Fuzja we Wszechświecie

Fuzja we Wszechświecie:
źródło energii Słońca
Tłumaczenie Helena Howaniec
Mark Tiele Westra z European Fusion Development Agreement (EFDA) z Garching,
Niemcy, wyjaśnia procesy wewnątrz Słońca, które są źródłem energii na Ziemi.
Jeszcze sto lat temu nikt nie miał pojęcia, w jaki sposób Słońce wytwarza i wysyła
w przestrzeń kosmiczną ogromne ilości energii. Oczywiście, były różne wyjaśnienia; niektóre
z nich bardzo mądre. Byli tacy naukowcy, którzy uważali, że Słońce to wielka chmura gazu,
zapadająca się pod wpływem własnej grawitacji. Wytwarzające się przy tym tarcie i liczne
zderzenia powodują ogrzewanie się
tego
gazu.
Inni
uważali, Produkcja energii w Słońcu: dwa jądra wodoru łączą się
że Słońce nie miało czasu się w jądro deuteru. W reakcji tej powstaje ponadto pozyton
ochłodzić od momentu powstania. i neutrino. Pozyton szybko znajduje elektron i anihiluje
Oba
powyższe
wyjaśnienia wytwarzając przy tym energię. Jądro deuteru w reakcji
dochodziły do tego samego termojądrowej łączy się z jądrem wodoru, tworząc jądro
wniosku: Słońce nie może mieć helu-3. W ostatnim etapie, fuzja dwóch jąder helu-3
więcej niż kilkadziesiąt milionów
lat. Gdyby było starsze już byłoby produkuje hel-4 oraz dwa jądra wodoru.
zimne.
Jednak Darwin wraz ze swoimi kolegami, analizując erozję skał oraz powolną ewolucję życia na
Ziemi, stwierdzili, że Słońce musi mieć co najmniej kilkaset milionów a może nawet miliardów lat
aby to miało sens.
Wyjaśnienie było możliwe po odkryciu gaz w kosmosie, i zamienia go w hel.
zjawiska radioaktywności oraz przełomowego Nawet wiadomo było, w jaki sposób to robi –
równania Einsteina E=mc2, o równoważności popatrz na ilustrację powyżej.
masy i energii. Brytyjski astronom, Sir Arthur Przebieg tego procesu jest bardzo ciekawy.
Eddington, jako pierwszy przeanalizował nowe Najpierw, jądro wodoru (proton) musi czekać
odkrycia i wysunął śmiałą hipotezę, wewnątrz Słońca średnio pięć miliardów lat
że reakcją odpowiedzialną za wytwarzanie zanim ‘zdecyduje się’ połączyć z drugim
ogromnej ilości energii w Słońcu jest reakcja jądrem wodoru i utworzyć jądro deuteru.
termojądrowa, czyli kreowanie cięższych To jest w zasadzie dobra informacja dla nas:
pierwiastków
poprzez
fuzję
lżejszych. gdyby ta reakcja zachodziła szybciej, to Słońce
W międzyczasie świat naukowy dowiedział się, dawno by już wyczerpało swoje zasoby
że Słońce rzeczywiście spala wodór, najlżejszy
energii i nie byłoby nas teraz na Ziemi. Drugi
etap, w którym produkowane jest jądro helu-3,
z jąder deuteru i wodoru zachodzi średnio po
1.4 sekundy. Końcowy etap, produkcja helu-4
trwa 240 000 lat. Energia otrzymywana
w reakcjach termojądrowych, uwalniana jest
w postaci fotonów czyli światła.
Mamy
więc
fotony
światła, które kiedyś
dosięgną Ziemi; bądźmy
jednak cierpliwi. Fotony
wyruszają
w
swoją
podróż
na
Ziemię
z prędkością światła, lecz
prawie natychmiast natrafiają na elektrony,
które
je
rozpraszają
w
dowolnym,
przypadkowym
kierunku.
Ten
proces
rozpraszania na elektronach powtarza się
wielokrotnie. Foton średnio potrzebuje 20000
lat aby pokonać 695000 km, czyli odległość od
centrum Słońca do jego powierzchni - co
oznacza, że jego prędkość w linii prostej
wynosi 4 metry na 1 godzinę.
Po długiej i chaotycznej podróży wewnątrz
Słońca, foton pokonuje pozostałe 149 mln km,
od powierzchni Słońca do powierzchni Ziemi,
ze swoją zwykłą prędkością (prędkością
światła) i po 8 minutach dociera do Ziemi.
Są to fotony, którym się poszczęściło. Istnieją
w Słońcu fotony, które zostały utworzone
5 miliardów lat temu, lecz poruszając się
w jego wnętrzu jak w labiryncie nie mogą do
tej pory opuścić go.
W procesie fuzji powstają jeszcze inne dziwne
cząstki elementarne: neutrina (ilustracja).
Neutrino prawie w ogóle nie oddziałuje
z materią i dlatego może natychmiast opuścić
Słońce. Słońce wytwarza ogromne ilości
neutrin: w każdej sekundzie 100 miliardów
neutrin pochodzenia słonecznego przechodzi
przez koniuszek twojego palca. Większość
neutrin
przelatuje
przez
Ziemię
bez
najmniejszego
problemu.
Rzeczywiście,
neutrino potrafi przejść przez warstwę ołowiu,
o szerokości 1 roku świetlnego bez napotkania
przeszkody. My wyobrażamy sobie centrum
Słońca jako gorącą lawę, wyrzucającą ogromne
ilości energii cieplnej na zewnątrz. Na nasze
standardy – gęstość 150 razy większa niż woda
(pół litra Słońca waży tyle, co przeciętny
człowiek), temperatura 15 000 000 stopni C –
jest to porażające środowisko. Jednak, jeśli
weźmiemy 1 metr sześcienny materii z centrum
Słońca, to jej moc wynosi zaledwie 30 wat –
ledwie wystarczy na zapalenie 1 żarówki.
To przede wszystkim, ogromne rozmiary
Słońca, decydują o tym, że mamy ciepło na
Ziemi.
W chwili obecnej, Słońce spala 600 mln
ton
wodoru
w
każdej
sekundzie,
przekształcając go w 596 mln ton helu. Gdzie
się podziało brakujące 4 miliony ton? Zostało
całkowicie przekształcone w energię. Stosując
równanie E=mc2 (gdzie E oznacza energię,
m masę i c prędkość światła w próżni),
obliczamy wartość energii odpowiadającej
masie 4 milionów ton. Jest ona równa
100 000 000 000 000 000 000 kwh – czyli
około milion razy więcej niż cały świat zużywa
w ciągu 1 roku. To jest energia uwalniana przez
Słońce w jednej sekundzie. Oto potężna moc
Słońca!
Do tej pory Słońce zużyło już połowę swoich
zasobów wodoru. Spalało wodór przez
5 miliardów lat i będzie jeszcze spalać przez
następne 5 miliardów lat. Co potem? Potem bal
się skończy. Słońce ‘spuchnie’, stanie się
czerwonym
olbrzymem,
powodując
wyparowanie atmosfery i wody na naszej
planecie. Zniknie życie na Ziemi. Lepiej
uciekajmy stąd, zanim to nastąpi. Póki co,
cieszmy się tym co mamy teraz.
Źródła:
Warrick C (2006) Science in School 1: 52-55
www.scienceinschool.org/2006/issue1/fusion - Fusion in the Universe: the power of the Sun
Ilustracje:
Udostępnił Mark Tiele Westra
Wydawca: Krajowy Punkt Kontaktowy EURATOM- IFPiLM, 2008
Publikacja została sfinansowana ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego