How the pistol shrimp inspired a fusion startup / Come i gamberi della pistola hanno ispirato una startup sulla fusione

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

The two secret weapons of the "pistolero" shrimp

Physics grappling with the shell of the crustacean, whose claw is so quick to stun the prey underwater. The lightning fast succeeds thanks to two joints, completely new to science. At first, the "shrimp gun" would seem to be thin and completely harmless creatures: the dozens of species that fall under this name are no longer than ten centimeters.

 

But it is in their formidable chela - the most developed of the two - that hides the weapon feared by prey: this closes so quickly that it generates a sound comparable to a pistol shot, and create shockwaves that put ko fish, worms and other small animals of which the crustacean feeds.

 TWO AID FROM PHYSICS. Now some Canadian and German biologists have discovered the evolutionary secret of this bolt. They closely analyzed the anatomy of the claws of 114 shrimp species, including a dozen pistol shrimps from the Alpheidae and Palaemonidae families, in which the snap evolved independently.

 Thus they found two types of articulations entirely new to science: the first is a sliding joint similar to those of many Swiss knives. A small crest creates pressure while the claw closes, making it tighten faster.

 The second discovery is a sliding joint that allows to "arm", that is to open completely, the claw before closing it in water, increasing the tension that precedes the release. Together, these two tricks allow you to generate stunning for which the crustacean is famous.

 

In the Science video (in English, with subtitles), you can watch the deadly chela in detail.

 

Let there be light: Inspired by a humble crustacean that packs an outsize punch, Oxford startup First Light Fusion is aiming to achieve energy gain from fusion by 2024, as Andrew Wade explains

There are some who believe that energy gain from fusion will always be just out of reach, a mirage on the horizon that humanity is doomed to pursue forever in vain. However, the promise of limitless clean energy is difficult to ignore. It’s an elusive prize that attracts some of science and engineering’s brightest minds, not to mention vast sums of investment. But as billions are spent in the search for energy’s Holy Grail, UK startup First Light Fusion is aiming to crack the code on a shoestring, and do so within just a few short years.

In theoretical terms, the basic science behind fusion is relatively straightforward. Hydrogen isotopes (deuterium and tritium) are forced together to form helium, expelling vast amounts of neutron energy as they fuse. While the physics may be simple, creating the conditions for the reaction to occur is anything but. It’s the same process that powers stars, where enormous temperatures and pressures are at work. Replicating those conditions on Earth is a huge challenge, and one that has spawned massively complex machines such as ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in France and the Wendelstein 7-X stellarator in Germany.

Those two engineering marvels use giant magnets to keep superheated hydrogen plasma confined in reactors. However, this is not the only way to achieve fusion. Scaling down, inertial confinement creates the extreme temperatures and pressures required in a tiny pellet, forcing outer layers inward so that fusion is achieved in the very centre of a miniscule target.

“Instead of there being this big external force of these huge magnets which are holding the plasma together, for inertial fusion there’s not any external force holding the plasma together,” explained Nicholas Hawker, co-founder and CTO of First Light Fusion.

“It’s held together by its own inertia. So, it just can’t get out of its own way fast enough. If you imagine the bit of plasma in the middle, it can’t release its pressure until the bit next to it has released its pressure, and that can’t be released until the one on the outside has.”

The very centre of the pellet remains confined for just long enough that the temperature, pressure and density create the requisite conditions for fusion. Enormous amounts of energy are focused on a tiny target, usually in the form of a high-powered laser. This is the method used by the National Ignition Facility (NIF) in California, the world’s leading exponent of inertial confinement. First Light is taking a slightly different route, however, using hypervelocity projectiles to collapse targets in very specific ways.

In comparison with the vastly complex machines required for magnetic fusion, First Light’s equipment is relatively simple. Its current experiments use two-stage gas guns and electromagnetic propulsion to achieve projectile speeds of around 8 kilometres per second. At its Oxford HQ, the company is working on Machine 3, a high-voltage pulsed power device that will deliver the equivalent of around 500 lightning strikes. Similar to a railgun, it will use electromagnetism to fire projectiles at around 20km/s.

“The cost per joule of energy is one of the most critical elements for fusion, and using Machine 3 to launch the projectile is 1,000 times cheaper, per joule of energy, than using a laser,” said Hawker.

