Marcin JAKUBOWSKI: "Rok niezwykłych odkryć"

TSF Jazz Radio

Rok niezwykłych odkryć

Marcin JAKUBOWSKI

Fizyk w Instytucie Fizyki Maxa Plancka w Greifswaldzie zamujący się badaniami nad syntezą termojądrową. Ukończył studia na Wydziale Matematyki, Fizyki i Informatyki Uniwersytetu Opolskiego, doktoryzował na Uniwersytecie w Bochum prowadząc jednocześnie badania w Forschungszentrum Jülich. Pracował w kilku największych ośrodkach zajmujących się badaniami nad syntezą termojądrową, m.in. w General Atomics w San Diego i National Institute for Fusion Science w Japonii, gdzie wielokrotnie był profesorem wizytującym. Na Twitterze zainicjował stream #PięknoNauki.

Ryc.: Fabien Clairefond

zobacz inne teksty autora

.Miniony rok w świecie nauki obfitował w wiele interesujących wydarzeń. Ich przegląd na portalu wszystkoconajwazniejsze.pl przedstawili już Sylwia Borska (bioinżynieria medyczna) [LINK] i Bartosz Kabała (medycyna) [LINK]. Pragnę zaprezentować szczególnie istotne i ekscytujące moim zdaniem ubiegłoroczne dokonania z dziedziny fizyki, astronomii i antropologii.

Niebieskie niebo nad Plutonem

.Jednym z najważniejszych wydarzeń mijającego roku był przelot sondy New Horizons (Nowe Horyzonty) nad Plutonem — planetą karłowatą oddaloną od Ziemi o miliardy kilometrów. W styczniu 2006 roku, gdy rozpoczynała się misja, Pluton był jeszcze planetą, jedyną odkrytą przez amerykańskiego astronoma. Krótko po starcie sondy, gdy odkryto w Układzie Słonecznym ciała niebieskie zbliżone wielkością do Plutona, Międzynarodowa Unia Astronomiczna zdegradowała jego status do planety karłowatej. Amerykańska sonda potrzebowała 9 lat, by pokonać dystans pomiędzy Ziemią a Plutonem i w ciągu krótkiego przelotu nad jego powierzchnią zebrać jak najwięcej danych. Praca instrumentów podczas największego zbliżenia była tak intensywna, że zawieszono komunikację z bazą misji na Ziemi. Wiele mogło się wydarzyć w czasie tej głuchej ciszy, trwającej 22 długie godziny. Gdy sonda przesłała sygnał oznaczający, że przelot się udał, centrum sterowania misji ogarnęła euforia.

Kilkanaście lat pracy kilkunastu zespołów z całego świata nie poszło na marne. Z instrumentów umieszczonych na pokładzie sondy cały czas docierają niesamowicie intrygujące informacje. Pomimo iż spodziewano się, że powierzchnię Plutona będzie stanowić zimna i martwa skorupa, z danych wyłoniło się fascynująco różnorodne i zmienne ciało niebieskie. Ta od kilku lat „nieplaneta” krążąca na peryferiach Układu Słonecznego jest równie ekscytująca, jak Jowisz lub Wenus. Na jej powierzchni naukowcy znajdują twory jakby żywcem przeniesione z Marsa oraz księżyców Saturna i Neptuna. Na dodatek jest w dalszym ciągu bardzo aktywna geologicznie!

sputnikplanum

Zdjęcie wysokiej rozdzielczości pokazuje jak różnorodna jest powierzchnia Plutona. Zdj. NASA/JHUAPL/SwRI

.Pluton, odkryty w 1930 roku przez amerykańskiego astronoma Clyde’a Tombaugha, jawił nam się przez długie lata jako jasna, niewyraźna plamka w teleskopach. Nawet kosmiczny teleskop Hubble’a nie był w stanie pokazać czegoś więcej niż kolorowe smugi na jego powierzchni. Dzięki kamerom na pokładzie sondy zobaczyliśmy lodowe szczyty górskie wyższe od Tatr, sąsiadujące z majestatycznymi lodowcami z ciekłego azotu. Krajobraz jak z powieści Stanisława Lema, to efekt ciepła wytwarzanego przez pierwiastki promieniotwórcze we wnętrzu planety oraz wahań temperatury podczas ruchu Plutona wokół Słońca. Gdy jego odległość od Słońca jest minimalna — temperatury rosną na tyle, że z gazów sublimujących z jego powierzchni tworzy się cienka atmosfera (notabene — kolor nieba na Plutonie jest również niebieski). Gdy ta odległość się zwiększa, temperatury spadają i gaz zamarza, tworząc na powierzchni niesamowite formacje. Pomimo iż przelot odbył się w sierpniu tego roku, sonda nadal przesyła na Ziemię dane o Plutonie. Przyczyną jest wolna transmisja i ogromna odległość pomiędzy sondą – która obecnie zmierza w kierunku Pasa Kuipera – a naszą planetą. Dane są jednak tak niesamowite, iż amerykańscy naukowcy liczą, że uda im się przywrócić Plutonowi status planety, jednej z ciekawszych w Układzie Słonecznym.

