Indrek Jõgi: ükskord me saame tehispäikese niikuinii!

Tartu Ülikooli füüsika instituudi asedirektor Indrek Jõgi ei usu teaduse kõikvõimsusesse, kuid arvab, et teaduse abil on võimalik lahendada mitu inimkonna ees seisvat eksistentsiaalset probleemi. Ta märgib, et teaduse äsjane saavutus tuumasünteesi praktilise rakendamise alal lisab kindlust, et tulevikus saab nn tehispäikesega lahendada inimkonna energiaprobleemi nii, et planeet jääks meile alles. Kirjutab Ants Vill.

Tartu Ülikooli plasmatehnoloogia kaasprofessor Jõgi (41) on Eesti esindaja rahvusvahelistes tuumasünteesi organisatsioonides ja osalenud ka ise tuumasünteesireaktori ITER diagnostikameetodi väljatöötamises.

Asjade senine käik

Teadlased on koos inseneridega juba 1950. aastate algusest üritanud välja arendada juhitava tuumasünteesi reaktsiooni abil energiat tootvat seadet. Siht on luua elektrijaam, mis toodaks energiat kõige kergema aine, vesiniku isotoopide tuumade ühinemisel vabaneval energial töötavas elektrijaamas. Kui raskete elementide tuumade lagunemisel töötavad aatomielektrijaamad on juba ammu töös, siis suuremat energiatootlikkust ning minimaalselt radioaktiivset saastet tekitavat tuumasünteesireaktorit pole siiani õnnestunud viia sellele tasemele, et see toodaks rohkem energiat, kui protsessi käivitamiseks ning käimashoidmiseks vaja on. Reaalselt kasutatava energiaallika jaoks peaks tootlus samal protsessil, mis hoiab käigus päikest ja seekaudu kogu elu Maal, samuti teisi tähti, olema aga muljetavaldavalt suurem – jõujaamas kasutamisel koos tootmise käigushoidmiseks kuluva energiakuluga vähemalt kümnekordne, võrreldes süsteemi enda kulutatud energiaga.

Sünteesiprotsessi vallandumiseks päikesel on aatomituumad allutatud väga kõrgele temperatuurile ning rõhule, see on aga väga suur väljakutse nii teoreetikutele kui praktikutele. „Üks tee, mida uuritakse, on süsteesi läbiviimiseks hiiglaslike laserite kasutamine väga kõrge rõhu saavutamiseks. See suund võimaldab energia vallandamist väga lühikeste laservälgatuste jooksul. Teine tee tuumade liitumisprotsessi esilekutsumiseks madalamal rõhul on ülikõrgel temperatuuril plasma sulgemine toroidse magnetväljaga reaktorisse, kus see hoitakse väga tugeva magnetvälja abil plasmarõngana seintest eemal. Vabanev energia juhitakse süsteemist välja ja kasutatakse seniste plaanide järgi auru vahendusel elektri tootmiseks,” selgitas Jõgi tuumasünteesireaktori peamist toimimispõhimõtet. 

Nüüd uudisest lähemalt

Euroopa tuumasünteesiuuringuid juhtiv konsortsium EUROfusion teatas jaanuaris, et Suurbritannias Oxfordi lähedal Culhamis asuvas maailma suurimas töötavas tuumasünteesi rajatises Joint European Torus (JET) tehtud katse käigus saavutati sünteesiprotsessi efektiivsuses suur hüpe. Protsessi esilekutsumiseks kulutatud energiast saadi tagasi kaks korda enam, kui 1997. aasta märgiliseks osutunud katses. Kokku vabanes rekordiliselt püsivaks osutunud, seekord senise 0,15 sekundi asemel viis sekundit kestnud protsessi käigus 59 megadžauli energiat.

