شركة ناشئة تعد بإطلاق أولى محطاتها للطاقة الاندماجية بعد خمس سنوات

تقول شركة ناشئة يدعمها سام ألتمان، إنها ستنجح في تشغيل أول محطة لتوليد الكهرباء بالطاقة الاندماجية على مستوى العالم خلال خمس سنوات، ما يعني تقليصاً كبيراً للغاية في فترة انتظارنا للحصول على هذا المصدر للطاقة الخالي من الكربون، والذي حيّر العلماء مدة ثلاثة أرباع القرن.

ويمثّل إعلان شركة هيليون إينرجي (Helion Energy) عن اقترابها من تحقيق الاستثمار التجاري للعملية التي تمنح الشمس طاقتها ادعاءً مثيراً للدهشة، ومثيراً للشكوك أيضاً، وفقاً لعدة خبراء في الطاقة النووية. يُعزى هذا بشكلٍ رئيسي إلى أن الشركة لم تقل أي شيء أو تعلق بشأن نجاحها في اجتياز الاختبار المهم الأول للاندماج، أي الحصول على الطاقة من الاندماج بمقدار يزيد على الطاقة المطلوبة لتفعيل هذه العملية.

خطوات كبيرة نحو الاستفادة من الطاقة الاندماجية

وعلى الرغم من هذا، فإن هذه الشركة التي يبلغ عمرها عشر سنوات، والتي تتخذ من مدينة إيفيريت في واشنطن مقراً لها، تمكنت من عقد صفقة مع أول عملائها للمنشأة التجارية التي تخطط لبنائها، حيث أبرمت اتفاقية لبيع الطاقة إلى الشركة العملاقة في مجال البرمجيات، مايكروسوفت. تتوقع هيليون أن يتم بناء المحطة في مكانٍ ما من ولاية واشنطن، وأن تبدأ العمل بـ 2028، وأن تبلغ استطاعتها التوليدية الكاملة، البالغة 50 ميغاواط على الأقل، خلال سنة واحدة.

بالنسبة لمحطات توليد الطاقة، تُعد هذه المحطة صغيرة، فالاستطاعة التوليدية لمحطة طاقة أميركية نموذجية تعمل بالغاز الطبيعي تتجاوز 500 ميغاواط بكثير في الوقت الحالي. ولكن، إذا نجحت هيليون في تحقيق مسعاها، فسيكون هذا إنجازاً كبيراً، حيث يمكن لمحطات الطاقة الاندماجية التجارية الاقتصادية أن توفّر تدفقاً منتظماً من الكهرباء النظيفة، دون مشكلات الانقطاعات والتقلبات للطاقة الشمسية والريحية، ودون الجدالات والمخاوف الناجمة عن التكنولوجيا النووية الأخرى النظيرة، وهي تكنولوجيا الانشطار النووي. ومن المحتمل أن تزيد هذه المحطات من سهولة إزالة غازات الدفيئة التي تتسبب بالتغيّر المناخي من قطاع الطاقة، ويمكن أيضاً أن تساعد على تلبية الطلب المتزايد على الكهرباء، المترافق بتسارع في الإجراءات التي تتخذها مختلف دول العالم لتخفيف التلوث الناجم عن النقل والمنازل والمباني المكتبية والصناعة.

تهدف شركات ناشئة أخرى مختصة بالطاقة الاندماجية إلى البدء بتشغيل محطات توليد الطاقة في أوائل العقد المقبل، ويعتقد الكثير من المراقبين أن هذه المواعيد المتوقعة متفائلة بشكلٍ مبالغ فيه.

وما لم تكن هيليون قد تمكنت من تحقيق قفزات كبيرة فشلت في تحقيقها معظم المؤسسات الأخرى، فإنها لا تزال مضطرة لمواجهة سلسلة من المهام التقنية بالغة الصعوبة، على حد تعبير جيسيكا لوفيرينغ، المديرة التنفيذية لمجموعة أبحاث السياسات غود إينرجي كوليكتيف (Good Energy Collective)، التي تدعم استخدام الطاقة النووية.

