Plasmasta kaikkien aikojen polttoaine

Salaman äkillinen voimakas energianpurkaus tekee ilmasta plasmaa, jossa atomien ytimet ja elektronit ovat erottuneet toisistaan.

Sekunnin murto-osassa vapautuu 10 000 ampeerin sähkövirta, joka liikkuu pilvestä maanpinnalle ääntä nopeammin ja kuumentaa ilman kymmenen sentin säteellä 25 000-asteiseksi.

Kova kuumuus kuorii elektronit ilman typpi- ja happiatomeista ja muuttaa kaasut siten plasmaksi, joka nähdään vaaleana loistavana olomuotona.

Periaatteessa kaikki aineet voivat muuttua plasmaksi. Vaatimuksena on vain niin korkea lämpötila, että elektronit irtoavat atomiytimistä.

Tieteen ja tekniikan aloilla hyödynnetään jo plasman erikoisominaisuuksia esimerkiksi loisteputkissa ja plasmanäytöissä, mutta vasta viime aikoina on alettu ymmärtää ja kesyttää plasman valtavaa energiapotentiaalia.

Plasma voi korvata suihkukoneiden lentopetrolin, ja plasmamoottoreille kaavaillaan tärkeää osaa Aurinkokunnan valloituksessa.

Jos turbulentti olomuoto opitaan hallitsemaan tarpeeksi hyvin, plasmasta saattaa tulla ihmiskunnalle käytännössä ehtymätön energianlähde.

Näkyvän aineen ykkösolomuoto

Aineiden olomuoto muuttuu lämpötilan noustessa. Hyvä esimerkki on vesi. Nollan alapuolella vesi on jäätä eli sen atomit muodostavat kiderakenteen.

Sulamispisteessä vedestä tulee nestettä – kiderakenne hajoaa, ja molekyylit liikkuvat toistensa lomassa. Kun vesi kuumenee kiehumispisteeseen eli 100 asteeseen, se kaasuuntuu vesihöyryksi: molekyylit liikkuvat satunnaisesti kolmessa ulottuvuudessa.

Nämä kolme olomuotoa ovat tuttuja arjesta. Kun lämpötila jatkaa nousuaan yli 1 000 asteen, vesimolekyylit alkavat hajota happi- ja vetyatomeiksi.

Noin 10 000–12 000 asteen lämpötilassa tapahtuu olotilan muutos: atomiytimet alkavat menettää elektroneja, ja kaasu muuttuu plasmaksi.

Protoneista ja neutroneista koostuvat positiiviset ionit ja negatiiviset elektronit liikkuvat siinä vapaasti toistensa lomassa. Siksi plasma johtaa sähköä.

Itse asiassa yli 99 prosenttia näkyvästä kaikkeudesta – loistavat tähdet ja galaksien väliset vetypilvet – on plasmaa.

Vetypilvet ovat harvoja, mutta plasma voi olla tiheää, vaikka on niin kuumaa, että atomit riistäytyvät irti toisistaan. Tällainen tila vallitsee Auringon kaltaisten tähtien plasmasta koostuvassa sisuksessa.

Auringon ytimessä, jonka lämpötila on 15 miljoonaa astetta, paine on 250 miljardia niin suuri kuin maanpinnalla.

Puristus painaa vetyplasman niin tiukasti kokoon, että vety-ytimien sisäinen sähköinen hyljintä kumoutuu ja ne sulautuvat yhteen heliumiksi. Silloin syntyy energiaa, joka saa Auringon loistamaan.

Maan kaltaiset kiviplaneetat, jotka kiertävät keskustähteä elinkelpoisella vyöhykkeellä ja joiden pinnalla voi siksi esiintyä nestemäistä vettä, ovat todellisuudessa melkoisia harvinaisuuksia, sillä maailmankaikkeudessa hallitsee plasma.

Maasta käsin on mahdollista havaita plasmaa Auringon yli miljoonan asteen lämpöisessä ulommassa kaasukehässä eli koronassa. Siitä lähtee jatkuva plasmavirta protoneina ja elektroneina, ja se aiheuttaa Maan yläilmakehään osuessaan revontulia etenkin kummallakin napa-alueella.

Auringon pysyvään ohjelmistoon kuuluvat myös soihtuina tunnetut koronan massapurkaukset, joissa avaruuteen ryöpsähtää valtava plasmapallo.

Se on miljardeja tonneja kuumaa plasmaa sisältävä pommi, joka voi suuntautua suoraan Maahan. Pahimmassa tapauksessa pommi läpäisee maapallon magneettikilven ja syvälle ilmakehään tunkeutuu paljon sähkövarauksellisia hiukkasia.

Siitä seuraava geomagneettinen myrsky saattaa aiheuttaa nykyajan huipputekniikkaan nojautuvissa yhteiskunnissa sähkönjakelun ja kansainvälisten viestintäyhteyksien pettämisen.

