Gwiazdy na Ziemi, czyli o energii przyszłości

2/3 energii elektrycznej, którą produkujemy, pochodzi z elektrowni cieplnych. Do wytworzenia prądu wykorzystuje się tam węgiel, ropę naftową i jej pochodne, lub gaz ziemny. Sęk w tym, że surowce te mogą się w bardzo szybkim tempie wyczerpać. Dlatego też od wielu lat poszukuje się sposobów na wytworzenie energii w bardziej ekologiczny sposób. Jednym z takich sposobów miały być elektrownie jądrowe, lecz jako obiekty ekologiczne zawiodły ze względu na radioaktywne odpady i ryzyko wystąpienia brzemiennych w skutki awarii. Elektrownie wodne, wiatrowe i słoneczne nie sprawiają wprawdzie takich problemów, lecz ich budowa jest niezwykle kosztowna i... wymaga zagospodarowania dużych przestrzeni. Dlatego też naukowcy zaczęli poszukiwać kolejnych źródeł energii, które mogłyby zaspokoić potrzeby całej ludzkości. Tą z nich, która w chwili obecnej wydaje nam się najbardziej bliską do opatentowania, jest energia pochodząca z reakcji termojądrowej. W ostatnich dniach stała się ona nadzwyczaj popularna ze względu na osiągnięcia niemieckich specjalistów.

Zacznijmy jednak od wyjaśnienia, czym jest ta reakcja termojądrowa.  Polega ona - w dużym skrócie - na połączeniu jąder dwóch atomów, prowadzące do powstania innego, cięższego jądra atomowego. Na rysunku poniżej widzimy schemat przykładowej syntezy termojądrowej. U góry mamy dwa atomy wodoru, reprezentujące dwie różne odmiany (izotopy) tego pierwiastka. Jeden z nich ma po jednym ładunku dodatnim (protonie) i neutralnym (neutronie) i nazywany jest deuterem. Drugi to tryt, składający się z jednego protonu i dwóch neutronów. Gdy dojdzie do połączenia obu jąder, powstanie nowe jądro atomowe, w którym - podobnie jak w trycie - znajdą się dwa neutrony. Jednocześnie jednak zaobserwujemy podwójną liczbę protonów. A to będzie oznaczać, że nie będziemy mieć już do czynienia z wodorem, a z helem. Jednocześnie jeden "zbędny" neutron zostanie odrzucony, a przy okazji wytworzona zostanie tak cenna dla nas energia. Sprytne, prawda?

Schemat reakcji termojądrowej. Na szaro zaznaczono neutrony, zaś na pomarańczowo - protony.

Zaprezentowana powyżej reakcja wydaje się być niezwykle prosta do przeprowadzenia. Ale oczywiście to tylko pozory. Zauważcie, że oba jądra atomowe zawierają przynajmniej po jednym protonie o ładunku dodatnim i ani jednym elektronie o ładunku ujemnym. Oznacza to, że oba jądra atomowe mają ładunek dodatni. A - jak wieści jedno z najważniejszych praw fizyki - dwa ładunki o takim samym znaku (ujemnym lub dodatnim) zawsze będą się odpychać od siebie. I bez względu na to, po jakie jądra atomowe byśmy nie sięgnęli i cokolwiek byśmy nie robili, zawsze będą miały one ładunek dodatni. I zawsze będą się od siebie odpychać. No więc jak - do jasnej kolendry - doprowadzić mamy do ich połączenia?!

Schemat obrazujący odpychanie lub przyciąganie się obiektów w zależności od wartości
ładunku elektrycznego.

Metoda jest następująca. Aby jądra atomowe zaczęły się łączyć, muszą osiągnąć zawrotną wprost prędkość, dzięki której siła odpychania się obu obiektów zostanie zniwelowana. A prędkość przemieszczania się atomów rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Wniosek: trzeba je podgrzać. Temperatury umożliwiające syntezę jąder atomowych panują na przykład... na Słońcu! Zresztą gwiazdy, a więc również i Słońce, w ten właśnie sposób wytwarzają energię. To między innymi dzięki takim reakcjom, jak synteza termojądrowa, każdego ranka budzą nas przyjemnie grzejące promienie słoneczne. Aby więc doprowadzić do reakcji termojądrowej trzeba uzyskać temperaturę zbliżoną do tej, jaka panuje w Słońcu, a więc jakieś - bagatela - 15 milionów stopni Celsjusza.

Aktywność słoneczna jest w dużej mierze związana z reakcjami termojądrowymi.

Zaraz. Że co?! Jak my niby mamy doprowadzić cokolwiek do temperatury 15 milionów stopni Celsjusza? Nawet gdyby udało nam się coś do tego stopnia podgrzać, to nie mielibyśmy nawet cienia szansy utrzymania tej całej materii w czymkolwiek, bo nawet najbardziej wytrzymały materiał w ułamku sekundy stopiłby się! Ale i na to udało nam się znaleźć rozwiązanie. Bo po co mamy utrzymywać rozgrzaną plazmę w jakieś formie, naczyniu, czy zbiorniku, skoro możemy sięgnąć po coś znacznie bardziej irracjonalnego? Możemy przecież "uwięzić" plazmę w polu magnetycznym, na które nawet najwyższe temperatury nie będą mieć wielkiego wpływu!

I tą technologię właśnie wykorzystują naukowcy z niemieckiego Instytutu Fizyki Plazmowej im. Maxa Plancka w Greifswaldzie. Skonstruowali oni urządzenie nazwane stellaratorem, które umożliwia przeprowadzenie reakcji termojądrowej. Oficjalna nazwa maszyny znajdującej się u naszych zachodnich sąsiadów to Wendelstein 7-X, a przy jego budowie - jak już wielokrotnie podkreślały liczne portale - zaangażowaniem wykazały się liczne polskie firmy. Poniższe zdjęcia przedstawiają samo urządzenie, zaś schematy obrazują sposób jego funkcjonowania.

Wendelstein 7-X z zewnątrz...

... i od środka.

Schemat działania Wendelsteina 7-X. Na źółto oznaczono plazmę.

3 lutego 2016 poczyniono pierwszy krok na drodze urzeczywistnienia marzeń o pozyskiwaniu energii z syntezy termojądrowej. Wendelstein 7-X został po raz pierwszy uruchomiony. Na ćwierć sekundy udało się rozgrzać niewielką ilość plazmy do temperatury zawrotnych 80 milionów stopni Celsjusza. W planach na najbliższe lata jest uruchomienie maszyny na pół godziny. Zaznaczyć jednak należy, że Wendelstein 7-X nie jest w stanie naprodukować zbyt dużych ilości energii, a jego głównym przeznaczeniem są cele naukowe i rozwój technologii w tej dziedzinie. Dopiero badania przeprowadzone na tego typu modelach pozwolą na opracowanie technik znacznie bardziej efektywnych.

Cały świat czeka na urzeczywistnienie marzeń naukowców z Greifswaldu, jak również innych ośrodków badawczych na całym świecie. A jaki jest Wasz stosunek do prowadzonych badań? Czy uważacie, że korzystanie z energii termojądrowej będzie kiedykolwiek możliwe? :)

Zobacz też:
1.  Czy objawi nam się planeta numer 9?
2. Chrząszcz imieniem Chewbacca
3. Co jest nie tak z atmosferą, czyli o wahaniach temperatury