وتتضمن هذه المهام المستعصية إنتاج الطاقة بقدر يزيد على القدر الذي تستهلكه عملية الاندماج، وتحويل هذه الطاقة إلى شكلٍ منتظم من الكهرباء التي يمكن أن تتدفق في الشبكة العامة، وبتكلفة معقولة.

تقول لوفيرينغ: "ثمة خطوتان مهمتان غير مثبتتين حتى الآن"، وتُضيف أنها "تشكك بشأن جاهزية هذه التكنولوجيا".

أما آدم ستاين، مدير برنامج الابتكار في الطاقة النووية في معهد بريكثرو (Breakthrough)، فحسب اعتقاده أيضاً، يبدو أن هيليون ما زالت تواجه بعض العقبات التكنولوجية الكبيرة.

ويقول: "هذا لا يعني أن الأمر مستحيل، ولكنه ليس أيضاً بمثابة مسيرة ثابتة الخطى نحو تحقيق الانتصار كما يميلُ بعضهم إلى تصويره. هذه الخطوات تمثّل إنجازات كبيرة".

تحقيق الربح

حتى الآن، تمكنت مجموعة بحثية واحدة فقط، وهي مجموعة منشأة لورنس ليفرمور الوطنية للاشتعال (Lawrence Livermore’s National Ignition Facility)، من تحقيق ما يُعرف باسم "ربح الطاقة الصافي العلمي"، ما يعني في هذه الحالة أن المجموعة تمكنت من إنتاج الطاقة من الاندماج بمقدار أكبر من المقدار المستخدم لتشغيل أجهزة الليزر التي قامت بإطلاق التفاعل، والبالغ عددها 192 جهازاً. وقد حققت المجموعة هذا الإنجاز في أواخر السنة الماضية.

ولكن التجربة لم تتوصل إلى ما يُعرف باسم "الربح الهندسي"، الذي يأخذ بعين الاعتبار إجمالي الطاقة المستخدمة لتشغيل أشعة الليزر وتسيير العملية من ناحية أخرى. يقول الخبراء إن الوصول إلى هذه المرحلة أمر أساسي في تطوير أنظمة الاندماج التجارية العملية. (وفي هذه الأثناء، لم يتمكن المختبر حتى الآن من تكرار إنجازه).

أحد العاملين في هيليون يرتدي خوذة ويسير في ممر محاط بآلات مغطاة بشرائح من البلاستيك — مهندس في هيليون يشارك في التحضير لإجراء اختبار القدرة النبضية. مصدر الصورة: هيليون

في 2015، قال لي الرئيس التنفيذي لهيليون، ديفيد كيرتلي، إنه يعتقد أن الشركة قادرة على تحقيق "الربح العلمي" خلال السنوات الثلاث المقبلة. وعندما سألت هيليون مرة أخرى مؤخراً عما إذا كانت قد تمكنت من تحقيق الربح العلمي أو الهندسي، أو تتوقع تحقيق أي منهما، رفضت التعليق بشأن هذا السؤال، متذرعة بمسائل تتعلق بالتنافسية. قالت الشركة إن "التوقعات الأولية للجدول الزمني" كانت قائمة على افتراض قدرة الشركة على جمع التمويل بسرعة أكبر مما حدث فعلياً.

إضافة إلى المشكلات الفنية، يتعين على هيليون أيضاً أن تخطط لبناء محطتها التجارية، وترخص لها، وتنجز بناءها، على الرغم من أن اللجنة التنظيمية النووية الأميركية ما زالت تعمل على استكمال تفاصيل عملية الإشراف على هذا القطاع الناشئ.

ولكن كيرتلي يشدد على أن الشركة، التي توظف 160 شخصاً تقريباً، تتبع نهجاً يتفادى بعض العقبات التي تعترض طريق الشركات الناشئة والمجموعات البحثية الأخرى. ويقول أيضاً إن الشركة تمكنت من تحقيق إنجازات كبيرة.

