Paliwo Wszechświata – Świat nauki i techniki

Energia jest obecnie uniwersalnym pieniądzem świata. Ten, kto ma energię, może mieć wszystko. Od lat jesteśmy jednak straszeni, że jeszcze tylko kilkanaście, a może kilka lat, i cała gospodarka załamie się z braku paliwa dla transportu, do ogrzewania, do produkcji. Pamiętam, że świat miał już zatrzymać się i zamarznąć kilka razy w ciągu mojego życia.

Kolejne kryzysy paliwowe na Ziemi nic nie znaczą w skali Wszechświata. Astrofizycy szacują, że Wszechświat istnieje od kilkunastu miliardów lat, trzy razy dłużej niż nasza Ziemia i kilkadziesiąt tysięcy razy dłużej niż gatunek ludzki. Przez ten okres nic nie wskazywało, aby energia wydzielana we wszystkich jego zakątkach miałaby się wkrótce wyczerpać. Słońce świecące od 5 miliardów lat jest w połowie swojego aktywnego życia, a jak długo będzie żył Wszechświat, trudno nawet oszacować.

Przez długi czas, w zasadzie do początku XX wieku, fizycy nie wiedzieli, co podgrzewa gwiazdy. Wysoką temperaturę próbowano tłumaczyć grawitacyjnym ściskaniem gazu. Energia ta byłaby jednak zbyt mała, aby zasilać Ziemię przez czas rozwoju życia, który naukowcy szacują na kilkaset milionów a nawet kilka miliardów lat. Dopiero odkrycia fizyki jądrowej wskazały na źródło tego praktycznie wiecznego strumienia energii dopływającej na Ziemię.
Przez wieki fizycy uznawali, że świat zbudowany jest z materii. Do dzisiaj nie wiemy jednak, co jest tą materią. Udowodniono i dokładnie sprawdzono, że materia może zanikać i zamieniać się na energię. Również odwrotnie, energia może kreować materię, co widać w doświadczeniach pokazywanych studentom fizyki („narodziny” elektronu i pozytonu).

Fizycy sklasyfikowali już ponad 200 typów „cząstek elementarnych” materii. Jest ich tyle, że wątpliwe jest używanie tu pojęcia „elementarne”. Na ilustracjach przedstawia się te cząstki, jako mniejsze lub większe kolorowe kuleczki. Trudno jednak sobie je wyobrazić, widząc w doświadczeniu, jak jeden elektron może poruszać się jednocześnie dwoma różnymi drogami, przechodzić równocześnie przez dwa sąsiednie otwory i potem znowu zachowywać się jak jedna cząstka. Niektórzy fizycy próbują przedstawić cząstki materii, jako swoiste węzły pustej przestrzeni wiążące w sobie energię.

Te obłoczki – węzły energii – mają różne właściwości. Niektóre po zderzeniu wybuchają, inne zlepiają się, jeszcze inne odpychają się ogromnymi (jak na ich wielkość) siłami. Jeszcze sto lat temu, fizycy nie wyobrażali sobie, że cząstka materialna może zaniknąć lub przeobrazić się. Dopiero słynny wzór Einsteina E=mc2 wyprowadzony na drodze czysto teoretycznych przekształceń matematycznych, uświadomił że w tym, co uznawane było za niezniszczalną materię, tkwi ogromna energia.

Znowu zainteresowano się Słońcem. Odkryto na podstawie badań światła słonecznego, że Słońce zbudowane jest głównie z dwóch gazów: wodoru (ok.85%) i helu (ok.15%). Hel nie był wtedy znany na Ziemi, mimo, że przewidziano dla niego miejsce w tablicy pierwiastków (po odkryciu nazwano go Helium – gaz słoneczny).

Hel wyizolowano później na Ziemi ze złóż roponośnych (napełniamy nim fruwające balony). Po dokładnym zbadaniu właściwości helu, okazało się, że jego jądro można zlepić, pokonując ogromne odpychanie elektryczne, z dwóch jąder ciężkiego wodoru (deuteru) albo z dwóch protonów i dwóch neutronów. Ale masa jądra helu jest o niecały procent mniejsza od sumy mas składników.
Ten ubytek masy został w procesie zlepiania zamieniony na energię. O tym jak potężną energię, mógł przekonać się świat 30 października 1961 roku, gdy Rosjanie zdetonowali nad Arktyką bombę wodorową 2 metry grubą i 8 metrów długą, ale 4 tysiące razy silniejszą niż bomba zrzucona na Hiroszimę.
Zlepianie protonów i neutronów lub lekkich jąder (synteza termojądrowa) może następować, gdy doprowadzi się do ich zderzeń z ogromnymi prędkościami. Do tego potrzebna jest temperatura rzędu stu milionów stopni i wielkie ciśnienie. Konstruktorzy bomb wodorowych inicjowali syntezę termojądrową wybuchem bomby uranowej.

