Plasma bliver det ultimative brændstof

Det er lynets intense energiudladning, der omdanner luften til plasma, hvor atomernes kerner og elektroner er skilt ad.

På et splitsekund udløses 10.000 amperes strømstyrke, der bevæger sig fra skyen til jordoverfladen med overlydshastighed og opvarmer luften inden for de nærmeste ti centimeter til 25.000 grader.

Den intense varme skræller elektronerne af kvælstofatomerne og iltatomerne i luften og omdanner dem dermed fra gas til plasma, den hvidt lysende tilstand, vi kan se.

I princippet kan alle stoffer blive til plasma. Det kræver bare høje nok temperaturer til at flå elektronerne fri af atomernes kerner.

Forskere og ingeniører udnytter allerede i dag plasmas unikke egenskaber i fx lysstofrør og plasmafjernsyn, men vi er kun lige begyndt at forstå og tæmme plasmaets enorme energi.

Plasma kan komme til at afløse jetbrændstof i passagerfly, og plasmamotorer er tiltænkt en afgørende rolle i koloniseringen af Solsystemet.

Hvis fysikerne kan manipulere den turbulente tilstandsform præcist nok, kan plasma endda blive en praktisk talt uudtømmelig energikilde.

99 procent af universet er plasma

Alle stoffer ændrer tilstand, i takt med at temperaturen stiger. Det kendes fra fx vand.

Når temperaturen er under nul grader, er vandet fast is, hvilket vil sige, at atomerne sidder fastlåst i et gitter. Over frysepunktet bliver vandet flydende – gitteret går i stykker, og molekylerne bevæger sig rundt mellem hinanden.

Når vandet opvarmes til kogepunktet på 100 grader, bliver det til en gas i form af vanddamp: Molekylerne bevæger sig helt frit rundt i tre dimensioner. Det er de tre tilstandsformer, vi kender fra hverdagen.

Men hvis vi fortsætter opvarmningen op over 1000 grader, begynder vandmolekylerne at dele sig op i iltatomer og brintatomer.

Og så, oppe ved ca. 10.000-12.000 grader, sker forvandlingen til den fjerde tilstand: Varmen rykker elektroner fri af atomkernerne og omdanner dermed gassen til plasma.

I denne tilstand bevæger positive ioner, der består af protoner og neutroner, og negative elektroner sig frit rundt imellem hinanden, hvilket gør plasma elektrisk ledende.

Faktisk består over 99 procent af det synlige univers – de lysende stjerner og brintskyerne i og mellem galakserne – af plasma.

Brintskyerne er ekstremt tynde, men plasma kan også være ekstremt kompakt, selvom det er så varmt, at atomerne bliver revet fra hinanden.

Det er tilfældet i hjertet af stjerner som Solen, som udelukkende består af plasma.

I Solens 15 millioner grader varme kerne er trykket hele 250 milliarder gange trykket ved Jordens overflade.

Det enorme tryk presser brintplasmaet så tæt sammen, at brintkernerne overvinder deres indbyrdes elektriske frastødning og fusionerer til helium, hvilket skaber den energi, som får Solen til at lyse.

Klippeplaneter som Jorden, der omkredser deres stjerne i den beboelige zone, hvor vand flyder på overfladen, er faktisk en sjælden undtagelse i et univers domineret af plasma.

På Jorden mærker vi plasmaet i Solens over en million grader varme, ydre atmosfære, den såkaldte korona. Herfra løber der en konstant strøm af plasma i form af protoner og elektroner, som rammer Jordens øvre atmosfære og skaber nordlys og sydlys over polerne.

Men Solen har også deciderede plasmabomber på repertoiret ved de største soludbrud, de såkaldte koronale masseudkastninger, hvor en gigantisk boble med mange milliarder tons varmt plasma bliver skudt ud af koronaen og nogle gange har kurs direkte mod Jorden.

I værste fald kan boblen skære tværs gennem Jordens magnetskjold, så store mængder af elektrisk ladede partikler vælter dybt ind i Jordens atmosfære.

I vores højteknologiske samfund ville den efterfølgende geomagnetiske storm kunne slukke for strømmen og telekommunikationen på flere kontinenter.

