Frasen "kärnenergi" frammanar bilder av stora ångande torn eller Tony Starks bågreaktor från de ikoniska "Iron Man"-filmerna. Men två Seattle-baserade startups designar kärnteknik som är tillräckligt liten för att plocka upp och bära det, delvis tack vare inköp från försvarsdepartementet, hoppas de kommer att driva en ny generation av rymdskepp.

Seattles Avalanche Energy and Ultra Safe Nuclear Corporation fick i maj okända finansieringsbelopp från Pentagons försvarsinnovationsenhet för att vidareutveckla två olika metoder för småskalig kärnkraft.

Avalanche tänjer på gränserna för kärnfusion medan Ultra Safe syftar till att revolutionera nukleära radioisotopbatterier, som de som driver Mars-rovers. Båda företagen förväntas leverera funktionella prototyper av rymdfarkoster till Pentagon senast 2027.

"Kärnkraft är ett intressant område eftersom det traditionellt sett huvudsakligen har legat inom regeringens område", säger U.S.A. Air Force Maj:t Ryan Weed, programledare för Defense Innovation Units kärnkraftsprogram för framdrivning och kraft. Enheten – Pentagons utpost i Silicon Valley – arbetar uteslutande med företag inom den privata sektorn för att anpassa framväxande teknologier för militär användning.

Efter sex decennier av materialvetenskaplig forskning är kärnbränslen relativt säkra och omfamnas i den privata sektorn. Klimatkrisen har också flyttat den allmänna opinionen mot att acceptera kärnkraft som en hållbar ersättning för fossila bränslen. Massiva framsteg inom datormodellering har gjort kommersiell utveckling av kärnkraft mer genomförbar, säger Chris Hansen, en fusionsforskare som leder ett labb vid University of Washington.

Delstaten Washington har ett förhållande till kärnkraftsforskning som går tillbaka till Hanford-platsen under andra världskriget, som producerade det mesta av plutoniumet för USA. Om man satte sin moraliskt komplexa historia åt sidan, främjade Hanford onekligen en "kultur av kärnteknisk expertis" i staten, sa Scott Montgomery, en föreläsare vid University of Washingtons Jackson School of International Studies.

Idag är staten ett nav för kommersiella kärnkraftsstartuper, särskilt företag som försöker knäcka småskalig kärnfusion. Till skillnad från fission, som genererar energi genom att bryta ner tunga radioaktiva metaller som uran, sker fusion när två mindre atomkärnor kolliderar för att bilda den större kärnan av ett annat grundämne och frigör energi i processen.

Avalanche-medgrundaren Brian Riordan tycker om att visualisera fusion som att försöka hålla ihop två kardborrbandsklädda magnetbollar.

"Kardbandet verkar över ett mycket kort avstånd, men om du kunde få dem tillräckligt nära, och kardborrbandet var starkt, skulle de fastna", sa Riordan.

Det är svårt att uppnå fusion eftersom de positivt laddade jonerna, precis som de kardborrbandsklädda magneterna, stöter bort varandra naturligt. Det är ännu svårare att förpacka den i en liten behållare. Ett exempel – mer än 35 länder har spenderat år, och miljarder dollar, på att bygga Iter Tokamak-reaktorn i södra Frankrike. Maskinen startar inte förrän 2025 och kommer inte att vara kommersiellt gångbar förrän åtminstone 2035.

Under tiden skapar nystartade företag i Seattle rubriker.

Den största tekniska vägspärren för fusion är att få maskinen att producera mer energi än den förbrukar, men Seattle-baserade Zap Energy proklamerade förra veckan att man förväntar sig att ha en fungerande prototyp inom året. 2021 meddelade Everett-baserade Helion Energy att de skulle börja bygga den första kommersiella kärnfusionsreaktorn i Everett med ett prognostiserat slutdatum 2028.

Avalanche, som grundades av ex-Blue Origin-ingenjörerna Riordan och Robin Langtry, gick in i loppet mot fusion 2018 och har patenterat en ny fusionsreaktor i lunchlådestorlek som kallas "Orbitron."

Enheten kombinerar två befintliga instrument i en vakuumkammare - en "orbitrap", som utnyttjar positivt laddade joner i en liten bana runt en negativt laddad katod, och en "magnetron", som genererar en ström av elektroner. Att införa elektroner i reaktorn neutraliserar den positiva laddningen och tillåter ett större antal joner att komma in i utrymmet, och packning av fler joner i det lilla utrymmet ökar exponentiellt chanserna för fusion.

Teamet förfinar den första prototypen och planerar att skala upp till en större enhet i augusti. Den största tekniska utmaningen kommer att vara att miniatyrisera högspänningsledaren så att den passar i det önskade paketet men ändå tillför tillräckligt med energi till katoden så att jonerna kretsar tillräckligt snabbt för att smälta samman.

Så småningom skulle den färdiga produkten producera mellan 5 och 15 kilowatt, även om användare kunde gruppera många enheter tillsammans för att producera mycket större mängder kraft. Storleken gör Orbitron gynnsam för rymdresor, vilket särskiljer Avalanche under Pentagon-kontraktsvalsprocessen, sa Weed, projektledaren för Defense Innovation Unit.

Medan Avalanche försöker låsa upp småskalig fusion utvecklar Ultra Safe ett nytt och förbättrat "kärnbatteri" som heter EmberCore. Dessa enheter är i huvudsak heta, radioaktiva stenar som stadigt frigör energi när de sönderfaller.

"Du kan använda den heta stenen som en het sten, eller så kan du linda energiomvandlingsteknik runt den för att förvandla den värmen till elektricitet", säger Adam Schilffarth, strategichef för Ultra Safes division för avancerad teknologi.

NASA har historiskt använt plutonium för radioisotopbatterier, som de som driver Curiosity-rovern på Mars och Voyager 1 och 2 djupa rymdsonder. Men plutonium är ett dyrt, sällsynt och farligt ämne. Ultra Safe har utforskat olika isotoper, som kobolt-60 och thulium, som kan skalas för att producera 10 gånger energin jämfört med traditionella plutoniumsystem samtidigt som de är säkrare och mer kostnadseffektiva.

Den första EmberCore-produkten Ultra Safe som kom ut på marknaden är storleken på ett äpple. It operates like a "hand warmer" for moon landers so they can survive a 14-day lunar night, said Chris Morrison, chief engineer for the EmberCore project. The final prototype for the Pentagon will be the size of a small filing cabinet.

Weed said EmberCore and Orbitron may allow spacecraft to travel farther and eliminate reliance on solar panels. With such large power capacities, these technologies could also spawn a new generation of spacecraft that can easily jump between Earth's orbit levels. That could open the door to all kinds of commercial space travel, tourism and trade.

"These new propulsion systems will enable us to have known new missions, and so it'll affect how we employ space power," Weed said. "It'll definitely be a game changer." + Utforska vidare

Fransk forskare som leder kärnfusionsprojektet dör vid 72

©2022 The Seattle Times.

Distribueras av Tribune Content Agency, LLC.