Plazma: Potężna moc, której nie ujarzmił człowiek

Pierwszego lutego 2003 roku na wysokości 63 kilometrów nad Teksasem rozegrała się jedna z największych tragedii w dziejach podróży kosmicznych. W trakcie podejścia do lądowania wahadłowiec Columbia eksplodował w powietrzu. Ponad 12 000 fragmentów promu zostało rozsianych na powierzchni kilku stanów. Załoga nie miała żadnej szansy na przeżycie.

Co wywołało katastrofę? Według oficjalnej dokumentacji wypadku był to uszkodzony fragment poszycia termicznego lewego skrzydła statku o długości zaledwie 25 centymetrów. Zniszczenia spowodowała jednak... plazma, czyli zjonizowane powietrze, które zaczęło wdzierać się do wnętrza  Columbii, gdy weszła ona w atmosferę z prędkością ok. 20.000 km/h. Ten strumień rozpalonego gazu zniszczył czujniki, przepalił instalację, doprowadził do oderwania się fragmentu skrzydła i w efekcie - rozpadnięcia się całego promu.

Czym jest ów zagadkowy "czwarty stan skupienia materii"? W jakich warunkach powstaje? I czy możliwe jest, aby wytworzył się przy zetknięciu krawędzi skrzydeł wahadłowca z rozrzedzonym w górnych warstwach atmosfery powietrzem?

Na pytanie o to, jakie formy może przyjmować materia, jeszcze do niedawna odpowiedź znał każdy uczeń: "stałą, płynną i gazową". Gdybyśmy jednak zapytali o to astrofizyków, odpowiedzieliby najprawdopodobniej: - Materia jest plazmą - a wszystko inne jest nieistotne. Faktycznie: 99% całej znanej nam materii wszechświata stanowi plazma. To, co nas otacza na Ziemi, w skali kosmosu jest swego rodzaju egzotyką.

Na początku była plazma. To prowokacyjne przekonanie amerykańskiego eksperta w dziedzinie plazmy, dr. Erica Lernera: - Nie było Wielkiego Wybuchu. Wszechświat nie powstał z niczego, lecz istniał zawsze - w postaci plazmy. Czym ona właściwie jest? Tworzy się, gdy bardzo mocno podgrzeje się gaz. W wyniku tego następuje jego jonizacja: staje się on przewodnikiem elektrycznym i zaczyna świecić.

Tak pojawia się (sprawiające wrażenie pozaziemskiego) światło plazmowe. Wspaniałe zdjęcia mgławic gwiezdnych wykonane przez teleskop Hubble’a przedstawiają w rzeczywistości burze plazmowe, które towarzyszą narodzinom oraz śmierci gwiazd i  są generowane przez potężne strumienie energii. Plazma ma w kosmosie fundamentalne znaczenie.

 - Organizuje galaktyki, zaopatruje gwiazdy w energię, rodzi planety i wpływa na pogodę oraz organizmy na Ziemi - mówią kontrowersyjni fizycy David Talbott i  Wallace Thornhill.

A jak zamknąć ten ogień na małym ekranie? Przecież nic we wszechświecie nie może być gorętsze od plazmy. Aby można ją było wykorzystać w codziennym życiu, należy ją wyprodukować pod niskim ciśnieniem. Wtedy jonizowana jest tylko pewna część atomów gazu - uwalniają one wówczas stosunkowo mało energii w postaci ciepła, a reszta  gazu pozostaje zimna. Ostatecznie maksymalne temperatury wynoszą w tym wypadku 50oC. Ekrany plazmowe składają się z setek tysięcy małych komórek. Każda z nich zawiera mieszaninę gazów szlachetnych: argonu i ksenonu. Jeśli będzie ona poddana działaniu prądu, gaz zacznie wysyłać światło ultrafioletowe.

Fizyka plazmy jest rewolucyjnym obszarem nauki. W firmie badawczej Lawrenceville Plasma Physics, założonej przez wspomnianego dr. Lernera, w eksperymentalnym reaktorze fuzji jądrowej (Dense Plasma Focus) poprzez elektromagnetyczne zagęszczanie plazmy wygenerowano prąd z wodoru i boru.

Procedura otrzymała już amerykański patent. Ponieważ w przypadku fuzji tych dwóch pierwiastków praktycznie nie występuje promieniowanie radioaktywne, a jako produkt końcowy powstaje hel, dr Lerner uważa, iż elektrownie plazmowe są  niewyczerpanym źródłem energii - a można je zainstalować nawet w garażu. To prawdziwa energetyczna rewolucja, zważywszy, że naukowcy imitują w ten sposób procesy zachodzące we wnętrzu Słońca!

