Σύντηξη στο Σύμπαν: Η ενέργεια του Ήλιου Understand article

Μετάφραση Γιώργο Κουντουριώτη (George Kountouriotis). O Mark Tiele Westra από την Ευρωπαϊκή Συμφωνία για την Ανάπτυξη της Σύντηξης στο Garchingτης Γερμανίας, φωτίζει την πηγή της…

Ακριβώς πριν από εκατό χρόνια, κανένας δεν είχε ιδέα για το πώς ο Ήλιος καταφέρνει να παράγει αυτά τα τεράστια ποσά ενέργειας που ακτινοβολεί στο διάστημα. Σίγουρα υπήρχαν σκέψεις και ιδέες, πολλές από τις οποίες πολύ έξυπνες. Μερικοί ερευνητές θεωρούσαν ότι ο Ήλιος ήταν ένα τεράστιο σύννεφο αερίου, το οποίο κατέρρεε κάτω από την επίδραση της δικής του βαρύτητας, και η προκαλούμενη τριβή και συγκρούσεις το θέρμαιναν. Άλλοι σκέφτηκαν ότι ο Ήλιος απλά δεν είχε προλάβει να κρυώσει από τότε που δημιουργήθηκε. Αυτές οι ιδέες οδηγούσαν σε ένα κοινό συμπέρασμα: ότι ο Ήλιος δεν μπορούσε να είναι μεγαλύτερος σε ηλικία από δύο δεκάδες εκατομμύρια χρόνια. Αν ήταν γηραιότερος, θα είχε ήδη κρυώσει.

Αλλά τότε εμφανίστηκε ο Δαρβίνος και οι συνάδελφοί του, που μελετούσαν το σχηματισμό και την διάβρωση των βράχων και την αργή πολύ αργή εξέλιξη της ζωής. Για να έχουν νόημα οι θεωρίες τους, χρειαζόταν ο Ήλιος να είναι πολύ γηραιότερος, τουλάχιστον μερικές εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, ίσως και ένα δισεκατομμύριο χρόνια. Η διαμάχη κυριάρχησε.

Χρειάστηκε η ανακάλυψη της ραδιενέργειας και η αποδοχή της απροσδόκητης ιδέας της ισοδυναμίας μάζας και ενέργειας σύμφωνα με τη σχέση E=mc2 του Einstein, για να διαφανεί μια λύση. Ο σερ Arthur Eddington, ένας Βρετανός αστρονόμος, ήταν ο πρώτος ο οποίος ζυγίζοντας όλα τα στοιχεία κατέληξε ότι θα μπορούσε να είναι η πυρηνική σύντηξη, η διαδικασία που δημιουργεί τα βαρύτερα στοιχεία από τη σύντηξη των ελαφρύτερων, υπεύθυνη για την άφθονη παραγωγή ενέργειας του Ήλιου. Εν τω μεταξύ, γνωρίζουμε ότι ο Ήλιος καίει υδρογόνο, το ελαφρύτερο στοιχείο του Σύμπαντος και το μετατρέπει σε ήλιο. Γνωρίζουμε ακόμη και το πώς γίνεται αυτό – δείτε το κάτω σχήμα.

Παραγωγή ενέργειας στον Ήλιο: 2 πυρήνες υδρογόνου συντήκονται για να σχηματίσουν ένα πυρήνα δευτερίου, ένα ποζιτρόνιο και ένα νετρίνο. Το ποζιτρόνιο γρήγορα συναντά ένα ηλεκτρόνιο, εξαϋλώνονται και παραμένει μόνο ενέργεια. Ο πυρήνας του δευτερίου συντήκεται με ένα άλλο πυρήνα υδρογόνου για να σχηματίσει ήλιο-3. Στο τελικό βήμα, δύο πυρήνες ηλίου-3 συντήκονται για να σχηματίσουν ένα πυρήνα ηλίου-4 και δύο πυρήνες υδρογόνου. Κάντε κλικ στην εικόνα για να τη μεγεθύνετε
Η εικόνα δημοσιεύεται με την άδεια του Mark Tiele Westra

Οι λεπτομέρειες αυτής της διαδικασίας είναι πολύ ενδιαφέρουσες. Πρώτον, ένας πυρήνας υδρογόνου (πρωτόνιο) στον Ήλιο πρέπει να περιμένει κατά μέσο όρο πέντε δισεκατομμύρια χρόνια πριν πάρει την απόφαση να συντηχθεί με ένα άλλο πυρήνα υδρογόνου για να σχηματίσουν δευτέριο. Αυτό είναι στην πραγματικότητα καλά νέα για μας γιατί αν συνέβαινε γρηγορότερα, ο Ήλιος θα είχε εξαντλήσει τα καύσιμά του πολύ πριν και δεν θα ήμασταν εδώ. Το δεύτερο βήμα, στο οποίο το ήλιο-3 παράγεται από δευτέριο και υδρογόνο, συμβαίνει κατά μέσο όρο μετά από 1,4 δευτερόλεπτα, και το τελικό βήμα, η παραγωγή του ηλίου-4 χρειάζεται 240000 χρόνια. Η ενέργεια που ελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της σύντηξης μετατρέπεται σε φωτόνια: φως.

