Plasma blir det ultimate drivstoff

Fast. Flytende. Gass. Vi kjenner de tre aggregattilstandene, men den fjerde utgjør 99 prosent av det synlige universet. Plasma er stjernenes drivstoff, og den glovarme tilstanden skal nå drive flymotorer og kanskje gi oss uendelig energi.

Fast. Flytende. Gass. Vi kjenner de tre aggregattilstandene, men den fjerde utgjør 99 prosent av det synlige universet. Plasma er stjernenes drivstoff, og den glovarme tilstanden skal nå drive flymotorer og kanskje gi oss uendelig energi.

En enorm, gråsvart sky dekker himmelen, og vanndråper og iskrystaller med elektrisk ladning beveger seg oppover og nedover gjennom skyen.

Langsomt blir de negative ladningene samlet i bunnen av skyen, mens jordoverflaten blir mer og mer positiv. Med ett utlikner spenningen seg i en spektakulær energiutladning: et lyn.

Hver gang vi ser et lyn, ser vi faktisk på plasma, som er den fjerde aggregattilstanden ved siden av de velkjente tre: fast, flytende og gass.

Lyn

Et lyn varmer typisk luften opp til 25 000 grader. Varmen innebærer at luftens elektroner rives vekk fra atomkjernene, og dermed endrer luften tilstand til plasma.

© Shutterstock

Det er lynets intense energiutladning som gjør luften om til plasma, der atomenes kjerner og elektroner er skilt fra hverandre.

På brøkdelen av et sekund utløses 10 000 ampere strømstyrke som beveger seg fra skyen til jordoverflaten med overlydshastighet og varmer opp luften innen de nærmeste ti centimeterne til 25 000 grader.

Den intense varme skreller elektronene av nitrogenatomene og oksygenatomene i luften og gjør dem dermed om fra gass til plasma, den hvitt lysende tilstanden vi kan se.

I prinsippet kan alle stoffer bli til plasma. Det krever bare høye nok temperaturer til å rive elektronene fri fra atomkjernene.

99 prosent av det synlige universet består av plasma.

Forskere og ingeniører utnytter allerede i dag plasmas unike egenskaper i for eksempel lysstoffrør og plasmafjernsyn, men vi har bare begynt å forstå og temme plasmaets enorme energi.

Plasma kan komme til å avløse jetdrivstoff i passasjerfly, og plasmamotorer er tiltenkt en avgjørende rolle i koloniseringen av solsystemet.

Hvis fysikerne kan manipulere den turbulente aggregattilstanden presist nok, kan plasma faktisk bli en praktisk talt uuttømmelig energikilde.

Når temperaturen stiger, går alle stoffer fra fast form til flytende, gass og til slutt plasma, der atomene splittes i kjerner og elektroner, for eksempel metallet aluminium, som vi kjenner best i fast form.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

1. Fast:

Atomer sitter fast i et gitter
Aluminium, som blir brukt i alt fra ølbokser til fly, er ved normale temperaturer et fast stoff, der atomene sitter fastlåst i et krystallgitter. Gitteret holder formen – opp til smeltepunktet.

©

2. Flytende:

Atomer river seg løs fra gitteret
Aluminium smelter ved 660 grader og blir til en væske. Det vil si at krystallgitteret går i stykker, slik at atomene kan flyte rundt mellom hverandre, men fortsatt innen et avgrenset volum.

©

3. Gass:

Atomer flyr ubegrenset rundt
Ved en temperatur på 2470 grader fordamper aluminium og blir til en gass. Atomene flyr fritt rundt mellom hverandre, og volumet er ubegrenset. Det er derfor gass oppbevares i lukkede beholdere.

©

4. Plasma:

Høy varme splitter atomene
Ved 5400 grader river varmen de negative elektronene fri fra de positive atomkjernene, og dermed blir gassen til et elektrisk ledende plasma, der kjernene og elektronene flyr fritt rundt mellom hverandre.

99 prosent av universet er plasma

Alle stoffer endrer tilstand i takt med at temperaturen stiger. Det er kjent fra for eksempel vann.

Når temperaturen er under null grader, er vannet fast is, noe som vil si at atomene sitter fastlåst i et gitter. Over frysepunktet blir vannet flytende – gitteret går i stykker, og molekylene beveger seg rundt mellom hverandre.

Når vannet varmes opp til kokepunktet på 100 grader, blir det til en gass i form av vanndamp: Molekylene beveger seg helt fritt rundt i tre dimensjoner. Det er de tre aggregattilstandene vi kjenner fra hverdagen.

Men hvis vi fortsetter oppvarmingen opp over 1000 grader, begynner vannmolekylene å dele seg opp i oksygenatomer og hydrogenatomer.

