Energia - od czasów najdawniejszych do dalekiej przyszłości #20 energia potencjalna, czyli Robin Hood w akcji (cz. 5)

W ramach kolejnej odsłony cyklu zajmiemy się polem grawitacyjnym jako „więzieniem” i możliwościami ucieczki z kolejnych jego poziomów. Korzystając z okazji, wybiegniemy też nieco w przyszłość. Rozważymy możliwość skonstruowania urządzeń grawitacyjnych oraz pól siłowych. Poznamy naturalne pole siłowe, któremu zawdzięczamy życie. Dowiemy się także dlaczego do dzisiaj nie mamy elektrowni termojądrowych na Ziemi, a codziennie musimy na takie patrzeć i to zarówno w dzień jak i w nocy.

Gwiazdy i tokamaki, czyli więzienia dla plazmy

Grawitacji nie da się ekranować i trudno nią manipulować. Od lat próbujemy skonstruować reaktor termojądrowy jednak nie możemy brać przykładu ze Słońca, które jest takim naturalnym reaktorem. Musimy stosować różne inne metody, aby zmusić lekkie jądra atomowe do syntezy (do połączenia się), czyli reakcji termojądrowych. W warunkach ziemskich próbujemy uwięzić plazmę w polach magnetycznych (ze względu na temperatury przekraczające 100 mln kelwinów). Ma to miejsce w urządzeniach takich jak tokamaki i stellatory, w których to próbujemy doprowadzić do przebiegu reakcji termojądrowych. Te metody choć są obiecujące nadal nie pozwalają na konstrukcję elektrowni termojądrowej. Z reakcjami termojądrowymi radzimy sobie świetnie, ale w sposób ”niekontrolowany”, bo w bombach termojądrowych (wodorowych). Pomimo, że detonacja pierwszego ładunku termojądrowego miała miejsce w 1952 r. do dzisiaj nie możemy skonstruować urządzeń pozwalających w sposób kontrolowany „czerpać” energię z reakcji termojądrowych z dodatnim bilansem. Do „pojedynczych” reakcji potrafimy doprowadzić, ale przy próbach na większej skali pojawiają się problemy. W gwiazdach (naturalnych reaktorach termojądrowych) nie ma takich problemów jak w warunkach ziemskich, ze względu na ich ogromne masy i związane z nimi pola grawitacyjne. Zagęszczenie grawitacyjne materiału gwiazdy powoduje jej podgrzewanie, co oznacza, że rośnie średnia energia kinetyczna atomów. Jest ona na tyle duża, że mogą zachodzić reakcje termojądrowe. Innymi słowy, wielka siła grawitacyjna wywołana wielką masą gwiazd utrzymuje w jednym miejscu plazmę wytwarzaną we wnętrzu gwiazdy i zapobiega ucieczce z plazmy produktów reakcji termojądrowych. Na Ziemi jest to niemożliwe do zastosowania, bo tylko masy rzędu mas gwiazd mogą wytworzyć odpowiednio silne pole grawitacyjne.

Urządzenia grawitacyjne i pola siłowe, czyli osłony przed zagrożeniem (zewnętrznym i wewnętrznym)

Pomimo specyfiki grawitacji i niemożności jej ekranowania i manipulacji, bardzo często w literaturze SF wykorzystuje się różnego typu urządzenia grawitacyjne. Pojęcie sztucznej grawitacji wprowadza wiele zamieszania. Jest ono wykorzystywane zazwyczaj na dwa sposoby. Pierwszy to wytworzenie siły odśrodkowej wywołującej sztucznie pozorną siłę ciążenia. Nie jest, to więc żadna manipulacja polem grawitacyjnym, które w tym obszarze jest takie samo. „Sztuczna grawitacja” jest bardzo ważna dla długotrwałych lotów kosmicznych, ponieważ długotrwały stan nieważkości bardzo źle wpływa na organizm ludzi. Drugi sposób to prawdziwe SF. Stosuje się tajemnicze urządzenia, które po aktywacji generują pole grawitacyjne o odpowiednich właściwościach. Oczywiście nie są podawane dokładne szczegóły techniczne, gdyż takich urządzeń nie ma i nawet trudno byłoby sobie wyobrazić ich dokładne zasady działania. Zazwyczaj scenarzyści/pisarze mówią o emiterze grawitonów (na razie to hipotetyczne cząstki) lub mikroskopijnych czarnych dziurach. Póki co, możemy o nich jedynie pomarzyć. Nikt jednak nie wie co czeka nas w przyszłości.