Plasmaer rummer med andre ord enorme kræfter, og nu vil fysikerne tæmme dem og skabe fremtidens brændstof.

Luftplasma skal drive jetmotorer

I 1903 banede Wright-brødrene vejen for luftfarten, da de for første gang fik et motordrevet fly i luften og fløj 12 sekunder fra en høj i North Carolina.

115 år senere gennemførte rumfartsingeniøren Steven Barrett og hans kolleger fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) en flyvning, som kan blive lige så revolutionerende.

Deres batteridrevne modelfly med et vingefang på fem meter og en vægt på 2,45 kg fløj 55 meter gennem en stor hal. Umiddelbart lyder det måske ikke så imponerende, men flyet fløj med intet andet end luften som dets “brændstof”.

Under flyets vinger hænger fire rækker lameller, som har elektroder foran og bagpå. De forreste elektroder har en positiv spænding på 20.000 volt, og det stærke elektriske felt omdanner luftmolekylerne til et plasma.

De positive kvælstof- og ilt-ioner fra luften tiltrækkes nu af de bagerste elektroder, som har en negativ spænding på 20.000 volt. Undervejs mod elektroden rammer hver positive ion millioner af omgivende neutrale luftmolekyler, som sparkes bagud og giver flyet fremdrift.

Steven Barrett mener, at teknologien kan udnyttes til at skabe lydløse droner og passagerfly, hvor luftdrevne ionmotorer kan supplere almindelige jetmotorer.

Forskerne arbejder nu på at skabe fremdrift med en mindre elektrisk spænding, og de vil også udnytte hele flyets overflade til at skabe fremdriften.

Modelflyet fra MIT skubber sig fremad med en beskeden kraft på seks newton pr. kilowatt elektricitet – en newton svarer omtrent til det tryk, du mærker på din hånd, når du holder et æble i den.

Men nu har forskere fra Wuhans universitet i Kina taget et stort skridt fremad for plasmamotorer til fly. De har udviklet en motor, som leverer næsten seks gange så meget kraft som MIT-flyet – 28 newton pr. kilowatt.

Motoren virker ved hjælp af mikrobølger, som omdanner luft til over tusind grader varmt plasma. Trykluft bliver blæst igennem plasmaet, som udvider sig og presser sig eksplosivt ud af et rør.

I et forsøg med en lille prototype kunne plasmamotoren løfte en 1 kg tung metalkugle, som lå oven på røret. Hvis det lykkes at opskalere teknologien, vurderer de kinesiske forskere, at plasma-jetmotorer, som kun “forbrænder” luft, kan blive kraftige nok til at nærme sig styrken i moderne jetmotorer.

Hvis plasmamotorer skal installeres på alverdens jetfly, er det helt afgørende at udvikle batterier, der kan rumme lige så meget energi i forhold til deres vægt, som nutidens fossile flybrændstoffer kan – i dag kan litium-ion-batterier levere omkring 250 watt-timer pr. kg, stadig ca. 30 gange mindre end jetbrændstof.

Hvis batterierne derudover bliver opladet med strøm fra solceller eller vindmøller, kan luft, som omdannes til plasma under flyvningen, gøre fremtidens luftfart fuldstændig klimaneutral.

Plasma driver rummets lastbiler

Det er ikke kun på Jorden, at plasma har et stort potentiale som brændstof. I rummet er den ekstremt varme tilstandsform endnu mere effektiv som drivkraft, fordi motorer ikke behøver at overvinde luftmodstanden og tyngdekraften som på Jorden.

Og faktisk har rumfartøjer allerede fløjet rundt i rummet ved hjælp af plasma, der skabes i de såkaldte ionmotorer, for eksempel NASA’s satellit Dawn, som gik i kredsløb om den store asteroide Vesta og dværgplaneten Ceres.

Dawns motor virker ved, at et stærkt elektrisk felt omdanner gas til et plasma, hvorefter de positive ioner i plasmaet bliver sendt bagud gennem en dyse og dermed skubber satellitten fremad.

