Fúzió a Világegyetemben: a Nap energiája Understand article

Fordította Adorjánné Farkas Magdolna. Mark Tiele Westra, a németországi Garchingban lévő Európai Fúziófejlesztési Egyezmény (European Fusion Development Agreement, EFDA) munkatársa megmagyarázza, hogy a Föld számára a Nap az energia forrása.

Alig több mint száz évvel ezelőtt még senkinek sem volt fogalma arról, hogy a Nap milyen módon termeli meg azt a hatalmas energiamennyiséget, amelyet kisugároz az űrbe. Természetesen számos ötlet és elmélet született, és sok szellemes is volt közöttük. Némelyik tudós azt gondolta, hogy a Nap egy hatalmas gázfelhő, amely összeroppan a saját súlya alatt, és az eközben fellépő súrlódás és az ütközések hőt termelnek. Mások úgy gondolták, hogy a Nap még nem hűlt ki a keletkezése óta. Mindegyik elméletből azt a következtetést lehetett levonni, hogy a Nap kora nem lehet több néhány tízmillió évnél. Ezek szerint, ha a Nap ennél idősebb lenne, már kihűlt volna.

Ekkor jött azonban Darwin a kollégáival, akik tanulmányozták a sziklák képződését és pusztulását, valamint az élet igen lassú evolúcióját. A jelenségek konzekvens magyarázatára felállított elméletükben fel kellett tételezzék, hogy a Napnak sokkal idősebbnek kell lennie, legalább néhány száz millió évesnek, sőt akár milliárd évesnek. Megindult a vita.

A tudomány akkor került közelebb a megoldáshoz, amikor felfedezték a radioaktivitást és elfogadták azt a meglepő feltételezést, hogy a tömeg és az energia valamilyen módon egymásba alakítható, Einstein E=mc2 egyenletének megfelelően. Sir Arthur Eddington, a brit csillagász mérlegelte először az összes bizonyítékot és azt a merész következtetést vonta le, hogy a Nap a hatalmas energiát fúziós folyamatokban termeli, amelyek során a könnyebb atommagokból nehezebb atommagok jönnek létre. Időközben megtudtuk, hogy a Nap valójában hidrogént, a Világmindenség legkönnyebb elemét “égeti el” héliummá. Most már azt is tudjuk, hogyan – lásd az ábrát.

Energiatermelés a Napban: két hidrogén-atommag egyesül, miközben egy deutérium-mag, egy pozitron és egy neutrino keletkezik. A pozitron azonnal összeütközik egy elektronnal, megsemmisítik egymást, miközben energiává alakulnak át. A fúzió során keletkezett deutérium-mag egyesül egy másik hidrogén-atommaggal, miközben hélium-3 keletkezik. Az utolsó lépésben két hélium-3 atommag fúziója során egy hélium-4 atommag és két hidrogén-atommag keletkezik. Click on the image to enlarge it
Mark Tiele Westra szíves hozzájárulásával

Nagyon érdekesek a folyamat részletei. A Napban a hidrogén-atommag (proton) először átlagosan öt milliárd évig vár, mielőtt fejest ugrik a kapcsolatba, vagyis egyesül egy másik hidrogén-atommaggal, hogy deutérium képződjön belőlük. Ez végül is jó hír a számunkra: ha ez a folyamat gyorsabban menne végbe, a Nap üzemanyaga már régen elfogyott volna és mi nem lennénk itt. A következő lépés, amelyben hélium-3 keletkezik a deutériumból és a hidrogénből, átlagosan 1,4 másodperc után történik meg. Az utolsó lépés, a hélium keletkezése 240 000 évet vesz igénybe, szintén átlagban. A fúzió során felszabaduló energia fotonok vagyis fény formájában jelenik meg.

Miután túl vagyunk az első izgalmakon és létrejöttek azok a fényfotonok, amelyek egy napon eljuthatnak a Földre, még egy kicsit türelemmel kell lennünk. A foton fénysebességgel indul útjára a Nap belsejéből a Föld felé, azonban szinte azonnal beleütközik egy elektronba. Az ütközés következtében a foton véletlenszerűen visszapattan az elektronról, akár egy labda egy játékautomatában. Ez újra és újra megtörténik. Ezért azután több mint 20 000 évet vesz igénybe, míg egy átlagos foton megteszi a Nap belseje és a felszíne közötti 695 000 kilométeres utat. Ez azt jelenti, hogy a foton meglehetősen méltóságteljesen halad előre óránként 4 méteres sebességgel.