Podczas narodzin Słońca, ściskanie grawitacyjne kosmicznego obłoku wodoru spowodowało podwyższenie temperatury do około 10 milionów stopni. Jest to o wiele za mało, aby nastąpiła spontaniczna reakcja termojądrowa. Istnieją jednak w naturze tak zwane efekty tunelowe. Jeżeli nie można pokonać jakiejś bariery, można się pod nią podkopać. W tej masie ściśniętego gazu, co pewien czas następuje zlepianie jąder i wydzielanie energii. Nie jest jej dużo – szacuje się, że tona słonecznego gazu wydziela moc 4 waty, moc zaledwie wystarczającą do zasilania latarki.

Wydostanie się tej energii na powierzchnię nie jest szybkie, trwa to miliony lat. Wnętrze gwiazdy rozgrzewa się i reakcje termojądrowe się przyspieszają. Przy podwyższeniu temperatury, gwiazda rozdyma się a wnętrze jego nieco ostyga. Reakcje się spowalniają i znowu następuje kurczenie. Niektóre gwiazdy – tak zwane zmienne – są ciągle niespokojne. Raz świecą jasno a po kilku tygodniach ledwo są dostrzegalne. Słońce też ma okresy burzliwe i spokojne, lecz dostrzegają to tylko astronomowie swoimi dokładnymi przyrządami. Na szczęście Słońce dość dobrze reguluje swoją wielkość i jasność.

Cztery waty energii z każdej tony to zadziwiająco mało, gdzie tu do bomb termojądrowych. Ale Słońce ma tych ton przeogromnie dużo – do dwójki trzeba dopisać 27 zer. W rezultacie zamiany wodoru na hel, Słońce traci w każdej sekundzie około 5 milionów ton swojej wagi. Mimo tego, Słońce świeci już 5 miliardów lat i będzie świeciło następne 5 miliardów.

Gwiazdy są nie tylko ogromnymi piecami. Są również kuźnią tego materiału, z którego zlepiają się następne gwiazdy i planety, fabryką tej ponad setki pierwiastków tworzących później nieprzeliczoną ilość związków chemicznych na ostygłych obiektach Kosmosu. Fizycy obliczyli teoretycznie, potwierdzili w laboratoriach i zaobserwowali w gwiazdach jak zlepiają się jądra innych pierwiastków, takich jak hel, węgiel, tlen, azot, aż do żelaza. Przy ich zlepianiu też wydziela się energia.

Procesy wydzielania energii w gwiazdach trwają miliardy lat, ale nic nie trwa wiecznie. Wcześniej lub później większość wodoru, który łącząc się wydzielał najwięcej energii, już się zużyje i w gwieździe zaczną dominować cięższe jądra pierwiastków. Dalsza ewolucja gwiazdy zależy od jej wielkości. Astronomowie skatalogowali miliony gwiazd w różnych etapach ich życia.

Lżejsze gwiazdy, takie jak nasze Słońce, pod koniec życia rozdymają się do takich rozmiarów, że pochłaniają swoje planety i świecą czerwonym żarem – później kurczą się do wymiarów porównywalnych z naszą Ziemią i stygną przez następnych kilka miliardów lat.

Bardziej masywne gwiazdy kończą swój żywot dramatycznie. Siły grawitacyjne ściskają ich materię coraz szybciej i w ciągu minut gwiazda zapada się produkując wiele ciężkich pierwiastków w większości radioaktywnych. Następuje przepotężna eksplozja nazywana Supernową i rozrzucenie materii gwiazdy w obłok nazywany przez astronomów mgławicą. Wybuchy takie obserwowane były w naszej Galaktyce co kilkaset lat, ostatnie dwa w XVI wieku.

Środkowe części gwiazd zostają ściśnięta tak potężnie, że łyżeczka ich materii waży tony. Są to gwiazdy neutronowe, które wśród innych gwiazd są tak małymi punktami, że mogą je dostrzec tylko najsilniejsze teleskopy. Obracając się, wysyłają silne i regularne sygnały radiowe, które dawniej uważano za sygnały dalekich cywilizacji.