While the engineering is certainly impressive, the real complexity – and the key intellectual property – comes in the form of First Light’s advanced fuel targets, designed to maximise fusion efficiency. Inspiration for the confinement process came courtesy of the pistol shrimp, a crustacean that clicks its claw to produce a shockwave which stuns its prey and causes the surrounding water to cavitate. The air and vapour inside these cavities is heated as they implode, causing a plasma to form. Apart from supernovas, it’s the only known example of inertial confinement in the universe.

“This was the starting point for my PhD, to take this phenomena, boil it down and understand it,” said Hawker, who completed his doctorate at Oxford in 2012.

The pistol shrimp’s shockwaves are replicated at First Light using hypervelocity projectiles, with the geometries inside the target dictating how the cavities collapse. As the science and understanding of the target design improves, so too will the efficiency of the reaction.

“The complexity is in the target,” said Hawker. “We try to keep the machines simple and finesse the target with a very high-quality understanding of the physics and dynamics of what’s happening inside that target.”

“By changing this target design and having this idea of the projectile, potentially we get to a much simpler, much cheaper, technology. The whole point of First Light right now is to find the target design that actually is going to work.”

During a presentation at the company HQ, Hawker narrated an animation of the sole target design made public so far. Instead of a single cavity, the animation showed three, with two larger cavities directing energy into a smaller one as they collapsed into it, encouraging higher temperatures to be produced. Using advanced hydrodynamic simulation, the company is able to iterate target designs extremely quickly. This agile approach – taking as little as six weeks in some case – is where its competitive advantage comes in, according to Hawker.

“We did 17 products last year on advanced target designs, so it gets more and more painful that we can only show one publicly,” he said.

“Our vision for the business is that we keep working on the target design. It’s where the trade secret is. It’s the most valuable part of the IP. And we think it’s something that a startup can actually be world-leading at. We have a rapid iteration cycle, agile team… and we think this is an advantage that we can defend.”

Sir David King, former chief scientific advisor to the government, is the most recent addition to that team, joining in April 2018. The advisory board also includes Nobel Prize-winning physicist Steven Chu, with further pedigree coming in the shape of COO Gianluca Pisanello, an F1 veteran of 14 years and former chief engineer of Manor Racing.

Having recently secured £23m in funding, the company is well on its way to getting Machine 3 up and running, hoping to have it commissioned by the end of the year. First fusion is planned for 2019, with energy gain – the promised land of fusion – tentatively targeted for 2024.

If gain can be achieved, the plan is to partner with third parties with the engineering capability to develop power plants, ideally in the 200-300MW range. But rather than replace wind and solar, Hawker sees fusion working in tandem with renewables, more likely to replace the gas-fired plants that currently provide flexible baseload.

“What fusion can deliver is baseload power,” he said. “And what we think our technology is going to be able to do is address a need for flexible baseload. If you have existing nuclear, basically it’s always on, and you might not want it to be always on. You would rather it flexed in response to what the solar output is.”

“We’re not saying we don’t need renewables, that we don’t need solar and wind. We do. We should be building all of that. But energy is not generated from a single technology.”

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Le due armi segrete del gambero "pistolero"

La fisica alle prese con la presa lampo del crostaceo, la cui chela è talmente veloce da stordire le prede sott'acqua. La chiusura fulminea riesce grazie a due giunture, del tutto nuove alla scienza. Sulle prime, i "gamberi pistola" sembrerebbero creature esili e del tutto innocue: le decine di specie che rientrano sotto questo nome non sono più lunghe di una decina di centimetri.

Ma è nella loro formidabile chela - la più sviluppata delle due - che si nasconde l'arma temuta dalle prede: questa si chiude così velocemente  da generare un suono paragonabile a un colpo di pistola, e creare onde d'urto che mettono ko pesci, vermi e altri piccoli animali di cui il crostaceo si nutre.

DUE AIUTI DALLA FISICA. Ora alcuni biologi canadesi e tedeschi hanno scoperto il segreto evolutivo di questa presa lampo. Hanno analizzato da vicino l'anatomia delle chele di 114 specie di gambero, inclusa una dozzina di gamberi pistola delle famiglie Alpheidae e Palaemonidae, in cui lo schiocco si è evoluto in modo indipendente.

Hanno così trovato due tipi di articolazioni del tutto nuove alla scienza: la prima è un giunto scorrevole simile a quelli di molti coltellini svizzeri. Una piccola cresta crea pressione mentre la chela si chiude, facendola serrare più velocemente.

La seconda scoperta è un giunto scorrevole che permette di "armare", cioè aprire completamente, la chela prima di richiuderla in acqua, aumentando la tensione che precede il rilascio. Insieme, questi due trucchi consentono di generare lo stordimento per cui il crostaceo è celebre.

