Τι πλάσμα είσαι εσύ;

Σοφία και διορατικότητα θα έλεγες ότι συναντήθηκαν την ίδια στιγμή στη σκέψη του Αμερικανού Ιρβινγκ Λενγκμάιρ (1881-1957) όταν το 1928 χρησιμοποίησε τον όρο «πλάσμα» για να χαρακτηρίσει μια κατάσταση της ύλης με «παράξενες», για την εποχή εκείνη, ιδιότητες, σε σύγκριση με αυτές των στερεών, των υγρών και των αερίων.

Ανέτρεξε συνειδητά στην αρχαία ελληνική λέξη «πλάσμα», που είχε συνδεθεί από το 1845 με το αίμα και αρχικά σήμαινε κάτι από εύπλαστο υλικό. Ως ιατρικός όρος χρησιμοποιήθηκε από τα μέσα του 19ου αιώνα για το υγρό που ρέει στο σώμα μεταφέροντας στα διάφορα σημεία του βασικές ουσίες του αίματος αλλά και τα ερυθρά και τα λευκά αιμοσφαίρια. Και ο Λενγκμάιρ είχε πει στους συνεργάτες του ότι η αθρόα κίνηση των ηλεκτρονίων από τη θερμή κάθοδο μιας λυχνίας προς την άνοδο του θύμιζε τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρεται το πλάσμα και τον ρόλο του στην κυκλοφορία του αίματος: «Εκτός από την περιοχή κοντά στα ηλεκτρόδια, το ιονισμένο αέριο περιλαμβάνει σχεδόν ισάριθμα ιόντα και ηλεκτρόνια… Θα χρησιμοποιήσουμε το όνομα πλάσμα για να περιγράψουμε τις συνθήκες όπου υπάρχουν περίπου αριθμητικά ισοσταθμισμένα στην περιοχή φορτία (λόγω της παρουσίας) ηλεκτρονίων και ιόντων».

Πανταχού παρόν

Κεραυνοί, λάμπες φθορισμού, ηλιακές κηλίδες, σωλήνες νέον και το βόρειο σέλας είναι κάποιες από τις περιπτώσεις που συναντάς το πλάσμα στη Γη και στη γειτονιά της. Ακόμα και σε έναν φούρνο μικροκυμάτων εν λειτουργία που μέσα σε αυτόν έχουμε δύο μεγάλες ρώγες από σταφύλι σε επαφή θα δούμε να σχηματίζεται από πάνω τους ένα εντυπωσιακό φωτοστέφανο χάρη στο πλάσμα που δημιουργείται (https://www.youtube.com/watch?v=wCrtk-pyP0I).

Επάνω στη Γη συνήθως το πλάσμα δημιουργείται με τεχνητό τρόπο. Αντίθετα, φθάνοντας σε απομακρυσμένα σημεία, όπου βρίσκονται μαύρες οπές, ή και στα άκρα του Σύμπαντος, εκεί είναι σχεδόν αδιανόητο να υπάρχουν εντελώς ακέραια και άφθαρτα άτομα, άρα θα επικρατεί σε ποσοστό 99,9% αυτή η ιδιαίτερη μορφή ύλης που δεν μπορεί να ενταχθεί στα στερεά, στα υγρά ή στα αέρια.

Κάποιος έγραψε ότι η λέξη «πλάσμα» όπως και η λέξη «καιρός» είναι υπερβολικά απλές για να αποδώσουν ολοκληρωμένα την ουσία τους. Στην περίπτωση του πλάσματος θα πρέπει να το έχουμε στο μυαλό μας ως ένα σύνολο φορτισμένων σωματιδίων που η δυναμική συμπεριφορά τους καθορίζεται από την επίδραση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων. Αυτό το τελευταίο είναι που ξεχωρίζει το πλάσμα από ένα αέριο με ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα ή μόρια. Και δεν είναι απαραίτητο να υπάρχει πλήρης ισορροπία μεταξύ των φορτισμένων θετικά και αρνητικά σωματιδίων. Και με μικρές σχετικά αποκλίσεις σε ένα τέτοιο σύνολο θεωρείται ότι συνολικά θα έχουμε συμπεριφορά πλάσματος.

