Marcin JAKUBOWSKI: "Ujarzmić gwiazdy"

TSF Jazz Radio

Ujarzmić gwiazdy

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

Fritz Houtermans, niemiecki fizyk, dzień po tym, gdy odkrył, że to reakcja termojądrowa zasila gwiazdy oglądał wraz ze swoją ówczesną partnerką rozgwieżdżone niebo.
– Czyż te gwiazdy nie świecą przepięknie? – zagaiła rozmowę.
– Tak – odparł Fritz – a ja jestem jedyną osobą na świecie, która wie dlaczego.

Dziś, po 80 latach od odkrycia Houtermansa, są na świecie fizycy, którzy nie tylko wiedzą jak działają gwiazdy, ale także starają się je ujarzmić w swoich laboratoriach. Mam szczęście być jednym z nim.Ale zacznijmy jednak od początku.

Synteza termojądrowa, najpotężniejsza z reakcji, którą udało się odkryć fizykom, sprawia, że Słońce i wszystkie inne gwiazdy świecą wypromieniowując ogromne ilości energii. Wewnątrz gwiazd panują niewyobrażalne dla nas warunki. Cząsteczki, ściśnięte grawitacją i rozgrzane do temperatury kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu milionów stopni zderzając się ze sobą wchodzą w reakcje termojądrowe. W efekcie powstają nowe pierwiastki i energia. To właśnie tę reakcję opisuje najpowszejchniej znane równanie fizyki. Związek między masą i energią, który wymyślił Albert Einstein:

E = mc2

W przeciwieństwie do reakcji chemicznych, w reakcjach termojądrowych to jądra atomowe łączą się tworząc nowe pierwiastki. Żeby zmusić je do tego, trzeba nadać im ogromne energie, tak by mogły zbliżyć się do siebie. Możemy to zrobić np. rozgrzewając je do temperatury kilkudziesięciu milionów stopni.

W przeciwieństwie do reakcji chemicznych, w reakcjach termojądrowych to jądra atomowe łączą się tworząc nowe pierwiastki. Żeby zmusić je do tego, trzeba nadać im ogromne energie, tak by mogły zbliżyć się do siebie. Możemy to zrobić np. rozgrzewając je do temperatury kilkudziesięciu milionów stopni.

Słońce w każdej sekundzie wytwarza energię równoważną bilionom bomb atomowych!

Równanie to możemy przeczytać tak: energia wydziela się, bo utworzona cząsteczka ma trochę mniejszą masę, niż cząsteczki które ją utworzyły.

W Słońcu z każdego 1000 gramów wodoru powstają 973 gramy helu, co sprawia, że nasza gwiazda w każdej sekundzie wytwarza energię równoważną bilionom bomb atomowych!

Do Ziemi z tego dociera raptem ułamek procenta, ale już ten ułamek procenta wystarczył, by powstało tu życie w niezliczonej liczbie form. Powstało życie, które w przeróżny sposób czerpie niezbędną do życia energię ze Słońca. Fotosynteza, paliwa kopalne, a nawet elektrownie wiatrowe to de facto przetworzona na różne sposoby energia słoneczna.

Czy nie było prościej, gdybyśmy sami mogli sobie stworzyć sobie taką gwiazdę na Ziemi?

Tak się dzieje. W kilkunastu laboratoriach rozsianych po całym świecie, od Japonii, poprzez Chiny, Rosję, Indie, Europę aż po Stany Zjednoczone, naukowcy starają się ujarzmić syntezę termojądrową.

W gwieździe, to siły grawitacyjne ściskają ją na tyle mocno, że może zajść reakcja termojądrowa. Materia tworzy wtedy czwarty stan skupienia – plazmę – gdzie naładowane elektrycznie cząstki wytwarzają pola elektromagnetyczne. My, tu na Ziemi, nie bylibyśmy w stanie tego zrobić, dlatego radzimy sobie trochę inaczej.

Budujemy potężne magnesy, które wytwarzają pola magnetyczne tysiące razy potężniejsze od ziemskiego i dzięki niemu ujarzmiamy cząsteczki tworząc w ten sposób plazmę. Nagrzewając ją do temperatury 100 milionów stopni jesteśmy w stanie sprawić, że zachodzi reakcja syntezy termojądrowej. Izotopy wodoru: deuter i tryt zderzają się ze sobą wytwarzają tyle energii, że 250 kg paliwa termojądrowego odpowiada 3 milionom ton węgla.

Nie ma przy tym hałd węgla, odpadów radioaktywnych, ani emisji gazów cieplarnianych. Mało tego, deuter występuje w olbrzymich ilościach w wodzie oceanicznej, a tryt możemy uzyskać z litu, który występuje powszechnie w skałach. Dwie butelki wody i trzy średniej wielkości kamienie zawierają wystarczającą ilość deuteru i trytu by zasilić jedno domostwo przez cały rok. Dlaczego więc to jeszcze nie działa?!

