נראה כי בכל תקופה ותקופה, כשהתקדמות המדע והטכנולוגיה מביאה איתה שגשוג חדש, תמיד קיימים גם רצון ושאיפה להגיע רחוק יותר משאפשר, רחוק מכפי שהטבע מאפשר לנו.
אם בעבר האלכימאיים האמינו שימצאו דרך להפוך עופרת לזהב, ולעיתים אף שכנעו אחרים שהצליחו בכך, נראה כי היעד הבלתי מושג הגדול של תקופתנו הוא ההיתוך הקר, וגם אותו יש שוב ושוב אנשים הטוענים שהצליחו להשיג אותו.
מהו היתוך? היתוך הוא התהליך שבו אטומים מחומר מסוים מתחברים זה לזה עד שנוצר אטום מחומר אחר. הדגומה החשובה והמפורסם ביותר היא ההיתוך של שני אטומי מימן לאטום הליום. כשאם בוחנים את המסה של אטומי המימן לעומת המסה של כל ההליום ושאר תוצרי ההיתוך, רואים כי המסה של התוצרים קטנה יותר. מובן שמאסה עצמה לא נעלמה – היא פשוט הפכה לאנרגיה, על פי המשוואה המפורסמת שניסח אלברט אינשטיין: E=MC2. ואת האנרגיה הזאת אפשר לרתום לצרכים שונים.
כור הביקוע הגרעיני לייבשטט בשווייץ – הפקת חשמל יקרה ומסוכנת בהשוואה להיתוך | התמונה לקוחה מוויקיפדיה; יוצר התמונה: Roland Zumbuhl
היתוך, אם כך, הוא מקור אנרגיה מצוין. למעשה, זה בדיוק מקור האנרגיה של השמש שלנו, שבליבתה מתבצע היתוך של אטומי מימן. לא רק שבתהליך ההיתוך נפלטת אנרגיה רבה, אלא יש לו שני יתרונות חשובים לעומת התהליך ההפוך של הביקוע הגרעיני, שבו מייצרים כיום אנרגיה בכורים גרעיניים.
היתרון הראשון הוא סביבתי: תוצרי ההיתוך, כלומר אטומי ההליום, אינם רדיואקטיביים ואינם רעילים בשום צורה. למעשה, מכיוון שההליום הוא יסוד נדיר על פני כדור הארץ, אפשר יהיה למצוא שימושים חשובים לאטומים שיופקו בתהליך ההיתוך.
היתרון השני הוא הזמינות: המימן, שהוא חומר הגלם של ההיתוך, הוא חומר זמין מאוד על פני כדור הארץ, שכן הוא אחד משני המרכיבים של מולקולת המים, ומים כידוע הם אחד החומרים הנפוצים ביותר בעולמנו. שלא כמו ביקוע גרעיני, שדורש תהליך מורכב של כריית אורניום או פלוטוניום והעשרתם, גז מימן אפשר ליצור בתהליך פשוט יחסית ומחומר גלם זמין וזול.
היתוך, אם, כן הוא מקור האנרגיה האידיאלי, אולם קיימת בו בעיה אחת מרכזית. כדי לגרום להיתוך של אטומי המימן יש לגרום להם להתנגש זה בזה, אולם ככל שהאטומים מתקרבים זה לזה יותר כך גוברת עוצמת הדחייה ביניהם. לכן, על מנת להביא אותם למצב שבו יהיו קרובים מספיק כדי שיותכו יחד, יש להעניק להם אנרגיה התחלתית רבה.
בליבת השמש, הטמפרטורה גבוהה עד כדי כך שלאטומי המימן אכן יש אנרגיה רבה והם מצליחים להתגבר על הדחייה ההדדית שלהם וליצור היתוך. אולם כאשר אנו רוצים לנצל את ההיתוך להפקת אנרגיה על פני כדור הארץ, אנו מגלים שקשה מאוד לייצר טמפרטורה כה גבוהה.
