Pardon ten název. Ekologové nechť zase raději vylezou zpátky na stromy, vrátí se k zachraňování velryb, nebo co vůbec celý den dělají. Je dost podivné, jak málo lidí chápe základní procesy, které v přírodě, nebo chcete-li vesmíru, denně probíhají. Procesy, které přímo využíváme a na kterých jsme existenčně závislí. Od nepochopení procesů, jejich závislostí a podoby jejich cyklů, je pak jen krůček k chybným předpokladům a debilním rozhodnutím.
To v čem české školství dlouhodobě selhává, je uvádění informací do širších souvislostí. Zkusme to v rychlosti napravit.
Oheň
Když Science Channel v jednom pořadu sestavoval žebříček náročných dětských otázek, které mají dospělí problém správně zodpovědět, oheň byl na jednom z prvních míst. Bizarní. Staví nás to někam na úroveň člověka vzpřímeného, ten taky k ohni přišel jak slepý k houslím.
Oheň je tedy vnějším projevem exotermické oxidace, konkrétně jde o oblak plasmy reagujících látek emitujících světlo převážně typicky, nikoliv však nezbytně, ve viditelném spektru, jako jednu ze složek uvolněné energie.
Budeme moderní a vysvětlíme si hoření na prvku, který se do kamen moc často nedává – na vodíku.
2 H2 + O2 -> 2 H2O + 570 kJ/g
Vidíme, že čtyři atomy vodíku a dva kyslíku se poskládaly do dvou molekul vody a odněkud vypadlo skoro 600 kJ energie na jeden gram produktu. Je to vazební energie, jejíž souhrn je u vody nižší, chcete-li úspornější, než u molekul vodíku a kyslíku. K zahájení reakce je ale potřeba složky excitovat – určitým množstvím energie.
Pokud si představíte průběh grafu jako profil terénu, po kterém valíte těžký kámen, k jehož svržení do údolí je třeba překonat menší nebo větší kopec, dá vám to určité srovnání energetické bilance. Látky, kterým můžeme říkat třeba hořlavé, mají kopec nižší než je energetický zisk ze samotné reakce. Ta se tak stává řetězovou a ukončit lze jen spotřebováním nebo oddělením složek, případně dostatečným odebráním energie (ochlazením).
U vodíku, který má 20°C, je tento kopec vysoký kolem 130 kJ/g, hloubka údolí je pak asi 280 kJ/g
Mimochodem, jen pro zajímavost, vodík při hoření září v ultrafialové části spektra. Hezky je to (ne)vidět u raketoplánu, kdy hlavní trojice motorů vypadá, jakoby z nich během letu proudil jenom horký vzduch.
Při hoření tedy využíváme zbylou vazební energii. Vzhledem k tomu, že vesmír nemá v účetnictví brajgl, stejné množství energie je třeba vrátit zpět, pokud chceme například vodu opět rozštěpit. Oba zrcadlově opačné procesy tedy logicky není možné řetězit a očekávat zisk nějaké skryté energie, že se štěpení nějak „nastartuje“ nebo nějakou podobnou píčovinu. Vodíkový generátor ve flašce od okurek poháněný spalovacím motorem je perpetuum mobile prvního druhu.
Fotosyntéza
Ve svých motorech pálíme především uhlovodíky, získaná energie je rovna přebytečné vazební energii převážně mezi atomy uhlíku a vodíku a částečně atomy uhlíku samotného. Na 1 kg benzínu je to asi 45 MJ energie (čistý vodík je na tom přibližně třikrát lépe, lithiová baterie přibližně dvacetkrát hůře – tedy při normálním použití, ne hozená do ohně). Celkem případná otázka je (pro levicově založeného voliče vlastně možná ani ne), odkud se tato energie vzala, kdo vykonal práci na vytvoření těchto chemických vazeb?
Přesuňme čas o pár milionů let zpět a uvidíme rostliny, ze kterých fosilní paliva pocházejí. V jejich buňkách jsou obvykle chloroplasty převážně s pigmentem chlorofylem absorbujícím světlo s modrou a červenou vlnovou délkou. Zelená část spektra není příliš využita – což je docela fajn, jinak by byly listy rostlin depresivně šedé a ekologové by přišli o dominantní brand.
Zachycené světelné záření excituje elektrony molekul pigmentu, který pak předá energii reagujícím složkám – oxidu uhličitému, vodě a dalším anorganickým látkám – a vytvoří z nich organické sloučeniny, látky s uhlíkem jako základním stavebním prvkem. Zbylý kyslík je jako odpadní produkt uvolněn do atmosféry. Teplota a množství uhlíku výrazně ovlivňují rychlost reakce respektive růstu rostlin.
Bystřejší čtenář už zajisté chápe, že v ekologické nirváně, atmosféře bez zlých skleníkových plynů, by všechny rostliny závislé na fotosyntéze okamžitě chcíply. Celkem výmluvný je i následující graf, porovnávající objem oxidu uhličitého v atmosféře a růst vegetace. Rostliny tedy v uhlíkovém cyklu tvoří velmi rychlou zápornou zpětnou vazbu.
Dlouhé organické sloučeniny mrtvých rostlin se pak působením tepla a tlaku postupně štěpí na kratší a ve výsledku tvoří ložiska jednoduchých uhlovodíků v podobě ropy případně uhlí či různých plynů, kterým sice nebudeme říkat biomasa, ale v podstatě je to biomasa.