„See on tõesti rekord ning suur murrang ja edasiminek. JET-is on üks piirang konstruktsioonis magnetvälja tekitamisel kasutatava vaskmähise ülekuumenemine. Siit on tarvis edasi minna ülijuhtidel põhinevate magnetitega,“ märkis Jõgi, kes on EUROfusion konsortsiumi üldkogu liige ja Eesti esindaja Fusion for Energy juhtkogus. „Uus tulemus lisab ka täiendavat optimismi suure rahvusvahelise projekti ehk ITER-i katsereaktori ehitamisel Prantsusmaal. Üks oluline muutus eelmise rekordiga võrreldes oli see, et kasutati täpselt samu reaktori seinamaterjale nagu valmivas ITER-is ehk berülliumi ja volframi. Esialgu olid JET-i plasmaga kokkupuutuvad seinad süsinikust. See võib tunduda väike erinevus, kuid pärast 2010. aastal toimunud seinamaterjalide vahetamist oli palju aastaid vaja uuesti „käima õppida“ ehk sobivaid töörežiime otsida. Nüüd näidati ära, et ITER-i seinamaterjalidega saab uusi rekordtulemusi püstitada. On praktiliselt kindel, et ITER võib süüdata esimese maapealse tehispäikese, avada tee uue energiaallika käikuvõtmisele.” 

Jõgi on koos mitme teise Eesti teadlasega osalenud ITER-i projektis aastaid. Eesti teadlased on välja töötanud betooni, mis peatab senistest ehitusmaterjalidest paremini reaktoris tekkivat radiatsiooni, teinud uurimusi toroidse reaktori ehk TOKAMAK-i seinamaterjalide kiirgusele vastupidavuse mõõtmisel ja selle suurendamisel ning seinamaterjalide reaktsioonijärgse seisundi mõõtmise laseripõhise diagnostikaseadme väljatöötamisel. „Praegu on projektiga seotud meie laborist paar-kolm, kokku kümmekond Eesti teadlast ja üliõpilast, eri aegadel kokku ligi kakskümmend“.

Veerand sajandi pärast

Tuumasünteesijaamade puhul on teadlased kogu aeg rääkinud, et juba 25 aasta pärast on tööstuslikult toodetav tuumasünteesil põhinev elektrijaam kasutamisvalmis. Nii oli see 1950. aastatel. 1960. aastatel kiirenes elektroonikaareng, paranesid ka tuumasünteesikatsete näitajad, analoogiliselt Arvutustehnika arengut kirjeldava Moore’i seadusega. Sellegipoolest on 25-aastane tähtaeg siiani pidevas „arengus”. 

„Viimaste uudiste valguses arvan, et pikalt teadlastel eest ära nihkunud tähtajad muutuvad siiski käegakatsutavamaks. Praeguse, küllalt realistliku hinnangu alusel* võiks esimene töötav tuumasünteesi demonstratsioonijaam anda elektrit 2050. aasta alguses. Lõuna-Prantsusmaal ehitatav ITER on ajaloo üks suuremaid ülemaailmseid teadusprojekte. On teooria, et kui käigus on miljardid eurod, venib iga selline projekt plaanitust kordades pikemaks ja läheb kavandatust kümneid kordi kallimaks. Selle projekti puhul oli esialgne ülioptimistlik valmimistähtaeg 2005, tegelikult ei olnud selleks ajaks labidatki maasse löödud. Sellised ühisprojektid venivadki, sest suur osa probleeme ei ole sageli teaduse- ega inseneriprobleemid, vaid hoopis poliitilised ja ka majanduspoliitilised,” märkis Jõgi. „Ülesanded on riikide vahel väikesteks lõikudeks jagatud, et kõik saaksid kogemusi ja ei saaks projekti mingis faasis kogu oskusteavet „ära privatiseerida”.”

„Euroopa riigid, Venemaa, Ameerika, Jaapan, Korea, India ja Hiina peavad lisaks kõigele saama oma toodetud komponendid ka ülimalt täpselt klappima. Aga jah, nii need asjad kulgevad. Katsereaktor ITER on varsti valmis. Kui kontseptsioon end õigustab, senised märgid seda kinnitavad, siis peaks aastal 2035 saama seal käivitada protsessi õige kütusega, deuteeriumi ja triitiumi seguga. Eks siis järgneb juba niigi hiiglaslikust katseeksemplarist veel suuremate, juba tööstuslike reaktorite ehitamine. Siis saab teoks see 1950. aastate alguses kavandatu, et jaam annab võrku elektrit,” rääkis Jõgi. „Kui suurte sõnadega rääkida, siis see on inimkonnale üks hädavajalikumaid projekte. Selline lahendus võimaldaks tegelikku rohepööret, mille vajalikkuses kahtlejaid on õnneks viimasel ajal oluliselt vähemaks jäänud.”

