Kuarklar birleştirilerek ne kadar enerji üretilebilir?
Boke Park-Bilim Popülerleştirme Temiz, verimli ve üretken enerjinin nihai hayali söz konusu olduğunda, atomun içindeki sırlardan daha iyisini yapmak zordur. Geleneksel enerji, kimyasal enerjiye ve elektronların atomik / moleküler geçişine dayanırken, nükleer enerji çok daha verimlidir.
Çift çekicilik baryon cc ++, iki karizmatik kuark ve bir yukarı kuark içerir ve ilk olarak CERN'deki deneylerde keşfedilmiştir. Şimdi araştırmacılar, onu birlikte "eriyen" diğer çekici baryonlardan nasıl sentezleyeceklerini simüle ettiler ve enerji çıkışı çok büyük. Telif hakkı: Daniel Dominguez, CERN
Aynı miktarda kütle için, bölünmüş (uranyum gibi) veya birbirine kaynaşmış (hidrojen durumunda) tek bir çekirdek, yanma reaksiyonunun enerjisinin bir milyon katına kadar salabilir. Son zamanlarda, "erimiş kuarklar" ın füzyon reaksiyonlarından 10 kat daha yüksek olduğu bulunmuştur. Ancak hem nükleer füzyon hem de fisyon dünyanın enerjisinde devrim yapma konusunda büyük bir potansiyele sahip olmasına rağmen, erimiş kuarklar asla işe yaramayacak.
İki parçacık doğru koşullar altında buluştuğunda, dalga işlevleri üst üste gelebilir ve bu nedenle geçici olarak kararsız bir parçacık üretir. Neredeyse basitçe orijinal durumuna geri dönecek, ancak nadir durumlarda daha ağır elementler üreterek bir füzyon reaksiyonuna girecek. Telif hakkı: E. Siegel / Galaksinin Ötesinde
Nükleer füzyonun çalışma prensibi, yüksek enerjili, yüksek yoğunluklu koşullar altında kararlı ve bağlı kuarkları (protonlar, nötronlar ve kompozit çekirdekler gibi) toplamaktır. Elektrostatik kuvvetin üstesinden gelindiğinde ve bu yüklü çekirdekler yeterince yaklaştırıldığında, kuantum dalga işlevleri üst üste gelmeye başlar, bu da daha ağır, daha kararlı bir çekirdeğe kaynaşma olasılıklarının sınırlı olduğu anlamına gelir. Bu olduğunda, çok fazla enerji açığa çıkar: ilk reaktantın kalan kütle enerjisinin yaklaşık% 0,7'si. Einstein'ın en ünlü denklemi olan E = mc2 ile kütle, füzyon reaksiyonunun nihai amacı olan enerjiye dönüştürülür.
1961'deki Çar bomba patlaması, yeryüzünde şimdiye kadar meydana gelen en büyük nükleer patlamaydı, belki de tarihteki en ünlü nükleer füzyon silahıydı ve çıktısı diğer tüm gelişmiş ülkeleri aştı. Telif hakkı: Andy Zeigert / flickr
Ancak normal nükleer bağlı durum, hatta kararsız durum bile, protonlar, nötronlar ve periyodik tablodaki her element dahil olmak üzere üst ve alt kuarklardan oluşur. Bununla birlikte, başka birçok olasılık da vardır, çünkü dört farklı kuark türü vardır: garip kuarklar, çekici kuarklar, alt kuarklar ve üst kuarklar. Protonları ve nötronları simüle etmek için garip, çekici alt kuarklar bile kullanıyoruz. Protonları, nötronları ve diğer sınırlı kuarkları birleştirebilirsek, bu garip, çekici ve dipteki "baryonları" birleştirebiliriz (baryonlar, üç kuarkın birleşimidir).
Standart Modelin hem bilinen parçacıkları hem de karşıt parçacıkları keşfedilmiştir. Ancak, garip kuarklar, tılsım kuarklar, alt kuarklar ve üst kuarklar içeren kuark içeren parçacıklar en fazla birkaç nanosaniye için var olabilir ve bu parçacıkların bozulmadan önce enerjiye uygulanmasını çok zorlaştırır. Telif hakkı: E. Siegel
Sadece bir an için var olsalar bile, bu parçacıklar üzerinde detaylı hesaplamalar ve simülasyonlar yapabiliriz. Fizik yasalarının anlaşılması düşünüldüğünde, davranışlarını doğru bir şekilde anlamak mümkündür. Yeni bir çalışmada, bilim adamları Marek Karliner ve Jonathan L. Rosner, benzeri görülmemiş derecede etkili bir "erime kuarkı" reaksiyonunun mümkün olduğunu gösterdiler.
Nükleer füzyonda, iki hafif çekirdek daha ağır olanı üretmek için bir araya gelir, ancak nihai kütle ilk reaktanttan daha düşüktür, bu nedenle enerji E = mc ^ 2 yoluyla salınır. "Erimiş kuark" sahnesinde, iki ağır kuarkın kombinasyonu, aynı mekanizma yoluyla enerji açığa çıkaran bir diton üretir. Telif hakkı: Gerald A. Miller / Nature
Standart nükleer füzyonun aksine, iki fotonükleus, daha yüksek kütleli ve daha büyük toplam kuarklı daha ağır bir atom çekirdeği üretmek için bir araya gelir; "erimiş kuark" reaksiyonu, kuark sayısını üç kez korur . Aksine, tepkimeye giren her iki baryon, tıpkı bir kuark veya bir dip kuark gibi ağır bir kuark içerir ve sonunda bir baryon ve sıradan bir proton veya nötron oluşturur. Standart füzyon reaksiyonlarından farklı olarak, kütleleri enerjinin yaklaşık yarısı kadardır ve bu "baryonlar" arasındaki bağlanma enerjisi, reaksiyona yol açan "enerjinin" neredeyse 10 katıdır - toplam kütlenin% 4'üne kadar enerji.
