PLAZMA

Pripremio: Zoran Matić, dipl.inž.maš.

Plazmatično stanje materije i termofuzija

Skok u budućnost

Mnogi definišu plazmu kao četvrto agregatno stanje materije (čvrsto, tečno, gasovito, plazma). Ako se dublje sagledaju plazma i njene karakteristike: temperatura, električne i magnetne osobine, zračenje, frekvencija... onda se ona bitno razlikuje od prva tri stanja materije. Dok je materija u prva tri stanja u "opipljivom" obliku sačinjena od molekula a ovi od atoma određenih elemenata, plazme u "opipljivom" obliku toga nema. Ona je sačinjena od delova atoma - elektrona, protona, neutrona i sve to sa velikom količinom energije-elektromagnetnog zračenja. Znači plazma je mešavina materije i energije, gde materija prelazi u energiju, tj. iz energije se stvara materija.

Stanje materije koje nije ni gasovito ni plazma, zove se plazmatično stanje materije. Ovo stanje u kojem ima samo jona i manje količine energije, nije plazma. Ono samo liči na plazmu. Jonizacija gasovitog stanja materije može se izvesti manjom količinom toplote ili manjim elektromagnetnim poljem, naročito pri niskim apsolutnim pritiscima (vakuum). Verovatno je to razlog što se razmišlja o stvaranju plazme u vakuumu.

Proizvodnja

Termofuzionom procesu u plazmi dobija se zasad najveća količina energije. Kako ostvariti ovaj proces u realnim uslovima? Poznato je da se u kosmosu termofuzioni procesi odvijaju u zvezdama uz pomoć gravitacione energije, gde se ostvaruju vrlo veliki pritisci i temperature. Sekundarna pojava su vrlo jaka električna i magnetna polja, koja interaktivno pomažu termofuzione procese.

U našim uslovima, plazma se može ostvariti korišćenjem prirodnih zakona. Velika temperatura, potrebna za početak i odvijanje procesa termofuzije, može se dobiti iz kontrolisanog procesa termofisije, u vrlo jakom elektromagnetnom polju ili sa vrlo velikim pritiscima.

Termofuzioni procesi se ne odvijaju u vakuumu. Za ostvarivanje određene količine plazme, treba dovesti određenu količinu materije koja će se fuzionisati. A ta količina zavisi od količine energije koja se želi dobiti za određeno vreme. Drugim rečima, sve zavisi od toga kolika se snaga procesa želi. I sve se može lako kontrolisati.

Važno je da se stvorena količina plazme stalno odvodi od mesta stvaranja i na podesan način koristi. Plazma ne može da se čuva kao materija u klasičnim sudovima, već se može čuvati samo u jakim magnetnim poljima, i to ograničeno. A ne treba je ni čuvati! Može se proizvoditi onoliko koliko treba i onda kada je potrebno.

Termofuzioni proces po pravilu je kontinualan; stalno se dovodi određena količina elementa koji treba da se fuzioniše u drugi i stalno se plazma, kao nosilac energije, odvodi od mesta proizvodnje do mesta korišćenja. Pri tome se koriste snažna magnetna polja za sabijanje plazme i "cevovod" za njeno transportovanje do mesta upotrebe.

Treba imati u vidu i vrlo veliku količinu energije nastale u termofuzionom procesu. Za ilustraciju navodi se plazmagenerator u kojem se vodonik fuzioniše u helijum. Pri protoku vodonika od samo 1Ncm 3 /s kroz plazmagenerator linearnog tipa, za stvaranje plazme sa temperaturom od 15 miliona K, potrebna je snaga za održavanje procesa 8,4 kW (najbolje je ako je veća za oko 30% ) i visokofrekventno električno polje od najmanje 1,54GV/m. Za "sabijanje" i "transport" plazme potrebno je magnetno polje od najmanje 5T. U tom termofuzionom procesu ostvaruje se energija od 59MJ/s (kada se računa preko defekta mase), ili oko 56MJ/s (kada se računa preko proton-protonskog procesa). To znači da je ostvarena snaga oko 7000 puta veća od uložene, naravno teoretski.

Plazmatično stanje materije može se relativno lako ostvariti u plazmageneratoru (sa većim protokom materije koja fuzioniše ili manjim elektromagnetnim poljem), a u prostoru sa malim apsolutnim pritiskom (vakuumu) postiže se sa malim količinama toplote, manjim električnim poljem, sa laserima, itd. Zato je teško reći pri kojim temperaturama nastupa plazmatično stanje. Poznato je da totalna jonizacija neke količine materije nastupa na određenoj temperaturi. Tako napr. za vodonik u navedenom primeru plazmageneratora totalna jonizacija se ostvaruje na 105000K (kada je u atomskom obliku), ili na 118000K (kada je u molekularnom stanju).

Za plazmu se može smatrati da nastupa iznad ovih temperatura, ali tada još uvek ne nastupa termofuzioni proces. Za odvijanje termofuzionih procesa potrebna je mnogo viša temperatura jer je potrebno da se protoni tranasformišu u neutrone (jedan deo) i utisnu u jezgra novog elementa.