Tento proces samozřejmě jde uměle napodobit, ale taková výroba ropy opět principiálně nemůže skončit s kladnou energetickou bilancí, vždy bude na konci nějaký masivní zdroj energie – typicky slunce nebo produkt fotosyntézy, jako cukr, etanol nebo jiný uhlovodík. To pro případ, až vám bude nějaký kretén na Nově zase tvrdit, že vědci nalezli nevyčerpatelný zdroj energie přeměnou rybízového radleru na ropu.
Jaderná fúze
Možná už chápete tu ironii, všechny zdroje energie, které máme, jsou vlastně solární. Slunce ostatně bylo také celkem logicky, a vlastně správně, chápáno jako božský symbol u většiny pohanských kultur – pak se do toho ovšem přimotaly církve a se svou snůškou vymyšlených pitomostí udělaly z přirozené lidské touhy po víře šikovný nástroj kontroly.
Hvězda je objekt, který svou hmotností přesáhl hranici, kdy už jsou gravitační síly schopny překonat Coulombovu potenciálovou bariéru jader atomů v jeho středu. Ta hranice není zase tak velká. Kdyby byl Jupiter 90krát těžší, tak bychom teď měli druhé slunce.
Na obrázku vidíme řez takzvaným údolím stabilních nuklidů. Stejně jako sloučeniny, i samotné atomy mají různé (meta)stabilní varianty vnitřní konfigurace – říkejme jim třeba prvky. Sloučením některých lehkých prvků můžeme, stejně jako rozbitím některých těžkých, dosáhnout jiného stabilního stavu o nižší energetické hladině a zbytek energie využít.
Zpět ke Slunci. To v tuto chvíli každou sekundu tlakem sloučí 700 milionů tun vodíku na 695 milionů tun hélia se zbytkem 4×10^26 joulů energie. Bude v tom pokračovat ještě přibližně 7 milionů let, než vodík spotřebuje a reakce bude pokračovat slučováním helia na uhlík následovaným několika cykly expanze i kontrakce, po kterých zbude postupně chladnoucí převážně uhlíkové jádro – bílý a později černý trpaslík.
S hvězdou, která je přibližně 100x větší než Slunce je v této fázi víc legrace. Kolabující jádro tlakem přesáhne hranici potřebnou pro fúzi uhlíku a hvězda se tak v poslední předsmrtelné křeči změní v supernovu, vyzáří víc energie než za celý svůj život, vyrobí některé těžké prvky a působivě exploduje. Ve městě, kterému můžeme říkat třeba Betlém, tomu pak můžou lidé dávat různé podivné významy.
Hvězda přibližně 1000x větší než Slunce se pak případně navíc může zhroutit do takzvané neutronové hvězdy nebo přímo do černé díry, což je objekt dostatečně malý a hmotný aby měl únikovou rychlost větší než je rychlost světla.
Napodobení podmínek uvnitř jádra hvězdy takříkajíc v laboratorních podmínkách pochopitelně naráží na to, že vytvořit tlak sto miliard atmosfér jednoduše není možné. Respektive je to možné, ale toliko pokud nevadí, když při tom půjde do hajzlu polovina atolu Bikini. Když tedy nemůžeme zatlačit, můžeme přitopit. Konkrétně na teplotu sto milionů stupňů Celsia, kdy jádra Coulombovu bariéru překonají vlastním kmitáním. Odtud název termojaderná fúze.
Materiál, který by vydržel takovou teplotu, ovšem neexistuje. Stěny reaktoru tak musí tvořit něco jiného – magnetické pole. Konstrukčně nejjednodušší uzavřená magnetická nádoba je toroidní komora s axiálním magnetickým polem. Zkráceně tokamak. Pro zajímavost – první funkční experimentální tokamak, původně sovětský, je teď provozován na ČVUT v Praze.
Že není fúze jader v plazmě vodíku tak jednoduchá, jako strčit kus uranu do vody, se už v sedmdesátých letech mohli přesvědčit Sověti i Američani takříkajíc na vlastní oči. Proud plasmy je nestabilní, vysoce citlivý na kontaminaci cizími látkami a především, teorie popisující organizaci částic a turbulence v plasmě nejsou ani zdaleka ověřené, případně neexistují vůbec. Dokončit technologii termojaderné fúze bude vyžadovat značný počet experimentálních zařízení i měření, exabajtů dat a výpočetního času superpočítačů. A peněz, samozřejmě. Těch, které teď zrovna akutně potřebuje nigerijský chlapec Ubuntu, protože se jeho rodiče posledních tisíc let jenom mlátí klackama po hlavách.
We need to go deeper…
Zjistili jsme, že primární zdroj energie v našem vesmíru představují hvězdy, poháněné gravitační silou, související se základní vlastností hmoty – hmotností. Co dál? Co způsobuje hmotnost? A jaká částice vlastně zprostředkuje gravitační interakci hmoty? To nikdo neví. Zatím.
Jak řekl, a ovšem i poutavě demonstroval, Merovingian v Matrixu, všichni jsme obětí kauzality – vědět „proč“ je jediný zdroj moci v tomto světě. Zkuste si na to vzpomenout, až se vás nějaký dobrák zeptá, proč někde ve francouzském pohraničí za miliardy eur razit do skály kilometry tunelů vedoucích odnikud nikam a do nich stavět přístroje velké jako panelák, kvůli nějaké titěrné částici, která vlastně ani není částice.
Což nás přivádí k začátku a zároveň konci. Obnovitelný zdroj energie je vlastně oxymóron. Pokud vesmír nepodvádí a dodržuje první termodynamický zákon, musel by mít i tento celý cirkus kolem nás nějaký vnější zdroj energie, pokud by chtěl pokračovat stále dokola.
(4x známkováno, průměr: 1,50 z 5)