På de længste rumrejser har denne type motor den ulempe, at plasmaet får elektroderne til at ruste, hvilket begrænser motorens levetid. For at minimere rusten kan kun ædelgasser som xenon anvendes som drivmiddel.

Dén udfordring kan vi slippe for, hvis det lykkes at udvikle plasmamotorer, hvor gas bliver omdannet til plasma ved hjælp af radiobølger. Den anden teknik, der kan bane vejen for plasmamotorer til rumfart, er at fastholde plasmaet i et magnetisk bur, så det ikke rører væggene i motorkammeret.

På den måde kan plasmamotorer komme til at bruge en udbredt gas som brint, der kan udvindes mange steder relativt tæt på Jorden, fx Månen eller Mars.

Dermed kan motorer drevet af plasma få en hovedrolle i menneskets kolonisering af Solsystemet, for rumfartøjer kan fx tankes op med brint til hjemturen på baser rundtomkring på kloderne.

Frontløberen inden for plasmamotorer har det mundrette navn Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR), og den har været under udvikling i USA gennem årtier, først hos NASA og nu ved firmaet Ad Astra.

I motorkammerets første rum bliver gas opvarmet til flere tusind grader, hvorved den omdannes til plasma. Derefter dirigerer et magnetfelt det elektrisk ladede plasma ind i et andet motorkammer, hvor radiobølger opvarmer plasmaet til en million grader, så det udvider sig kraftigt.

Til sidst dirigerer et magnetfelt plasmaet ud i rummet gennem en dyse – med hastigheder 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 at løfte en raket op gennem atmosfæren, men fuldt tilstrækkeligt til at sende et fartøj fra et kredsløb omkring Jorden og videre ud i rummet.

Ad Astra er nu i gang med afgørende tests af plasmamotoren, der skal præstere 100 timers kontinuerlig drift, inden den skal afprøves i rummet. Teknologien kommer især i spil til fartøjer, der fragter gods til og fra Månen, men også til lange rumrejser.

I den indre del af Solsystemet kan solpaneler endda levere strømmen, og først på rejser til de ydre planeter bliver det nødvendigt fx at medbringe en lille atomreaktor til at skabe strøm.

Havvand kan blive til strøm

Den mest ambitiøse plan for vores brug af plasma som brændstof er et kraftværk, der efterligner Solen. Inde i Solen eksisterer brint i plasmatilstanden, hvor atomkerner og elektroner er splittet ad, og atomkernerne smelter løbende sammen – fusionerer – og bliver til helium, hvormed en enorm energi udlades.

Fysikere og ingeniører overalt i verden er netop nu ved at konstruere reaktorer, hvor temperaturer på 100-200 millioner grader skal skabe brintplasma, så atomkernerne kan fusionere ligesom inde i Solen.

Det vigtigste brændstof i fusionskraftværker er såkaldt tung brint, som kan udvindes fra havvand, og supertung brint, som bliver produceret i reaktoren ved at bestråle litium med neutroner, som bliver udsendt, når brint bliver til helium.

De kendte reserver af litium rækker til tusind års forbrug, og havvand er i praksis en uendelig kilde til tung brint. Tung brint fra 40 liter havvand og supertung brint fra fem gram litium – svarende til indholdet i en mobiltelefons batteri – kan levere lige så meget energi som 40 tons kul.

Fusionsværker bliver sikre, fordi brintfusioner kan standses hurtigt ved at lukke for den kontinuerlige tilførsel af brændstof til reaktorkammeret.

Dermed går reaktoren i stå på samme måde som en bilmotor, der løber tør for benzin. Fusionsenergi efterlader heller ikke højradioaktivt brændselsaffald i modsætning til fissionsenergi, der bruges i nutidens atomkraftværker, fordi det eneste restprodukt er helium.

I fremtidens energisystem, hvor energiforsyningen fra solceller og vindmøller vil svinge med vind og vejr, kan fusionskraftværker levere et grundniveau af energi, så der altid er grøn strøm i stikkontakten.

Dermed kan plasma blive naturtilstanden, som tager os fra kul og olie til en verden af uudtømmelig, klimavenlig energi.