Niektórzy idą jeszcze dalej. Dla przykładu w serialu Stargate SG-1 w sezonie 6, odcinek 6 („Abyss”), zastosowano więzienie grawitacyjne i lokalne zmiany pola grawitacyjnego w wybranym obszarze przestrzeni. Dosyć ciekawa i bardzo widowiskowa koncepcja. Strażnik wprowadza więźnia do długiej wąskiej celi. Zabezpiecza wyjście tajemniczym polem siłowym, a następie aktywuje urządzenie powodujące, że przeciwległa do wejścia ściana celi staje się jej dnem. Więzień  opada na niąjak na dno studni. Wtedy sformułowanie „uwięzieni w studni potencjału” nabiera dosłownego znaczenia. Podobna sytuacja ma miejsce przy torturowaniu więźnia, kiedy to sztylety i krople kwasu są upuszczane na więźnia stojącego naprzeciwko, a nie pod torturującym. Po prostu w pewnym miejscu w przestrzeni lokalnie odwrócono kierunek działania grawitacji o 90 stopni. Pojęcie „w przód” po przekroczeniu pewnej granicy w przestrzeni staje się pojęciem „w dół”. Jak widać, ludzka wyobraźnia sięga bardzo daleko. Na razie nie jest to nawet teoretycznie wykonalne, na pewno nie w przypadku pola grawitacyjnego.

Jak widać, możliwość manipulowania różnymi potencjałami jest bardzo ważna w technologii. To na pewno przyszłość, bo dzięki temu rozwiązalibyśmy wiele różnych problemów. Ze względu na warunki panujące w przestrzeni kosmicznej (zjawiska o dużych energiach/temperaturach) oraz wiele innych sytuacji, które mogą wystąpić, żaden materiał nie jest w stanie zapewnić skutecznej ochrony. Pola siłowe mogłyby taką zapewnić. Mogłyby chronić reaktory i różnego rodzaju urządzenia energetyczne oraz kadłuby statków i innych obiektów. Przecież statki w Star Trek mają właśnie osłony, które nie są materialne. Akurat w tych przypadkach nie mówi się o potencjałach grawitacyjnych, ale o innych rodzajach pól siłowych. Głównie mówi się o odziaływaniach elektromagnetycznych. Z pewnością teraz nie ma to aż takiego dużego znaczenia jakie będzie miało w przyszłości. Kiedyś wyszliśmy z jaskiń „na zewnątrz” i opanowaliśmy całą planetę. Wszystko na to wskazuje, że na planecie się nie skończy. Obecnie skonstruowane przez nas urządzenia opuszczają Układ Słoneczny. Chęć rozwoju wymusza opracowanie nowych technologii, które umożliwią nam eksplorację na dużo większą skalę niż dotychczas. Na razie jednak pozostaje mieć tylko nadzieję, że dzisiejsze marzenia staną się jutrzejszą rzeczywistością.

Naturalne pole siłowe Ziemi

Gdyby jednak ktoś pokusił się o zarzut, że to zbyt duże wybieganie w przyszłość to ja z kolei pokuszę się o stwierdzenie, że ludzkość ma już takie pole siłowe i zawdzięczamy mu życie. Tak, to właśnie pole magnetyczne naszej planety chroni nas przed wiatrem słonecznym i ogólnie przed promieniowaniem kosmicznym. Dlatego tak trudno przeprowadzać załogowe loty kosmiczne. Od dawna mamy technologię umożliwiające lot choćby na Marsa. Jednak astronauci poddani długotrwałemu działaniu promieniowania kosmicznego naraziliby się na uszkodzenia komórek i choroby nowotworowe. Wytworzenie bariery ograniczającej wpływ promieniowania na komórki jest podstawą do przeprowadzania takich lotów.

Jak widać pola siłowe to marzenie. Sztucznie wytwarzane mogłyby nam pomóc dotrzeć do miejsc trudno dostępnych. Zapewniałyby nam dwustronną osłonę: wewnętrzną – zapobiegając wydostaniu się niepożądanych substancji oraz zewnętrzną – stanowiącą barierę uniemożliwiającą oddziaływanie na obiekty znajdujące się w określonej przestrzeni.

Należy pamiętać, że pole siłowe nie stanowi bariery materialnej, zbudowanej z atomów. Inaczej nazywane jest polem energetycznym i jest związane z oddziaływaniami. Dotyczy więc potencjałów. Ze względu na właściwości i zasięg oddziaływań rozważa się głównie oddziaływania elektromagnetyczne.

