Plasma blir det ultimata bränslet

Det är blixtens kraftiga energiurladdning som omvandlar luften till plasma, i vilket atomernas kärnor och elektroner är åtskilda.

På bråkdelen av en sekund utlöses en strömstyrka av 10 000 ampere, som i överljudshastighet rör sig från molnet till marken och värmer luften inom de närmaste tio centimeterna till 25 000 grader.

Den intensiva värmen skalar bort elektronerna från luftens kväve- och syreatomer och omvandlar dem från gas till plasma – det vita lysande tillståndet vi ser.

I princip alla ämnen kan övergå till plasma. Det enda som krävs är en tillräckligt hög temperatur för att slita loss elektronerna från atomernas kärnor.

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

Plasma kan komma att ersätta jetbränsle i passagerarflygplan och det är även tänkt att plasmamotorer ska få en viktig roll i koloniseringen av solsystemet.

Om fysikerna blir tillräckligt bra på att kontrollera det turbulenta aggregationstillståndet kan plasma bli en närmast outtömlig energikälla.

Nästan hela universum är plasma

Alla ämnens aggregationstillstånd förändras när temperaturen stiger. Det känner vi till från exempelvis vatten.

När temperaturen är under noll grader blir vatten till is, där 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.

Detta är de tre aggregationstillstånd är vi 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, då värmen sliter loss elektroner från atom-kärnorna 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.

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.

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 ta sig rakt igenom jordens magnetsköld så att stora mängder elektriskt laddade partiklar tränger långt in i jordens atmosfär.

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

Plasma kan med andra ord bidra med enorma krafter, och nu vill fysikerna tämja dem för att skapa framtidens bränsle.

Luftplasma ska driva jetmotorer

1903 banade bröderna Wright väg för luftfart när de för första gången fick ett motordrivet flygplan att lätta från en höjd i delstaten North Carolina i USA och flyga i tolv sekunder.

115 år senare genomförde rymdfartsingenjören Steven Barrett och hans kollegor vid amerikanska Massachusetts Institute of Technology (MIT) en flygning som kan bli lika revolutionerande.

Deras batteridrivna modellflygplan med fem meters vingbredd och en vikt på 2,45 kilo flög 55 meter i en stor hall. Det låter kanske inte så imponerande – men planet flög med enbart luft som ”bränsle”.

Under planets vingar hänger fyra rader lameller med elektroder framtill och baktill. De främre elektroderna har en positiv spänning på 20 000 volt och det starka elektriska fältet omvandlar luftmolekylerna till ett plasma.

Luftens positiva kväve- och syrejonerna attraheras av de bakre elektroderna, som har en negativ spänning på 20 000 volt. På väg mot elektroden träffar varje positiv jon miljontals omgivande neutrala luftmolekyler som slungas bakåt och skapar framdrivning åt planet.

Steven Barrett tror att tekniken kan användas för att skapa ljudlösa drönare och passagerarflygplan, där luftdrivna jonmotorer kan fungera som komplement till vanliga jetmotorer.

Forskarna arbetar nu med att skapa framdrivning med mindre elektrisk spänning, och de ska även utnyttja hela planets yta för att åstadkomma framdrivningen.

Modellflygplanet från MIT drivs med en blygsam kraft av sex newton per kilowatt el. En newton motsvarar ungefär det tryck du känner i handen när du håller i ett äpple.

Nu har emellertid forskare vid Wuhans universitet i Kina tagit ett stort steg framåt när det gäller plasmamotorer i flygplan. De har utvecklat en motor som genererar närmare 28 newton per kilowatt, sex gånger mer än MIT-planet.

Motorn fungerar med hjälp av mikrovågor som omvandlar luft till över tusen grader varm plasma. Tryckluft blåses genom plasmat, som expanderar och med explosiv kraft slungas ut ur ett rör.

I ett försök med en liten prototyp kunde plasmamotorn lyfta ett metallklot på ett kilo som låg ovanpå röret. Om man lyckas skala upp tekniken bedömer de kinesiska forskarna att plasmajetmotorer som inte ”förbränner” något annat än luft kan komma att närma sig moderna jetmotorers styrka.

För att plasmamotorer ska kunna installeras på världens alla jetflygplan är det helt avgörande att utveckla batterier som genererar lika mycket energi i förhållande till sin vikt som dagens fossila flygbränslen. I dag kan litiumjonbatterier ge omkring 250 wattimmar per kilo, vilket är cirka 30 gånger mindre än jetbränsle.

Om batterierna laddas med el från solceller eller vindkraftverk kan luft som omvandlas till plasma under flygningen göra framtidens luftfart klimatneutral.