Og så, oppe ved om lag 10 000–12 000 grader, skjer forvandlingen til den fjerde tilstanden: Varmen river elektroner fri fra atomkjernene og gjør dermed gassen om til plasma.

I denne tilstanden beveger positive ioner, som består av protoner og nøytroner, og negative elektroner seg fritt rundt mellom hverandre, noe som gjør plasma elektrisk ledende.

I en plasmakule gjøres gass om til plasma av elektrisitet. Nå vil forskere tappe energi av den varme partikkelsuppen.

© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Faktisk består over 99 prosent av det synlige universet – de lysende stjernene og hydrogenskyene i og mellom galaksene – av plasma.

Hydrogenskyene er ekstremt tynne, men plasma kan også være ekstremt kompakt, selv om det er så varmt at atomene blir revet fra hverandre.

Det er tilfellet i hjertet av stjerner som solen, som utelukkende består av plasma.

I solens 15 millioner grader varme kjerne er trykket hele 250 milliarder ganger trykket ved jordens overflate.

Det enorme trykket presser hydrogenplasmaet så tett sammen at hydrogenkjernene overvinner sin innbyrdes elektriske frastøting og fusjonerer til helium, noe som skaper den energien som får solen til å lyse.

© Ken Ikeda Madsen

Plasmamotor går på strøm

Kinesiske forskere har testet en motor som bare bruker luft og strøm til å skape plasma. Konseptet skal avløse jetmotorer, som slipper ut 2,5 prosent av verdens drivhusgasser.

1. Strøm blir til mikrobølger

Strøm fra et batteri settes til en såkalt magnetron, der elektronenes bevegelser ved hjelp av et magnetfelt blir omsatt til svingninger. Det skaper mikrobølger i et metallrør som fungerer som en bølgeleder.

2. Mikrobølgene blir presset sammen

Metallrørets høyde halveres, slik at mikrobølgene blir presset sammen. Det øker styrken av det elektriske feltet bølgene danner, slik at det kan rive vekk elektroner fra atomkjernene sine – luften blir til plasma.

3. Trykkluft blåses inn i røret

En kompressor sender gjennom bølgelederen, slik at den krysser plasmaet. Partiklene i plasmaet, som har elektrisk ladning, dundrer inn i hverandre, og sammenstøtene hever temperaturen til over 1000 grader.

4. Plasmaet utvider seg voldsomt

Det varme plasmaet utvider seg og blåser ut gjennom et rør som en flamme. I en test løftet flammen en kule på 1 kilo. Forskerne mener at motoren kan skaleres opp slik at kraften svarer til en jetmotor.

Steinplaneter som jorden, som går i bane rundt stjernen sin i den beboelige sonen, der vann flyter på overflaten, er faktisk et sjeldent unntak i et univers dominert av plasma.

På jorden merker vi plasmaet i solens ytre atmosfære, den såkalte koronaen, med en temperatur på over en million grader. Herfra går det en konstant strøm av plasma i form av protoner og elektroner som treffer jordens øvre atmosfære og skaper nordlys og sørlys over polene.

Men solen har også faktiske plasmabomber på repertoaret ved de største solutbruddene, de såkalte koronamasseutbruddene, der en gigantisk boble med mange milliarder tonn plasma blir skutt ut av koronaen og noen ganger har kurs direkte mot jorden.

I verste fall kan boblen skjære tvers gjennom jordens magnetskjold, slik at store mengder av partikler med elektrisk ladning velter dypt inn i jordens atmosfære.

I vårt høyteknologiske samfunn ville den påfølgende geomagnetiske stormen kunne skru av strømmen og kutte telekommunikasjonen på flere kontinenter.

Plasma rommer med andre ord enorme krefter, og nå vil fysikerne temme dem og skape framtidens drivstoff.

Nasa vil bruke motorer som drives frem av plasma til lange reiser ut i verdensrommet. Sonder skal utstyres med solceller som leverer den strømmen som skaper plasma.

© NASA

Luftplasma skal drive jetmotorer

I 1903 banet Wright-brødrene veien for luftfarten da de for første gang fikk et motordrevet fly i luften og fløy tolv sekunder i North Carolina.

115 år senere gjennomførte romfartsingeniøren Steven Barrett og kollegene hans fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) en flyvning som kan bli like revolusjonerende.

Et batteridrevet modellfly med et vingespenn på fem meter og en vekt på 2,45 kilo fløy 55 meter gjennom en stor hall. Det høres kanskje ikke så imponerende ut, men det fløy uten noe annet enn luften som sitt «drivstoff».

Under vinger på flyet henger det fire rekker lameller som har elektroder foran og bak. De forreste elektrodene har en positiv spenning på 20 000 volt, og det sterke elektriske feltet gjør om luftmolekylene til et plasma.