Plasmassa piilee toisin sanoen vahvoja voimia. Fyysikot kaavailevat nyt niiden kesyttämistä tulevaisuuden polttoaineeksi.

Suihkukone kulkee ilmaplasmalla

Vuonna 1903 Wrightin veljekset vauhdittivat ilmailun kehitystä, kun he saivat moottorikoneensa lentämään 12 sekuntia Pohjois-Carolinassa.

115 vuotta myöhemmin avaruusinsinööri Steven Barrett ja hänen tutkijatoverinsa Massachusettsin teknillisessä korkeakoulussa tekivät lentokokeen, joka voi panna alulle samankaltaisen mullistuksen.

Heidän akkukäyttöinen koekoneensa, jonka siipiväli on viisi metriä ja paino 2,45 kiloa, lensi 55 metriä sisähallissa.

Vaikka luvut tuskin hetkauttavat ketään, kyseessä ei ollut pikku juttu: moottori kävi pelkällä ilmalla. Koneen siipien alla riippuu neljässä rivissä lamelleja eli ohuita levyjä, joiden etu- ja takapuolella on elektrodeja.

Etummaisissa elektrodeissa on positiivinen 20 000 voltin jännite, ja voimakas sähkökenttä muuttaa ilmamolekyylit plasmaksi. Taempana sijaitsevat elektrodit, joissa on negatiivinen 20 000 voltin jännite, vetävät positiivisia ilman typpi- ja happi-ioneja puoleensa.

Matkallaan kohti elektrodia jokainen positiivinen ioni osuu miljooniin sähkövarauksettomiin ilmamolekyyleihin ja työntää niitä taaksepäin, jolloin syntyy lentokonetta eteenpäin vievää työntövoimaa.

Barrett uskoo, että tekniikkaa voidaan soveltaa äänettömissä droneissa ja matkustajalentokoneissa ja siitä tulee vaihtoehto suihkumoottorille.

Tutkimus tähtää työntövoiman tuottamiseen pienemmällä sähköjännitteellä ja koko lentokoneen pinnan hyödyntämiseen eteenpäin vievän voiman tuotossa.

Massachusettsin teknillisen korkeakoulun koekoneen voima on vaatimattomat kuusi newtonia kilowattia kohti. Newton vastaa suunnilleen sitä painetta, jonka tuntee, kun pitää kädessään omenaa.

Kiinassa Wuhanin yliopistossa on päästy pitkälle lentokoneen plasmamoottorin kehittämisessä. Siellä rakennettu moottori tuottaa melkein kuusi kertaa niin paljon voimaa kuin yhdysvaltalaismalli: 28 newtonia kilowattia kohti.

Toiminta perustuu mikroaaltoihin, jotka muuttavat ilmaa plasmaksi. Plasman läpi puhalletaan paineilmaa, jotta plasma laajentuessaan työntyy voimakkaasti ulos putkesta.

Pienellä prototyypillä tehdyssä kokeessa plasmamoottori kykeni nostamaan kilon painoisen metallikuulan, joka oli asetettu putken suulle.

Jos rakennetta voidaan kasvattaa, kiinalaistutkijat uskovat, että pelkästään ilmaa ”polttavan” plasmamoottorin teho saadaan lähelle nykyisten suihkumoottorien tehoa.

Plasmamoottoreista tuskin tulee lentokoneiden voimakoneita ilman akkuja, joihin on mahdollista varastoida vähintään fossiilisten polttoaineiden lämpöarvoa vastaava määrä energiaa tilavuus- tai painoyksikköä kohti.

Nykyaikaisten litiumioniakkujen energiatiheys on noin 250 kilowattituntia kiloa kohti eli suunnilleen 30 kertaa pienempi kuin lentopetrolin.

Jos akut ladataan aurinko- tai tuulisähköllä, ilmasta syntyy plasmaa lennon aikana ympäristöystävällisesti. Lentokoneista on silloin mahdollista saada ilmastoneutraaleja kulkuneuvoja.

Plasma kuljettaa avaruusaluksia

Maan ilmakehä ei ole ainoa paikka, jossa plasmaa kaavaillaan käytettävän poltto-
aineena. Äärimmäisen kuuma aineen olomuoto on avaruudessa vielä tehokkaampi työntövoiman lähde, koska ei tarvitse ylittää ilmanvastusta eikä painovoimaa niin kuin maassa ja ilmassa.

Itse asiassa jotkin avaruusalukset ovat jo lentäneet niin sanottujen ionimoottoreiden tuottamalla plasmalla. Niihin kuuluu esimerkiksi Nasan asteroidi Vestaa ja kääpiöplaneetta Ceresiä tutkimaan lähetetty Dawn-luotain.

Sen moottorissa voimakas sähkökenttä muuttaa kaasua plasmaksi ja plasman positiivisesti varautuneet ionit tuottavat luotainta kuljettavaa työntövoimaa suihkutessaan ulos.

Hyvin pitkillä avaruuslennoilla tulee esiin moottorityypin huono puoli. Plasma ruostuttaa elektrodeja, mikä lyhentää moottorin elinkaarta.

