Vývoj materiálů pro špičkový výkon v jaderných fúzních elektrárnách

Když Zoe Fisher chodila do čtvrté třídy, její učitelka výtvarné výchovy ji požádala, aby nakreslila svou vysněnou práci. V té době se její cíle měnily jako příchutě zmrzliny – „ošetřovatelka v zoo“ figurovala prominentně po nějakou dobu – ale Zoe okamžitě věděla, co chce nakreslit: bláznivého vědce.

Když Fisher nedávno narazila na tento obrázek v domě svých rodičů v Chicagu, cítila to jako šťastnou náhodu, protože se zdá, že si svůj dětský sen splnila. Tato doktorandka druhého ročníku na Katedře jaderné vědy a techniky (NSE) MIT studuje materiály pro fúzní elektrárny ve Středisku plazmatické fyziky a fúze (PSFC) pod vedením Michaela Shorta, docenta NSE, a spolupracuje s Denisem Whytem, profesorem inženýrství na NSE.

Na cestě na MIT

V Chicagu, kde vyrůstala, Fisher slyšela své rodiče, jak komentují její uvažovací schopnosti. Už když byla předškolním dítětem, tvrdila, že nemohla být nalezena ve fialově skvrnitém vejci, jak tvrdili její rodiče.

Fisher si neuvědomovala, jak moc ji přitahovala věda, dokud ji učitel fyziky na střední škole nenavigoval k přihlášce na MIT. Vzhledem k tomu, že je vášnivá jak do umění, tak do vědy, se zpočátku obávala, že studium vědy bude příliš rigidní a bez prostoru pro kreativitu. Nyní však ví, že hledání řešení problémů vyžaduje hodně kreativního myšlení.

Návštěva MIT v rámci programu Weekend Immersion in Science and Engineering (WISE) jí skutečně otevřela oči k potenciálu studia na MIT. „Zdálo se, že zdejší bakalářské studium je místem, kde můžete být sami sebou bez výčitek. Není nutné předstírat něco, čím nejste. Na rozdíl od většiny jiných vysokých škol, které jsem navštívila, je zde spousta autentičnosti,“ říká Fisher. Po přijetí Campus Preview Weekend potvrdila, že patří mezi ně. „Mohli jsme být hloupí a divní – verze hry Mafia byla hitem – a já si říkala: ‚Tohle jsou moji lidé,‘“ směje se Fisher.

Studium fúze na NSE

Předtím, než oficiálně začala v roce 2018 jako prvoročka, se Fisher zapsala do Programu pro předškolní orientaci (FPOP), který začíná týden před zahájením orientace. Každý FPOP se zaměřuje na jedno pole. „Přihlásila jsem se do jaderného, jednoduše proto, že to znělo cool a nic jsem o tom nevěděla,“ říká Fisher. Okamžitě ji to zaujalo. „Opravdu mě dostali tou frází ‚hvězda v láhvi,‘“ směje se. (Cílem komerční fúze je vytvořit energii ekvivalentní hvězdě v láhvi). Nadšená přednáškou Zacharyho Hartwiga, profesora NSE, se Fisher zeptala, zda by mohla pracovat na fúzi jako studentka v rámci projektu Programu příležitostí pro výzkum studentů (UROP). Začala modelováním pájek pro elektrárny a byla nadšená. Když Fisher požádala o více experimentální práce, Hartwig ji spojil s výzkumným pracovníkem Davidem Fischerem ve Středisku plazmatické fyziky a fúze (PSFC). Fisher se nakonec začala zabývat supravodiči, což se nakonec proměnilo ve výzkum pro její diplomovou práci.

Pro svůj doktorský výzkum Fisher rozšiřuje svou diplomovou práci o zkoumání defektů v keramice, konkrétně v oxidu hlinitém (Al2O3). Safírové povlaky jsou monokrystalickým ekvivalentem oxidu hlinitého, izolantu zkoumaného pro použití v fúzních elektrárnách. „Chtěla bych zjistit, jaké typy nábojových defektů se v keramice tvoří během radiačního poškození, abychom mohli nakonec navrhnout radiačně odolný safír,“ říká Fisher.

