereka sederhana dalam hal ide: sebuah pilot plant fusio sferis kompak yang memanaskan plasma hanya dengan gelombang mikro.

 Penggunaan gelombang mikro akan menghilangkan kebutuhan akan kumparan tembaga besar yang disebut solenoida, terletak di dekat pusat vessel untuk memanaskan plasma.

Saat menjelaskan kegunaan penghapusan pendekatan pemanasan ohmik konvensional ini, Mayasuki Ono, fisikawan riset utama di PPPL dan penulis utama makalah, berkata:

“Plasma tokamak sferis kompak tampak seperti apel berinti dengan inti yang relatif kecil, sehingga tidak ada ruang untuk kumparan pemanasan ohmik. Jika kita tidak perlu menyertakan kumparan pemanasan ohmik, kita mungkin dapat merancang mesin yang lebih mudah dan lebih murah untuk dibangun.”

Untuk mencapai tujuannya, percobaan ini memanfaatkan teknologi yang disebut ECCD, singkatan dari Electron Cyclotron Current Drive, yang dapat secara bersamaan mengalirkan arus dan memanaskan plasma. Para peneliti juga mengembangkan kode komputer bernama TORAY, yang bersama dengan kode lain bernama TRANSP, dapat memindai sudut arah berkas untuk menentukan efisiensi tertinggi dan meminimalkan kebutuhan daya untuk menggerakkan arus yang diperlukan.

Para peneliti lebih lanjut mengidentifikasi mode ECCD yang paling cocok untuk setiap fase proses pemanasan. Pilihan yang mungkin melibatkan dua mode:

• Mode O atau mode biasa
• Mode X atau mode luar biasa
  

Kedua mode ini berguna dan berkontribusi pada fungsi keseluruhan sistem. Mode X bekerja paling baik ketika diperlukan peningkatan suhu dan arus plasma. Mode O adalah pilihan paling tepat untuk mempertahankan suhu dan arus plasma setelah peningkatan.

Dalam merangkum opsi pemanasan alternatif, Ono berkata:

“Mode O baik untuk plasma dengan suhu tinggi dan kepadatan tinggi. Namun kami menemukan bahwa efisiensi mode O menjadi sangat buruk pada suhu yang lebih rendah, sehingga diperlukan sesuatu yang lain untuk menangani regime suhu rendah.”

Para peneliti juga menekankan pentingnya menjaga plasma tetap bebas dari impuritas. Medan magnet yang kuat sebagian besar menahan plasma di dalam tokamak dalam bentuk tertentu, namun terkadang plasma dapat mendekati dinding interior tokamak, memungkinkan atom dari dinding terlepas dan masuk ke dalam plasma.

Meskipun proposal penelitian masih bersifat eksperimental, kita sudah dapat melihat keterlibatan entitas komersial yang dapat melanjutkan solusi ini, memperbesarnya, dan membuat penerapan energi fusi lebih optimal serta efisien energi. Pada segmen berikutnya, kami membahas Tokamak, perusahaan yang sudah terlibat dalam proses tersebut.

#1. Tokamak Energy Inc.

Tokamak telah berada di garis depan dalam mengembangkan teknologi yang diperlukan untuk berhasil menyampaikan energi fusi pada tahun 2030-an. Visinya adalah menjadikan energi fusi bersih, aman, terjangkau, dan mudah diakses.

Sejauh ini, perusahaan telah memperoleh 77 keluarga aplikasi paten dan mengumpulkan total US$250 juta. Dari US$250 juta tersebut, US$200 juta berasal dari investor swasta, dan sisanya dari pemerintah Inggris dan AS.

Dalam operasionalnya, perusahaan telah menambah banyak prestasi. Misalnya, pada 2022, perusahaan menjadi perusahaan fusi swasta pertama yang mencapai suhu ion plasma 100 juta derajat Celsius dalam tokamak, ambang batas fusi pada skala komersial.

Tahun yang sama, perusahaan juga diakui dengan ‘triple product’ plasma tertinggi di antara semua perusahaan fusi swasta, ukuran penting suhu plasma dan waktu penahanan.