Plaanid vahepealseks ajaks

Seoses praeguse energiahinnakriisiga on selge, et kuni pole maapealseid tehispäikeseid käima saadud, tuleb fossiilse energia asemele leida piisava tootlikkusega energiaallikas tuulikute ja päikesepaneelide kõrvale. Üha rohkem kõneldakse ka Eestis oma n-ö tavatuumajaama ehitamisest. „Jah, kui hakkaksime praegu kohe sellist meile sobiva suurusega jaama ehitama, siis jõuaksime selle enne tuumasünteesi jaamade struktuuri väljaehitamist ekspluatatsiooniaja jagu käigus pidada ja ka sulgeda. Eriti arvestades, et tuumasünteesil töötavad reaktorid on esialgu jõukohased vaid suurtele riikidele. Eestist laiemalt kõneldes on uutel tuumajaamadel mõte juba siis, kui saaks sellistes jaamades ära kasutada varasematest tuumajaamadest pärit väga radioaktiivsed ja küllalt suurel hulgal kogunenud kütusejäägid. See oleks isegi mitte niivõrd energeetikaprobleem kui võimalus jätta vähem radioaktiivset sodi tulevikupõlvkondadele,” ütles Indrek Jõgi.

„Tulevikku vaadates on tuumasüntees muidugi hulga perspektiivikam, kui tuumade lagunemine ehk praegused tuumajaamad. Sama kütusekoguse korral saab energiat palju rohkem, radioaktiivseid jääke peaaegu polegi. Ja mis eriti tähtis – ei ole sellist katastroofiohtu, nagu teame praegustest tuumajaamadest – need on põhjustanud suure saastega õnnetusi. Tuumasünteesi puhul mingigi ebastabiilsuse ilmnemisel protsess lihtsalt lakkab, jahtub maha. Kokkuvõtvalt: puudub ahelreaktsiooni oht ning tekib palju vähem radioaktiivseid jäätmeid,” kõneles Jõgi.

Uus aeg vajab rohkem teadmisi

Teaduse ja tehnoloogiate üha suurenev kaalukus meie elu korraldamisel ja edendamisel tingib suurema vajaduse nii teadlaste kui inseneride järele. Indrek Jõgi on õppejõuna ja ka teadustööde juhendajana aidanud paljudel sellele teele asuda. „Huvi noorte seas on täiesti olemas, ehkki tänapäeval on üha rohkem ka muid ahvatlusi. Aga need otsused on noortel inimestel ilmselt juba enne ülikooli tehtud, nii jõuavad meie juurde enamasti ikka tõsised huvilised. Võin enda juhendatud magistrite ja mitme doktorandi järgi öelda, et paljud jäävad truuks valitud suunale, vaatamata sellele, et raha teadusalal napib. Muidugi on väga oluline, et teaduskogemusega inimesed oleks tegevad ka ettevõtluses ning riigiasutustes,” ütles ta. 

Jõgi ise on jõudnud põhjalikult tegelda uurimistööga väga mitmel alal. Pandeemiaajastul on olulisel kohal uurimus, kuidas võidelda viirustega ruumide õhus. Tema varasemate plasmateemaliste uuringute alusel Eesti Teadusagentuuri sihtgrandi toel loodud õhupuhasti prototüüpi on tegelikkuses ka testitud. „Seade kasutab õhust aerosoolidena levivate viiruste eemaldamiseks ionisaatorit, mis – praegusel ajal kummaliselt ajakohaselt kõlab – kasutab ioonide tekitamiseks koroonalahendust,” muigas ta ja lisas, et praegu on käimas jätku-uuring, kuidas saaks sarnase põhimõttega seadmega tekitada n-ö koroonatuult, mis võimaldaks vähendada ventilaatorite müra.