Když zavedete materiál do fúzní elektrárny, bludné vysokoenergetické neutrony z plazmatu se mohou srážet a v podstatě přeuspořádat krystalovou mřížku, což pravděpodobně změní řadu tepelných, elektrických a strukturálních vlastností. „Představte si lešení před budovou, kde každý spoj je jiným atomem, který drží váš materiál pohromadě. Pokud vyjdete a vyndáte spoj, je šance, že jste vyndali spoj, který nebyl staticky stabilní, v takovém případě by všechno bylo v pořádku. Ale také je šance, že vyndáte spoj a vše se změní. A [tato nepředvídatelnost] je problém,“ říká Fisher. „Musíme být schopni zohlednit, jak přesně tyto neutrony změní vlastnosti krystalové mřížky,“ říká Fisher, a to je jedno z témat, která její výzkum zkoumá.

Tyto studie mohou zase sloužit jako výchozí bod pro ozáření supravodičů. Cíle jsou dvojí: „Chci zjistit, jak mohu vyrobit průmyslově použitelnou keramiku, kterou lze použít k izolaci vnitřku fúzní elektrárny, a také zjistit, zda mohu použít tyto informace, které získávám u keramiky, pro supravodiče,“ říká Fisher. „Supravodiče jsou elektromagnety, které použijeme k udržení plazmatu uvnitř fúzních elektráren. Jsou však poměrně obtížné ke studiu. Protože jsou také keramické, můžete mezi oxidem hlinitým a yttrium-baryum-měďnatým oxidem (YBCO), specifickým supravodičem, který používáme, vyvodit mnoho paralel,“ dodává. Fisher se také těší na mnoho experimentů, které provádí pomocí urychlovače částic, z nichž jeden zahrnuje měření přesného způsobu, jak se povrchové tepelné vlastnosti mění během ozáření.

Pluje novými cestami

Fisher miluje nejen svůj výzkum. Jako studentka a během studia získala titul bakaláře a magisterského stupně byla členkou univerzitního plaveckého týmu. „Propracovala jsem se k plachtění s doslova olympioniky, to jsem nečekala,“ říká. Fisher se vždy, když má příležitost, účastní chicagského závodu Race to Mackinac a série Melges 15. Ze všech typů lodí, které plachtila, nejraději plachtí na člunech. „Je to fyzičtější, musíte se hodně hýbat a je tu okamžitá příčina a následek, což se mi líbí,“ říká Fisher. V létě také vyučuje plachtění v plavebním pavilonu MIT – najdete ji na malém motorovém člunu, jak vydává rozkazy přes reproduktor.

Výuka sehrála významnou roli v Fisherině času na MIT. Prostřednictvím MISTI Fisher vyučovala na středních školách v Německu a kurz o záření a materiálech v Arménii v posledním ročníku studia. Nadchla se arménským jídlem a kulturou a tím, jak nadšení byli lidé z učení se novým věcem. Její láska k výuce pokračuje, kontaktovala střední školy v oblasti Bostonu. „Ráda mluvím s lidmi a nadchnu je pro fúzi, nebo možná jen pro myšlenku studia na postgraduální škole,“ říká Fisher a dodává, že učení se provádění experimentů jeden na jednoho je „jednou z nejobměňujících věcí“.

Na různých cestách MISTI se také naučila hodnotu odolnosti a rychlého myšlení. Navzdory své lásce k cestování měla Fisher několik nepříjemných zkušeností s náročnými situacemi a plány, které se v poslední chvíli pokazily. V takových chvílích si říká: „No, jediné, co budete dělat, je, že budete dělat to, co jste chtěli udělat.“

Toto zaměření na cíl Fisher velmi pomohlo a dodnes jí dobře slouží v jejím výzkumu.