Plazma, a negyedik halmazállapot: végtelen lehetőségek tárháza?

Plazmatévé, plazmalámpa, vérplazma – sok-sok különböző környezetben használjuk a plazma szót, a technológiáját pedig még több helyen. De mire is jó a plazma? Mire lehet használni? Hol van? És tulajdonképpen micsoda?

 Minden általános iskolás tudja, hogy az anyag három alapvető halmazállapotban tud létezni: szilárd, gáznemű, folyékony. Ugye? Nos, akkor minden általános iskolás rosszul tudja, van ugyanis egy negyedik alapvető halmazállapot is, a plazma.

Ezzel a legtöbb ember nincs tisztában, holott az univerzumban a plazma a leggyakoribb halmazállapot. Definíciója szerint elsősorban ionokból és elektronokból álló anyag. Az ion nem más, mint egy részecske, amely elvesztett, vagy felszedett egy elektront, így töltésre tett szert (negatívra vagy pozitívra, mindegy a plazmaság szempontjából). A töltéssel rendelkező ionok és az elektronok mind igen érzékenyek a mágneses és elektromos mezőkre és behatásokra. A plazma viselkedése alapvetően a gáz halmazállapotra emlékeztet, mivel a plazmának sincs kimondott formája, hanem kitölti a rendelkezésére álló teret. Annak ellenére, hogy erős töltéssel rendelkező egyedi molekulákból áll, magának a plazmának az összesített töltése semleges.

A négy alapvető halmazállapot: szilárd, folyékony, gáz és plazma

Ennek ellenére lehetséges töltéssel rendelkező plazma létrehozása, attól függően, hogy miből is áll majd: lehet pusztán elektronból, negatív vagy pozitív ionok tömegéből, pozitronokból vagy antiprotonokból létrehozni (egy kis antianyag plazmánál nincs is izgalmasabb!).

A plazmák tipikusan gázok hevítése során keletkeznek, amikor az elektronokkal való kötéseket az egyre magasabb energiaszint meggyengíti és szétoszlatja, melyek új kötéseket hozhatnak létre más atomokkal. Persze ez nem éppen 100°C-on történik…

Nem csak hevítéssel hozhatunk létre plazmát, hanem akkor is, ha igen erős mágneses mezővel vagy lézerrel megszakítjuk a molekulák közti kötéseket (egyébként ez is vezet hőmérsékletbeli növekedéshez). A legmagasabb hőmérsékletű plazma, amit a Földön előállítottak, Celsiusban 6.000.000.000.000 fokos volt, szemben a Nap magjának ehhez képes pudvás kis 5.000.000 fokjával.

Plazmát lövell a Nap. Hűvöset.

Természetesen a rekordhőmérsékletet a Nagy Hadronütköztetőben mérték, ahol egy kísérletben ólomionokat ütköztettek, amivel kvark-gluon plazmát hoztak létre, hogy az univerzum keletkezésekor való körülményeket szimulálják. Hogy a plazma plazma maradjon, a tudósok átmennek a chef és a művész keverékébe: precízen adagolják a hozzávalókat, energiát, elektronokat vonnak ki vagy adnak hozzá… Az újrakombinálódás egy különleges fajta fényt bocsát ki, ami a plazmák sajátja, és rengeteg információ kinyerhető belőle. Ha túl sok elektron kerül ismét atomhoz, a plazma visszatér gáz halmazállapotba, ha túl kevés kombinálódik, akkor viszont nő a plazma-állapotban tartáshoz szükséges energia mennyisége. A kulcsszó az óvatos egyensúly.

Hiába van a legközelebb a gáz tulajdonságaihoz, van egy-két nagy különbség is a kettő között: elektromágneses behatásra a szilárd anyagra jellemző formákat hoz létre, például szövetekbe, sugarakba vagy dupla rétegekbe rendeződik.

Leggyakoribb megjelenési helye a csillagok anyaga, de az intergalaktikus felhők sűrűbb részein és a galaxisok központjában is igen prominens. A földön a neon hirdetőtáblákban is plazma található.

Már Karinthy is írt a negyedik halmazállapotról… kattints a borítóra a könyvért!

És hogy mire is jó azon kívül, hogy menő Las Vegasi kaszinók hirdessenek vele, vagy hogy sötét, cyberpunk hangulatú utcarészleteket alkossunk? Hát, ugye van a plazma-képernyő: nemesgázok apró kis cellákba zárva a kijelző mentén úgy, hogyha feszültség söpör végig rajta, plazma keletkezik, és UV-fotonok kerülnek kibocsátásra (melyek az elektron-rekombináció eredménye). Aztán a fotonokat felveszi a cella fala, látható spektrumú fotonokat bocsátva tovább, kiadva a képet, amit látunk.

Persze nem a képernyőtechnika forradalmasítása miatt kezdték kutatni a plazma állapot felhasználási lehetőségeit – hanem a fúziós reaktorok miatt. Itt magas energiájú plazmát állítanának elő, hogy hidrogénatomokat fúzionáljanak héliummá. Ez ugyanaz a folyamat, amely a csillagok energiakibocsátásáért felel.

Egy ilyen plazma-alapú fúziós erőmű az Oxfordshire-ben található Joint European Torus, ahol a plazmát több külön elektromágneses mező kombinációja tartja tórusz formában. Itt a plazma imitálná a magas hőmérsékletet és nyomást, ami a csillagok magjában van, ahol a fúziós folyamatok zajlanak. Ha ez az erőmű (és pályatársai) egyszer beindulnak, az óriási áttörést jelent majd, hiszen a fúzió nem termel semmi káros mellék-anyagot, mint a nukleáris erőművek vagy a hőerőművek. Jelenleg tudásunk és a felhasználási próbálkozások még csak a felszínét kapargatják annak a hatalmas területnek, amit plazmafizikának nevezünk.

A négy alapvető halmazállapoton kívül még egy sor igen furcsa halmazállapot létezik: ilyen például a teljesség igénye nélkül a kvantum Hall-állapot, a Bose-Einstein sűrítmény, a szuperfolyékonyság, a szuperszilárdság, a furcsa anyag… Ezekhez igen extrém körülmények kellenek – és itt most neutroncsillag extrémségi szintről van szó – , jó párat még nem is sikerült megfigyelni közülük. Tehát a halmazállapotok terén is bőven akad kihasználatlan, kutatásra érdemes terület – ezeknek a halmazállapotoknak ugyanis számtalan felhasználási lehetősége lehet, melyekről jelen tudományos fejlettségünk mellett még álmodozni sem tudunk.

fromquarkstoquazars nyomán