Solar Zyklu

Entsprechend der Temperatur in der Sonne, wurde festgestellt, dass die Abgabe der Energie der Sonne hauptsächlich das Ergebnis einer Reihe von Fusionsreaktionen, des sogenannten Proton-Proton-Zyklus (abgekürzt: pp-Zyklus). Einzelnen Stufen dieses Zyklus werden durch die vier nuklearen Gleichung (mit der entsprechenden freigesetzten Energie) dargestdellt:

  1. Die erste Gleichung

    zeigt, dass die zwei Protonen kombiniert werden, um den Deuteriumkern zu herstellen (schwerer Wasserstoff beinhaltet ein Proton und ein Neutron) zusammen in dem Ergebnis mit einem Positron (e+) und eine nahezu schwerelosem "Neutrino", zu herstellen. Im Gegensatz zu den Photonen wird das Neutrino, ungestört durch die stetigen Kollisions auf seinem Weg von dem Sonnenkern bis zu der Oberfläche, in etwa zwei Sekunden mit der Lichtgeschwindigkeit im Raum verloren.

  2. Wie in dieser zweiten Gleichung gezeigt wird, kollidieren die Positronen bald mit einem Elektron, sodass diesen beiden Antiteilchen zerstört werden, wobei ihre Gesamtmasse in die Energie in Form von Gammaphotonen umgewandelt wird. Die freigesetzte Energie kann durch Ersetzen der Masse der Elektronen und Positronen in Einstein-Gleichung berechnet werden,

    Und das entspricht 1,02 MeV (1 eV = 1,6.10-19J, wie in der obigen Gleichung gezeigt ist.

  3. In der nächsten dritten Stufe des pp-Zyklus verbindet sich Nukleon (Proton) des Wasserstoffs mit dem vorher geformten Deuterium, um den Nukleus des dritten Helium‘s Isotops zu bilden, wodurch die zusätzlicher Energie des Gammastrahlphotons von 5,49 MeV freigegeben wird.

  4. Während der letzten Reaktion dieses Zyklus, die in der vierten Gleichung gezeigt ist

    werden zwei Isotopen kombiniert, um ein stabilen viertes Heliumisotop und zwei Protonen (Wasserstoffkerne) zu bilden, sowie die Energie von 12.86 MeV zu freigeben.

Da für die Herstellung des endgültigen Heliumkerns zwei Atome des dritten Heliumisotops erforderlich sind, ist es offensichtlich, dass für jede Reaktion des letzten vierten Stufes jeweils zwei Reaktionen von der ersten bis zur dritten Stufe notwendig sind. Zur Bestimmung der freigesetzten Gesamtenergie des Gesamtzyklus folgt dementsprechend:

Das heißt, Gesamtwirkung des pp-Zyklus ist, dass vier Protonen kombiniert werden um ein 42He (Helium) Kern, zwei Positronen, zwei Neutrinos und zwei Gammastrahlen zu erzeugen, was nach der Addition von Gleichungen allen vier stufen gezeigt werden kann

Die Sonne erzeugt Energie mit einer unglaublichen Geschwindigkeit mit dem Verbrauch ihre Masse, was aus der Berechnung des Masseverlusts zu sehen ist. Ausgehend von der Atommasseneinheit (u), weis jedes Proton eine Masse von 1,0078265 und Heliumnukleus (α-Teilchen) eine Masse von 4,002603 u auf. Nach dem Einsetzen in der vorhergehenden Gleichung folgt

wo das Glied in Klammern die Gesamtenergiefreisetzungsrate, E, darstellt, die aufgrund der Gleichung die letzte Stufe durch die wiederholte Anwendung der Einstein-Gleichung berechnet werden kann, d. h.

Dieses Ergebnis ist im völligen Einklang mit dem Wert, das durch die Addition der Energien aus allen einzelnen Stufen des pp-Zyklus gewonnen wurde (wie zuvor gezeigt).

Ausgehend von der Gesamtenergie die die Sonne abgibt, die auf der Grundlage der genauen radiometrischen Messungen berechnet werden kann, kann man feststellen, dass die Anzahl solcher Zyklen, die in dem Solarkern in einer Sekunde stattfinden ~ 9 × 1037 sind. Auf dieser Grundlage ist die gesamtfreigegebene Energie

die man als "Sonnenhelligkeit" L (luminosity) bezeichnet.

Durch Multiplikation des Massenverlusts in einem Zyklus mit der Anzahl von Zyklen von 9 x 1037/s wird erhalten

Dies zeigt, dass in jeder Sekunde ~ 4,3 Millionen Tonnen der Sonnenmasse in Energie umgewandelt wird. Obwohl diese erstaunliche Masse scheint sehr groß zu sein, ist sie, bezogen auf das Gesamtgewicht der Sonne von etwa 1,98 × 1030 kg unerheblich. Während seiner Lebensdauer von rund 10 Milliarden Jahre wird der Sonne weniger als 0,05 Prozent ihres ursprünglichen Gewichts auf Kosten Energieumwandlung der Masse in Energie verlieren.

Die Herausforderung, diese Energie auf die Erde hervorzubringen ist sehr ernst und die Wissenschaftler haben bereits große Fortschritte in dieser Hinsicht erzielt. Einmal entwickelt, wird die Fusion eine praktisch unerschöpfliche, sichere, geeignet für die Umwelt und für alle verfügbare Energiequelle darstellen.

Diese Energie ist effektiv und sauber, hat fast überhaupt keine belastenden Folgen. Natürlich sind die Fusionsprozesse und die Materialien auf der Erde unterschiedlich gegenüber der Sonne, aber dieses Problem ist bereits gelöst.

Der Fortschritt der Fusionsforschung lässt sich am besten im Fusionsprodukt n•Tn•τ messen, das hier gegen die Plasmatemperatur T aufgetragen ist. (Misst man T in Energieeinheiten, so entspricht 1 keV 11,6 Millionen Kelvin). Der Bereich der Zündung im Bild entspricht der kontinuierlichen Funktion der Produktionsanlage.

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