#53 - Plazma, czyli 4 Stan Skupienia Materii. - Fizyka dla Laika czyli Nauka dla Tłuka

0. Dobranoc. A raczej, dobri weczer.

Nie będę komentował 1 słowa w powyższym zdaniu. Jak wiedzą fani Pana Andrzeja Sapkowskiego oraz postaci przez niego stworzonej - wiedźmina Geralta - w jednym z fragmentów przygód słynnego Białego Wilka ktoś mówi dobranoc, i od razu, jednak skomentuję - nie jestem tym, który w tekście polskiego guru fantasy mówi 'Dobranoc'. Tzn, nie jestem odpowiednikiem tajemniczej postaci ze świata magii i miecza w świecie fanów fizyki.

Phi, ale się namęczył. Skomentował swoje słowo i uważa je za wstepniak?! - wrzasną niektórzy głodni 'ple-ple-plecenia' na wstępie (a mam bardzo cichą nadzieję, że tacy Tłukowie też istnieją). Wrzasną, zaraz tam, wrzasną. A jednak może wrzasną, bo jestesmy już, niepostrzeżenie, w świecie plazmy - wrzeszczą, bo gorąca jest owa plazma.

I tym optymistycznym akcentem zachęcam do kontynuowania przygody z plazmą w @diesphys!

1. Czym jest plazma? Nie je się tego z niczym, za gorąca jest.

Plazma, brzmi jak coś w rodzaju dżemu, takie ciągnące, w najgorszym wypadku - jak jakaś wersja krówki. Krówka z plazmą? Brońcie się rękami i nogami! Przecież mówiłem, że tego się nie je.

To czwarty stan skupienia materii. Dziwne, conieco. Bo jak wiadomo ze szkoły podstawowej (Tłukowie) oraz ze szkoły średniej (szybki awans na Laika ;) ), są trzy stany skupienia materii, takie podstawowe. Podgrzewamy sobie na przykład czekoladę. Tyle, ile musimy podgrzać do kolejnego stanu skupienia, zależy od pierwiastka chemicznego - każdy z nich ma nieco inną temperaturę topnienia, krzepnięcia, ulatniania się, skraplania.

Wiadomo, czekaloda i chemia to skorelowana zależność, czekolada kocha, rozumie, itp. - znowu jedzenie. Koniec (tego dobrego ;) )

Ciało stałe, ciecz, gaz, w miarę podgrzewania. A tu nagle - plazma, czwarty stan skupienia materii. Plazma to nic innego, jak podgrzany gaz, który 'wykroczył' poza pojęcie zwykłego gazu. Atomy materii rozbijają się na swoje składowe - elektrony i jądra atomowe. Taka trochę zniszczona materia klasyczna. Przykładem plazmy może być iskra z przewodu z prądem. Albo miecz Jedi... Albo plasma gun z gry Quake 3... Albo tarcze plazmowe rasy Protoss ze StarCrafta... Ech, stare czasy. Oczywiście te, w których byłem rycerzem Jedi ;)

Zapylamy dalej, przed siebie - bzzzz, i do przodu!

Plazma to jednak gaz. Ale taki trochę zdegenerowany. Coś jeszcze fajnego o plazmie. Znajduje się w lampach neonowych - już wiecie, skąd pomysł na miecz świetlny! Wygląda tak samo, jednak różni się temperaturą, a niestety nie ma takiej technologii, która pozwoliła by wymachiwać tubą neonową jak mieczem i ciąć, ciąć, ciąć! Przepraszam, to te wspomnienia ;)

Coś jeszcze cechu plazmę. Jest elektrycznie aktywna, a to z kolei wiedzie nas do wiedzy - można wpływać na plazmę za pomocą pól: magnetycznego i elektrycznego. Coś z tym mieczem jednak się zgadza!

2. Ok. Konkrety, jakie można obecnie zaobserwować, jeśli chodzi o plazmę.

Co dobrego może nam przyjść z rozgrzanego gazu, grubo powyżej temperatury skraplania zwykłej materii, z czegoś, co nawet nie jest już gazem, tak jest gorace. Czegoś niecodziennego, bo posiadającego strukturę samych jąder atomowych i elektronów. Taki gaz nie nadaje się do wdychania. Nie zrobi się z niego klimatyzacji, nie jest... zaraz, gdzieś lub kiedyś musiałem wspomnieć o plazmie, bo od razu, kiedy o niej piszę lub rozważam, staje mi przed oczami... problem energetyczny. Acha, już wiem. Fuzja nuklearna. Nagłe olśnienie, wspomnienie sprzed 3 lat. Czy ja już bredzę?

Nie w tym wypadku.

Pomówmy trochę o realnych korzyściach, jakie stwarza przed nami zastosowanie wiedzy o czwartym stanie skupienia. Zacznijmy od czegoś, co zostało powiedziane o plazmie w 1. akapicie - plazma jest aktywna elektrycznie i magnetycznie. Zanim zacznę bajdurzyć o źródłach energii, taka mała ciekawostka: plazmę można zniewolić, osaczyć i kontrolować dzięki niezwykle silnemu polu magnetycznemu, tzw. 'magnetycznym więzieniu'. Już przechodzą ciarki po plecach. Bardzo zajmujące stwierdzenie - więzienie magnetyczne.

