Astronomas: kopijuodami Saulę galime sukurti saugius branduolinius reaktorius

Saulė yra artimiausia mums žvaigždė, todėl jos tyrimai vykdomi jau nuo teleskopo išradimo laikų, o informacijos yra sukaupta gana daug. Tiesa, vis dar nežinome, kodėl išorėje Saulė karštesnė nei arčiau centro, kaip išnaudoti jos energiją Žemėje. Dar daugiau, Saulės žybsniai gali sugadinti palydovus ir Žemėje sukelti chaosą.

Vilniaus universiteto (VU) astronomas Vidas Dobrovolskas LRT.lt papasakojo apie mūsų žvaigždę, jos įtaką žmonėms, galimus pavojus ir branduolinės sintezės reaktorius, kuriuos, kopijuodami Saulėje vykstančius procesus, bandome sukurti mūsų planetoje.

– Ar šiandien daug žinome apie Saulę? Kokių dar yra neįmintų paslapčių?

– Žinome, kad temperatūra saulės paviršiuje siekia 12000 laipsnių. Saulė yra pats masyviausias jos sistemos kūnas. Jei visas planetas sudėtume į krūvą, Saulės masę 1000 kartų viršytų bendrą visų planetų masę. Saulė yra 300 tūkstančių kartų masyvenė ir maždaug 100 kartų skersmeniu didesnė.

Pagrindinės medžiagos, iš kurių sudaryta Saulė, yra vandenilis ir helis – šiems paprasčiausiems elementams tektų 99 proc. masės. Visiems likusiems elementams lieka maždaug 1 proc.

Įdomu yra tai, kad trečias pagal paplitimą elementas Saulėje yra deguonis. Žinoma, tokioje aukštoje temperatūroje degimas tiesiog neįmanomas ir cheminės reakcijos efektyviai negali vykti. Vadinasi, Saulės energijos šaltinis yra ne degimas, o branduolinės reakcijos, kas iš tiesų buvo suprasta tik XX a.

Tą supratus, mokslininkai ėmė galvoti, ar būtų galima pritaikyti Saulėje bei visose kitose žvaigždėse vykstančius branduolinius procesus energijai gaminti Žemėje. Šiuo metu jau atliekami tokie eksperimentai.

Palyginti su kitomis žvaigždėmis, Saulė yra tipiška žvaigždė, vidutinės temperatūros, vidutinės masės. Yra daug didesnių, masyvesnių, ryškesnių žvaigždžių už Saulę. Tiesa, taip pat yra gerokai blankesnių ir šaltesnių žvaigždžių.

– O ko nežinome?

– Viena iš paslapčių – Saulės temperatūra jos išoriniuose atmosferos sluoksniuose (vainike) yra didesnė nei arčiau centro. Saulės vainiką galima matyti visiško Saulės užtemimo metu, kai Mėnulis uždengią ryškų jos paviršių. tada galima pamatyt aplinkui tokią aureolę švytinčią.

Natūralu būtų tikėtis, kad keliaujant toliau nuo Saulės, temperatūra turėtų mažėti kaip, pavyzdžiui, Žemėje. Saulėje yra priešingai, temperatūra Saulės vainike siekia beveik milijoną laipsnių. Tai mokslininkams buvo labai netikėta, nes paviršiuje temperatūra kur kas mažesnė.

Dar iki šios dienos tiksliai nėra žinoma, kas būtent įkaitina Saulės atmosferos išorinius sluoksnius iki tokios temperatūros. Labiausiai priimtina hipotezė – magnetinio lauko persitvarkymai, mikro žybsniai, kurie ir palaiko tokią itin aukštą temperatūrą.

Taip pat ne iki galo aišku, kaip išsivysto vadinamasis Saulės vėjas. Saulė nuolatos į visas puses skleidžia didelės energijos dalelių srautą. Tai būtų galima palyginti su žemišku vėju, tik Saulės atveju tai būtų vandenilio ir helio srautai, plūstantys į aplinką. Ties Žeme šio vėjo greitis pasiekia nuo 500 iki 1000 km/s greitį. Kaip iki tokio didžiulio greičio pagreitinama medžiaga, dar kelia daug klausimų.

Be to, diskutuojama ir apie Saulės centre vykstančius branduolinius procesus. Kokia sparta ir kokios branduolinės reakcijos vyksta, taip pat kelia dar neaiškumų (nors bendri bruožai yra žinomi).

