Smlouva o přátelství a vzájemně výhodné spolupráci vesmírného a tokamakového plazmatu

Pro výzkum řízené termojaderné fúze nezískali lidé v cestě za ovládnutím nevyčerpatelného, bezpečného a ekologického zdroje energie inspiraci nikde jinde, než ve vesmíru – konkrétně v procesech pohánějících Slunce. Přesněji řečeno v termojaderné reakci hořící v plazmatu slunečního nitra!

Již méně se ví o tom, že to bylo právě tokamakové plazma, které položilo základ moderní nauce o čtvrtém skupenství hmoty. Tokamak je dosud nejúspěšnějším zařízením pro studium vysokoteplotního plazmatu. Narodil se koncem padesátých let v Moskvě za asistence nositelů Nobelovy ceny A. D. Sacharova a I. J. Tamma, když jejich snahu inicioval seržant Rudé armády Oleg Alexandrovič Lavrentěv. V poslední době se ukazuje, že plazma v tokamaku a ve vesmíru má společného více než jen zmíněnou jednostrannou vesmírnou inspiraci tokamaku.

Osobnosti

Můžeme začít osobnostmi: Arthur Eddington patřil na počátku minulého století ke špičkovým astronomům a byl to on, kdo v roce 1920 vyslovil hypotézu o termojaderné reakci na Slunci jako o zdroji sluneční energie. Americký astrofyzik Lyman Spitzer senejprve proslavil myšlenkou vyslat do vesmíru teleskop a pak si odskočil k termojaderné fúzi a sestrojil více než zdatného konkurenta tokamaku – generátor hvězd, stelarátor. Robert Bussard možná nedosahuje věhlasu svých kolegů, ale měl velmi dobré nápady týkající se pohonu kosmických raket. Svoji inženýrsko‑vědeckou kariéru zakončil stavbou řady zařízení zvaných Pollywel vyrábějících fúzní neutrony v elektrostatickém udržení.

Fyzikální procesy

Ubíhající elektrony, anglicky „runaway elektrons“ se vyskytují v přírodě v elektrických polích atypických blesků. Čím je elektron rychlejší, tím se méně sráží a tím nabývá větší rychlosti až se přiblíží rychlosti světla. Takových energií mohou dosáhnout ubíhající elektrony v polích nestabilit tokamakového plazmatu a pří nárazu do stěny mohou vakuovou komoru poškodit.

Magnetické přepojení snižuje energii v oblasti, kde se ve vesmíru potkávají magnetické siločáry opačné orientace. Uvolněná energie ohřeje okolní plazma a má se za to, že tato místa jsou pak zdrojem mohutných výtrysků plazmatu do vesmíru – slunečních erupcí.

Magnetické přepojení v tokamakovém plazmatu vytváří magnetické ostrovy, které urychlují difuzi částic plazmatu na stěnu a snižují tak kvalitu udržení energie plazmatu.

CME a ELM

Coronal Mass Ejection – výtrysky plazmatu z povrchu Slunce – označujeme jako sluneční aktivitu. Jsou tak silné, že ovlivňují život na Zemi. Analogický jev předvádí okrajové plazma v tokamaku, kde ELMs – Edge Localised Modes – sice mají 10¹⁹ krát menší energii než sluneční erupce, ale i tak dokáží poškodit stěnu vakuové komory. Vždyť jediný ELM může nést výkon 20 GW a energii srovnatelnou s výkonem čínské přehrady Tři soutěsky!!!

Šroubovicové struktury magnetických polí jsou nejrozšířenějším geometrickým útvarem ve vesmíru. Šroubovicové magnetické pole tokamaku (vytvářené kombinací pole vnějších cívek a pole elektrického proudu tekoucím plazmatem) izolující plazma od stěny vakuové komory „uklidňuje“ plazma v tokamaku do té míry, že mu dává šanci zapálit termojadernou reakci. Využití dvojjediné role elektrického proudu plazmatem bylo geniálním nápadem pánů Sacharova a Tamma.

„Až budete při romantické večeři s partnerkou či partnerem otevírat láhev vína, uvědomte si, že tvar vývrtky ve vaší ruce je nejen symbolem možné blížící se výměny genetické informace, ale připomíná také děje probíhající v plazmatickém prostředí nekonečných hlubin našeho vesmíru“ (Petr Kulhánek: Blýskání, AGA 2011, str. 255).