Όταν η πρώτη διέγερση περάσει, και τα φωτόνια του φωτός που έχουν παραχθεί μπορούν μια μέρα να φτάσουν στη Γη, χρειάζονται ακόμη κάποια υπομονή. Ένα φωτόνιο ξεκινά το ταξίδι για τη Γη με την ταχύτητα του φωτός, αλλά σχεδόν αμέσως πέφτει πάνω σε ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο σκεδάζει το φωτόνιο σε τυχαία κατεύθυνση, όπως το μπαλάκι στο φλίπερ. Αυτό συμβαίνει ξανά και ξανά. Το μέσο φωτόνιο χρειάζεται περισσότερα από 20000 χρόνια για να κάνει το ταξίδι των 695000 χιλιομέτρων από το κέντρο του Ήλιου μέχρι την επιφάνειά του, το οποίο μεταφράζεται σε μια «παθητική» ταχύτητα 4 μέτρων την ώρα.

Μετά από αυτό το μακρύ και ακανόνιστο ταξίδι, το φωτόνιο καλύπτει τα υπόλοιπα 149 εκατομμύρια χιλιόμετρα μέχρι τη Γη με τη συνηθισμένη ταχύτητα του φωτός και 8 λεπτά αργότερα φτάνει τελικά στον προορισμό του. Και αυτά είναι τα τυχερά φωτόνια: υπάρχουν φωτόνια στον Ήλιο τα οποία έχουν σχηματιστεί πέντε δισεκατομμύρια χρόνια πριν, αλλά ακόμη δεν έχουν βγει έξω. Φανταστείτε το σαν λαβύρινθο…

Στη διαδικασία της σύντηξης, ένα άλλο παράξενο σωματίδιο σχηματίζεται: το νετρίνο (δείτε το σχήμα). Ένα νετρίνο πολύ δύσκολα αλληλεπιδρά με την ύλη, και μπορεί κατά συνέπεια να δραπετεύσει από τον Ήλιο σε μια στιγμή. Τεράστιος αριθμός από νετρίνο σχηματίζονται στον Ήλιο: κάθε δευτερόλεπτο, 100 δισεκατομμύρια ηλιακά νετρίνο περνάνε από το άκρο κάθε δαχτύλου σας! Τα περισσότερα νετρίνο διαπερνούν ολόκληρη τη Γη, χωρίς να επηρεαστούν καθόλου απ’ αυτή. Στην πραγματικότητα, ένα νετρίνο θα διαπερνούσε ένα έτος φωτός από μόλυβδο, χωρίς να σταματήσει!

Όταν μιλάμε για το κέντρο του Ήλιου, φανταζόμαστε κάποιο δυνατό πύρινο κλίβανο, που ελευθερώνει θερμότητα. Με μια πυκνότητα 150 φορές μεγαλύτερη από του νερού (μισό λίτρο από τον Ήλιο ζυγίζει περίπου όσο ένας μέσος άνθρωπος), και μια θερμοκρασία 15 000 000 βαθμών Κελσίου, είναι ένα περιβάλλον τρομακτικό με οποιαδήποτε κριτήρια. Αλλά αν παίρνατε ένα κυβικό μέτρο από το κέντρο του Ήλιου, θα βρίσκατε ότι αυτό παράγει μόνο 30 Watt, μόλις και μετά βίας ισχύς ικανή να ανάψει μια λάμπα. Είναι το πλήρες μέγεθος του Ήλιου που εξασφαλίζει ότι αισθανόμαστε ζεστά στη Γη.

Αυτή τη στιγμή, ο Ήλιος καίει 600 εκατομμύρια τόνους υδρογόνο κάθε δευτερόλεπτο, μετατρέποντάς το σε 596 εκατομμύρια τόνους ηλίου. Που πήγαν τα τέσσερα εκατομμύρια τόνοι που χάθηκαν; Έχουν μετατραπεί πλήρως σε ενέργεια. Εφαρμόζοντας τη σχέση Ε=mc2 (όπου Ε η ενέργεια, m η μάζα και c η ταχύτητα του φωτός), βρίσκουμε ότι 4 εκατομμύρια τόνοι ύλης ισοδυναμούν με το ποσό της ενέργειας των 100 000 000 000 000 000 000 KWh,(κιλοβατωρών) ή περίπου ένα εκατομμύριο φορές το ποσό της ενέργειας που ολόκληρος ο κόσμος χρησιμοποιεί σε ένα χρόνο. Και αυτή η ενέργεια ελευθερώνεται από τον Ήλιο κάθε δευτερόλεπτο. Αυτό είναι ηλιακή ενέργεια!