Το ουσιαστικό είναι, χωρίς να έχουν απομακρυνθεί από αυτά, να έχουν φύγει ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια από τα άτομα. Αυτό που μένει όταν αποσπώνται ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια λέγεται ιόν (= κάτι που κινείται) και είναι προφανώς θετικά φορτισμένο, αφού στα ηλεκτρικά ουδέτερα άτομα πάντα τα θετικά φορτία είναι όσα και τα αρνητικά.

Πόσο εύκολα αποσπώνται ηλεκτρόνια από τα άτομα; Καθόλου εύκολα. Και μια ιδέα δίνει η περίπτωση του υδρογόνου με το μοναδικό του ηλεκτρόνιο να περιφέρεται γύρω από τον πυρήνα με το ένα πρωτόνιο. Χρειάζεται ενέργεια 13,6 eV για να χωριστεί το ηλεκτρόνιο από το πρωτόνιο στον πυρήνα. Και αυτό, αν θέλουμε να το μεταφράσουμε σε κάτι περισσότερο κατανοητό, σημαίνει ότι για τον αποχωρισμό αυτόν θα χρειαζόταν θερμική ενέργεια που να ανεβάζει τη θερμοκρασία κοντά στους 11.500 βαθμούς Κελσίου! Μια θερμοκρασία που είναι τέσσερις φορές μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία στο νήμα μιας κλασικής λάμπας ή δύο φορές μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του ηλίου. Και αυτό ανεξάρτητα από τον όγκο του πλάσματος. Από τους σωλήνες νέον των φωτεινών επιγραφών έως τον ηλιακό άνεμο αλλά και τις πολύ μεγάλες ποσότητες ψυχρού πλάσματος που απλώνονται για δεκάδες τρισεκατομμύρια χιλιόμετρα έως τις υπώρειες του Σύμπαντος.

Τροφοδότης ήλιος

Ο στερεός πάγος επάνω από τους 0 βαθμούς γίνεται νερό και το νερό μετά τους 100 βαθμούς Κελσίου ατμός. Αν σε αυτή την αρχική ποσότητα νερού που έχει μετατραπεί πλέον σε ατμό συνεχιστεί η παροχή θερμικής ενέργειας τι θα της συμβεί; Θα υπάρξει και άλλη μετατροπή; Η απάντηση είναι πως ναι, θα υπάρξει, αν ο ατμός φθάσει να έχει μια θερμοκρασία γύρω στους 12.000 βαθμούς Κελσίου. Σπάζουν οι δεσμοί στο μόριο του νερού και προκύπτουν άτομα υδρογόνου και οξυγόνου. Αλλά υπάρχει και συνέχεια, όπου και κάποια από τα ηλεκτρόνια θα αποδεσμευθούν από τις τροχιές τους γύρω από τους πυρήνες. Το φαινόμενο λέγεται ιονισμός και, εκτός από όσα ηλεκτρόνια βρίσκουν την… ελευθερία τους, ό,τι μένει, δηλαδή οι πυρήνες με κάποια ακόμη δεσμευμένα γύρω από αυτούς ηλεκτρόνια, θα αποτελέσουν ένα θετικά φορτισμένο συγκρότημα (λόγω της παρουσίας των πρωτονίων στον πυρήνα) που το καθένα τους ονομάζεται «ιόν».

Οταν ο ιονισμός συμβαίνει σε μια περιοχή με σημαντική πυκνότητα ατόμων, δημιουργείται πλάσμα. Κάτι τέτοιο δεν θα μπορούσε να μη συμβαίνει και στον ήλιο με τις τεράστιες θερμοκρασίες στον πυρήνα του. Ο ήλιος, αν και διάσημοι επιστήμονες, όπως ο λόρδος Κέλβιν, πίστευαν ότι είναι μια μπάλα από αέρια, στην πραγματικότητα είναι μια «μπάλα από πλάσμα», με την πλειονότητα να την αποτελούν τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια.

