מחכים לפרומיתאוס

01.12.2004
01-12-2004
כיצד לרתום נמר לעגלת קניות בסופרמרקט? כיצד לכלוא אנרגיה פראית בבקבוק? ובשביל מה זה טוב?
פרופ' יצחק מרון. מחקר בסיסי עם השלכות מעשיות
פרופ' יצחק מרון. מחקר בסיסי עם השלכות מעשיות

 

 
אגדה היוונית הקדומה מספרת, שבן האלים פרומתיאוס גנב את האש מהאלים ומסר אותה במתנה לבני האדם. על מעשהו זה, שהזניק קדימה את התרבות האנושית, הוא נענש קשות בידי האלים, שביקשו לשמור את השליטה באש לעצמם בלבד. בימים אלה שואפים מדענים במקומות רבים בעולם לעשות כמעשה פרומתיאוס, ולהעניק לתרבות האנושית מקור אנרגיה חדש שיזניק אותה קדימה. מדובר במיזוג הגרעיני, התהליך שבאמצעותו הכוכבים, וביניהם השמש, מפיקים את האנרגיה השופעת מהם. זהו גםהתהליך המתרחש בעת התפוצצותה של פצצת מימן. הוא הוצע לראשונה בשנות ה-20 ונוסח באופן כמותי על ידי הנס בתה ואחרים בסוף שנות ה-30, על בסיס התגלית שיסודות קלים נראים כאילו הם פועלים על פי השקפת עולם אנטי-הוליסטית, שלפיה השלם קטן מסכום מרכיביו. כך, למשל, מתברר שמאסתו של גרעין הליום (שאפשר ליצור אותו בדרך של מיזוג אטומי מימן) קטנה מסכום המאסות של מרכיביו (אטומי המימן). לאן, אם כן, נעלמת הכמות הקטנה של המאסה החסרה? מתברר, שבעת שגרעין ההליום נוצר, כתוצאה מהתמזגות מרכיביו, היא מומרת לאנרגיה לפי נוסחת שוויון המאסה והאנרגיה הידועה של איינשטיין, שלפיה האנרגיה שווה למכפלת המאסה בריבוע מהירות האור.
 
מנוסחה זו ברור, שכמות קטנה מאוד של חומר שקולה למעשה לכמות גדולה מאוד של אנרגיה. ואכן, חישובים שונים מורים, שבמיזוג גרעיני, מימן במשקל 25 גרם עשוי לספק את כל צורכי האנרגיה של אדם מודרני מערבי לכל חייו, והמימן, כדאי לזכור, הוא היסוד הנפוץ ביותר ביקום. הבעיה המרכזית היא, שמיזוג גרעיני הוא תהליך פרוע בעל פוטנציאל הרס אדיר, שעד כה לא נמצאה דרך לבצעו באופן מבוקר. הניסיון לבניית מתקן שימיר את אנרגיית המיזוג הגרעיני לאנרגיה חשמלית, דומה איפוא לניסיון לרתום נמר לעגלת קניות בסופרמרקט.
 
כאשר מאיצים איזוטופים של מימן זה מול זה במהירות גבוהה, הם מתלכדים ויוצרים יחד אטום הליום, תוך כדי פליטת האנרגיה ה"עודפת" כחום. הבעיה היא, שכדי להתמזג, חייבים אטומי המימן לנוע זה מול זה במהירות רבה מאוד, שתתגבר על כוחות הדחייה החשמלית הפועלים ביניהם. הצורך ליצור תנאים מתאימים למיזוג מבוקר הוא למעשה הבעיה העיקרית העומדת לפני מפתחי כורי המיזוג הגרעיניים.
 
כדי שנוכל לייצר אנרגיה באמצעות מיזוג גרעיני, כלומר, כדי להפיק אנרגיה גדולה מזושאנו משקיעים בהפעלת המתקן, יש ליצור גרעינים חמים וצפופים של מימן למשך זמן מספיק ארוך, כך שיתבצעו מספיק מיזוגים בקצב מספיק גדול. למעשה, כדי להשיג מטרה זו, חייבים אטומי המימן להגיע לטמפרטורה של 100 מיליון מעלות צלסיוס לפחות. לשם השוואה, הטמפרטורה במרכז השמש היא 15 מיליון מעלות צלסיוס "בלבד". התערובת הזו של אטומים חמים הטעונים במטען חשמלי מכונה "פלסמה", והיא מהווה מעין מצב צבירה רביעי של החומר.
 
גם כאן יש בעיה: הפלסמה החמה והצפופה שואפת להתפשט, דבר המפחית את חומה ואת הסיכויים ליצירת תהליכים של מיזוג גרעיני. עד כה, האנרגיה שהיה ורך להשקיע בכליאת הפלסמה וביצירת התנאים המתאימים להתרחשות מיזוגים גרעיניים, הייתה גדולה בהרבה מהאנרגיה שהופקה בניסוי. כלומר, הניסוי "בלע" אנרגיה במקום לספק ו"לייצא" אנרגיה. המאמצים שמושקעים בתחום זה כיום נועדו למצוא שיטות להגברת יעילותו של התהליך ולהעברתו ממצב הפסד למצב רווח. לשם כך הוצעו מספר גישות: בגישה אחת, גישת "הכליאה המגנטית", מנסים לכלוא פלסמה במכל דמוי כעך שגודלו כגודל מגרש כדורגל, למשך זמן ארוך יחסית (כשנייה אחת) באמצעות שדות מגנטיים חזקים. בגישה האחרת יוצרים פלסמה חמה והרבה יותר צפופה באזור קטן (מילי- מטרים ספורים) למשך זמן קצר מאוד (10 מיליארדיות של שנייה). בגישה זו לא מנסים "לכלוא" את הפלסמה, למרות התפשטותה המהירה. הרעיון הוא, שבגלל הצפיפות המאוד גבוהה של הפלסמה יתרחשו תהליכי המיזוג במשך זמן קצר ביותר, לפני התפשטותה הטבעית של הפלסמה.
 
