Americká agentura DARPA hodlá podpořit výzkum modulárních, vzájemně propojených kryochladičů se stupni pod úrovní kelvinu, které by se obešly bez helia-3.
Kryochladičové systémy nacházejí uplatnění v celé řadě oblastí – od aplikované supravodivosti přes supravodivé fotonové detektory a přístroje pro magnetickou rezonanci až po kvantové počítače.
Jednotlivé přístupy ke kvantovým počítačům vyžadují značně odlišné chladicí systémy. Supravodivé kvantové počítače potřebují rozměrné ředící chladničky, které dokážou ochladit čip na teploty pod jeden kelvin (<1K).
Kvantový počítač společnosti IBM byl ochlazen přibližně na 25 mK, přičemž „Project Goldeneye“ vyžadoval jak helium-3 (He-3), tak helium-4 (He-4) a zároveň zabíral značný fyzický prostor. Obdobné systémy využívají i Google, Amazon, Microsoft, Intel a další firmy.
He-4 představuje běžnější formu helia – jde o totéž helium, které se používá k plnění balónků – a i tak čelí problémům v dodavatelském řetězci. Za poslední dvě desetiletí došlo k několika nedostatkům helia, protože poptávka roste ze strany zdravotnictví, výroby polovodičů a dalších odvětví. Dodávky navíc negativně ovlivnila válka na Ukrajině, odstávky americké vlády a nyní i válka v Íránu.
Přesto je He-4 stále výrazně dostupnější než He-3. Helium-3 se dosud získávalo převážně jako vedlejší produkt jaderných zbrojních programů USA a Ruska, neboť tritium se rozpadá právě na He-3. V omezeném množství jej vyrábí i několik civilních zařízení, například Laurentis Energy Partners v Kanadě.
Vzhledem k tomu, že He-3 se využívá při detekci pašování jaderných materiálů, ve výzkumu jaderné fúze, v lékařských přístrojích i v kvantových počítačích, jeho zásoby jsou trvale nedostatečné. Pokud by se kvantové počítače využívající chladicí systémy na bázi He-3 rozšířily, tento nedostatek by mohl výrazně omezit celý trh.
„Za povšimnutí stojí absence teplotně stabilních kryochladičů pod úrovní kelvinu (tj. <1K), které by nevyžadovaly helium-3,“ uvádí DARPA ve své žádosti o informace.
„Ředící chladničky vyžadují velké objemy helia-3, které musí cirkulovat celou nádobou, od směšovací komory až po okolní prostředí.“
Agentura zároveň poznamenává, že existují způsoby, jak dosáhnout teplot pod 1K pomocí He-4, „ale to vyžaduje buď začlenění zkapalňování helia, nebo otevřený okruh s externě dodávaným kapalným heliem, přičemž ani jedno z toho není pro aplikace kryogenních mikrosystémů praktické.“
Podobně mohou adiabatické demagnetizační chladničky dosáhnout teplot pod úrovní kelvinu bez helia-3 či zkapalňování helia, avšak trpí teplotními výkyvy způsobenými cykly magnetizace a demagnetizace.
Kvůli omezením současných přístupů z hlediska velikosti, hmotnosti a příkonu (SWaP) „se dnešní kryostaty na míru používají k chlazení pouze jediného zařízení v nejnižším teplotním stupni, nikoli více zařízení pracujících při různých optimalizovaných teplotách.“
DARPA proto zamýšlí financovat výzkum modulárních kryochladičů s tepelně vodivými propojeními, díky nimž by bylo možné chladit více systémů současně – a to bez použití helia-3.
Nedávno představila společnost Bluefors, přední výrobce ředících chladniček pro kvantové počítače, svou „Modulární kryogenní platformu“. Systém, který stále využívá helium-3 i helium-4, unese užitečné zatížení až 800 kg a nabízí až 36 bočních kabelových portů.
Bluefors rovněž uzavřel smlouvu se společností Interlune na nákup až 10 000 litrů helia-3 ročně v období 2028 až 2037.
Interlune plánuje těžit He-3 na Měsíci, kde se tato látka vyskytuje v mnohem větším množství. Na cestě k tomuto cíli však stojí značné překážky – nejprve je třeba se na Měsíc vůbec dostat, poté pomocí autonomních robotů drtit měsíční regolit a filtrovat z něj helium-3 a nakonec jej dopravit zpět na Zemi.
Zdroj: datacenterdynamics.com