Homo naledi — odkrycie na miarę dekady

.W 2013 roku na Facebooku pojawiło się ogłoszenie „Poszukiwani: sprawni fizycznie, nieustraszeni naukowcy do pracy przy ogromnym odkryciu pod ziemią”. Lee Berger — antropolog z Uniwersytetu Witwatersrand w Republice Południowej Afryki szukał ambitnych ludzi do pracy w ekstremalnie wąskich tunelach jaskini o poetyckiej nazwie Wschodząca Gwiazda. Klaustrofobiczne warunki, które tam panują, wymagały niesłychanego hartu ducha i sprawności fizycznej — w niektórych miejscach trzeba było się przeciskać przez szczeliny o szerokości 25 cm! Na końcu tunelu ekipa złożona z 6 badaczek odkryła ponad 1400 kości i 140 zębów. Po rekonstrukcji okazało się, iż naukowcy znaleźli 15 świetnie zachowanych szkieletów należących do osobników męskich i żeńskich, dorosłych i dzieci. Ich budowa to mieszanina cech małpich (np. kości barku) i ludzkich (ich stopy są praktycznie nie do odróżnienia od naszych). Smukłą posturą, która sprzyjała pieszym wędrówkom, przypominały człowieka niewielkiego wzrostu. Niewątpliwie odkryto nowy gatunek hominida, który nazwany został homo naledi (naledi to określenie gwiazdy w lokalnym narzeczu).

Kości ręki homo naledi. Zdj. John Hawks/University of Wisconsin-Madison

Kości ręki homo naledi. Zdj. John Hawks/University of Wisconsin-Madison

Antropologów bardzo nurtuje pytanie — jak to się stało, że ponad 2 miliony lat temu w jednym miejscu zostało zebranych tylu różnych osobników jednego gatunku?! Jak mówi John Hawks z Uniwersytetu Wisconsin — homo naledi musieli umyślnie składać ciała zmarłych w tej jaskini. Na znalezionych kościach nie ma śladów drapieżników, nie znaleziono też żadnych dowodów nagłej katastrofy, która mogła się tam wydarzyć [1].

Jedyny wniosek, jaki pozostaje naukowcom, jest taki, że te hominidy o mózgu wielkości pomarańczy wytworzyły już rytuały pochówku. Jeśli ta hipoteza się potwierdzi, będzie to przełom w naszym myśleniu o ewolucji człowieka rozumnego. 15 szkieletów homo naledi stanowi bardzo istotny element układanki, która  pomoże nam odpowiedzieć na pytanie zadawane od tysiącleci: skąd się wziął człowiek. Grupa Lee Bergera dokonała w jaskini Wschodząca Gwiazda nie tylko odkrycia roku, ale i dekady!

[1] Introducing Homo naledi [http://www.thenakedscientists.com/HTML/interviews/interview/1001447/]

Wendelstein 7-X

.Ze szczególnej teorii względności, wyprowadzonej przez Alberta Einsteina ponad 100 lat temu, wynika jedna z najbardziej znanych równoważności ze świata fizyki — pomiędzy energią (E) a masą (m) przemnożoną przez prędkość światła do kwadratu (c2):

E = mc2

Z tego niepozornego równania możemy wyprowadzić zasadę działania bomby atomowej, prędkość światła w próżni, czy też zasadę funkcjonowania Słońca. Wewnątrz gwiazd panują niewyobrażalne dla nas warunki. Cząsteczki ściśnięte grawitacją do ogromnych gęstości i rozgrzane do wielomilionowych temperatur zderzają się ze sobą, dzięki czemu wchodzą w reakcje termojądrowe. W przeciwieństwie do reakcji chemicznych — w reakcjach termojądrowych łączą się jądra atomowe, tworząc nowe pierwiastki. W Słońcu z każdego 1000 gramów wodoru powstają 973 gramy helu. Pozostałe 27 gramów przekształconych, zgodnie z równaniem Einsteina, w energię sprawia, że nasza gwiazda w każdej sekundzie wytwarza ilość energii równoważną eksplozji bilionów bomb atomowych!