אחת השיטות ליצירת פלסמה חמה פרופ' יצחק מרון. מחקר בסיסי עם השלכות מעשיות וצפופה למשך זמן קצר כזה כרוכה בדחיסה של הפלסמה באמצעות דחפים (פולסים) חזקים של שדות מגנטיים אשר נוצרים מזרמים חשמליים גבוהים. גישה זו הובילה בעשור האחרון לכמה פריצות דרך, שרובן הושגו במעבדות סנדיה בארה"ב. עם זאת, עדיין נותרו לא מעט שאלות בסיסיות שפתרונן מחייב מחקר נוסף. כאן, פחות או יותר, נכנסת לתמונה מעבדת הפלסמה במחלקה לפיסיקה של חלקיקים במכון ויצמן למדע, בראשותו של פרופ' יצחק מרון.
 
מכון ויצמן למדע הוא אחד מחמשת מוסדות המחקר המשתתפים ב"מרכז מצוינות אוניברסיטאי" אשר הוקם ונתמך על-ידי משרד האנרגיה של ארה"ב, כדי לקדם חקירת פלסמה חמה וצפופה שנוצרת בדרך של הפעלת שדות מגנטיים חזקים. השיטה המובילה ביותר בשטח זה נקראת Z-Pinch. במכון עוסקים, אם כי במערכת קטנה יחסית, בחקירת היצירה וההתנהגות של פלסמה הנוצרת בשיטה זו. במעבדה חוקרים את תהליכי מעבר האנרגיה הקינטית של הפלסמה לחום ולקרינה.
 
התהליכים המתחוללים בפלסמה מתקיימים בטמפרטורות קיצוניות בתוך שבריר של מיליונית של שנייה, כך שחקר התהליכים האלה ומעקב אחריהם מחייב שימוש בשיטות מתוחכמות וציוד מעבדה מיוחד. קבוצת המחקר של פרופ' מרון משתמשת בספקטרוסקופיה, המשמשת לחקר אזורים אלימים ורחוקים של היקום. ציוד ספקטרוסקופי קולט את הספקטרום של האור או הקרינה הנפלטת מהפלסמה, ומאפשר לאסוף מידע על זהות מרכיבי הפלסמה ותכונותיהם (טמפרטורה, דחיסות, שדות חשמליים ומגנטיים ומהירויות גבוהות).
 
במחקרים אלה משתפים החוקרים במכון פעולה עם אוניברסיטאות ומכוני מחקר בארה"ב ובאירופה, לדוגמה, אוניברסיטת יינה שבגרמניה. שיתוף פעולה זה הניב לאחרונה חידושים ושכלולים בשדה הספקטרוסקופיה, שהתבטאו ביכולת להשגת מידע טוב יותר על תהליכים שמתרחשים בפלסמה. כך, למשל, הצליחו אייל קרופ ועמיתיו במעבדת הפלסמה למדוד ולעקוב אחרי שינויים מהירים מאוד באנרגיות של היונים שמרכיבים את הפלסמה. הישג ראשון מסוגו זה התאפשר באמצעות סדרה של תמונות בהפרדה ספקטרלית גבוהה ביותר אשר נתקבלו בהפרשים של ננו-שנייה (מיליארדית של שנייה) מכל איזור בגודל 0.1 מ"מ של הפלסמה, ובאמצעותו התברר, שאכן בחלק מן המקרים מועברת רוב האנרגיה האצורה בדחיסת הפלסמה לקרינה. מדידות אלה בוצעו בשיטות מדידה חדשניות שפיתחו חברי קבוצת המחקר של פרופ' מרון, ומיושמות כיום גם במעבדות גדולות בארה"ב ובאירופה.
 
בניסויים אחרים שביצעה קבוצת המחקר של פרופ' מרון צפו המדענים בתופעות בלתי-מוסברות המתחוללות בפלסמה שמתקדם בה שדה מגנטי חזק. תופעות מסוג זה נצפו לאחרונה גם באמצעות לווייני מחקר העוקבים אחרי הפלסמה והפעילות המגנטית בשמש. עכשיו בודקים המדענים את ההשלכות של המדידות במעבדה על התצפיות בחלל. כך,מחקרים שמתבצעים במעבדה צנועה יחסית, עשויים לתרום הן לקידום הפיתוח של כורי מיזוג גרעיניים שיסירו מהפרק את משבר האנרגיה, והן לחקר היקום שבו אנו חיים.
 

לשיתוף:

 

 

 

 

אינסטגרם

.