– Ar teisinga sakyti, kad chemines žvaigždės savybes jau perpratome, tačiau daugiausia klausimų kelia elektros, elektromagnetinės elgsenos?

– Taip. Galima taip pasakyti, žinoma, kuo daugiau mes apie ką nors sužinome informacijos, atsiranda ir daugiau klausimų. Grįžtant vėlprie Saulės cheminės sudėties, per pastaruosius 10 ar 15 metų atsirado tam tikrų neaiškumų, kiek būtent tiksliai deguonies yra Saulėje. Nors, kaip minėjau, deguonis užimtų trečiąją vietą Saulėje, bet tiksli vertė nėra aiški. Skirtingi tyrimai parodė skirtingus rezultatus.

Kodėl tai svarbu? Nuo deguonies ir kitokių sunkesnių cheminių elementų kiekio priklauso medžiagos neskaidrumas. Tai yra, kaip medžiaga efektyviai sąveikauja su spinduliuote, kuri sklinda per ją. Tai lemia, kiek gerai mes galime modeliuoti procesus, kurie vyksta Saulės gelmėse. Kai atsirado truputėlį prieštaraujantys vienas kitam rezultatai, mokslininkai bando suprasti, kuris iš tų tyrimų ir stebėjimų yra teisingas, kuris iš modelių, aprašančių Saulę ir joje vykstančius procesus, yra teisingiausias. Nes toks modelis leistų mums prognozuoti tiksliau Saulės ateitį.

– Iš Saulės branduolio energija iki išorės keliauja milijonus metų?

– Taip. Nors Saulės centre temperatūra siekia beveik 15 milijonų laipsnių, visgi spinduliuotė (ar tai matomoji šviesa, ar rentgeno spinduliai) negali praeiti per tą medžiagą taip lengvai, kaip, pavyzdžiui, šviesa praeina per stiklą. Šviesa ir spinduliuotė sąveikauja su medžiaga. Šviesos dalelės, fotonai yra sugeriami atomų, vėliau perspinduliuojami ir vėl sugeriami. Tas procesas vyksta labai ilgą laiką. Kol energija sugeneruota Saulės centre prasiskverbia iki išorinių Saulės sluoksnių, kur jau nekliudomai gali sklisti į kosmoso erdvę, prabėga milijonai metų.

– Ką manote apie bandymus Žemėje atkurti Saulėje vykstančias reakcijas ir pasigaminti energijos?

– Mokslininkai stengiasi sukurti tokius branduolinius reaktorius, kurie atkurtų Saulėje vykstančias branduolines reakcijas. Šių reakcijų metu energijos išsiskiria bent kelis kartus daugiau nei įprastinių branduolinių reaktorių sugeneruojama energija. Tokių reaktorių pagrindinis kuras yra vandenilis, o tai viena iš vandens sudedamųjų dalių. Kitaip tariant, kuras būtų jiems išgaunamas iš vandens. Vandens žemėje tikrai netrūkta, todėl nebūtų problemos dėl išteklių.

Tiesa,, jei mes norime atkurti ir sugeneruoti energiją, kokią skleidžia Saulė ir kitos žvaigždės, mes turime sukurti tokias pačias sąlygas reaktoriuose, kokios egzistuoja ir žvaigždžių gelmėse.

Mums reikia temperatūros, siekiančios dešimtis milijonų laipsnių ir panašiai. Tas nėra lengva. Šiuo metu yra du projektai (norėčiau išskirti du pagrindinius ir ypatingus projektus), kurie labiausiai pasistūmėję į priekį.

Kalifornijoje plėtojamas projektas, kuriame itin galingi lazeriai įkaitina medžiagą, tai yra, vandenilį ir jo daleles. Nors labai trumpo momentinio žybsnio metu pasiekiama tokia temperatūra, kokia yra Saulėje, tačiau šiame reaktoriuje dar nepavyko pagaminti energijos daugiau, nei sunaudojama lazeriams, jų impulsams sugeneruoti.

Kol kas pasiektas toks rekordas – per pusę tiek sugeneruojama, kiek pavyksta sunaudoti. Šis projektas yra vis dar tobulinamas, tikimasi per 5 metus pasiekti, kad energijos bus sugeneruojama daugiau, nei suvartojama.