De positive nitrogen- og oksygen-ionene fra luften tiltrekkes nå av de bakerste elektrodene, som har en negativ spenning på 20 000 volt. Underveis mot elektroden treffer hvert positive ion millioner av omgivende nøytrale luftmolekyler, som sparkes bakover og gir fløyet framdrift.

Steven Barrett mener at teknologien kan utnyttes til å skape lydløse droner og passasjerfly der luftdrevne ion-motorer kan supplere vanlige jetmotorer.

Forskerne arbeider nå for å skape framdrift med en mindre elektrisk spenning, og de vil også utnytte hele flyets overflate til å skape framdriften.

100 millioner grader blir temperaturen i framtidens fusjonskraftverk.

Modellflyet fra MIT skyver seg framover med en beskjeden kraft på seks newton per kilowatt elektrisitet – en newton svarer omtrent til det trykket du merker på hånden din når du holder et eple i den.

Men nå har forskere fra Universitetet i Wuhan i Kina tatt et stort skritt framover for plasmamotorer til fly. De har utviklet en motor som leverer nesten seks ganger så mye kraft som MIT-flyet – 28 newton per kilowatt.

Motoren virker ved hjelp av mikrobølger, som gjør om luft til plasma med en temperatur på over tusen grader. Trykkluft blir blåst gjennom plasmaet, som utvider seg og presser seg eksplosivt ut av et rør.

I et forsøk med en liten prototype kunne plasmamotoren løfte et 1 kilo tung metallkule som lå over røret. Hvis forskeren klarer å skalere opp teknologien, mener de kinesiske forskerne at plasmajetmotorer som bare «forbrenner» luft, kan bli kraftige nok til å nærme seg styrken i moderne jetmotorer.

Fusjonsreaktoren Wendelstein 7-X i Greifswald i Tyskland er en såkalt stellarator, der magnetspoler løper rundt reaktorringen.

© Claus Lunau & JAMES PROVOST & MPIPP

Hvis plasmamotorer skal installeres på all verden jetfly, er det helt avgjørende å utvikle batterier som kan romme like mye energi i forhold til vekten som dagens fossile flydrivstoff kan – i dag kan litium-ion-batterier levere omkring 250 wattimer per kilo, fortsatt om lag 30 ganger mindre enn jetdrivstoff.

Hvis batteriene dessuten blir ladet opp med strøm fra solceller eller vindmøller, kan luft som gjøres om til plasma under flyvningen, gjøre framtidens luftfart helt klimanøytral.

Plasma driver rommets lastebiler

Det er ikke bare på jorden plasma har et stort potensial som drivstoff. I verdensrommet er den ekstremt varme aggregattilstanden enda mer effektiv som drivkraft fordi motorer ikke trenger å overvinne luftmotstanden og tyngdekraften som på jorden.

Og faktisk har romfartøy allerede fløyet rundt i verdensrommet ved hjelp av plasma som skapes i de såkalte ion-motorene, for eksempel Nasas satellitt Dawn, som gikk i bane rundt den store asteroiden Vesta og dvergplaneten Ceres.

Dawns motor virker ved at et sterkt elektrisk felt gjør om gass til et plasma, før de positive ionene i plasmaet blir sendt bakover gjennom en dyse og dermed skyver satellitten framover.

På de lengste romreisene har denne typen motor den ulempen at plasmaet får elektrodene til å ruste, noe som begrenser motorens levetid. For å minimere rusten kan bare edelgasser som xenon brukes som drivstoff.

Den utfordringen kan vi slippe hvis det lykkes å utvikle plasmamotorer der gass blir gjort om til plasma ved hjelp av radiobølger. Den andre teknikken som kan bane vei for plasmamotorer til romfart, er å holde plasmaet fast i et magnetisk bur slik at det ikke berører veggene i motorkammeret.

Firmaet Ad Astra har utviklet denne plasmamotoren som kalles VASIMR, som sender ut plasma med 50 000 m/s.

© Ad Astra Rocket Company

Dermed kan plasmamotorer komme til å bruke en utbredt gass som hydrogen som kan utvinnes mange steder relativt tett på jorden, for eksempel månen eller Mars.

Dermed kan motorer drevet av plasma få en hovedrolle i menneskets kolonisering av solsystemet, for romfartøy kan for eksempel fylles opp med hydrogen til hjemturen på baser rundt omkring på klodene.

Den som har ledertrøya innen plasmamotorer har navnet Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), og den har vært under utvikling i USA gjennom tiår, først hos Nasa og nå ved firmaet Ad Astra.

50.000 meter per sekund – så raskt skyter den nye motoren VASIMR plasma ut i verdensrommet.

I motorkammerets første rom blir gass varmet opp til flere tusen grader, slik at den gjøres om til plasma. Deretter dirigerer et magnetfelt plasmaet, som har elektrisk ladning, inn i et annet motorkammer der radiobølger varmer plasmaet opp til en million grader, slik at det utvider seg kraftig.