Οταν ύστερα από πολύ καιρό η ύλη από τον πυρήνα, σε κατάσταση πλάσματος και θερμοκρασίες λίγο μεγαλύτερες από 15 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου, καταφέρνει να φθάσει στην επιφάνεια του ηλίου, ανεβαίνοντας με μια μέση ταχύτητα 1 χιλιομέτρου το δευτερόλεπτο, φυσαλίδες πλάσματος και ιόντων θερμότερων από το εκάστοτε περιβάλλον τους έχουν διασχίσει μιαν απόσταση 125.000 χιλιομέτρων. Φθάνοντας στα τελευταία 500 κρίσιμα χιλιόμετρα σχηματίζουν ένα σφαιρικό κέλυφος, το πρώτο από τα τρία στρώματα της ηλιακής ατμόσφαιρας, γνωστό ως φωτόσφαιρα. Είναι αυτό που έχουμε ως οπτική εντύπωση για τον ήλιο. Την περιβάλλει ένα ακόμα στρώμα που λέγεται χρωμόσφαιρα και το τελευταίο εξωτερικά είναι η κορόνα, ορατή με γυμνό μάτι σαν ένα φωτεινό στεφάνι, μόνον όταν συμβαίνει έκλειψη ηλίου. Εκεί το πλάσμα είναι πλέον 10.000 φορές πιο αραιό από τον γήινο αέρα.

Ηδη η χρωμόσφαιρα είναι διάτρητη από τις δυναμικές γραμμές των μαγνητικών πεδίων που δημιουργούνται από την αέναη ροή τόσων φορτισμένων σωματιδίων. Και εκεί κανονικά θα έπρεπε να παραμένει παγιδευμένο για πάντα και το πλάσμα. Διαπιστώθηκε όμως ότι κοντά στον ισημερινό του ηλίου υπάρχουν περιοχές απαλλαγμένες από τις δυναμικές γραμμές των μαγνητικών πεδίων. Υπάρχουν δηλαδή και «τυφλά σημεία» από όπου με τη βοήθεια άλλων, εξωτερικών μαγνητικών πεδίων έχουμε απόδραση του πλάσματος. Σχηματίζεται ένας ποταμός από ηλεκτρόνια και πρωτόνια που η ροή του μπορεί στις πηγές, στην κορώνα δηλαδή, να ξεκινάει με 1 δισεκατομμύριο κιλά το δευτερόλεπτο και φθάνει με τη μορφή ενός αραιού ρευστού πλέον μέχρι και τη γήινη ατμόσφαιρα. Πρόκειται για τον ηλιακό άνεμο, ο οποίος είναι ένα γνωστό και πλέον μετρήσιμο φαινόμενο χάρη στις αποστολές κυρίως των μη επανδρωμένων σκαφών Voyager. Οταν ο ηλιακός άνεμος συναντά το μαγνητικό πεδίο της Γης και τα σωματίδια που επηρεάζονται από αυτό, έχουμε την εμφάνιση του υπέρλαμπρου φαινομένου που ονομάζεται πολικό σέλας ή aurora borealis.

Ενα «πλασματικό» μαχαίρι

Απαραίτητη όμως και η επιστροφή στον πλανήτη Γη με σκοπό την περιγραφή ενός ιδιαίτερου χειρουργικού εργαλείου. Πρόκειται για το νυστέρι που διαθέτει λαβή αλλά όχι και λεπίδα! Εμφανίστηκε στις αρχές αυτού του αιώνα και είναι εφεύρεση ενός αμερικανού γιατρού. Στην άκρη της λαβής υπάρχει ένα πλέγμα όπως αυτά των ηλεκτρονικών λυχνιών και εκεί, όταν λειτουργεί, δημιουργείται ένα νέφος σωματιδίων που βρίσκονται σε κατάσταση πλάσματος, με την παρουσία τους να γίνεται αισθητή μόνο από μια αχνή κίτρινη λάμψη. Αυτό το νέφος έχει την ικανότητα να διαλύει κυριολεκτικά τους μοριακούς δεσμούς που έρχονται σε επαφή μαζί του.