Plasma driver rymdens lastbilar

Det är inte bara på jorden plasma har stor potential som bränsle. I rymden är det extremt varma aggregationstillståndet ännu effektivare som drivkraft, eftersom motorer där inte behöver övervinna vare sig luftmotstånd eller gravitation, som på jorden.

Faktum är att rymdfarkoster redan har flugit i rymden med hjälp av plasma som skapas i så kallade jonmotorer, till exempel Nasas satellit Dawn som placerades i omloppsbana runt den stora asteroiden Vesta och dvärgplaneten Ceres.

Dawns motor fungerar genom att ett starkt elektriskt fält omvandlar gas till ett plasma, varefter de positiva jonerna i plasmat sänds bakåt genom en dysa och på så sätt driver satelliten framåt.

Under längre rymdresor är nackdelen med denna motortyp att plasmat gör att elektroderna rostar, vilket begränsar motorns livslängd. För att minimera rosten kan bara ädelgaser som xenon användas som drivmedel.

Det kan vi dock komma runt om vi utvecklar plasmamotorer där gas omvandlas till plasma med hjälp av radiovågor. En annan teknik som kan bana väg för plasmamotorer i rymden är att hålla fast plasmat i en magnetisk bur så att det inte kommer i kontakt med motorkammarens väggar.

Då kan plasmamotorer använda en vanlig gas som väte, som kan utvinnas på många platser relativt nära jorden – exempelvis på månen eller Mars.

Då kan plasmadrivna motorer få en huvudroll i människans kolonisering av solsystemet, eftersom rymdfarkosterna kan tankas med till exempel väte inför hemfärden på baser på olika planeter.

Den främsta plasmamotorkandidaten, Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (Vasimr), har varit under utveckling i USA i årtionden, först inom Nasa och sedan av företaget Ad Astra.

I motorkammarens första rum värms gas upp till flera tusen grader, så att den omvandlas till plasma. Därefter leder ett magnetfält in det elektriskt laddade plasmat i en annan motorkammare, där radiovågor värmer upp plasmat till en miljon grader så att det utvidgas kraftigt.

Slutligen leder ett magnetfält ut plasmat i rymden genom en dysa i hastigheter över 50 000 meter i sekunden.

Med en strömstyrka på 200 kilowatt kan plasmamotorn generera en kraft på fem newton. Det räcker inte för att sända upp en raket genom atmosfären, men det är fullt tillräckligt för att sända en farkost ur omloppsbana runt jorden och vidare ut i rymden.

Ad Astra genomför nu avgörande tester av plasmamotorn, som ska prestera 100 timmars kontinuerlig drift innan den testas i rymden. Tekniken kommer att vara användbar till farkoster som fraktar gods till och från månen, men också vid långa rymdresor.

I solsystemets inre delar kan solpaneler producera elen, så det är först vid resor till de yttre planeterna som det behövs en liten kärnreaktor för att producera el.

Havsvatten kan bli elektricitet

Den mest ambitiösa planen för användning av plasma som bränsle är ett kraftverk som efterliknar solen. I solen förekommer väte i plasmatillstånd, med åtskilda atomkärnor och elektroner.

Atomkärnorna smälter samman, fusionerar, och övergår till helium, varvid en enorm energi genereras.

Fysiker och ingenjörer runtom i världen håller nu på att konstruera reaktorer där temperaturer på 100–200 miljoner grader ska skapa väteplasma, så att atomkärnorna kan fusionera på samma sätt som i solen.

Det viktigaste bränslet i fusionskraftverk är så kallat tungt väte, som kan utvinnas ur havsvatten, och supertungt väte som produceras i reaktorn genom att litium bestrålas med neutroner som avges när vätet övergår till helium.

De kända litiumreserverna räcker till tusen års förbrukning och havsvatten är en närmast oändlig källa till tungt väte. Tungt väte från 40 liter havsvatten och supertungt väte från fem gram litium – motsvarande innehållet i en mobiltelefons batteri – kan generera lika mycket energi som 40 ton kol.

Fusionskraftverk blir säkra eftersom väte­fusion kan avbrytas snabbt genom att man stänger av tillförseln av bränsle till reaktorkammaren.

Då stannar reaktorn på samma sätt som en bilmotor som får slut på bensin. Till skillnad från fissionsenergi, som används i moderna kärnkraftverk, lämnar inte heller fusionsenergi efter sig något högradioaktivt avfall eftersom den enda restprodukten är helium.

I framtidens energisystem, där energiförsörjningen från solceller och vindkraftverk kommer att variera med väder och vind, kan fusionskraftverk stå för en grundnivå av energi så att det alltid finns miljövänlig el i vägguttaget.

På så sätt kan plasma bli det som hjälper oss att slippa ifrån kol och olja och klara omställningen till en värld av outtömlig, klimatvänlig energi.