Jeszcze masywniejsze gwiazdy zapadają się w nicość. Jest to tak dziwny proces, że najznakomitsi astrofizycy nie mogli w to uwierzyć. Materia znika w „czarnej dziurze”, która ściąga wszystko z otoczenia, nawet własne promienie świetlne zawracają do jej przepastnego worka. Tylko zakrzywione siłą grawitacji promienie innych gwiazd i wzbudzane w otoczeniu promienie rentgenowskie świadczą, że w tej czarnej pustce jest jakieś monstrum.
Rozszyfrowanie energii gwiazd wzbudziło nadzieje fizyków, że takie miniaturowe słońca można rozpalić na Ziemi pod kotłami elektrowni. Od połowy XX wieku prognozowano, że jeszcze 20 – 30 lat i będziemy mieli powszechny dostęp do czystej i taniej energii. Obecnie naukowcy znowu twierdzą, że za 30 lat spełnią nadzieję świata.

Problem opanowania energii gwiazd okazał się jednak trudniejszy niż myślano. Dzisiaj, 50 lat po wybuchach pierwszych bomb wodorowych nadal na Ziemi nie pracuje żaden wydajny „gwiezdny piec”. Niby teoretycznie wiadomo, jak taki „piec” można skonstruować, ale ciągle są obawy i niewiadome. Temperatura taka jak panuje we wnętrzu gwiazd jest zbyt mała, proces przebiegałby zbyt wolno. Trzeba będzie uzyskać i da się to osiągnąć, temperaturę dziesięć razy wyższą, około sto milionów stopni. Znaleziono również bardziej wydajny i łatwiejszy do kontroli proces syntezy termojądrowej izotopów wodoru (deuteru i trytu).

Niedawno rozpoczęła pracę organizacja ITER, w której skład wchodzi Unia Europejska, Rosja, Chiny, Indie, Japonia, Korea i USA. Zadaniem tego międzynarodowego zespołu jest zbudowanie Międzynarodowego (International) Termonuklearnego Eksperymentalnego Reaktora na południu Francji. Pierwsze dziesięć lat to budowa ośrodka naukowego z salami konferencyjnymi, laboratoriami i oczywiście centralnym budynkiem mieszczącym reaktor. Następne dwadzieścia lat to doświadczenia, obserwacje i modyfikacje konstrukcji. Budżet tego przedsięwzięcia jest przewidywany na ok. 15 miliardów dolarów i jak to zwykle bywa, będzie na pewno uzupełniany.
Teoretyczne obliczenia wskazują, że reaktor będzie miał dodatni bilans energetyczny, to znaczy będzie można z niego uzyskać kilkakrotnie więcej energii niż zużywać się będzie na jego prace. Dotychczasowe reaktory budowane w mniejszej skali nie odzyskiwały nawet zużywanej energii. Sceptycy przestrzegają jednak przed silnym, niszczącym promieniowaniem neutronowym towarzyszącym fuzji nuklearnej. Promieniowanie to może doprowadzić do nieprzewidzianych awarii elementów reaktora i tworzyć trudne do usunięcia izotopy promieniotwórcze.

Przewidywana moc tego eksperymentalnego reaktora to 500MW, tyle co niewielka tradycyjna elektrownia. Ciepło nie będzie jednak wykorzystywane do produkcji elektryczności, lecz, aby nie zakłócać doświadczeń, będzie rozpraszane w otoczeniu. ITER oznacza w języku greckim drogę, ale widać, że do opanowania energii gwiazd bardzo długa to droga, o ile doprowadzi do celu.
Organizm człowieka zbudowany jest z szeroko dostępnych elementów, ale do podtrzymywania życia musi zużywać energię. Energię tę dostarczają reakcje chemiczne nazywane przemianą materii, niemające nic wspólnego z omawianymi tu reakcjami jądrowymi. W pożywieniu przyjmujemy dziennie ok. 2500 Kalorii (ściślej kilokalorii). Rocznie ok. 100 tysięcy kilokalorii, w ciągu życia 7-8 milionów kilokalorii. Przeliczając na elektryczne jednostki energii to ok. 25 milionów watosekund, czyli 7 tysięcy kilowatogodzin. Gdyby człowiek mógł się „żywić” prądem, to po obecnych cenach elektryczności „żywność” całego życia kosztowałaby kilkaset dolarów.

Gdyby jednak człowiek potrafił, tak jak gwiazdy, zamieniać materię na energię, to w ciągu całego życia zużyłby tylko kroplę wody. W ciągu naszego życia to chyba nieziszczalne marzenia.
(ami)