3. Tokamaki, Słońce na Ziemi, kontrolowane reakcje termojądrowe!

Izotopy wodoru - tryt i deuter (tryt jest radioaktywny, występuje w naturze w śladowych ilościach, jednak można go wyżyłować z litu, którego mamy po pas, po ramiona, u nas, na Ziemi). Jak się robi elektrownię termojądrową? Bierzemy deuter i tryt, w olbrzymim ciśnieniu, polu magnetycznym i w kolosalnej temperaturze tworzymy z nich jądra helu. Jak? Tak, abyśmy mogli sobie zrobić coś takiego w domu, nałożyć gniazdka, i podłączać wtyczki ;)

Pierścień plazmy utrzymywany jest potężnym elektromagnesem; to właśnie ta energia, z plazmy, którą chcemy uzyskać. Jednak bilans energetyczny - zasilanie elektromagnesu a nadwyżka energii - niezupełnie się zgadza. Dlatego... Zjonizowany deuter lub mieszanina trytu i deuteru jest traktowana coraz silniej przez elektromagnes, którego działanie prowadzi do indukowania się prądu. Prąd sprawia, że wyładowania w gazie doprowadzają do powstania plazmy, dzięki coraz to gwałtowniejszej jonizacji tegoż gazu. I na koniec najpyszniejsze, gorąca plazma. Stan ten utrzymuje się, nabierając coraz wyższej temperatury. Gorąca plazma dostarcza z jednego grama materii tyle energii, co ze spalenia jedenastu ton węgla. Skąd brać deuter? Z litu, którego jest na Ziemi pod dostatkiem. Lub - z wody morskiej. I już wiecie, dlaczego ta energia, właśnie z takiego źródła i pozyskiwana właśnie w taki, jaki opisałem powyżej, sposób, jest oczkiem w głowie dzisiejszego świata nauki. Proces podgrzewania plazmy, kontrolowana reakcja temrojądrowa, dostarczyłby Ziemianom (Terranom =) kto wie cokolwiek o protosskich tarczach, wspomnianych na początku, skojarzy nazwę =] ) dostępu do niemal nieograniczonej czystej energii.

Taka energia - tylko z gwiazd.

4. Z gwiazd... wymarłych? Również.

Co łączy czarne dziury i plazmę? Co takiego energetycznego może zachodzić w czarnych dziurach?

Odpowiedź jest prosta - dżety. To strumienie gorącej plazmy rozgrzanej do białości. Energia? Proszę bardzo - z takiego dżetu wystrzeliwuje w każdej sekundzie tyle dżuli, co ponad 500 bilionów razy więcej, niż ludzkość zużyłaby w dekadę.

No to do dzieła, lecimy do czarnej dziury, kierujemy się na dżet z dynamem, zasilamy długim drutem, aż do Ziemi, i mamy tyle energii, ile nam się zamarzy; właściwie, to mamy jej na pęczki, rozdajemy na prawo i lewo, jak energetyczni milionerzy, świeżo po wypłacie.

Nie całkiem tak to widzę, ale dobra, może, powtarzam - może, z pewnym marginesem błędu ;)

W jaki sposób zachodzi proces, która pozwala na emisję czegoś tak przerażającego, jak dżet z czarnej dziury? Gaz opada na czarną dziurę. Rotuje wokół niej, coraz szybciej, szybciej i szybciej, w końcu powoduje powstanie pola magnetycznego. (Chyba nie trzeba nikomu tłumaczyć, jaką grawitacją dysponuje wymarła gwiazda, i jak wielka siła może być generowana z ruchu okrężnego wokół owianego już niemal legendami miejsca w czasoprzestrzeni).

Z tego obracającego się gazu tworzy się dysk akrecyjny - to nic innego, jak rotująca wokół czarnej dziury materia, na dodatek - podgrzewająca się. Zostaje tak rozgrzana, że elektrony odrywają się od jąder atomowych, powstaje plazma. Oprócz tego, kreuje się małe pole magnetyczne, fluktuujące, bez ukierunkowania, ale ruchome względem cząsteczek plazmy.

Dzięki temu polu magnetycznemu cząsteczki z dysku akrecyjnego zderzają się, tracą moment pędu, co powoduje wpadanie ich do czarnej dziury, zamiast spokojnej zabawy w karuzelkę wokół kosmicznego monstrum. Takiej trochę studni bez dna, a właściwie z dnem, ale posiadającej odpowiadający jej rzeczownik, w zasadzie jedyny, jaki do niej pasuje - 'Tajemnica'.

Wpadające cząstki nadają czarnej dziurze linie pola magnetycznego. Linie dublują się, nabierają natężenia. Napływ plazmy powoduje, że pole magnetyczne utrzymuje się, hmmm, nawet przybiera na wartości. Czarna dziura nie wytrzymuje presji! Skręca to zaplątane pole magnetyczne i wystrzeliwuje dżet. Dzięki temu polu plazma jest ukierunkowana, to takie magnetyczne więzienie. Coś w rodzaju rury, z której wystrzeliwana jest gigantyczna energia.

Na dodatek, pole otaczające czarną dziurę nie tylko powoduje, że że wystrzeliwane są dżety. Powstrzymuje także plazmę przed wessaniem jej do środka wymarłej gwiazdy.

5. Plazma. Miało być tylko o niej, a tu tokamaki, czarne dziury... Się porobiło.

A właściwie, trochę się nabroiło. Eeee tam, może następny temat zostanie utrzymany... w magnetycznym więzieniu, i w końcu przestanę wychodzić poza jego linie. Linie lotnicze. Odrzutowcem, 'jetem', dżetem Was energetycznie pozdrawiam!