تمكنت هيليون، حتى الآن، من تطوير ستة نماذج أولية واختبارها. وفي 2021، أعلنت أن أحدث هذه النماذج، والذي يحمل اسم ترينتا، وصل إلى حرارة تفوق 100 مليون درجة مئوية، ما يجعل هيليون أول شركة خاصة تكشف عن تحقيقها لدرجات الحرارة اللازمة لبناء محطة تجارية. تعمل الشركة حالياً على بناء النموذج السابع، بولاريس (Polaris)، حيث تتوقع له أن يمكّنها من إظهار القدرة على إنتاج الكهرباء من التفاعلات في العام المقبل.

وقالت هيليون في ردها على إم آي تي تكنولوجي ريفيو: "إذا أخذنا تاريخ الاندماج بعين الاعتبار، سنجد أن الشكوك أمر متوقع، ونحن نعتقد أن التشكيك ظاهرة إيجابية".

وأكملت الشركة في تصريحها قائلة: "ما حققناه مع النموذج الأولي السادس من نتائج وتقدم يمنحنا ثقة كبيرة بواقعية مواعيدنا، وقدرتنا على بناء أول محطة لتوليد الكهرباء بالطاقة الاندماجية بحلول العام 2028".

البلازما والنبضات

تعمل تفاعلات الانشطار التي تعتمد عليها محطات الطاقة النووية التقليدية على فصل الذرات بعضها عن بعض، في حين تعمل تفاعلات الاندماج من خلال إجبارها على الاتحاد ضمن درجات حرارة شديدة الارتفاع، وذلك للتغلب على قوى التنافر التي تظهر عادة بين الذرات عند تقاربها. ويؤدي هذا إلى إنتاج ذرات جديدة مع فقدان جزء صغير من الكتلة، حيث يؤدي هذا النقصان في الكتلة إلى توليد مقدار هائل من الطاقة.

تعتمد معظم المختبرات والشركات الناشئة الأخرى على أشعة ليزر عالية الاستطاعة أو آلات حلقية الشكل محاطة بمغانط قوية تُعرف باسم التوكاماك (tokamak)، وذلك لتوفير الظروف المعروفة باسم الاشتعال، حيث تُتيح حدوث تفاعلات الاندماج المتسلسلة. لكن هيليون تعمل على تطوير ما تسميه "نظام اندماج نبضي دون اشتعال"، وهو نظام يحتاج إلى حدوث الاندماج ضمن فترات قصيرة وحسب.

تشبه آلة "مسرّع البلازما" التي ابتكرتها الشركة قضيب رفع أثقال بعرض 1.8 متر وطول 12 متراً. تعتمد هذه الآلة على مغانط قوية لتسخين مزيج غازي إلى درجة تفكك الذرات، ما يؤدي إلى ظهور حلقات من المادة فائقة السخونة بالحالة المعروفة باسم البلازما على كلا طرفي الآلة.

بعد ذلك، تدفع المغانط هذه الحلقات إلى التقارب بسرعة 1.6 مليون كيلومتر في الساعة، ما يؤدي إلى زيادة انضغاطها في وسط الآلة، وارتفاع الحرارة إلى أكثر من 100 مليون درجة مئوية، وفقاً للشركة. ويؤدي هذا إلى إطلاق تفاعل الاندماج، حيث تتصادم نوى الذرات، وتلتحم البروتونات والنيوترونات، ويتم إطلاق جسيمات مختلفة، ليتم إنتاج الطاقة.

تتطلب الطرق الأخرى للاندماج خطوة إضافية لتحويل الطاقة إلى كهرباء، وذلك باستخدام أساليب تقليدية، مثل تسخين الماء أو غيره من السوائل لتحويلها إلى غازات تعمل على تدوير توربينات لتوليد الكهرباء. ولكن كيرتلي يقول إن عملية هيليون قادرة على توليد الكهرباء بصورة مباشرة.

فمع تواصل ارتفاع حرارة البلازما وتمددها، تتوسع حقولها المغناطيسية نحو الحقول المغناطيسية الناتجة عن المغانط المحيطة بالآلة. يؤدي هذا إلى تدفق الجسيمات المشحونة، ولمعروف باسم التيار الكهربائي، عبر الوشائع الكهرطيسية المجاورة. ويؤدي هذا بدوره إلى شحن جهاز تخزين الطاقة المعروف باسم المكثّف، الذي يوفّر الطاقة للمغانط، ويجهزها لإطلاق النبضة التالية.