Nel video di Science (in inglese, con sottotitoli), potete osservare la micidiale chela nel dettaglio.

 

Lascia che ci sia luce: ispirata a un umile crostaceo che racchiude un pugno fuori misura, la startup di Oxford First Light Fusion mira a ottenere un guadagno di energia dalla fusione entro il 2024, come spiega Andrew Wade

Ci sono alcuni che credono che il guadagno di energia dalla fusione sarà sempre fuori portata, un miraggio all'orizzonte che l'umanità è destinata a perseguire per sempre invano. Tuttavia, la promessa di energia pulita senza limiti è difficile da ignorare. È un premio sfuggente che attrae alcune delle menti più brillanti della scienza e dell'ingegneria, per non parlare delle ingenti somme di investimento. Ma come miliardi sono spesi nella ricerca del Santo Graal dell'energia, la startup britannica First Light Fusion punta a decifrare il codice con pochi soldi, e lo fa nel giro di pochi anni.

In termini teorici, la scienza  alla base della fusione è relativamente semplice. Gli isotopi di idrogeno (deuterio e trizio) sono forzati insieme per formare l'elio, espellendo grandi quantità di energia di neutroni mentre si fondono. Mentre la fisica può essere semplice, creare le condizioni per il verificarsi della reazione è tutt'altro. È lo stesso processo che alimenta le stelle, dove temperature e pressioni enormi sono all'opera. Replicare queste condizioni sulla Terra è una grande sfida, e una che ha generato macchine estremamente complesse come ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Francia e lo stellarator 7-X di Wendelstein in Germania.

Queste due meraviglie dell'ingegneria usano magneti giganti per mantenere il plasma di idrogeno surriscaldato confinato nei reattori. Tuttavia, questo non è l'unico modo per ottenere la fusione. Ridimensionando, il confinamento inerziale crea le temperature estreme e le pressioni richieste in un piccolo pellet, costringendo gli strati esterni verso l'interno in modo che la fusione sia raggiunta nel centro di un bersaglio minuscolo.

"Invece di essere questa grande forza esterna di questi enormi magneti che tengono insieme il plasma, per la fusione inerziale non c'è alcuna forza esterna che tiene insieme il plasma", ha spiegato Nicholas Hawker, co-fondatore e CTO di First Light Fusion.

"È tenuto insieme dalla sua stessa inerzia. Quindi, non riesce a uscire da solo abbastanza velocemente. Se immaginate il frammento di plasma nel mezzo, non può rilasciare la sua pressione fino a quando il bit vicino ad esso non ha rilasciato la sua pressione, e questo non può essere rilasciato fino a quando quello esterno non ne ha ".

Il centro del pellet rimane confinato per il tempo sufficiente a far sì che temperatura, pressione e densità creino le condizioni necessarie per la fusione. Enormi quantità di energia sono concentrate su un piccolo bersaglio, di solito sotto forma di un laser ad alta potenza. Questo è il metodo utilizzato dalla National Ignition Facility (NIF) in California, il principale esponente mondiale del confinamento inerziale. First Light sta seguendo un percorso leggermente diverso, tuttavia, usando i proiettili di ipervelocità per comprimere i bersagli in modi molto specifici.

In confronto alle macchine estremamente complesse richieste per la fusione magnetica, le attrezzature di First Light sono relativamente semplici. I suoi attuali esperimenti utilizzano pistole a gas a due stadi e propulsione elettromagnetica per raggiungere velocità di proiettili di circa 8 chilometri al secondo. Nel suo quartier generale di Oxford, l'azienda sta lavorando su Machine 3, un dispositivo di alimentazione ad impulsi ad alta tensione che fornirà l'equivalente di circa 500 fulmini. Simile a un fucile da caccia, utilizzerà l'elettromagnetismo per sparare proiettili a circa 20 km / s.

"Il costo per joule di energia è uno degli elementi più critici per la fusione e usare la macchina 3 per lanciare il proiettile è 1.000 volte più economico, per joule di energia, rispetto all'utilizzo di un laser", ha affermato Hawker.

Mentre l'ingegneria è certamente impressionante, la vera complessità - e la proprietà intellettuale chiave - si presenta sotto forma di obiettivi di carburante avanzati di First Light, progettati per massimizzare l'efficienza della fusione. L'ispirazione per il processo di isolamento è venuto per gentile concessione dei gamberi a forma di pistola, un crostaceo che fa clic sul suo artiglio per produrre un'onda d'urto che stordisce la sua preda e fa cavitare l'acqua circostante. L'aria e il vapore all'interno di queste cavità sono riscaldati mentre implodano, causando la formazione di un plasma. Oltre alle supernove, è l'unico esempio conosciuto di confinamento inerziale nell'universo.