Eksperiment kao prvi korak

U prirodi, u zvezdama, termofuzioni proces vodonika se odvija pri visokim pritiscima i temperaturama. U tom procesu nastaju velika električna i magnetna polja. Takve uslove za sada ne možemo ostvariti u našim uslovima. Ali se može iskoristiti obrnuti proces - da se velikim električnim poljima ostvari cepanje atoma, kada nastaju vrlo visoke temperature pa je proces fuzionisanja moguć.

Osnovni laboratorijski uređaj bi se sastojao od tri para pločica postavljenih pod uglom od 120 0 . Svaki par pločica se sastoji od kutijastog profila, izrađenog od titanijuma, paralelno postavljenih na rastojanju od par milimetara. Kroz profile pločice struji tečni helijum za hlađenje. Na svaku pločicu se dovodi napon od više miliona volti, da bi se dobilo veliko električno polje. Visoki napon se dobija iz Teslinog VF oscilatora. Između pločica struji gasoviti vodonik. Varnice između pločica cepaju atome vodonika i stvara se temperature od više miliona stepeni. Sa spoljne strane pločica postavljeni su snažni magneti, hlađeni tečnim helijumom, za „sabijanje“ nastale visokotemperaturne plazme. Sve tri pločice su postavljene pod uglom od 45-60 0 u odnosu na njihovu zajedničku osu, tako da stvaraju trostranu piramidu. Nastala plazma će strujati ka zajedničkoj osi i, mada su vrlo malo pomerena od nje, sva tri mlaza će se uviti u jednu nit. Oko niti su postavljena vrlo jaki magneti, takođe hlađeni tečnim helijumom. Jako magnetno polje održavaće nit plazme i njen dalji tok. Da bi se pojačalo kretanje plazme, treba postaviti magnet u bazi trostrane piramide, napajan jednosmernom pulsirajućom strujom. Dobijena plazma se dalje može koristiti na razne načine.

Primena

Primena termofuzionog procesa u plazmi praktično je neograničena. Već pri intenzivnom hlađenju plazmageneratora dobija se velika količina toplote. A pri "gašenju", odnosno rashlađivanju plazme, dobija se ogromna količina toplote. Zato će i prva primena biti za proizvodnju električne energije u termoenerganama. Ove plazma-centrale neće zagađivati životni prostor, uz prethodnu laku eliminaciju azotnih oksida. Električna energija, kao najplemenitiji vid energije koji čovek sada koristi, može da se na ovaj način dobije u neograničenim količinama. Što je najvažnije, mogu se izgrađivati i lokalno, za jedan grad ili manji region, tako da nisu potrebni veliki energetski sistemi za prenos električne energije.

Transformacija energije plazme u električnu energiju može da se ostvari na klasičan način (parni kotao-parna turbina-elektrogenerator), ili sa MHD generatorima.

Toplotna energija koja nije iskorišćena pri transformaciji u električnu koristiće se za grejanje stambenog, proizvodnog i poslovnog prostora, za grejanje staklenih bašti za proizvodnju većih količina zdrave hrane. Takođe, može da se koristi za dobijanje potrebnih količina pitke vode (isparavanje-kondenzacija).

Primena plazme biće i na velikim transportnim sistemima, napr. brodovima. Pokretačka snaga i energija za održavanje sistema na njima neće biti ograničavajući faktor za veličinu i brzinu kretanja. To praktično mogu biti gradovi na vodi sa velikom brzinom kretanja, što sada nije slučaj. Slično tome, ali u manjem obimu, primena je moguća i za lokomotive, za vuču velikih kompozicija velikim brzinama.

Pored proizvodnje hrane, toplotna energija plazme, naravno posle rashlađivanja i dovođenja na nisku temperaturu, koristiće se i u metalurgiji za dobijanje velikih količina kvalitetnih materijala za gradnju velikih plovnih ili letećih objekata.

Posebno velika primena plazme je za reaktivne motore. Korišćenjem raznih kombinacija reaktivnih motora, moći će da se proizvedu letelice velikih brzina i veličina. Interkontinentalni letovi biće mnogo kraći, kao i piste za ove letilice, jer će se penjati i spuštati vertikalno.

Korišćenje snažnih reaktivnih motora omogući će izradu velikih i brzih letelica za interplanetarne letove unutar našeg sistema, a kasnije i za interstelarne unutar naše galaksije. U dalekoj budućnosti verovatno i za intergalaktičke letove.

Primena kontrolisanih termofuzionih procesa biće i za plazma topove. Ovi će biti neophodni pri izgradnji naselja na drugim planetama, ali se korisno mogu upotrebiti i na Zemlji. Odgovarajuće letelice, opremljene plazma topovima mogu da presretnu i unište svako veće nebesko telo koje ide prema Zemlji i time spreče katastrofu koja bi nastala njegovim padom na Zemljinu površinu.

Zoran Matić, dipl.inž.maš.