Temná energie

Znalost temné energie, o jejíž existenci mluví astrofyzikové od čtyřicátých let minulého století, by mohla odhalit příští osud vesmíru. Předpokládá se, že vesmír tvoří 74 % temné energie, 22 % temné hmoty a pouze 4 % jsou regulérní hmotou jako hvězdy, planety, prach a meziplanetární plyn.

„Chameleony“ a „axiony“

Čerstvým datem voní poslední příklad „spolupráce“ tentokrát zdrojů plazmatu, spolupráce Vesmíru a tokamaku. Spolupráce tu bude dokonce podložená písemnou smlouvou!

Minulost i budoucnost Vesmíru by mohly objasnit „exotické“ částice exotických názvů „chameleony“ a „axiony“. Částice jsou to hypotetické, to jest nebyly dosud detekovány, nicméně se náramně hodí fyzikům, aby zaplnily prázdná místa jejich teorií. Podivné názvy popisují podivné vlastnosti dosud neobjevených částic. Chameleony by měly být schopny měnit svoji hmotnost. Axiony převzaly název od čisticího prostředku používaného ve Spojených státech, neboť pomáhají „odstranit“ některé problémy teorie. Zatímco chameleony by měly vznikat na Slunci, tak axiony by měly být pozůstatkem Velkého třesku.

Předpokládá se, že hmota je pro exotické částice transparentní a nelze je tudíž žádným detektorem zaregistrovat, ale díky Primakově efektu (P‑efektu) se mohou exotické částice (chameleony i axiony) v silném magnetickém poli změnit na fotony, které již detekovat umíme. Pokusy ověřit P‑efekt na zařízení CERN Axion Solar Telescope (CAST) selhaly. Účinnost P‑efektu při transformaci axionu závisí na součinu kvadrátu magnetického pole a jeho objemu. CAST má silné pole (9 T), ale malý objem (0,06 m³). Pokud by se použil francouzský supravodivý tokamak Tore Supra, pak účinnost P‑efektu vzroste oproti CAST 150 krát! Objem vakuové komory Tore Supra je totiž 31 m³.

Podobně jako CAST s tokamakem Tora Supra nemůže soupeřit s Tora Supra ani zařízení pro detekci exotických částic Axion Dark Matter eXperiment v Universitě ve Washingtonu.

Tore Supra může pomoci i při detekci druhých exotických částic – chameleonů. S tokamakem se spojí jeden nebo více rtg teleskopů namířených na předpokládaný zdroj chameleonů – na Slunce. Teleskopy vně, Slunce a detektory fotonů – transformovaných chameleonů – uvnitř vakuové komory tokamaku tak budou v jedné přímce.

Těmito způsoby tokamak Tora Supra – zdroj fuzního plazmatu – bude „spolupracovat“ s Vesmírem, který je z plazmatu téměř celý; konkrétně bude hledat hypotetické částice zvané axinony či chameleony.

Spolupráce chaosu s pořádkem

Zajímavé experimenty na tokamaku Tore Supra by měly probíhat dvanáct týdnů po dobu dvou let. Spolupracovat budou CERN, IRFM (Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique), CEA (vlastník tokamaku) a ESA (vlastník teleskopu). Zdá se, že tato kampaň představuje první experimentální spoluprácí fyziky plazmatu (Vesmíru a tokamaku) a částicové fyziky. Jinými slovy spolupráci zdrojů chaosu a pořádku! Jak známo, částice plazmatu v tokamaku Tore Supra se pohybují tepelně chaoticky, zatímco urychlovače CERNU poskytují tok částic téměř monoenergetický, tedy uspořádaný.

Nobelova cena na obzoru?

Při důkazu existence neutrin, předpovězených v roce 1930 W. Paulim, byly detektory umístěny do štěpného reaktoru v Savannah River Plant. Pánové F. Reines a C. Cowman za úspěšný důkaz obdrželi v roce 1995 Nobelovu cenu. Nyní budou detektory umístněny do fúzního reaktoru, který bude dokazovat existenci exotických částic…