นี่เป็นการทดลองที่สําคัญเกี่ยวกับพลังงานในอนาคตของมนุษยชาติ ซึ่งเป็นการโจมตีด้านหน้าต่อปัญหาหลักของนิวเคลียร์ฟิวชัน

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมันร่วมกับสถาบันวิจัยในยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้เสร็จสิ้นการตรวจสอบทางประวัติศาสตร์ พวกเขาใช้ GENE ซึ่งเป็นรหัสจําลองความปั่นป่วนที่ล้ําสมัย เพื่อจําลองความปั่นป่วนของพลาสมาในห้องปฏิบัติการได้สําเร็จ ไม่ใช่แค่เรื่องของ "การจับคู่ข้อมูลคอมพิวเตอร์และการทดลอง" แต่เป็นครั้งแรกที่ชุมชนวิทยาศาสตร์ได้ตกลงกันเกี่ยวกับพารามิเตอร์ความปั่นป่วนที่สําคัญเจ็ดตัว ซึ่งเป็นจํานวนที่มากกว่าที่เคยเป็นมา

การทดลองนี้ใช้อุปกรณ์อัปเกรด ASDEX ของสถาบันฟิสิกส์พลาสมา Max Planck ในเยอรมนี โดยพื้นฐานแล้วอุปกรณ์นี้คือ tokamak ซึ่งเป็นอุปกรณ์กักขังแม่เหล็ก toroidal ซึ่งพลาสมาที่อุณหภูมิหนึ่งล้านองศาเซลเซียสถูกแขวนลอยโดยสนามแม่เหล็กเพื่อหลีกเลี่ยงการสัมผัสโดยตรงกับผนังของห้องสุญญากาศ ข้อมูลการทดลองเหล่านี้เป็นรากฐานที่สําคัญสําหรับนักฟิสิกส์ในการทําความเข้าใจและทําให้เชื่องความปั่นป่วนของพลาสมาในที่สุด

ความปั่นป่วนของพลาสมาคืออะไร? สามารถคิดได้ว่าเป็นนมในกาแฟ เมื่อคุณกวนกาแฟนมจะกระจายอย่างรวดเร็วทําให้เกิดโครงสร้างหมุนวนที่ซับซ้อน ในโทคามัคความปั่นป่วนของพลาสมาคือกระบวนการ "การปั่นป่วน" ยกเว้นว่าแทนที่จะเป็นรสชาติที่เป็นเนื้อเดียวกันจะส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานอย่างหายนะหากความปั่นป่วนแรงเกินไปความร้อนของพลาสมาจะหลบหนีอย่างรวดเร็วและระยะเวลาของปฏิกิริยาฟิวชั่นจะสั้นลง

นี่คือปริศนาที่รบกวนการวิจัยฟิวชั่นมาเกือบครึ่งศตวรรษ

แผนการหลอมรวมการกักขังแม่เหล็กทั้งหมดต้องเผชิญกับปัญหาในการเพิ่ม "เวลากักขังพลังงาน" นั่นคือวิธีลดการสูญเสียพลังงานที่เกิดจากความปั่นป่วนการทดลองอัปเกรด ASDEX เป็นขั้นตอนสําคัญสําหรับนักวิทยาศาสตร์ในการทําความเข้าใจปัญหา ไม่เพียงแต่โดยการวัดความปั่นป่วนภายในพลาสมาอย่างแม่นยํา แต่ยังใช้รหัส GENE เพื่อทําการจําลองเชิงตัวเลขที่มีความแม่นยําสูง ซึ่งหมายความว่าในที่สุดนักฟิสิกส์ก็มีไม้บรรทัดที่สามารถทํานายความปั่นป่วนได้

มีการใช้เครื่องมือวินิจฉัยที่สําคัญสองอย่างในการทดลองนี้

อย่างแรกคือเครื่องวัดแสงสะท้อนแสง Doppler ซึ่งใช้เสียงสะท้อนสะท้อนของไมโครเวฟเพื่อวิเคราะห์กระแสน้ําวนที่วั่นป่วนในระดับต่างๆ ในพลาสมา ประการที่สองคือเครื่องวัดรังสี CECE (Correlation Electron Cyclotron Emission) ที่จัดทําโดย MIT ซึ่งใช้ในการวัดความผันผวนของอุณหภูมิอิเล็กทรอนิกส์ ข้อมูลเหล่านี้ให้พารามิเตอร์หลักที่จําเป็นสําหรับการทดลองและในที่สุดก็ใช้เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการจําลอง GENE

GENE เป็นรหัสจําลองความปั่นป่วนของอวกาศเฟสห้ามิติที่พัฒนาโดย Max Planck Institute for Plasma Physics ห้ามิติ ซึ่งหมายความว่าไม่เพียงแต่คํานวณการกระจายตัวของความปั่นป่วนในอวกาศเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการกระจายความเร็วของอนุภาคพลาสมาด้วย พูดง่ายๆ ก็คือ มันเป็นการคํานวณอย่างไม่น่าเชื่อ เพื่อจําลองพฤติกรรมของพลาสมาไม่กี่มิลลิวินาทีทีมวิจัยใช้ซูเปอร์คอมพิวเตอร์ในการคํานวณเป็นเวลาสองเดือนเต็ม

ที่น่าแปลกใจยิ่งกว่านั้นคือ GENE ไม่เพียงแต่ทํานายพฤติกรรมการไหลของความปั่นป่วนของพลาสมาได้สําเร็จ แต่ยังสร้างปรากฏการณ์การทดลองที่ไม่คาดคิดได้อย่างแม่นยํา