لتوليد الطاقة ضمن المحطة، يجب على هذه الآلة أن تنتج طاقة أكبر من الطاقة المطلوبة لتوليد النبضات. ويتم تحويل هذه الطاقة الإضافية إلى تيار متناوب، وتوجيهه إلى الشبكة الكهربائية.

وفقاً للخطط الحالية، ليس من الضروري أن يكون مولد الطاقة التجاري أكبر حجماً -من الناحية الفيزيائية- من أحدث النماذج الأولية لهيليون، ولكنه سيحتاج إلى أنظمة إضافية لأغراض التبريد والتوصيل الكهربائي وغير ذلك من الأغراض، وفقاً لكيرتلي.

"تحديات هندسية"

يقول أستاذ الهندسة النووية في جامعة ويسكونسن ماديسون، بول ويلسون، إنه "سيتفاجأ" إذا بدأت محطة توليد تجارية بالطاقة الاندماجية تعمل في 2028. لكنه يقول إن حدوث هذا الأمر "سيكون رائعاً للغاية".

ويقرّ ويلسون بوجود بعض الأفضليات الجوهرية في النهج الذي تتبعه هيليون، ولكنه يشير أيضاً إلى وجود بعض الجوانب المتضاربة الواضحة. فالوقود الذي يُتيح تحقيق الاندماج بأعلى درجة من السهولة هو خليط من اثنين من نظائر الهيدروجين: الديوتيريوم والتريتيوم. لكن هيليون استخدمت بدلاً من ذلك الهيليوم 3، وهو ما سيؤدي إلى إنتاج عدد أقل من النيوترونات، وهي جسيمات دون ذرية توجد عادةً في النوى وهي المسؤولة عن نشاطها الإشعاعي عند قذفها بها، ما يعني تقليل التلف الذي سيصيب الآلة، وتخفيف مشكلات النفايات المشعة لاحقاً. لكنه، من ناحية أخرى، سيزيد من تعقيد عملية الحصول على الوقود الضروري، وسيؤدي أيضاً إلى زيادة تعقيد النظم الهندسية اللازمة لتحقيق ظروف الاندماج، على حد تعبير لويلسون.

وبالمثل، فإن مقاربة النظام النبضي الذي يعمل بعض الشركات الناشئة المنافِسة، مثل زاب إينرجي (Zap Energy)، على تطبيقها بتعديلات أخرى، تزيل الحاجة إلى إثارة تفاعلات اندماج متواصلة. ولكنها تزيد من التعقيد الهندسي لأنظمتها إلى درجة كبيرة.

يقول ويلسون: "يكمن التحدي في إثبات قدرتهم على توليد نبضات ضخمة بما يكفي للحصول على قدر كافٍ من الطاقة، والتقاط ما يكفي منها لتوليد النبضة التالية. فإذا تمكنت الشركة من تحقيق هذا الأمر، فإن التحديات الهندسية التي يُحتمل أن يصادفوها في الأجزاء الأخرى من النظام ستكون أكثر سهولة مما يحاول بعض الشركات الأخرى تحقيقه".

"ثقة فائقة"

تتمتع هيليون ببعض الميزات الأخرى، مثل وجود تمويل كبير كافٍ لمواصلة عملها.

فقد تمكنت هيليون من جمع 570 مليون دولار من رؤوس الأموال المغامرة حتى الآن، ومن أهم مستثمريها: شركة ميثريل كابيتال (Mithril Capital) التي شارك بيتر ثيل في تأسيسها، وواي كومبينيتور (Y Combinator)، وداستن موسكوفيتز أحد مؤسسي فيسبوك، وريد هوفمان أحد مؤسسي لينكد إن. لكن الجزء الأكبر من تمويلها ناتج عن جولة التمويل التي أعلنت عنها في نوفمبر/ تشرين الأول في 2021، والتي وصلت قيمتها إلى 500 مليون دولار، تضمنت مساهمة بقيمة 375 مليون دولار من الرئيس التنفيذي لشركة أوبن أيه آي، سام ألتمان، وهو أكبر استثمار إفرادي له.