Kami telah membahas Tokamak sferis, yang merupakan salah satu jalur paling banyak diteliti dan secara luas dianggap sebagai jalan menuju energi fusi. Keuntungannya meliputi efisiensi operasional, stabilitas plasma, dan biaya yang efektif.

Tokamak ST40, tokamak sferis kompak bermedan tinggi, adalah salah satu yang paling maju di bidang ini. Melalui ini, Tokamak mencapai suhu ion plasma 100 juta derajat Celsius, enam kali lebih panas daripada inti Matahari.

Tokamak juga sedang membangun sistem magnet Demo4 di fasilitas uji khusus. Sistem ini terdiri dari 44 kumparan HTS individual yang dirakit menjadi 14 lengan medan toroidal dan dua kumparan medan poloidal dalam struktur berbentuk sangkar. Sistem ini dapat beroperasi dalam vakum pada 20 Kelvin (-250°C) dengan kekuatan medan magnet hampir satu juta kali lebih kuat daripada medan magnet Bumi.

#2. Helion

Perusahaan lain yang melakukan pekerjaan revolusioner di bidang ini adalah Helion. Perusahaan mengklaim telah membangun pembangkit listrik fusi pertama di dunia. Generator fusi Helion juga mampu memanaskan bahan bakar fusi hingga lebih dari 100 juta derajat Celsius. Selain itu, ia dapat mengekstrak listrik dengan pendekatan pulsa berefisiensi tinggi.

Dari sisi teknologi, solusi Helion memanfaatkan teknologi fusi magneto-inersial. Teknologi Helion memiliki tiga fitur menonjol yang membuatnya berbeda dari pendekatan lain yang tersedia di bidang ini. Untuk memungkinkan penyesuaian output daya sesuai kebutuhan, perusahaan memanfaatkan sistem fusi pulsa non-ignisi.

Serupa dengan cara kerja sistem pengereman regeneratif pada mobil listrik, sistem Helion dapat langsung memulihkan listrik. Hal ini membuat sistem Helion jauh lebih efisien energi, karena sistem fusi lain memanaskan air untuk menghasilkan uap yang menggerakkan turbin, sehingga kehilangan banyak energi dalam prosesnya.

Helion menggunakan deuterium dan helium-3 (D-³He) sebagai bahan bakar. Fusi keduanya menghasilkan partikel bermuatan yang dapat langsung ditangkap kembali sebagai listrik, menjaga sistem tetap kecil, efisien, cepat, dan ekonomis. Penggunaan deuterium dan helium-3 (D-³He) sebagai bahan bakar membantu mengurangi emisi neutron dan secara signifikan mengurangi tantangan rekayasa yang muncul dalam penggunaan bahan bakar fusi deuterium-tritium.

Pentingnya, perusahaan percaya bahwa tenaga fusi mereka dapat menjadi salah satu sumber listrik berbiaya terendah, idealnya menghasilkan listrik dengan tarif US$0,01 per kWh.

Menurut informasi terbaru yang tersedia, perusahaan yang didirikan pada 2008 dapat mengumpulkan US$500 juta pada akhir 2021, mencapai valuasi $1,25 miliar. Putaran pendanaan terbaru ini dipimpin oleh Sam Altman, CEO OpenAI, yang secara pribadi menginvestasikan $375 juta, menyoroti keyakinan kuat terhadap potensi Helion untuk merevolusi produksi energi melalui teknologi fusi. Total pendanaan kini mencapai $577 juta, yang akan dialokasikan untuk menyelesaikan prototipe ketujuh Helion, Polaris, dan mendekati komersialisasi energi fusi pada 2024.

Pekerjaan teknologi lanjutan dari perusahaan seperti Tokamak dan Helion membantu bidang energi fusi membuat kemajuan besar. Penelitian spesifik yang kami kutip untuk memulai diskusi ini merupakan hasil dari kemitraan publik-swasta. Hal ini menunjukkan adanya transfer pengetahuan dan kemampuan yang stabil serta sistematis antara institusi riset dan perusahaan komersial.

Masa Depan Vessel Fusio: Pemikiran Inovatif untuk Optimasi Sumber Daya

Mencapai keberhasilan dengan fusi memerlukan pendalaman lebih jauh pada ilmu dasarnya. Para ilmuwan kini lebih penasaran daripada sebelumnya.