כך נולד רעיון ההיתוך הקר, ומדענים רבים רדפו אחר השאיפה למצוא תנאים שבהם נוכל ליצור תהליך של היתוך אטומי מימן בטמפרטורות נמוכות יותר. וכך, אם האלכימאיים רדפו בעבר אחרי הזהב והעושר, בימינו פסגת שאיפתם של מדענים רבים היא למצוא את מקור האנרגיה המושלם.
החיפוש אחר ההיתוך הקר הגיע לשיאו בשנת 1989, אז הכריזו שני כימאים במסיבת עיתונאיים חגיגית שהם מצאו תהליך שבו במהלך אלקטרוליזה של מתכות בתוך מים כבדים נוצרת אנרגיה רבה יותר מזו שמושקעת בתהליך, בזכות היתוך קר של אטומי מימן במים. קבוצות רבות ניסו לשחזר את הניסוי הזה ללא הצלחה, ולבסוף נמצאו טעויות המדידה והטעויות התיאורטיות שנעשו בו והוכח שלמעשה לא הופקה כל אנרגיה בתהליך הזה. היתה זו עוד טעות אחת מרבות במאמץ הבלתי פוסק למצוא אנרגיה זולה (אם כי היו מי שהעזו לטעון שהיתה כאן רמייה מכוונת), כישלון נוסף ברצף הניסויים להשגת היתוך קר.
היתוך של אטומי מימן. הקושי הוא לגרום להם להתקרב | התרשים לקוח מוויקיפדיה
האם יש עתיד להיתוך הקר? היום רוב המדענים כבר משוכנעים שתהליך של היתוך קר אינו אפשרי, אולם ישנם עדיין חוקרים שמאמינים בו ומנסים למצוא דרך להשיגו אותו. עד כה אין כל הצלחה בתחום. מדי פעם מדווחים על ראיות להצלחה בביצוע היתוך קר, אולם הממצאים מופרכים במהירות, ולמעשה, מתקבלים מלכתחילה בספקנות ובחשד בקהילייה המדעית.
אחת מדרכי הביניים, בין היתוך קר להיתוך חם, היא הניסיון לבצע היתוך בתוך בועות מים, על ידי הפצצתם בגלי קול שיגרמו לקירות הבועה לקרוס במהירות, כך שלזמן קצר הבועה מתחממת לטמפרטורה גבוהה שמאפשרת היתוך. בשיטה זו ההיתוך אמור לכאורה להיות היתוך חם, אך יתרחש בסביבה קרה. עד כה, אף שגם כאן הדיווחים הראשוניים דיברו על הצלחה ביצירת תהליך ההיתוך, ניסויים חוזרים ונשנים לא הצליחו להוכיח שאכן התקיים בבועות המים היתוך.
ומה לגבי היתוך חם? תחום זה דווקא מתקדם בקצב מסחרר. אף שזה עשוי להישמע מפתיע, כבר קיימת כיום דרך, גם אם רק לזמן קצר ובאזור קטן ותחום היטב, ליצור טמפרטורה שעולה על זו המצויה בליבת השמש. אם מוסיפים באותו אזור אטומי מימן, מתרחש היתוך שלהם בדומה לתהליך שקורה במרכז השמש.
כך שהבעיה הפיסיקלית של מציאת דרך לבצע היתוך בכדור הארץ נפתרה כבר – לא מעט בזכות העבודה שנעשית במחלקת הפיסיקה של מכון ויצמן, שבה אכן קיים ציוד שיוצר את הטמפרטורות הדרושות. המאמץ כעת מתמקד במציאת פתרונות הנדסיים שיאפשרו להפוך את התהליך הזה לכלי מעשי וכדאי מבחינה כלכלית ומבחינת מאזן אנרגיה. אם הדבר יעלה בידינו, אין ספק שעוד נראה תחנות כוח חשמליות המבוססות על היתוך של מימן. זו כיום הטכנולוגיה המבטיחה ביותר להפקת אנרגיה מתהליך ההיתוך.
ירון גרוס
דוקטורנט, המחלקה לפיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.