Güneşte meydana gelenler gibi nükleer füzyon reaksiyonları, başlangıç kütlesinin% 1'ini enerjiye dönüştüremez. Bir "erimiş kuark" senaryosunda, bu enerji neredeyse on kat artırılabilir, ancak anlamlı bir şekilde, enerjiyi engelleyen engeller vardır. Telif hakkı: Wikimedia Commons kullanıcısı Kelvinsong
Beyniniz hemen eşi benzeri görülmemiş uygulamaları düşünebilir. Şöyle düşünebilirsiniz: Bu, enerji ihtiyaçlarımızı tamamen değiştirebilir. Bu şimdiye kadarki en etkili silah olabilir. Ama gerçek şu ki, bunlar sadece fiziksel evrendeki hiçbir pratik uygulamada gerçekleşmemiş hayallerdir.
Neden olmasın?
Bu parçacıklar çok kararsız oldukları için, alabileceğinizden çok daha fazla enerjiye ihtiyaç duyarlar.
540gev proton anti-proton etkileşimi, streamer bölmesindeki parçacık yörüngesini gösterir. Birçok yüksek enerjili, dengesiz parçacık çarpışmalarda üretilse de, bunların tümü üretmek için çok fazla enerji gerektirir ve parçacıklar çok kısa ömürlüdür.
Ağır kuarklar (tuhaf kuarklar, tılsım kuarklar, alt kuarklar ve üst kuarklar) içeren bir parçacık oluşturmak için, diğer parçacıkların son derece yüksek enerjide birbirleriyle çarpışması gerekir: eşit miktarda madde ve antimadde üretmeye yetecek kadar. İki baryonun (iki veya iki substrat gibi) gerekli olduğu varsayılarak, doğru koşullar altında birleştirilmeleri gerekir, bu da bir füzyon reaksiyonuna ve son olarak% 3-4 enerjiye yol açar.
Ancak bu parçacıkları ilk etapta% 100'e ulaştırmak için, aynı zamanda çok kararsızdırlar, bu da kısa sürede daha hafif parçacıklara dönüşecekleri anlamına gelir: bir nanosaniye veya daha az. Son olarak, bozunduklarında, yeni parçacıklar ve kinetik enerjileri şeklinde% 100 enerji alırlar. Başka bir deyişle, net enerji elde edilmez.
Proton zinciri, güneş enerjisinin çoğunu üretmekten sorumludur. İki helyum-3 çekirdeğinin he4'e füzyonu zincirin son adımıdır. Nükleer füzyonda dünyanın en büyük umudu olabilir ve aynı zamanda temiz, bol ve kontrol edilebilir bir enerji kaynağıdır. Telif hakkı: Borb / Wikimedia Commons
Nükleer füzyon, aşağıdakiler de dahil olmak üzere birçok faktörden dolayı enerjinin Kutsal Kasesidir:
1. Reaktanların bolluğu ve kararlılığı
2. Reaksiyonun kontrol edilebilir doğası
3. Füzyonun kendisinden salınan büyük miktarda enerji
4. Ve enerji kullanmanın rahatlığı
Üçüncü noktaya gelince eriyen kuarkın bir avantajı olabilir çünkü açığa çıkan enerji yaklaşık 10 kat artarken, diğer tüm noktalardaki feci başarısızlığı onu bilimsel bir merak haline getiriyor. Potansiyel enerji veya silah uygulamaları için gerçekçi olmayan koşullara dayanır ve diğer engelleri aşması gerekir.
Aslında, bir veya iki hafif kuarkı ağır bir protonla (veya nötronla) değiştirmek, nükleer / parçacık reaksiyonunda daha fazla bağlayıcı enerji olacağı anlamına gelir, ancak başka sorunlar da vardır, aksi takdirde hepimiz % 100 etkili madde-antimadde imhası. Telif hakkı: APS / Alan Stonebraker
Bu, bağlı kuark sistemlerinin nasıl birbirine uyduğunu ve etkileşimde bulunduğunu simüle etse bile, bu hala çok önemli bir keşif. Bağlayıcı enerjinin nasıl çalıştığını, ne kadar enerji saldığını ve farklı kararsız parçacıklar reaksiyona girdiğinde hangi formu alması gerektiğini anlamak önemlidir. Bu adımlar, nükleer ve parçacık fiziğinin ayrılmaz bir parçasıdır. Ancak eriyen kuarklar asla bir enerji kaynağı veya silah kaynağı olmayacak, çünkü bu yüksek, kararsız enerjilerde, geleneksel nükleer füzyona göre verimlilikteki iyileşme, madde-antimadde imhasının% 100 verimliliğini çok aşıyor. Kuarkları eritebilen parçacıklar yapabiliyorsanız, antimadde de yapabilirsiniz: evrendeki en enerji verimli kaynak. Ancak ucuz, bol ve temiz enerji için nükleer füzyon, erimeyen kuarklar değil geleceğin trendi.
Bilgi: Sınırsız Bilim, Boko Park-Bilim Yaygınlaştırma
Yazar: Ethan Siegel (astrofizikçi)
Gönderen: Forbes bilimi
Derleme: Light Quantum
İnceleme: Brocade Garden
