Vì sao phản ứng nung chảy lại có tên trong 100 phát hiện khoa học vĩ đại nhất?

Năng lượng được tạo ra trong quá trình nung chảy chính là nguồn gốc của năng lượng mặt trời. Trên thực tế đây là nguồn năng lượng vô tận, nó được hình thành nên do sự nung chảy của hidro và liti – hai loại nguyên tố phổ biến trong vỏ trái đất. Phản ứng nung chảy rất sạch, thân thiên với môi trường và không ô nhiễm. Vào thời điểm cuối thập kỷ thứ nhất và những năm 20 của thế kỷ XX, con người đã đưa ra lý luận về sự nung chảy. Đến năm 30 của thế kỷ XX, con người đã dùng phương pháp toán học để miêu tả phản ứng này, và cuối cùng vào năm 1951 đã khám phá ra công nghệ nung chảy (thông qua những phản ứng trong phòng thí nghiệm). Không lâu sau đó, công nghệ nung chảy được ứng dụng trong việc chế tạo bom khinh khí (bom hidro).

Mặc dù vậy, cho đến nay phản ứng nung chảy vẫn chưa được ứng dụng trong thực tế để phục vụ con người, nó chỉ được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Nếu có thể áp dụng ứng dụng này trong thực tế, thì chắc chắn sẽ giải quyết được vấn đề về thiếu hụt năng lượng cho hàng nghìn năm.

Phản ứng nung chảy được phát hiện ra như thế nào?

Các nhà khoa học đã từng cho rằng trên thực tế thì ánh sáng và nhiệt độ mà mặt trời phát ra là do kết quả của quá trình tự đốt cháy các vật chất bên trong của nó. Vào thế kỷ thứ XIX, một số nhà khoa học (tiêu biểu nhất là nhà khoa học người Anh Lord Kelvin) đã tranh luận rằng: mặt trời có thể tạo ra nhiệt lượng bằng quá trình giảm sức hút của bản thân nó, nhưng quá trình này chỉ có thể duy trì trong vài triệu năm.

Nhưng vào năm 1905, phương trình nổi tiếng của Einstein (E = mc²) đã khiến cho các nhà khoa học nhận thức rằng ngay cả những vật chất có số lượng nhỏ cũng có thể chuyển hóa thành năng lượng cực mạnh. Năm 1919, nhà thiên văn học nổi tiếng người Mỹ Henry Russell đã miêu tả quá trình toán học và vật lý trong đó mặt trời đã dung hợp nguyên tử hidro thành nguyên tử heli và giải phóng ra một khối lượng năng lượng khổng lồ. Ông đã đặt tên cho quá trình này là phản ứng nung chảy. Lý luận về nguyên lý mặt trời này đã được nhà thiên văn học Francis Aston chứng thực vào năm 1920.

Học thuyết nung chảy đã có những phản ứng này có thực sự khả thi trên trái đất hay không? Năm 1920, nhà thiên văn học người Đức là Hans Bethe đã dùng phương pháp toán học để mô tả tỉ mỉ quá trình tiến hành phản ứng nung chảy trên trái đất. Nhưng lý luận của ông tồn tại một vấn đề: Lý luận trình bày rằng phải tăng nhiệt độ cho nguyên tử hidro đến 100 triệu độ C (khoảng 180 triệu độ F), và phải thu hẹp trong phạm vi không gian cực nhỏ thì các hạt proto có trong nhân nguyên tử hidro mới có thể và đập vào nhau và hợp nhất vào hạt nhân nguyên tử heli. Không có vật chất hoặc năng lượng đã biết nào có thể tiến hành được quá trình này.

Năm 1948, tiến sĩ Lyman Spitzer đã xây dựng một phòng thí nghiệm vật lý Plasma thuộc trường đại học Princeton. Không lâu sau đó ông đã phát hiện ra một giải pháp duy nhất để thực hiện phản ứng nung chảy đó là phải có một từ trường năng lượng lớn, ông tạo ra từ trường bằng cách sử dụng một ống nghiệm bên trong có chứa đầy khí hidro và quấn bên ngoài bình những vòng dây kim loại từ đó tạo ra từ trường. Và như vậy sẽ có thể dùng tia laser tăng nhiệt độ của nguyên tử hidro đến vài triệu độ và vẫn giữ chúng ở trong ống nghiệm.

Nhưng vấn đề lại xuất hiện. Ông quấn xuống phía dưới phần giữa ống nghiệm vô số những vòng dây kim loại, sau đó lại quấn ở phần trên mặt ngoài ống nghiệm. Trên thực tế mật độ dây kim loại bên trong sẽ dày hơn ở bên ngoài, như vậy từ trường ở bên trong (phần trung tâm) ông nghiệm sẽ mạnh hơn so với từ trường mặt ngoài, từ trường này sẽ làm các phần tử hidro bắn ra khỏi ống nghiệm với tốc độ của ánh sáng. Và như vậy không thể tiến hành quá trình nung chảy.

Sau đó, Spitzer phát minh ra một phương pháp rất kỳ diệu. Ông đã vặn ống nghiệm hình tròn có chứa hidro thành hình số 8. Khi hidro trong ống nghiệm khuếch tán, một phần hidro sẽ văng đến chỗ trũng phía trong của ống nghiệm hình số 8, một phần khác thì bám vào mặt ngoài. Và như vậy nguyên tử hidro sẽ không bị từ trường đẩy ra khỏi ống nghiệm.

Năm 1951, Spitzer đã hoàn thành thiết bị tạo sẹ nung chảy thể plasma hidro đầu tiên, nó được gọi là thiết bị mô phỏng các vì sao bởi vì giống như chế tạo ra một ngôi sao. Và thời gian nung trong lần đầu tiên duy trì chỉ trong khoảng vài phần giây nên không có cách nào để khẳng định thể plasma hidro với nhiệt độ cực cao này có chuyển hóa thành bom heli hay không.

Sau ba giây, khí trong ống nghiệm hình tròn bắt đầu bốc cháy, ánh sáng của nó giống như ánh sáng của một ngôi sao băng, sáng chói như mặt trời phát sáng ở 70 triệu độ. Độ sáng và sức nóng của khí làm cho người ta khó có thể tưởng tượng được, sau khi khối khí nổi thì hình thành nên vùng plasma hidro có đường kính 2 fool, năng lượng tỏa ra như một hồ nước sôi sùng sục, sau đó dần dần chuyển màu tím thẫm và cháy sau khoảng hai giây thì chuyển thành màu đen.

Dường như Lyman Spitzer đã tạo ra một ngôi sao mới tron nháy mắt. Điều quan trọng là ông đã phát hiện rằng phản ứng này có thể thực hiện ngay trên trái đất.

schoolnet