Ruostumisen hillitsemiseksi voidaan käyttää pelkästään jalokaasuja, kuten ksenonia. Tähän ratkaisuun ei tarvitse kuitenkaan turvautua siinä tapauksessa, että onnistutaan kehittämään plasmamoottori, jossa kaasu muutetaan plasmaksi radioaaltojen avulla.

Toinen tekniikka, joka voi tasoittaa plasmamoottoreiden tietä avaruusaluksiin, perustuu magneettihäkkiin, joka pitää plasman paikallaan niin, että se ei pääse koskettamaan moottorikammion seiniä.

Toimintatapa mahdollistaa sellaisten yleisten kaasujen kuin vedyn käyttämisen.

Vetyä on saatavissa useista paikoista Maan lähiympäristössä – esimerkiksi Kuusta ja Marsista. Siksi plasmamoottoreille ennustetaan tärkeää osaa Aurinkokunnan muiden osien asuttamisessa.

Avaruusalukset voivat vaikkapa paluumatkalla täyttää polttoainesäiliönsä vedyllä jollekin planeetalle perustetulla pysyvällä asemalla.

Edelläkävijänä plasmamoottorien alalla on muunneltavan ominaisimpulssin magnetoplasmaraketti VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), jota on kehitetty USA:ssa vuosikymmeniä ensin Nasassa ja sitten Ad Astra -yhtiössä.

Moottorikammion ensimmäisessä osassa kaasu kuumenee ja muuttuu plasmaksi. Sieltä magneettikenttä ohjaa sähköisesti varautuneen plasman toiseen osaan, jossa radioaallot nostavat lämpötilan miljoonaan asteeseen.

Plasma laajenee tällöin rajusti, ja se saadaan magneettikentän avulla purkautumaan suuttimen kautta avaruuteen 50 000 metrin sekuntivauhtia.

Plasmamoottori voi 200 kilowatin teholla tuottaa viiden newtonin voiman. Se ei vielä riitä nostamaan rakettia ilmakehän läpi, mutta se riittää hyvin kuljettamaan avaruusaluksen Maata kiertävältä radalta ulkoavaruuteen.

Ad Astra testaa plasmamoottoria, joka pystyy toimimaan yhtäjaksoisesti 100 tuntia. Myöhemmin testit jatkuvat avaruudessa.

Tekniikka on erityisen kiinnostavaa niiden alusten kannalta, joilla kuljetetaan tarvikkeita ja materiaaleja Kuuhun, mutta sillä voi olla käyttöä myös pitkillä avaruuslennoilla.

Aurinkokunnan sisäosissa aurinkopaneelit tuottavat sähköä, ja vasta ulkoplaneettojen etäisyydellä tarvitaan esimerkiksi pieni ydinreaktori energianlähteeksi.

Merivedestä tehdään sähköä

Kunnianhimoisimmat hankkeet tähtäävät plasman käyttämiseen voimalaitoksissa, jotka toimivat samalla periaatteella kuin Aurinko.

Tähden sisällä vedyn olomuoto on plasma, jossa ytimet ja elektronit ovat joutuneet erilleen ja ytimet sulautuvat jatkuvasti yhteen eli fuusioituvat heliumiksi.

Koska fuusiossa vapautuu valtavasti energiaa, fyysikot ja insinöörit eri puolilla maailmaa suunnittelevat reaktoreita, joissa 100–200 miljoonan asteen lämpötilassa muodostuu fuusioreaktioita aikaansaavaa vetyplasmaa.

Fuusioreaktoreiden ensisijaisia polttoaineita ovat raskas vety, jota voidaan valmistaa merivedestä, ja superraskas vety, jota tuotetaan pommittamalla litiumia reaktorissa vedyn fuusioituessa heliumiksi syntyvillä neutroneilla.

Tunnetut litiumvarat riittävät tuhansia vuosia, ja merivesi on käytännössä ehtymätön raskaan vedyn lähde. 40 litrasta merivettä saatava raskas vety ja viidestä grammasta litiumia saatava superraskas vety antavat yhtä paljon energiaa kuin 40 tonnia kivihiiltä.

Fuusioreaktoreista tulee turvallisia, sillä vetyreaktiot lakkaavat pian polttoaineen syötön loputtua. Niinpä voimala pysähtyy kuin auto, jonka polttoaine on loppunut.

Nykyisille fissiovoimaloille ominaista runsasaktiivista ydinjätettä ei myöskään synny, sillä ainoa lopputuote on helium.

Tulevaisuuden energiahuollossa, jossa aurinko- ja tuulivoimalat tuottavat sään ja vuorokauden ajan mukaan vaihtelevan määrän sähköä, fuusioenergia voi toimia säätövoimana, joka takaa, että pistorasiasta saa aina vihreää sähköä.

Plasma voi siis korvata kivihiilen ja öljyn ehtymättömällä, ilmastoystävällisellä energianlähteellä.