Pierwsze wyładowanie w stellaratorze Wendelstein 7-X Zdj. Wigner RCP/IPP

Pierwsze wyładowanie w stellaratorze Wendelstein 7-X Zdj. Wigner RCP/IPP

.W Instytucie Maxa Plancka w Greifswaldzie potrzeba było ponad miliona godzin pracy tysięcy ludzi, miliarda euro i ogromnej determinacji, by powstał jeden z najambitniejszych projektów naukowych początków XXI wieku. Uruchomiony w grudniu zeszłego roku stellarator Wendelstein 7-X ma stworzyć warunki idealne dla syntezy termojądrowej. Aby to zrobić, musimy rozgrzać gaz do temperatury 100 milionów stopni; powstaje wtedy czwarty stan skupienia materii — plazma. W takich warunkach izotopy wodoru, tj. deuter i tryt, zderzają się ze sobą i wytwarzają tyle energii, że 250 kg paliwa termojądrowego odpowiada 3 milionom ton węgla — bez hałd, odpadów radioaktywnych i emisji gazów cieplarnianych. Na dodatek paliwo to jest powszechnie dostępne: deuter występuje w olbrzymich ilościach w wodzie oceanicznej, a tryt możemy uzyskać z litu, typowego składnika skał. Dwie butelki wody i trzy niewielkie kamienie zawierają wystarczającą ilość deuteru i litu, która pozwoliłaby zasilać jedno domostwo przez cały rok.

By utrzymać plazmę w komorze reaktora, potrzeba potężnych magnesów wytwarzających pola magnetyczne tysiące razy potężniejsze od ziemskiego. Magnesy wykonane z nadprzewodników muszą być umieszczone w ciekłym helu. Technologiczna ekstrawagancja i inżynieryjne wyzwanie na miarę XXI wieku: jak przejść na odcinku dwóch metrów od temperatury 100 milionów stopni Celsjusza w centrum wyładowania do prawie absolutnego zera, przy którym hel występuje w stanie ciekłym. To jedno z wielu wyzwań technologicznych, któremu udało się sprostać w Greifswaldzie. Naukowcy i inżynierowie z Niemiec, Polski i wielu innych krajów wykonali kolejny, jakże ważny krok w kierunku niewyczerpalnego źródła energii. Pierwsze wyładowanie w stellaratorze Wendelstein 7-X trwało raptem ułamek sekundy — ale był to jeden z ważniejszych ułamków na początku tego stulecia. Już za kilka lat wyładowania trwające 30 minut z temperaturami w centrum sięgającymi 100 milionów stopni pozwolą nam zdobywać wiedzę, dzięki której być może będziemy budować i wykorzystywać elektrownie termojądrowe — dzisiejsze problemy z dostępnością energii będą egzotyką z przeszłości.

.Odkrycia te pokazują, że nauka musi opierać się na benedyktyńskiej cierpliwości i pokorze. Misje kosmiczne, takie jak ta badająca Plutona czy też lądowanie sondy Philae na komecie 67P/C-G, to wyniki kilkunastoletniej pracy wielkich zespołów. Nowy stellarator Wendelstein 7-X uruchomiony w grudniu tego roku w Greifswaldzie to kolejny krok do realizacji marzenia mającego już ponad pół wieku — o niewyczerpalnych zasobach energii. Reaktor termojądrowy próbuje „ukraść” gwiazdom „pomysł” na wytwarzanie energii — badania prowadzą tysiące ludzi skupionych w laboratoriach od Stanów Zjednoczonych po Australię i Chiny.

.Dziś odkryć nie dokonują geniusze odizolowani od świata w wieżach swoich myśli. XXI wiek to czas kolektywnego badania rzeczywistości.

Marcin Jakubowski

Pierwszy raz na Wszystko Co Najważniejsze?

Aby nie ominąć istotnych tekstów, raz w tygodniu w niedzielę rano wysyłamy newsletter. Zapraszamy do zapisania się:

Magazyn idei "Wszystko Co Najważniejsze" oczekuje na Państwa w EMPIKach w całym kraju, w Księgarni Polskiej w Paryżu na Saint-Germain, naprawdę dobrych księgarniach w Polsce i ośrodkach polonijnych, a także w miejscach najważniejszych debat, dyskusji, kongresów i miejscach wykuwania idei.

Aktualne oraz wcześniejsze wydania dostępne są także wysyłkowo.

zamawiam