Μέχρι στιγμής, ο Ήλιος έχει κάψει το μισό από το καύσιμο υδρογόνου που διαθέτει. Καίει εδώ και 5 δισεκατομμύρια χρόνια και θα καίει για άλλο τόσο. Και μετά τι; Μετά το πάρτυ τελειώνει. Ο Ήλιος θα διογκωθεί για να γίνει ένας «ερυθρός γίγαντας», βράζοντας μέχρι να εξατμιστεί την ατμόσφαιρα, όλο το νερό και τη ζωή στον πλανήτη μας. Καλύτερα να φύγουμε πριν από εκείνη τη στιγμή, αλλά ας το ευχαριστηθούμε όσο διαρκεί.

Η ανακάλυψη του στοιχείου ήλιο

Το 17ο αιώνα, οι επιστήμονες μελέτησαν τη σύνθεση του φωτός (το φάσμα) διαχωρίζοντάς το στα συστατικά του χρώματα χρησιμοποιώντας μια λεπτή σχισμή και ένα πρίσμα. Από πειράματα με πυρακτωμένα αέρια, ήταν καλά γνωστό ότι τα στοιχεία όταν θερμανθούν, επιλεκτικά εκπέμπουν συγκεκριμένες συχνότητες (χρώματα) φωτός, που εμφανίζονται ως φωτεινές γραμμές στο φάσμα (σκεφτείτε ένα σωλήνα νέου).

Κοιτάζοντας το φάσμα του Ήλιου, οι άνθρωποι βρήκαν σκοτεινές γραμμές οι οποίες αντιστοιχούσαν ακριβώς στις θέσεις του φάσματος όπου φωτεινές γραμμές εμφανίζονταν στα πυρακτωμένα αέρια.. Γρήγορα κατάλαβαν ότι οι σκοτεινές αυτές γραμμές πρέπει να προκαλούνται από το ίδιο στοιχείο, το οποίο αντί να εκπέμπει φως το απορροφά. Με αυτόν τον τρόπο ,η σύνθεση του Ήλιου μπορούσε να βρεθεί από την προσεκτική μελέτη του φάσματος του ηλιακού φωτός..

Οι περισσότερες γραμμές στο ηλιακό φάσμα ήταν γνωστό ότι ανήκουν σε στοιχεία που συναντάμε στη Γη, αλλά υπήρχε ένα σύνολο γραμμών που ήταν άγνωστο στους επιστήμονες. Το 1868, ο Βρετανός αστρονόμος Norman Lockyer υπέθεσε ότι αυτές οι σκοτεινές γραμμές προκαλούνταν από ένα στοιχείο άγνωστο μέχρι τότε που υπήρχε στον Ήλιο και το οποίο ονόμασε «ήλιο» από το όνομα του Έλληνα θεού του Ήλιου. Εικοσιπέντε χρόνια αργότερα το στοιχείο ήλιο για πρώτη φορά απομονώθηκε στη Γη.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Institution

EUROfusion

Review

Σε μια εποχή που οι μη ανανεώσιμες πηγές ενέργειας εξαφανίζονται πολύ γρήγορα και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αναζητούνται εναγωνίως, η σύντηξη είναι συχνά το θέμα συζήτησης σε πολλά επιστημονικά περιοδικά και εφημερίδες. Από μικρή ηλικία, οι μαθητές μπορεί να βρεθούν αντιμέτωποι με αυτόν τον όρο χωρίς να καταλαβαίνουν τι σημαίνει.

Ο Mark Tiele Westra από τη Ευρωπαϊκή Συμφωνία για την Ανάπτυξη της Σύντηξης στο Garching της Γερμανίας, μας δίνει μια πολύ ενδιαφέρουσα και σύντομη περιγραφή της διαδικασίας της σύντηξης που συμβαίνει μέσα στον Ήλιο. Αν και το άρθρο παρέχει μια θεωρητική ανάλυση του θέματος και ενδιαφέρει τον δάσκαλο των φυσικών επιστημών όπως είναι, συνοδεύεται από επεξηγήσεις που θα μπορούσαν να υιοθετηθούν και να χρησιμοποιηθούν σύμφωνα με τις ικανότητες των μαθητών για να εξηγηθεί η σύντηξη στην τάξη των φυσικών επιστημών. Για περισσότερο προχωρημένους μαθητές, υπάρχουν επίσης κάποιες λεπτομερείς πληροφορίες για την ανακάλυψη του στοιχείου ηλίου.


Elton Micallef, Μάλτα




License

CC-BY-NC-ND