قال ألتمان من قبل لإم آي تي تكنولوجي ريفيو، إنه ضخ مبلغ 10 ملايين دولار في هيليون في البداية، ولكنه زاد استثماره إلى درجة كبيرة عندما أصبح "واثقاً للغاية بنجاح هذه الشركة".

النموذج الأولي السابع لنظام التوليد بالطاقة الاندماجية من هيليون، بولاريس. مصدر الصورة: هيليون

وفي إطار الصفقة التي أُعلن عنها مؤخراً، ستدفع مايكروسوفت ثمن الكهرباء التي ستولّدها هيليون، على افتراض بناء محطة التوليد وتشغيلها في نهاية المطاف. لم ترد شركة البرمجيات على أسئلتنا حول وجود أي دفعات مالية مسبقة، أو أي استثمار في هيليون.

ويقول كيرتلي إن الاتفاق يُتيح لهيليون تحديد موقع بناء المحطة، وإثبات وجود طلب في السوق، بشكلٍ يمكن أن يؤدي إلى زيادة النشاط في مجال الاندماج النووي التجاري.

وفي تصريح معدٍّ مسبقاً، قال رئيس شركة مايكروسوفت ونائب رئيس مجلس الإدارة فيها، براد سميث، إن الصفقة ستدعم "أهداف الطاقة النظيفة بعيدة المدى" لشركة البرمجيات، و"ستدفع السوق نحو تأسيس طريقة جديدة وفعّالة لضخ المزيد من الطاقة النظيفة في الشبكة الكهربائية بسرعة أكبر".

تحديات قانونية

في خضم تزايد النشاط التجاري، اتخذت اللجنة التنظيمية النووية الأميركية (US Nuclear Regulatory Commission) قراراً مهماً حول كيفية ترخيص محطات الاندماج، واختارت المقاربة المعتمدة لمسرعات الجسيمات البحثية بدلاً من العملية الأكثر تعقيداً المتبعة في ترخيص محطات الطاقة العاملة بالانشطار النووي.

لكن أنظمة الاندماج تنتج نفايات نووية، ما يتطلب إجراءات دقيقة وقواعد صارمة للتعامل مع هذه المواد، وإيقاف عمل هذه المحطات في نهاية المطاف، على حد تعبير الخبراء. إلّا أن هذه المنشآت لا تولد النفايات المشعّة التي تدوم فترة طويلة للغاية على غرار محطات الانشطار، ولا تؤدي إلى المشكلات نفسها التي ترافق محطات الانشطار من صعوبات في التخزين، وجدل حاد، ومخاطر انتشار الأسلحة.

سيتعين على طاقم اللجنة الآن تطوير عملية "لوضع القواعد" لترخيص الاندماج في إطار تلك المقاربة، وهو ما قد يدوم فترة تصل إلى عدة أشهر أو حتى سنوات.

إلّا أنه من الآن فصاعداً، تشير التوقعات إلى أن مشاريع الاندماج ستحصل على الموافقات اللازمة بوتيرة أسرع من محطات الانشطار التقليدية، التي يستغرق ترخيصها وبناؤها في الولايات المتحدة عقداً من الزمن، وربما أكثر، وفقاً لستاين من معهد بريكثرو.

بالنسبة لكيرتلي، فهو "واثق" بقدرة هيليون على تشغيل أولى محطات توليد الطاقة الاندماجية في العالم في 2028، وذلك بالنظر إلى التقدم الذي حققته حتى الآن، وقرار اللجنة، والعمل المتواصل مع المشرعين على المستوى الفيدرالي ومستوى الولايات، وتمكّن الشركة من ترخيص عدة نماذج أولية.

لكنه يعترف بأن الشركة تواجه بعض التحديات الكبيرة، إضافة إلى احتمال حدوث بعض التأخيرات.

ويقول: "تقول الحقائق إن تحقيق تفاعلات الاندماج أمر صعب، وبناء محطات طاقة جديدة أمر صعب، وبشكلٍ عام، من الصعب تحقيق إنجاز غير مسبوق. وهو ما يدفعنا إلى الاندفاع نحو الأمام في عملنا دون توقف، ومحاولة حل جميع هذه المشكلات بأسرع ما يمكن".