ทีมวิจัยได้กําหนดโปรไฟล์อุณหภูมิที่แตกต่างกันสองแบบในการทดลอง ตามสามัญสํานึกยิ่งการไล่ระดับอุณหภูมิสูงเท่าใดความปั่นป่วนก็จะยิ่งรุนแรงขึ้นเท่านั้น ผลการทดลองยังสอดคล้องกับกฎนี้: ความผันผวนของอุณหภูมิในกรณีแรกนั้นมากกว่าในกรณีที่สอง อย่างไรก็ตามพฤติกรรมที่ปั่นป่วนของความหนาแน่นของอิเล็กตรอนนั้นค่อนข้างตรงกันข้ามด้วยการไล่ระดับอุณหภูมิที่เล็กลงความผันผวนของความหนาแน่นจะมากขึ้น ในตอนแรกทีมงานรู้สึกงงกับปรากฏการณ์นี้ แต่เมื่อพวกเขาดูผลการจําลอง GENE พวกเขาพบว่าคอมพิวเตอร์มีคะแนนการคาดการณ์ที่ดี

นี่แสดงให้เห็นว่า GENE ไม่ได้เป็นเพียง "เครื่องมือจําลอง" แต่เป็นเครื่องจักรที่สามารถทํานายปรากฏการณ์ทดลองล่วงหน้าได้ แบบจําลองความแม่นยําประเภทนี้ทําให้แนวคิดของ "ฝาแฝดดิจิทัล" เป็นรูปธรรมและเป็นไปได้เป็นครั้งแรก

สิ่งที่เรียกว่า "ฝาแฝดดิจิทัล" คือการสร้างแบบจําลองของเครื่องปฏิกรณ์พลาสมาในคอมพิวเตอร์ที่เหมือนกับความเป็นจริงทุกประการ หาก GENE สามารถทํานายปรากฏการณ์การทดลองได้อย่างแม่นยําอุปกรณ์ฟิวชั่นในอนาคตก็สามารถปรับให้เหมาะสมในโลกเสมือนจริงได้ก่อนแทนที่จะพึ่งพาการลองผิดลองถูก

หาก ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) เป็นโครงการฮาร์ดแวร์ที่ใหญ่ที่สุดสําหรับนักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกในทิศทางของนิวเคลียร์ฟิวชันการตรวจสอบ GENE ที่ประสบความสําเร็จถือเป็นความก้าวหน้าครั้งสําคัญในระดับซอฟต์แวร์การทดลองแสดงให้เห็นว่านักฟิสิกส์มีความสามารถในการควบคุมความปั่นป่วนของพลาสมาฟิวชั่นได้อย่างแม่นยํา

ปัจจุบันการวิจัยนิวเคลียร์ฟิวชันทั่วโลกอยู่ในหัวเลี้ยวหัวต่อที่สําคัญ โปรแกรม ITER คาดว่าการจุดระเบิดครั้งแรกจะสําเร็จในรอบ 2035 ปี แต่เป้าหมายนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อพลาสมาสามารถทํางานได้อย่างเสถียรแทนที่จะเย็นลงอย่างรวดเร็วภายใต้อิทธิพลของความปั่นป่วน

หนึ่งในความท้าทายที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในการวิจัยฟิวชั่นในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาคือช่องว่างระหว่างแบบจําลองทางทฤษฎีและข้อมูลการทดลอง นักวิทยาศาสตร์พยายามทํานายพฤติกรรมพลาสมาด้วยคอมพิวเตอร์นับครั้งไม่ถ้วน แต่ก็พบว่าการทดลองให้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันเสมอ แต่คราวนี้ GENE จําลองความปั่นป่วนของพลาสมาในห้องปฏิบัติการได้อย่างสมบูรณ์แบบ ไม่เพียงแต่ตรวจสอบความน่าเชื่อถือ แต่ยังเผยให้เห็นกลไกความปั่นป่วนที่ไม่คาดคิดอีกด้วย

มันเป็นการผสมผสานที่แท้จริงของทฤษฎีและการทดลอง

แต่ปัญหายังไม่ได้รับการแก้ไข GENE สามารถทํานายความปั่นป่วนได้ แต่ไม่สามารถกําจัดความปั่นป่วนได้ ขั้นตอนต่อไปสําหรับนักวิทยาศาสตร์คือการหาวิธีระงับความปั่นป่วนตามความก้าวหน้านี้ ผู้สมัครรวมถึงการเปลี่ยนโทโพโลยีสนามแม่เหล็กการเพิ่มประสิทธิภาพวิธีการให้ความร้อนด้วยพลาสม่าและแม้กระทั่งพยายามควบคุมความเข้มของความปั่นป่วนด้วยไดรฟ์ภายนอก

ในขณะเดียวกันสถาบันวิจัยฟิวชั่นทั่วโลกกําลังเตรียมพร้อมสําหรับเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชันเชิงพาณิชย์ในอนาคต สหราชอาณาจักรวางแผนที่จะสร้างโทคาแมคเชิงพาณิชย์ลําแรกของโลกในรอบ 60 ปี JT-0SA ของญี่ปุ่นกําลังทําการทดสอบเบื้องต้นสําหรับ ITER และ "ดวงอาทิตย์ประดิษฐ์" ของจีน Oriental Superring ก็กําลังพัฒนาการสะสมเทคโนโลยีอย่างรวดเร็วเช่นกัน ไม่ว่าประเทศใดจะดําเนินการขั้นเด็ดขาดก่อนเครื่องมือทางทฤษฎีเช่น GENE เป็นส่วนที่ขาดไม่ได้ของอุปกรณ์ฟิวชั่นในอนาคต