Til slutt dirigerer et magnetfelt plasmaet ut i verdensrommet gjennom en dyse – med hastigheter på over 50 000 meter i sekundet.

Med en strømstyrke på 200 kW kan plasmamotoren levere en kraft på 5 newton. Det er ikke nok til å løfte en rakett opp gjennom atmosfæren, men fullt tilstrekkelig til å sende et fartøy fra en bane rundt jorden og videre ut i verdensrommet.

Ad Astra er nå i gang med avgjørende tester av plasmamotoren som må prestere 100 timers kontinuerlig drift før den skal testes i verdensrommet. Teknologien kommer særlig i spill til fartøyer som frakter gods til og fra månen, men også til lange romreiser.

I den indre delen av solsystemet kan solpaneler faktisk levere strømmen, og først på reiser til de ytre planetene blir det nødvendig for eksempel å ta med en liten atomreaktor til å skape strøm.

Fusjonskraftverk skal holde plasma med en temperatur på 100–200 millioner grader fanget i et magnetisk bur, slik at atomene kan fusjonere og skape energi uten at plasmaet berører reaktorveggen og dermed avkjøles.

Tre teknikker konkurrerer om ledertrøyen:

© Claus Lunau & JAMES PROVOST & MPIPP

1. Tokamaken er mest gjennomprøvd

Reaktoren har form som et bildekk, og hydrogenplasmaet holdes fast av en sentral magnet i hullet i ringen og magnetspoler rundt ringen. Hydrogen vil kunne holdes fast i en time av gangen. Verdens største tokamak, som kalles ITER, holder på å bli bygget i Frankrike og skal innvies i 2025.

© Claus Lunau & JAMES PROVOST & MPIPP

2. Kuletokamaken kan ta ledelsen

I en kuletokamak er den sentrale magneten plassert nærmere selve plasmaet, noe som potensielt kan fastholde plasma i lengre tid. England bruker nå 2 milliarder kroner på å designe en stor tokamak som kalles STEP, som skal bane vei for kraftverk i begynnelsen av 2040-tallet.

© Claus Lunau & JAMES PROVOST & MPIPP

3. Stellaratoren skal kjøre kontinuerlig

Med Wendelstein 7-X satser Tyskland på stellaratoren. Forvridde magnetspoler rundt om reaktorringen kan i teorien fastholde et fusjonsplasma i buret i månedsvis, noe som vil være en fordel i et kommersielt fusjonskraftverk. Ulempen er at stellaratorer er ekstremt vanskelige og dyre å bygge.

Havvann kan bli til strøm

Den mest ambisiøse planen for bruken av plasma som drivstoff er et kraftverk som etterligner solen. Inne i solen eksisterer hydrogen i plasmatilstanden, der atomkjerner og elektroner er revet løs, og atomkjernene smelter sammen – fusjonerer – og blir til helium, slik at en enorm mengde energi blir frigjort.

Fysikere og ingeniører overalt i verden holder nå på å konstruere reaktorer der temperaturer på 100–200 millioner grader skal skape hydrogenplasma, slik at atomkjernene kan fusjonere, akkurat som inne i solen.

Solen består utelukkende av plasma. Inne i kjernen betyr plasmaets ekstreme varme at hydrogenatomkjerner fusjonerer og blir til helium, noe som frigir store mengder energi.

© Shutterstock

Det viktigste drivstoffet i fusjonskraftverk er såkalt tungt hydrogen, som kan utvinnes fra havvann, og supertungt hydrogen, som blir produsert i reaktoren ved å bestråle litium med nøytroner som blir sendt ut når hydrogen blir til helium.

De kjente reservene av litium er nok til tusen års forbruk, og havvann er i praksis en uendelig kilde til tungt hydrogen. Tungt hydrogen fra 40 liter havvann og supertungt hydrogen fra fem gram litium – som svarer til innholdet i batteriet til en mobiltelefon – kan levere like mye energi som 40 tonn kull.

Fusjonsverker blir sikre fordi hydrogenfusjoner kan stanses raskt ved å stenge av den kontinuerlige tilførselen av drivstoff til reaktorkammeret.

Dermed går reaktoren i stå på samme måte som en bilmotor som går tom for bensin. Fusjonsenergi etterlater heller ikke høyradioaktivt avfall, i motsetning til fisjonsenergi, som brukes i dagens atomkraftverk, fordi det eneste restproduktet er helium.

I framtidens energisystem, der energiforsyningen fra solceller og vindmøller vil variere med vind og vær, kan fusjonskraftverk levere et grunnivå av energi, slik at det alltid er grønn strøm i stikkontakten.

Dermed kan plasma bli naturtilstanden som tar oss fra kull og olje til en verden av uuttømmelig, klimavennlig energi.