"Questo è stato il punto di partenza per il mio dottorato di ricerca, prendere questo fenomeno, ridurlo e comprenderlo", ha detto Hawker, che ha completato il suo dottorato a Oxford nel 2012.

Le onde d'urto dei gamberetti delle pistole sono replicate a First Light usando proiettili a ipervelocità, con le geometrie all'interno del bersaglio che determinano il collasso delle cavità. Man mano che la scienza e la comprensione del design dell'obiettivo migliorano, migliora anche l'efficienza della reazione.

"La complessità è nell'obiettivo", ha affermato Hawker. "Cerchiamo di mantenere le macchine semplici e finalizzata al bersaglio con una comprensione di alta qualità della fisica e delle dinamiche di ciò che accade all'interno di quell'obiettivo".

"Modificando questo progetto di destinazione e avendo questa idea del proiettile, potenzialmente arriveremo a una tecnologia molto più semplice, molto più economica. L'intero punto di First Light in questo momento è di trovare il design di destinazione che in realtà sta andando a lavorare ".

Durante una presentazione presso il quartier generale della compagnia, Hawker ha raccontato un'animazione dell'unico progetto di destinazione reso pubblico finora. Invece di una singola cavità, l'animazione mostrava tre, con due cavità più grandi che dirigevano l'energia in una più piccola mentre crollavano dentro, incoraggiando temperature più elevate da produrre. Utilizzando la simulazione idrodinamica avanzata, l'azienda è in grado di iterare i progetti di destinazione in modo estremamente rapido. Secondo Hawker, questo approccio agile, che in un caso richiede appena sei settimane, è il suo vantaggio competitivo.

"Abbiamo realizzato 17 prodotti l'anno scorso su progetti di target avanzati, quindi diventa sempre più impegnativo che possiamo mostrarne solo uno pubblicamente", ha affermato.

"La nostra visione per il business è che continuiamo a lavorare sul design di destinazione. È dove è il segreto commerciale. È la parte più preziosa dell'IP. E pensiamo che sia qualcosa a cui una startup può davvero essere leader a livello mondiale. Abbiamo un ciclo di iterazione rapido, squadra agile ... e pensiamo che questo sia un vantaggio che possiamo difendere ".

Sir David King, ex capo consigliere scientifico del governo, è l'aggiunta più recente a quel gruppo, che si è unito nell'aprile 2018. Il comitato consultivo comprende anche il fisico vincitore del premio Nobel Steven Chu, con ulteriore pedigree sotto forma del COO Gianluca Pisanello , un veterano di F1 di 14 anni ed ex capo ingegnere di Manor Racing.

Avendo recentemente assicurato un finanziamento di 23 milioni di sterline, la società è sulla buona strada per far funzionare la macchina 3, sperando di averla messa in servizio entro la fine dell'anno. La prima fusione è prevista per il 2019, con il guadagno di energia - la terra promessa della fusione - mirata per il 2024.

Se si può ottenere un guadagno, il piano è di collaborare con terze parti con la capacità ingegneristica di sviluppare centrali elettriche, idealmente nell'intervallo 200-300 MW. Ma piuttosto che sostituire l'energia eolica e solare, Hawker vede la fusione in tandem con le rinnovabili, più probabilmente per sostituire le centrali a gas che attualmente forniscono baseload flessibile.

"Ciò che la fusione può offrire è il potere del carico di base", ha affermato. "E ciò che pensiamo che la nostra tecnologia sarà in grado di fare è affrontare la necessità di un carico di lavoro flessibile. Se hai un nucleare esistente, in pratica è sempre attivo e potresti non volere che sia sempre attivo. Preferiresti flettere in risposta a ciò che è l'uscita solare. "

"Non stiamo dicendo che non abbiamo bisogno di energie rinnovabili, che non abbiamo bisogno di energia solare ed eolica. Noi facciamo. Dovremmo costruire tutto questo. Ma l'energia non è generata da una singola tecnologia. "

Da:

https://www.focus.it/ambiente/animali/le-due-armi-segrete-del-gambero-pistola

https://www.theengineer.co.uk/energy-gain-from-fusion/?cmpid=tenews_5385756&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79