250 kg paliwa termojądrowego odpowiada 3 milionom ton węgla

Plazma w tokamaku ASDEX Upgrade. Zdjęcie: Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik

Plazma w tokamaku ASDEX Upgrade. Zdjęcie: Max-Planck-Institut fuer Plasmaphysik

Przyczyn jest kilka, choć wydaje się, że uda nam się rozwiązać je w przeciągu najbliższych 20-30 lat. Eksperymenty, które działały do tej pory potrafiły wytworzyć wyładowania trwające raptem kilkadziesiąt sekund, elektrownia termojądrowa musi działać w sposób ciągły. W przeciwieństwie do elektrowni atomowych, w reaktorach termojądrowych nie zachodzi tzw. reakcja łańcuchowa, całość jest na tyle delikatna, że trzeba dużego wysiłku i dużej wiedzy, by utrzymać cały proces. Wyładowanie trzeba odizolować od otoczenia, zamknąć szczelnie w komorze. Jak jednak sprawić, by plazma rozgrzana do 100 milionów stopni, nie zniszczyła ścian komory? Odpowiedzą na te pytania reaktory następnej generacji.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, ale też łac. droga), powstający na południu Francji eksperyment kosztujący 15 miliardów Euro jest przedsięwzięciem naprawdę międzynarodowym. W jego konstrukcji uczestniczą Unia Europejska, Chiny, Rosja, Japonia, Indie, Korea Południowa i Stany Zjednoczone. ITER będzie pierwszym eksperymentem, który wytworzy z syntezy termojądrowej więcej energii niż się w niego włoży. Pozwoli nam to zbadać, jak zachowuje się plazma, która sama sobie dostarcza całej energii potrzebnej na jej utrzymanie. Pierwszy raz w historii na Ziemi powstaną warunki analogiczne do tych jakie panują w gwiazdach.

ITER będzie pierwszym reaktorem termojądrowym, w którym uzyskamy pozytywny bilans energetyczny. Ogromna, ważąca 18 tys. ton konstrukcja powstaje na południu Francji jako wynik współpracy fizyków i inżynierów z całego świata.

ITER będzie pierwszym reaktorem termojądrowym, w którym uzyskamy pozytywny bilans energetyczny. Ogromna, ważąca 18 tys. ton konstrukcja powstaje na południu Francji jako wynik współpracy fizyków i inżynierów z całego świata.

Już w 2015 roku, 70 km od Świnoujścia, zacznie działać też Wendelstein 7-X, eksperyment na nie tak dużą skalę jak ITER, ale równie ważny. W Greifswaldzie, powstaną plazmy, w których w sposób ciągły będą panowały warunki sprzyjające reakcji termojądrowej. Wyładowania trwające przez 30 minut z temperaturami w centrum sięgającymi do 100 milionów stopni, pozwolą nam nauczyć się, jak radzić sobie z działającą w przyszłości elektrownią termojądrową.

Wendelstein 7-X to pierwszy tak potężny eksperyment, który nie będzie potrzebował prądu płynącego poprzez plazmę, całe pole magnetyczne powstanie w pogiętych w surrealistyczne kształty i zanurzonych w ciekłym helu przewodnikach z prądem.

Technologiczna ekstrawagancja i inżynieryjne wyzwanie na miarę XXI wieku, jak przejść na odcinku 2 metrów od temperatury 100 milionów stopni Celsjusza do prawie absolutnego zera, bo w takiej temperaturze hel występuje w stanie ciekłym. Jedno z wielu wyzwań technologicznych, które udało się rozwiązać w Greifswaldzie. To ważne, właśnie dlatego, że potrzebowaliśmy wzbudzać prąd w plazmie wyładowania trwały krócej niż minuta, w Wendelstein 7-X wyładowania z pełną mocą będą mogły trwać do pół godziny.

Wnętrze komory stellaratora (stella - łac. gwiazda) Wendelstein 7-X. Zdjęcie: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik.

Wnętrze komory stellaratora (stella – łac. gwiazda) Wendelstein 7-X. Zdjęcie: Max-Planck-Institut für Plasmaphysik.

Odpowiedzi, których udzielą eksperymenty ITER w Cadarache i Wendelstein 7-X w Greifswaldzie pozwolą, prawdopodobnie już za 30 lat, zbudować pierwszą, prototypową elektrownię termojądrową i zacząć nową erę ludzkości, która nie będzie musiała walczyć o ropę i gaz, paliwa starczy nam na miliony lat.

I cóż, może wtedy naukowiec, który dziś jeszcze raczkuje po dywanie, odpowie na pytanie o pięknie świecące gwiazdy:

– Ja dzisiaj ujarzmiłem jedną na Ziemi.

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