Oma teadlaseelust tõi Jõgi esile ühe pikema, kuigi praeguseks lõppenud uurimuse plasmaprotsesside kasutamise võimalustest õhust lämmastikuühendite kõrvaldamiseks. Need ühendid moodustuvad põlemisprotsesside käigus ja tekitavad suuremal hulgal esinedes lausa happevihmasid. „Plasmaseadmed aitaksid neid ühendeid kinni pidada, koguda ja isegi ära kasutada – näiteks taimeväetise tootmiseks. Plasmaseadmeid on võimalik ehitada ka nii väikeseid, et neid saaks kasutada näiteks Click&Grow tubastes taimekasvatuslahendustes. Lisaks võimaldavad plasmaseadmed ka steriliseerimist, nii on see teema jätkuvalt õhus.”

„Enamik minu uurimusi on seotud nn külma plasma kasutamisvõimaluste uurimisega. Koostöös teiste uurimisrühmadega on uurimistöö olnud seotud isegi vähiraviga, on otsitud ühendeid, mis kahjustaksid kasvajat. Mina ise olen selle suunaga üsna vähe seotud, aga on huvitav märkida, kui laia rakendamisvõimalusega võib see valdkond olla,” ütles Jõgi.

„Meil on olnud näiteks koostööd ja kokkupuuteid ka puidutööstusega. Eesti ettevõte Thermory toodab termopuitu, st puitu, mis on ilmastikukindluse tõstmiseks termiliselt töödeldud. Probleem on see, et termopuit on küll väga hea ja vastupidav niiskusele, aga see ei võta ka värvi ega muid pinnakatteid külge. Uurime, kas puidu pinna töötlemisel plasmaga võiks nakkuvus märgatavalt paraneda. Esimesed tulemused märguvuse testidega on julgustavad, aga kas see annab ka piisavalt parema värvide nakkuvuse, seda tuleb veel uurida-katsetada,” rääkis plasmaspetsialist Jõgi.

Karm kaasaeg 

Kas teaduse tegemist Eestis saab teistelegi soovitada või toimub see olude kiuste? „Praegu tundub, et pigem kiuste, sest meil on üldine projektipõhine rahastus. See ei anna kindlust tuleviku suhtes, ka ei saa niiviisi pikki tegevusi planeerida. Mul endal on ikkagi õnnestunud igal aastal mõni projekt kuskilt siit-sealt saada. Ettevõtluse, tootmisega seotud projektid on paraku üsna tihti lühikesed, samas aga on olnud palju endale huvitavaid teemasid, mida lahendada. Õnneks on üldine suhtumine teadusse Eestis positiivne, sest teadusest ja teadlastest teatakse uuemal aja üha enam, teadusel on elu korraldamisel laiemalt märgatav mõju. Ja neid, kes sellise teadustööga tegelda sooviks, ikka leidub. Vähem küll, kui sooviksime, aga siiski piisavalt,” märkis Jõgi. „Küll aga pakub IT-sektor teistele valdkondadele tugevat konkurentsi, nii liigub palju noori sinna. Palju meie lõpetajaid jääb siiski valitud erialale truuks. On üsna palju neid, kes on läinud välismaa teaduskeskustesse end täiendama ja hiljem naasnud. Mõne aasta tagune lõpetajate küsitlus näitas, et ka need, kes on läinud ettevõtlusse, on end tõestanud – näiteks keskastme juhina – juhina, kes teab, kuidas asju teha, ja kui vaja, teab, kuidas informatsiooni juurde otsida, analüüsida ning meilt saadud oskusi rakendada.” 

Jõgi on veendunud, et pimeduseaega me ei naase, ehkki mõnedes kõlakodades ja ka teatud osas ajakirjanduses annavad tooni teaduse ignoreerijad, alternatiivsete faktide austajad. „Samas näen ülikoolis noori inimesi, kes tulevad ja tõesti tahavad teadustöö abil maailma muuta. Kuhu see lõpuks jõuab, ma ei julge ennustada. Jah, pandeemiaga seoses on teadlaste häält ühiskonnas rohkem kuulda kui kunagi varem, kas aga piisavalt, ei oska öelda. Aga võib-olla on ka Eesti ühiskond, õigemini osa ühiskonnast, jõudnud nii kaugele, et tuntaksegi teadlaste teadmiste ja oskuste järele järjest rohkem vajadust.” 

