Plasma i reaktor - Ny reaktor visar vägen till fusionsenergi

Plasma – vad är plasma?

Fast, flytande och gas är de tre aggregationstillstånd som vi möter i vår vardag. Men det fjärde tillståndet, plasma utgör faktiskt 99 procent av det synliga universum. Plasma är solens bränsle och i framtiden kan plasma kanske ge oss oändligt med energi.

Fast, flytande och gas är de tre aggregationstillstånd som vi möter i vår vardag. Men det fjärde tillståndet, plasma utgör faktiskt 99 procent av det synliga universum. Plasma är solens bränsle och i framtiden kan plasma kanske ge oss oändligt med energi.

UK Atomic Energy Authority

Vad är plasma?

Varje gång vi ser en blixt ser vi faktiskt plasma. Plasma är det fjärde aggregationstillståndet jämte de tre välkända gasform, flytande form och fast form.

Alla ämnen ändrar aggregationstillstånd när temperaturen stiger. Det känner vi till från exempelvis vatten.

När temperaturen är under noll grader blir vatten till is, vilket innebär att atomerna är fastlåsta i ett gallerverk.

Över fryspunkten blir vattnet flytande. Gallerverket går då sönder, varefter molekylerna blandas. När vattnet värms till 100 grader, kokpunkten, övergår det till en gas i form av vattenånga. Molekylerna rör sig då fritt i tre dimensioner.

Det är de tre aggregationstillstånd som vi är bekanta med. Men om vi fortsätter med uppvärmningen till över 1 000 grader delas vattenmolekylerna upp i syreatomer och väteatomer.

Och sedan, vid cirka 10 000–12 000 grader, sker övergången till det fjärde aggregationstillståndet: Värmen sliter loss elektroner från atomkärnorna och därmed omvandlar gasen till plasma.

I detta tillstånd rör sig positiva joner, som består av protoner och neutroner, och negativa elektroner fritt mellan varandra, vilket gör plasmat elektriskt ledande.

Blixtar skapar plasma eftersom de värmer upp luften till upp emot 25 000 grader. Den intensiva värmen skalar bort elektronerna från luftens kväve- och syreatomer och omvandlar dem från gas till en vit lysande plasma.

När temperaturen stiger övergår alla ämnen från fast till flytande form, gasform och sedan plasma, då atomerna separeras i kärna och elektroner – till exempel metallen aluminium som vi främst känner till i fast form.

Så omvandlas aluminium till plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Fast form: Atomer sitter fast i ett gallerverk

Aluminium, som används i allt från ölburkar till flygplan, är vid normala temperaturer ett fast ämne där atomerna sitter fastlåsta i ett gallerverk av kristall. Gallerverket behåller sin form till smältpunkten.

Så omvandlas aluminium till plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Flytande form: Atomer­ lösgör sig från gallerverket

Vid 660 graders värme smälter aluminium och övergår till flytande form. Det innebär att gallerverket av kristall bryts upp så att atomerna kan flyta omkring mellan varandra, men fortfarande inom en avgränsad volym.

Så omvandlas aluminium till plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Gasform: Atomer rör sig fritt

Vid 2 470 graders värme förångas aluminium och övergår till gasform. ­Atomerna rör sig fritt och volymen är obegränsad. Det är anledningen till att gas förvaras i förslutna behållare.

Så omvandlas aluminium till plasma
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Plasma: Hög värme ­separerar atomerna

Vid 5 400 grader sliter värmen loss de negativt laddade elektronerna från de positivt laddade atomkärnorna. Gasen övergår då till ett elektriskt ledande plasma där kärnorna och elektronerna rör sig fritt mellan varandra.

Plasma dominerar universum

Faktum är att över 99 procent av det synliga universum, de lysande stjärnorna och vätemolnen i och mellan galaxerna, består av plasma.

Vätemolnen är extremt tunna, men plasma kan också vara extremt kompakt trots att det är så varmt att atomerna slits isär. Så är fallet i stjärnor som solen, som helt och hållet består av plasma.

I solens 15 miljoner grader varma kärna är trycket hela 250 miljarder gånger trycket vid jordytan.

Det enorma trycket komprimerar väteplasmat så mycket att vätekärnorna övervinner sin inbördes elektriska repellering och fusionerar till helium, som skapar den energi som får solen att lysa.

Stenplaneter som jorden – som kretsar runt sin stjärna i den beboeliga zonen, där det finns rinnande vatten på ytan – utgör faktiskt ett sällsynt undantag i ett universum som domineras av plasma.

Blixt skapar plasma

En blixt hettar vanligtvis upp luften till 25 000 grader. Värmen innebär att luftens elektroner rivs bort från sina atomkärnor och därmed ändrar luften tillstånd till plasma.

© Shutterstock

Solens plasma kan mörklägga jorden

På jorden märker vi plasmat i solens över en miljon grader varma yttre atmosfär, den så kallade koronan.

Därifrån går en strid ström av plasma i form av protoner och elektroner, som träffar jordens övre atmosfär och skapar norrsken och sydsken vid polerna.

På solens repertoar står även veritabla plasmabomber. De avfyras i samband med de allra största solutbrotten, så kallade koronamassautkastningar, då en enorm bubbla med flera miljarder ton varmt plasma slungas ut från koronan, som i vissa fall riktas mot jorden.

I värsta fall kan bubblan skära rakt igenom jordens magnetfält och leda till att stora mängder av elektriskt laddade partiklar når långt ned i jordens atmosfär.

I vårt högtekniska samhälle skulle den därpå följande geomagnetiska stormen kunna slå ut el- och telekommunikationsnäten på flera kontinenter.

Plasma i solen kan märkas på jorden

Solen består uteslutande av plasma. Inuti kärnan leder plasmans extrema värme till att väteatomkärnor smälter och blir till helium, vilket leder till att stora mängder energi friges.

© Shutterstock

Plasma kan bli en oändlig energikälla

Redan i dag utnyttjar forskare och ingenjörer plasmats unika egenskaper i exempelvis lysrör och plasmaskärmar, men än så länge vet vi ytterst lite om hur vi kan tämja plasmats enorma energi.

Plasma kan även komma att ersätta jetbränsle i passagerarflygplan. Det tror kinesiska forskare, som har utvecklat en motor som enbart använder luft och ström för att skapa plasma som slungas ut genom ett rör.

Plasmamotorer kan också få en viktig roll i koloniseringen av solsystemet, eftersom motorerna är effektiva på långa avstånd där luftmotstånd och gravitation inte bromsar rymdfarkosterna.

Men det kanske största perspektivet är fusionsenergi – om fysikerna kan bli tillräckligt bra på att kontrollera det turbulenta aggregationstillståndet kan plasma bli en närmast outtömlig energikälla.

Fusionskraftverk ska stänga inne ett 100–200 miljoner grader varmt plasma i en magnetisk bur så att atomerna kan fusionera och skapa energi – precis som de processer som pågår inne i solen – utan att plasmat vidrör reaktorväggen och kyls ner.

Tre tekniker konkurrerar om ledartröjan: Tokamaken, den sfäriska tokamaken och stellaratorn.

Världens största tokamak ska enligt plan invigas i Frankrike 2025, medan den sfäriska tokamaken kan komma att ingå i kraftverk från och med 2040-talet – och stellaratorn är en “dark horse” eftersom tekniken är extremt svår och dyr att bygga jämfört med de båda andra teknikerna.