Mayones Membantu Peneliti Memecahkan Tantangan Kompleks Energi Fusi

Sebuah tim peneliti Universitas Lehigh menggunakan mayones sebagai bahan utama dalam penelitian mereka yang sedang berlangsung tentang fase ketidakstabilan Rayleigh-Taylor. Penelitian ini dapat memberikan wawasan untuk desain proses fusi penahanan inersia masa depan demi energi bersih.

Menurut Arindam Banerjee, Profesor Paul B. Reinhold Teknik Mesin dan Mekanika di Universitas Lehigh serta Ketua departemen MEM di P.C. Rossin College of Engineering and Applied Science:

“Tim masih bekerja pada masalah yang sama, yaitu integritas struktural kapsul fusi yang digunakan dalam fusi penahanan inersia, dan Mayones Asli Hellmann masih membantu kami dalam mencari solusi.”

Mayones membantu tim dengan berperan sebagai padatan yang mulai mengalir ketika dikenai gradien tekanan. Masalah Rayleigh-Taylor, isu terkenal dalam fisika, melibatkan fenomena yang terjadi antara material dengan kepadatan berbeda ketika gradien kepadatan dan tekanan berlawanan arah, menciptakan stratifikasi yang tidak stabil. Penggunaan Mayones membantu menguji solusi potensial sambil menghilangkan kebutuhan akan suhu dan tekanan tinggi, yang sangat sulit dikendalikan.

Fusi Dingin Tanpa Suhu Ekstrem

Terobosan terbaru lain dalam fusi dingin telah menyalakan kembali harapan untuk mencapai energi bersih tanpa memerlukan suhu dan plasma yang sangat tinggi, yang secara tradisional terkait dengan fusi nuklir.

Pengembangan ini, yang lama dianggap ilmu pinggiran, melibatkan penggunaan ilmu material, logam langka, dan proses kimia khusus untuk mencapai fusi nuklir pada suhu yang lebih rendah.

Komunitas ilmiah sebelumnya menolak fusi dingin karena ketidakmampuan mereplikasi hasil eksperimen awal, namun sebuah studi baru yang ditinjau sejawat dan dipublikasikan di Nature menunjukkan jalur potensial ke depan dengan mengamati emisi neutron selama eksperimen dengan bubuk titanium terdeuterasi di bawah kavitasi akustik. Penemuan ini dapat membuka jalan bagi lebih banyak penelitian tentang fusi dingin sebagai sumber energi alternatif yang layak, menawarkan potensi energi bersih yang hampir tak terbatas.

Temuan studi tersebut menantang keyakinan lama bahwa fusi nuklir memerlukan kondisi ekstrem yang ditemukan di bintang, seperti suhu jutaan derajat dan medan magnet yang kuat. Sebaliknya, pendekatan baru ini mengeksplorasi potensi mencapai fusi melalui mekanisme berbeda, yang dapat merevolusi lanskap energi dengan menyediakan metode yang lebih mudah diakses dan kurang intensif sumber daya untuk menghasilkan energi.

Jika berhasil, fusi dingin dapat melewati infrastruktur masif dan input energi yang diperlukan oleh metode fusi tradisional, menjadikannya pengubah permainan dalam upaya mencari solusi energi berkelanjutan dan bersih.

AI: Pengubah Permainan dalam Menstabilkan Reaksi Fusi Nuklir

Dengan semakin meningkatnya kecanggihan dan kemampuan, AI merevolusi bidang fusi nuklir dengan memprediksi dan mencegah ketidakstabilan plasma, yang secara historis menghambat keberlanjutan reaksi fusi.

Peneliti di Universitas Princeton dan Laboratorium Fisika Plasma Princeton milik Departemen Energi AS telah mengembangkan model AI yang mampu meramalkan gangguan plasma, seperti ketidakstabilan mode robek, hingga 300 milidetik sebelum muncul. Ini memungkinkan AI melakukan penyesuaian waktu nyata pada parameter reaktor, menjaga stabilitas plasma dan mencegah reaksi berakhir lebih awal.

Kekuatan prediktif AI berasal dari pelatihannya pada data dari eksperimen sebelumnya, memungkinkan AI merespons secara dinamis terhadap potensi ketidakstabilan dengan cara yang tidak dapat dilakukan model berbasis fisika tradisional.