Jõgi kinnitusel on Eesti teadlastel, mida pakkuda ja tagasihoidlikkuseks pole põhjust.

Inimkonna proovikivid

Kas teadus on rohi kõigi inimkonna ees seisvate probleemide lahendamiseks? „Mida rohkem probleeme lahendada, seda enam ilmneb muidugi uusi, võiks filosofeerida. Selge on see, et teadlaste töö ei ole kaugeltki valmis, teaduse tee on lõpmatu. Praegune kõige suurem probleem on, kuidas leida tee süsinikuneutraalsesse ühiskonda, nii et samas kogu elu seisma ei jääks. Siin tuleb meil kõvasti pingutada. Abi võiks olla tuumasünteesi jaamadest. Aga edasi – kvantarvutite rakendamine ja sealt avanevad uued uurimishorisondid. Veel kaugemale vaadates – inimkonna laienemine teistele taevakehadele, et juhuslik komeet meid olematusse ei pühiks. See on üks suund, millele pikemas perspektiivis peaks pühenduma paljud fundamentaaluuringud. Kindlasti on vaja leida lahendusi, et inimesed saaksid elada kauem ja haigusvabalt,” heitis Indrek Jõgi pilgu kaugemasse tulevikku. 

Teadlane kui elukutse

Jõgil endal ei olnud noorena väga selget soovi teadlaseks saada. „Samas, isa on mul tugeva inseneeria-taustaga, nii selgitas ta maailma n-ö füüsika poolt juba mu lapsepõlves. Matemaatikaga olid mul ka head suhted, nii ma Nõo Reaalgümnaasiumisse neid suundi õppima läksingi. Samal suunal jätkasin juba ülikoolis, seal oli loodud mõneks aastaks eriala „füüsikaline infotehnoloogia”, mis haaras arvutialalt nii tarkvara kui ka riistvara. Õppides hakkas mulle füüsika kui eraldiseisev eriala üha enam meeldima, nii vahetasin suunda. Võib-olla polnud otsus õige, kui vaadata, palju IT-alal teenitakse, aga jah, ühel hetkel siis sain aru, et mulle meeldib füüsika rohkem,” meenutas Indrek Jõgi, kel magistrikraad rakendusfüüsika ja doktorikraad optika ning spektroskoopia alal. „Mulle tundus oluline see arusaamine maailmast, füüsikaline maailmapilt, mis püüdleb meid ümbritseva maailma toimimise põhimõtete väljaselgitamise poole! Aga samas – mulle meeldib ka see, kui saab asju oma kätega teha, on põnev katsetada ja vaadata, mis juhtub.”

Praeguse uurimissuuna juurde jõudmine oli võib-olla juhus. „Toona oli aga optika õppejõuks Matti Laan, kelle loeng oli väga hea. Läksin tema juurde magistritööd tegema tollasesse gaaslahenduse, hilisemasse plasmafüüsika laborisse. Samas oli magistritöö hetkevajaduse ajel mõnevõrra teisel teemal: elektroonikarakendustega seotud õhukeste dielektrikukihtide kasvatamine ja elektriliste omaduste uurimine. Sellest sai ka mu doktoritöö, sel teemal käisin järeldoktorantuuris Rootsis Uppsala ülikoolis. See suund jõudis välja päikeseenergeetikasse, Eestisse naastes aga tulid juba plasmaga toimivad õhupuhastid ja lämmastikoksiidid. Neil teemadel tegelesin üsna kaua. Nüüd, hilisemal ajal, olen palju seotud hoopis teadustegevuse juhtimisega, olles ülikooli plasmafüüsika labori juhataja, füüsika instituudi asedirektor ja selle instituudi nõukogu liige.“

Teaduses on suur osa tema viimaste aastate tegevusest olnud seotud tuumasünteesi reaktori, ITER-i ehitamisega EUROfusioni konsortsiumis.