Spektrum zastosowań pól siłowych jest bardzo duże. Oprócz więzień i osłon przed bronią oraz zabezpieczeniem urządzeń może stanowić barierę dla sztucznych ekosystemów. Bardzo częsty motyw w SF, gdzie ludzkość żyje pod kopułami - w zależności od zaawansowania - materialnymi, albo energetycznymi (polami siłowymi). Może też umożliwiać lokalne oddzielenie od próżni kosmicznej, albo nawet gasić pożary, odcinając dostęp do tlenu w okolicach płomienia.

Do dokładniejszego opisu pół siłowych wrócimy jeszcze w przyszłych tekstach, kiedy będziemy opisywać energię i ludzkość w dalekiej przyszłości.

Wszyscy jesteśmy "więźniami"

Grawitacja utrzymuje nas na powierzchni planety. Inaczej polecielibyśmy w przestrzeń kosmiczną, co nie byłoby dla nas miłą przygodą. Wiele jej zawdzięczamy. Jednak kiedy pojawiają się bardzo odległe marzenia o lotach kosmicznych dostrzegamy, że tak naprawdę jesteśmy uwięzieni. Oczywiście dla zdecydowanej większości to żaden problem, bo w jakim celu obecnie mielibyśmy chcieć opuścić naszą planetę. Pomarzyć jednak zawsze wolno i dlatego można rozważać możliwość podróży do miejsc oddalonych od Ziemi. Poza tym znając ewolucję gwiazd wiemy, że jeżeli ludzkość będzie wystarczająco długo istniała, to kiedyś nastąpi moment, kiedy opuszczenie naszej planety lub Układu Słonecznego stanie się koniecznością. Uświadomimy sobie wtedy, że będziemy musieli dysponować technologią, która uwolni nas z kolejnych poziomów „więzienia” - potencjału grawitacyjnego (Ziemi lub Słońca) oraz umożliwi nam długi lot (ograniczenie związane z prędkością światła w próżni). Właśnie pierwszym takim „więzieniem” jest studnia potencjału grawitacyjnego, wytworzonego przez masę naszej planety. Jak wiemy z poprzednich tekstów II prędkość kosmiczna daje nam w tym przypadku wolność. Jednak, gdybyśmy chcieli taką podroż kontynuować to należy pamiętać, że wciąż jesteśmy pod działaniem grawitacji naszej gwiazdy – Słońca. Cały Układ słoneczny staje się więc kolejnym grawitacyjnym więzieniem. Ale i z niego można się uwolnić przy udziale prędkości kosmicznej (tym razem III). Tutaj znowu pojawia się piękno nauki. Układ Słoneczny jest złożonym układem grawitacyjnym, w którym obiekty poruszają się (jest układem dynamicznym). Dlatego wartość tej prędkości będzie inna przy założeniu braku ruchu planety, a inna, gdy wykorzystamy ruch Ziemi wokół Słońca. Oczywiście zależy ona też od tego, czy będziemy startować zgodnie z kierunkiem ruchu, czy przeciwnie do kierunku ruchu. Czy to koniec poziomów więzienia? Oczywiście, że nie. Przecież mamy Galaktykę (Nasza to Droga Mleczna). IV prędkość kosmiczna dałaby nam możliwość ucieczki. Jednak tutaj sprawa się komplikuje ze względu na odległości konieczne do pokonania. Prędkość światła jest zdecydowanie niewystarczająca, aby opuścić Galaktykę w zadowalającym czasie. Kolejny poziom to gromada galaktyk (nasza to Grupa Lokalna). „Najwyższym” poziomem to supergromada galaktyk (Nasza to Laniakea). Potem zostaje już tylko Wszechświat. Chyba, że puścimy wodze fantazji i włączymy do rozważań wszechświaty równoległe i podróże pomiędzy nim. Ale to już temat na inną okazję…

Jakie są zatem perspektywy lotów kosmicznych w przyszłości? Prędkość światła to poważna bariera i bez długotrwałej hibernacji, zmiany formy istnienia (Avatary, forma cyfrowa itp.) lub tuneli czasoprzestrzennych dalekie podróże będą niemożliwe. Dodatkowo wszystko utrudnia fakt, że Wszechświat się rozszerza i od jakiegoś czasu wiemy, że tempo tego rozszerzania jest coraz większe. Nasze możliwości eksploracyjne są więc bardzo ograniczone.