Karena plasma secara inheren tidak stabil dan kompleks, menjaga stabilitasnya telah menjadi tantangan signifikan dalam mempertahankan fusi nuklir. Secara tradisional, metode berfokus pada mitigasi ketidakstabilan hanya setelah mereka mulai mengganggu plasma, sering kali terlalu terlambat untuk menyelamatkan reaksi.

Dengan memanfaatkan kemampuan AI untuk memprediksi dan secara proaktif melawan ketidakstabilan ini, proses fusi menjadi lebih stabil dan layak, mendekati realisasi energi fusi praktis dan berkelanjutan. Kemajuan ini tidak hanya meningkatkan prospek fusi sebagai sumber energi tak terbatas, tetapi juga menekankan peran penting AI dalam mengatasi rintangan paling menantang dalam penelitian fusi.

Apa yang Akan Terjadi di Masa Depan?

Masa depan akan melihat perusahaan-perusahaan merancang solusi tenaga fusi yang mengoptimalkan ruang dan pemanfaatan sumber daya dalam hal energi dan biaya. Menurut Omar Hurricane, pemimpin program di Lawrence Livermore National Laboratory, tempat fasilitas National Ignition berada:

“Fusi tampak jauh lebih masuk akal sekarang dibandingkan sepuluh tahun yang lalu sebagai sumber energi masa depan.”

Pada 2023, ilmuwanmembuat terobosan ketika mereka menciptakan reaksi nuklir yang dapat menghasilkan lebih banyak energi daripada yang dikonsumsi. Dilaporkan, percobaan tersebut menggunakan rangkaian 192 laser untuk mengirimkan 2,05 megajoule energi ke silinder emas seukuran kacang polong yang berisi pelet beku isotop hidrogen deuterium dan tritium.

Energi tersebut sangat intens sehingga menabrak kapsul. Suhu yang dicapai hanya dapat disamai oleh bintang dan senjata termonuklir. Dalam istilah yang lebih spesifik, seperti yang disarankan laboratorium, 3,15 megajoule energi dilepaskan—hampir 54% lebih banyak daripada energi yang masuk ke reaksi dan lebih dari dua kali rekor sebelumnya sebesar 1,3 megajoule.

Banyak peneliti percaya bahwa hasil percobaan ini memiliki potensi besar untuk masa depan. Menurut Michael Campbell, mantan direktur laboratorium fusi di Universitas Rochester, New York, dan pendukung awal NIF saat di laboratorium Lawrence Livermore, terobosan ini dapat meningkatkan kepercayaan pada janji tenaga fusi laser dan pada akhirnya membuka pintu ke program baru yang berfokus pada aplikasi energi. Kim Bundil, direktur laboratorium Lawrence Livermore, percaya bahwa ini adalah “blok bangunan fundamental dari skema tenaga fusi penahanan inersia.”

Percobaan dan keberhasilannya juga menunjukkan kebutuhan akan banyak pengembangan di masa depan yang akan membuat proses ini lebih kuat. Misalnya, agar percobaan menjadi proses yang layak, energi yang dilepaskan dibandingkan dengan energi yang digunakan untuk menghasilkan pulsa laser harus meningkat setidaknya dua orde besaran.

Masa depan juga perlu melihat peningkatan dramatis dalam kecepatan laser menghasilkan pulsa dan seberapa cepat mereka dapat membersihkan ruang target untuk mempersiapkannya bagi pembakaran berikutnya.

Sementara upaya ini akan terus berlanjut dalam beberapa hari ke depan, kami akan mengakhiri diskusi hari ini dengan menyebutkan proyek penting lainnya di bidang ini—proyek ITER senilai US$22 miliar, kolaborasi antara China, Uni Eropa, India, Jepang, Korea, Rusia, dan Amerika Serikat. Proyek ini bekerja menuju pencapaian fusi mandiri, di mana energi dari fusi akan menghasilkan lebih banyak fusi.

Secara perlahan dan mantap, seiring eksperimen saat ini mencapai puncaknya, energi fusi akan menjadi lebih hemat biaya, teroptimasi, dan siap untuk adopsi massal yang lebih luas.