„Kui annaksin nõu noortele – ehkki nõu andmine olevat tänamatu töö – siis võiksin öelda: mida varem teadusehuvi välja selgitada, seda parem. Praegu on meil Tartu Ülikooli füüsika instituudis selline süsteem, et hakatakse värskeid tudengeid juba kohe ka teadlastega kokku viima. Esimesel aastal näidatakse teadlasi nii-öelda kaugelt, aga teisel aastal peab mõne teadlasega ühiselt mingi artikli läbi töötama ja seejärel väikese uurimustöö, n-ö kursusetöö tegema. Sealt edasi tuleb juba diplomitöö, millest edasi jõutaksegi sujuvalt teadustööni,” valgustas Jõgi. „Aga eks me käi ka koolides ja treffneristid käivad meil laboritöid tegemas. Üldiselt peab kurvastusega nentima, et paljudel noortel on tekkinud füüsika ja matemaatika suhtes tõrge, et need on liiga keerukad ained. Sellest hirmust tahaks nad üle aidata ja näidata, et need on tegelikult huvitavad ained. Ma ei soovi, et kõigist noortest saaks teadlased, kuid maailmast arusaamine võiks olla adekvaatne. Paraku näitab ka praegune pandeemia, et näiteks statistilised suurused ja eksponentsiaalsed protsessid on paljudele ikka väga rasked hoomata, sellest tuleb meie ajas palju probleeme.”

Administratiivse töö kõrvalt kipub teadusele vähem aega jääma. „Päris ühekülgseks pole elu muutunud, pereelu kõrval jääb aega ka muuks. Varem käisin Tartu Akadeemilises Meeskooris laulmas. Hiljem harrastasin svingtantsu, see jäi küll koroona ajal kõrvale. Nooruses tegelesin taaskehastumisega, meie ajaperiood oli viikingiaeg. Käisime Poolas Wolini saarel toimunud slaavlaste ja viikingite laagris. Seal oli ligi tuhatkond inimest, endisaegsed hooned, rõivad, kombed. Isegi lahinguid peeti, osa oli lausa viikingilaevadega kohale tulnud,” meenutas Indrek Jõgi. 

* EUROfusioni ajakava https://www.euro-fusion.org/eurofusion/roadmap/

Indrek Jõgi CV

Haridus

1998 – Nõo Reaalgümnaasium

2001 – Tartu Ülikool, diplom füüsikalise infotehnoloogia erialal

2003 – Tartu Ülikool, magistrikraad rakendusfüüsika erialal 

2007 – Tartu Ülikool, doktorikraad optika ja spektroskoopia erialal

Töökohad ja ametid

2006–2008 Tartu Ülikool, füüsika-keemiateaduskond, elektroonika erakorraline assistent

2008–2011 Tartu Ülikool, füüsika instituut, kile- ja plasmatehnoloogia teadur

2009–2010 Uppsala Ülikool, Materjalide keemia osakond, järeldoktorant

2011–2020 Tartu Ülikool, füüsika instituut, plasmatehnoloogia vanemteadur

2021 –… Tartu Ülikool, füüsika instituut, plasmatehnoloogia kaasprofessor

Administratiivtöö

2015 – … Tartu Ülikool, füüsika instituut, plasmafüüsika labori juhataja

2016 – … Tartu Ülikooli füüsika instituudi nõukogu liige

2021 – … Tartu Ülikool, füüsika instituudi asedirektor

2018 – … Eesti esindaja EUROfusion konsortsiumi üldkogus

2021 – … Eesti esindaja Fusionfor Energy juhtkogus

Õppetöö

2004 – 2005 Füüsika praktikum III – optika

2006 – 2007 Füüsika praktikum II – elekter ja magnetism

2006 – 2009 Elektriahelad

2007 – 2014 Analoogelektroonika

2014 – … Elekter ja magnetism

2019 – … Plasmafüüsika ja selle rakendused

Teadustöö põhisuunad:

Õhukeste metall-oksiidikilede elektrilised omadused, termodünaamiliselt mittetasakaalulise plasma omaduste uurimine ja rakendused plasmakeemias, laser-indutseeritud plasma spektroskoopia rakendamine tuumasünteesireaktorite seinte karakteriseerimiseks.