Branduoliai, kvantai ir žvaigždžių ugnis Žemėje
Valdas Jonauskas
Energetinis saugumas – viena aktualiausių XXI amžiaus problemų. Naftos ir dujų kainos, geopolitiniai konfliktai ir vis didėjantis susirūpinimas klimato kaita skatina ieškoti alternatyvių energijos šaltinių. Atrodo, kad atsakymą galima rasti danguje. Saulė ir žvaigždės jau milijardus metų šviečia, skleisdamos milžinišką kiekį energijos. Bet kas vyksta jų viduje?
Sukurti Saulę Žemėje
Atsakymas slypi termobranduolinėje sintezėje – procese, kurio metu lengvųjų atomų branduoliai susilieja į sunkesnius, išskirdami energiją. Žvaigždžių šerdyse, veikiant milžiniškai temperatūrai ir gravitacijai vandenilio branduoliai jungiasi į helio atomus. Ši reakcija – viena efektyviausių Visatoje. Mokslininkai ypač domisi vandenilio izotopų – deuterio (D) ir tričio (T) – sinteze, nes būtent ši reakcija sukuria daugiausia energijos esant palyginti „žemai“ temperatūrai.
Norint sukurti sąlygas branduolių sintezei Žemėje, reikia įveikti atostūmio jėgas, atsirandančias sąveikaujant teigiamiems branduoliams. Branduoliai turi priartėti vienas prie kito tiek, kad elektrinė stūmos jėga būtų įveikta branduolių traukos jėga – stipriąja sąveika. Žvaigždėse gravitacija suartina daleles, didina dalelių greitį ir taip sukuria palankias sąlygas sintezei. Žemėje branduolių sintezę galima pasiekti, naudojant aukštą temperatūrą ir sudėtingus plazmos valdymo metodus. Todėl itin svarbu išmanyti, kaip juda elektronai magnetiniuose laukuose, kaip išlaikyti plazmą reaktoriaus viduje.
Plazma – tai ketvirtoji materijos būsena, kurioje atomai būna jonizuoti, t. y. netekę elektronų. Tokia aplinka ir didelis dalelių greitis sukuria palankias sąlygas branduoliams susidurti. Plazmoje svarbu išlaikyti aukštą temperatūrą, tačiau plazmos dalelių spinduliavimas gali ją atvėsinti, neleisdamas branduolių sintezės reakcijai net prasidėti. Mokslininkai intensyviai tiria, kaip sumažinti branduolinės sintezės reaktorių spinduliuotės nuostolius.
Kaip valdyti karštą plazmą
Plazmos valdymui naudojamos įvairios technologijos. Viena jų – tokomakas: toroidinės formos įrenginys, kuriama plazma sulaikoma galingu magnetiniu lauku. Kita – stelatorius, kuriame naudojama sudėtinga magnetų sistema plazmai išlaikyti. Taip pat tiriama inercinė sintezė – kai mažytis kuro rutuliukas suspaudžiamas galingais lazerių spinduliais, pasiekiant šimtų milijonų laipsnių temperatūrą.
Galime paklausti: o iš kur imti tiek vandenilio? Atsakymas paprastas – iš vandens, kurio Žemėje netrūksta. Kadangi vandens molekulę sudaro du vandenilio atomai ir vienas deguonies, žmonija iš esmės turi beveik neišsemiamą kuro šaltinį. Svajonė apie „žvaigždę butelyje“ nėra tik fantastika. Tokie projektai kaip ITER (Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius), statomas Prancūzijos pietuose, vienija Europos Sąjungą, JAV, Kiniją, Japoniją, Indiją, Pietų Korėją ir kitas šalis. Mokslininkai bando sukurti reaktorių, kuris atkurtų žvaigždžių sąlygas Žemėje – itin karštą plazmą (apie 150 mln. °C), išlaikomą stipriu magnetiniu lauku.
Didelę pažangą pasiekė su JET (Jungtinis Europos toras) reaktoriumi Didžiojoje Britanijoje dirbantys mokslininkai. 2021 m. jame pavyko išgauti 59 megadžaulius energijos per vos penkias sekundes – tai reiškia, kad žmonija jau sugebėjo sukurti mažytę žvaigždę Žemėje. Ir tai buvo padaryta remiantis kvantinės fizikos principais!
Žengiant į ateitį kvantinė sintezė tampa ne tik fizikos laimėjimu, bet ir viltimi žmonijai. Galbūt jau netolimoje ateityje energiją gaminsime ne iš iškastinio kuro, o iš žvaigždžių ugnies. Sukurtos čia pat, Žemėje.
Daugiau apie tai sužinosite Mokslo festivalyje “Erdvėlaivis Žemė”, apsilankę dr. Vaido Jonausko paskaitoje “Branduoliai, kvantai ir žvaigždžių ugnis Žemėje”, kuri vyks rugsėjo 15 d. 12 val. Nacionaliniame fizinių ir technologijos mokslų centre (NFTMC), B435 auditorijoje (Saulėtekio al. 3, Vilnius; registracija būtina).
Nuotrauka iš Pexels.com
Komentarai