Ezután a hosszú és tekervényes út után a foton a Nap felszíne és a Föld közötti 149 millió kilométeres távolságot már a megszokott fénysebességgel teszi meg, és végül  8 perc alatt megérkezik az úticéljához. És ezek az fotonok a szerencsések, ugyanis vannak olyanok is, amelyek ötmilliárd évvel ezelőtt keletkeztek, de még nem sikerült kitalálniuk a Napból. A Nap belseje olyan, mint egy labirintus…

A fúziós folyamat során egy különleges részecske is képződik: a neutrino (lásd az ábrát). A neutrino alig lép kölcsönhatásba az anyaggal, ezért azonnal kiszabadul a Napból. Rengeteg neutrino keletkezik a Napban: minden egyes ujjad hegyén másodpercenként 100 milliárd repül keresztül. A legtöbb neutrino egyenesen keresztülrohan a Földön anélkül, hogy az bármilyen hatással lenne rá. Valójában egy neutrino egy fényév vastagságú ólomrétegen is megállás nélkül keresztülrepülhet!

Amikor a Nap belsejére gondolunk, azt egy vad tüzes kohóként képzeljük el, ami hőt bocsát ki. A sűrűsége 150-szerese a vízének (fél liternyi Nap-anyag súlya annyi, mint egy átlagos emberé), a hőmérséklete 15 000 000 oC , igazán rémisztő környezet. Azonban ha a Nap belsejéből ki tudnál venni egy köbméternyit, azt tapasztalnád, hogy az mindössze körülbelül 30 Watt teljesítményt biztosítana, amely alig elegendő egy villanykörte üzemeltetéséhez. A Nap hatalmas méretének köszönhetjük, hogy mégis elég meleg van a Földön.

Jelenleg a Napban másodpercenként 600 millió tonna hidrogén ég el, miközben 596 tonna hélium keletkezik. Hova tűnik el a hiányzó négy millió tonna anyag? Teljes egészében átalakul energiává. Az E=mc2 (E az energia, m a tömeg és c a fény-sebesség) egyenlet alapján azt kapjuk, hogy négy millió tonna anyag 100 000 000 000 000 000 000 kilowattóra energiának felel meg. Ez durván egymilliószorosa annak az energiamennyiségnek, amit az egész világ egy év alatt felhasznál. És a Nap minden másodpercben ennyi energiát sugároz ki! Hát ez a napenergia!

A Nap mostanáig a hidrogén-készletének a felét égette el. Öt milliárd éve tart ez a folyamat és még további öt milliárd évig fog tartani. És mi lesz azután? Vége lesz a bulinak. A Nap fel fog fúvódni, “vörös óriássá” válik, a hőség következtében a légkör, a víz és az élet el fog tűnni az otthonunkat jelentő bolygóról. Jó lesz, ha még ezelőtt elmenekülünk, addig azonban élvezzük a Nap energiáját.

A hélium felfedezése

A 17. században a természettudósok egy keskeny rés és egy prizma segítségével a fényt összetevőire bontották és a színképet tanulmányozták. Az izzó gázokkal végzett kísérletek alapján vált ismerté, hogy az elemek melegítés hatására különböző, pontosan meghatározott színű fényösszetevőket sugároznak ki, amelyek a színképben fényes színes csíkok formájában jelennek meg (gondoljunk egy neoncsőre).

A Nap színképében pontosan azokon a helyeken látunk sötét vonalakat, ahol az izzó gázok által kibocsátott színképben fényes vonalak jelennek meg. A szakemberek hamar rájöttek arra, hogy a sötét vonalakat pontosan ugyanazok az elemek okozzák, csak ebben az esetben ahelyett, hogy fényt bocsátanának ki, elnyelik azt. Ezért a Nap színképének gondos tanulmányozásával pontosan meg lehet állapítani a Nap elemi összetételét.

A Nap színképében látható vonalak nagy részét már ismerték a Földön előforduló elemek spektrumából. Volt azonban néhány olyan vonal, amely meglepte a tudósokat. 1868-ban Norman Lockyer, brit csillagász azt feltételezte, hogy a vonalakért egy olyan, addig ismeretlen elem a felelős, amely a Napban fordul elő. El is nevezte a feltételezett elemet “héliumnak”, a görög napisten, Helios után. 25 év telt el addig, míg a Földön is sikerül ezt a gázt elkülöníteni.

Download

Download this article as a PDF

Resources

Institution

EUROfusion

Review

Egy olyan korszakban, amikor a nem-megújuló energiaforrások kimerülőben vannak és kétségbeesetten kutatnak hatékony megújuló energiaforrások után, sok ismeretterjesztő folyóirat  és újság foglalkozik a fúzióval. A diákok már fiatal korban találkozhatnak ezzel a fogalommal, azonban nem mindig értik, mit is jelent ez pontosan.

Mark Tiele Westra, a németországi Garchingban lévő European Fusion Development Agreement (EFDA) munkatársa nagyon érdekesen és tömören magyarázza el a Napban lejátszódó fúziós folyamatokat. Bár a cikk elméleti síkon tárgyalja a témát, és így főként a tanárok érdeklődésére számíthat, azonban a jól áttekinthető illusztrációkat fel lehet használni a természettudomány órákon a fúziós folyamatok magyarázatához, a tanulók szintjéhez igazítva. A magasabb évfolyamokba járó tanulók számára érdekes információkat közöl a hélium felfedezéséről.


Elton Micallef, Málta




License

CC-BY-NC-ND