Jedna z  tajnych baz U.S. Army w północnej Syrii na terenach opanowanych przez siły kurdyjskie. W zapadającym zmroku do punktu kontrolnego zbliża się wyglądający na miejscowego cywil. Nagle rozlega się rozrywający uszy pisk, a przed potencjalnym zamachowcem jakby znikąd pojawia się kurtyna ze świecących kul gazu. Jeśli spróbowałby podnieść rękę, aby ją rozsunąć, w ciągu milisekund padłby ogłuszony na ziemię.

Co się kryje za tymi "czarami"? To plazmowa tarcza akustyczna (ang. Plasma Acoustic Shield System, PASS). - PASS działa z wykorzystaniem lasera, który ekstremalnie nagrzewa powietrze i generuje plazmę. Do tego  dochodzi fala uderzeniowa, poruszająca się z ponaddźwiękową prędkością, która tworzy jasny błysk i ogłuszający hałas - mówi  Keith Braun z Wydziału Zaawansowanych Systemów Broni Energetycznej amerykańskiej armii. Fazę testów PASS ma dawno za sobą, a jego producent, firma Stellar Photonics, zdążyła przedstawić wersję przystosowaną do używania w samochodach terenowych HMMWV - ma ona większy zasięg i moc.

Od dawna placówki badawcze potęg militarnych pracują nad skonstruowaniem plazmowej "nie śmier cionośnej broni". Eksperci z Instytutu Matematyki Stosowanej w Moskwie twierdzą, że już zaprojektowali 100­-kilogramowy generator plazmy, za pomocą którego można uczynić każdy samolot niewidocznym nawet dla nowoczesnych radarów. Stany Zjednoczone natomiast testują LIPE (ang. Laser­Induced Plasma Effect), czyli urządzenie do rozpędzania demonstrantów. Strzela ono błękitnymi kulami plazmy i wytwarza ogłuszający hałas na poziomie 130 decybeli.

Jest jeszcze sprawa występujących na całym świecie dziwnych zjawisk świetlnych, poprzedzających silne trzęsienia ziemi. Istnieją "eksperci", którzy twierdzą, że mieniące się na biało lub żółto kule to sztucznie wygenerowana plazma, powstała w wyniku działania promieniowania pochodzącego z tajnej amerykańskiej placówki badawczej HAARP na Alasce.

W rzeczywistości jednak wytłumaczenie takich scen jest naturalne. Gdy we wnętrzu Ziemi gigantyczne rzeki magmy powodują zderzenia płyt tektonicznych i napięcia w skałach tworzących płaszcz planety, strumienie energii jonizują tlen oraz przenikają w postaci plazmy na powierzchnię, rozładowując się w atmosferze. To sprawia, że powietrze zaczyna się żarzyć. Podobnie tłumaczy się powstawanie innego fenomenu atmosferycznego, czyli osiągających wielkość od kilku centymetrów do półtora metra piorunów kulistych.

Wyniki badań laboratoryjnych sugerują, iż są to chmury plazmy tworzące się z wody, krzemu i zjonizowanego powietrza po uderzeniu "normalnego" pioruna. Potwierdziło to nagranie wideo wykonane w roku 2014 przez chińskich naukowców, którym udało się uchwycić kamerą trwające ok. sekundy niezwykłe zjawisko powstałe po pojawieniu się błyskawicy. Analiza spektralna nagrania wykazała w świecącej kuli obecność krzemu, żelaza oraz wapnia.

W międzyczasie nauka poznała różne zdarzenia z udziałem plazmy w zewnętrznych warstwach atmosfery. Zarejestrowane po raz pierwszy w roku 1989 zjawisko zwane czerwonym sprite’em (duszkiem, chochlikiem) jest jednym z nich. To tworzące się na wysokości od 70 do 90 km nad powierzchnią ziemi świetlne widowisko jest efektem jonizacji i powstawania plazmy.

Z "czwartym stanem skupienia materii" związany jest też inny spektakl, który rozgrywa się nad naszymi głowami: zorza polarna. Świecenie przybierającej różne kolory oraz kształty aurora borealis jest wywołane przez jonizację atomów tlenu oraz azotu w wyniku zderzeń z szybkimi elektronami wnikającymi do atmosfery, określanymi jako tzw. wiatr słoneczny. Powstaje w ten sposób rozgrzany, świecący gaz - a więc plazma. To niezwykłe zjawisko świetlne można zaobserwować niekiedy także nad północnymi obszarami Polski. Czy zorza zaprze nam dech w piersiach także tej zimy?