Kitas projektas – Provanse, Pietų Prancūzijoje. Tai daugelio valstybių bendras projektas. Jis turėtų būti pabaigtas statyti 2025 metais, bet pirmieji eksperimentai su itin aukštos temperatūros plazma turėtų prasidėti dar keliais metais vėliau.

Kol kas planuojama, kad 2035 metais jau bus pasiekiamas, nors ir eksperimentinis, bet jau energijos gaminimas terma branduolinių reakcijų metu.

Dar reikia įveikti daug technologinių kliūčių, kad būtų galima išlaikyti itin aukštos temperatūros dujas reaktoriuose Žemėje ir kad būtų galima gamintis didelius kiekius energijos. Šiuo metu manoma, kad komerciniai reaktoriai pradės veikti 2040 ar 2050 metais. 

– Kokie tokių reaktorių privalumai?

–  Kiek yra vandens žemėje, tai kuro galėtume turėti šiems reaktoriams milijonams metų į priekį. Žinoma, šalia bus naudojami ir kiti energijos šaltiniai: saulės energija, atsinaujinantys energijos ištekliai.

Pagrindinis terma branduolinių reaktorių privalumas, neskaitant to, kad jie gali sukurti žymiai daugiau energijos, tas, jog jie yra saugesni už Urano branduolinius reaktorius.

Veikiant tokiems branduoliniams reaktoriams būtų sukuriama žymiai mažiau atliekų, kurios ilgą laiką išlieka radioaktyviomis.

Be to, tokie reaktoriai nekeltų sprogimo ar nevaldomo proceso grėsmės. Net jei įvyktų kažkoks procesas, kad reaktorius taptų nevaldomas ir įkaitusi medžiaga taptų nevaldoma, vos tik ji prisiliestų prie vidinių reaktoriaus sienelių, ta medžiaga atšaltų ir akimirksniu sustotų visa reaktoriaus veikla. Pats reaktorius, automatiškai, nieko žmogui nedarant, be išorinių apsaugos sistemų, tiesiog išsijungtų. Tokie reaktoriai negali sprogti, nes reakcijos vyksta itin aukštoje temperatūroje (daugiau nei 10 milijonų laipsnių). Vos temperatūra krinta, sustoja ir energijos gamyba.

– Ar Saulė kels pavojų žmonėms, gyvenantiems Žemėje? Kokios grėsmės tai galėtų būti?

– Žmonių sveikatai tokio tiesioginio pavojaus nėra, nors jie visada gali nukentėti nuo ultravioletinių spindulių, jei nesisaugos. Planetos mastu gyvybei Žemėje Saulė pavojaus nekelia.

Netgi Saulėje vykstant patiems galingiausiems žybsniams, kurių metu išmetama įkaitusių dujų debesys į aplinką, net jei jie kliudytų Žemę, gyvybei jie pavojaus nesukeltų.

Pavojus kyla technologijoms. Žmonija šiais laikais yra tokia priklausoma nuo technologijų, ypač nuo palydovinių, o laikui bėgant ši svarba tik augs. Saulėje vykstančios audros, žybsniai, kosminiams palydovams ir tuo pačiu šiuolaikiniai civilizacijai šiuo aspektu kelia pavojų. Jie gali sugadinti palydovus, kai Saulės išmestos didelės energijos dalelės kliudo Žemę, čia sukeliamos (taip vadinamos) magnetinės audros. Žemės magnetinis laukas ima kisti šiek tiek, jo stiprumas ima svyruoti. Tuo metu dujų ar naftos perdavimo vamzdynuose, elektros perdavimo linijose atsiranda papildomas indukuojamas energijos srautas.

Taip nutiko 1989 metais, kai pavasarį įvyko vienas stipresnių žybsnių Saulėje, po jo kilo stipri magnetinė audra Žemėje. Kanadoje viena iš provincijų liko be elektros. Ten transformatoriai neatlaikė atsiradusių papildomų energijos srovių dėl stipriai kintančio magnetinio lauko.

Ššiuo metu tiek palydovų operatoriams, ryšių, komunikacijų, tiek vamzdynų ar elektros linijų operatoriams yra svarbu iš anksto pasiruošti ir žinoti prognozes, kada Saulėje vyks žybsniai, sprogimai, ir imtis reikiamų apsaugos priemonių.

Mums yra itin svarbu suprasti Saulę ir mokėti ją prognozuoti. Tikslios prognozės gali padėti apsisaugoti.