Οι χειρουργικές τομές που επιτυγχάνονται με ένα τέτοιο εργαλείο είναι πολύ πιο μικρές από τα συμβατικά νυστέρια με αποτέλεσμα να περιορίζεται σημαντικά έως και καθόλου η αιμορραγία. Ετσι δύσκολες επεμβάσεις σε πολύ ευαίσθητα σημεία, όπως αυτές στο μάτι, γίνονται με σημαντικά πλέον ποσοστά επιτυχίας. Το «νυστέρι» αυτό δεν χρειάζεται να έχει καλώδια για την παροχή ρεύματος, αφού τέσσερις επαναφορτιζόμενες μπαταρίες είναι αρκετές για τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων που η ενέργειά τους επιτυγχάνει τη δημιουργία πλάσματος σε πολύ περιορισμένο χώρο. Με ηλεκτρόνια να φεύγουν από τα άτομα που αποτελούν τον αέρα και να συνυπάρχουν με τα θετικά φορτισμένα ιόντα. Η ενέργειά τους όταν έλθουν σε επαφή με έναν ιστό δημιουργεί συντονισμό με τους δεσμούς των μορίων, που αρχίζουν να πάλλονται ώσπου να σπάσουν. Σπάζουν χωρίς να καίγονται, και αυτό δείχνει τον δρόμο και για άλλες εφαρμογές.

Μία από αυτές, η οποία είναι ήδη αρκετά γνωστή, εκμεταλλεύεται την ικανότητα του πλάσματος να αποστειρώνει. Οταν δημιουργηθεί δηλαδή το πλάσμα και κατέβει η θερμοκρασία του αρκετά, χωρίς όμως να φθάσει στο σημείο να γίνει επανασύνδεση των ηλεκτρονίων με τους πυρήνες των ατόμων, σε απόσταση τριών χιλιοστών από το δέρμα μπορεί να καταστρέψει επιβλαβή βακτηρίδια επάνω σε αυτό ή ακόμα και να βοηθήσει στην επούλωση πληγών. Αναφέρεται ότι με αυτή τη μέθοδο ο σταφυλόκοκκος στα μάτια πειραματόζωων περιορίστηκε κατά 90%.

Οπως γίνεται κατανοητό και από τη συνομιλία με τον κ. Σιμήνο, μπορεί να γίνονται έρευνες που θεωρητικά εκτείνονται από την επιφάνεια της Γης έως τα σύνορα του Σύμπαντος, τα συμπεράσματά τους όμως δεν αποκλείεται να βρίσκουν χρήση σε γειτονικό νοσοκομείο και για τη θεραπεία σοβαρών ασθενειών. Για παράδειγμα, από την έρευνα στο πλάσμα της ατμόσφαιρας οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν το λεγόμενο ψυχρό ατμοσφαιρικό πλάσμα (CAP – Cold Atmospheric Plasma) με θερμοκρασία κοντά σε αυτήν του περιβάλλοντος. Με αποτέλεσμα να εξετάζεται τώρα η δυνατότητα για την άκρως στοχευμένη επίθεση σε καρκινικούς όγκους χωρίς ζημιά στα γύρω κύτταρα.

Φαίνεται πως η έρευνα γύρω από αυτή την ξεχωριστή μορφή ύλης, η οποία έχει συμπληρώσει πλέον 100 χρόνια και μας έκανε να συνειδητοποιήσουμε την αθόρυβη ύπαρξή του στο 99,9% του ορατού Σύμπαντος, θα το αναδείξει τελικά εκτός από «πλάσμα» και σε ένα καλοπροαίρετο «πνεύμα» με την έννοια που έδιναν στη λέξη και πάλι οι αρχαίοι Ελληνες.

30.000 – 40.000

βαθμοί Kelvin: Είναι η θερμοκρασία των ηλεκτρονίων σε ένα μικρής ισχύος πλάσμα.

500-1.000

βαθμοί Kelvin: Είναι η θερμοκρασία των πολύ βαρύτερων θετικών ιόντων, των ατόμων από όπου αποσπάστηκαν τα ηλεκτρόνια. Επειδή όμως τα ηλεκτρόνια έχουν πολύ μικρή μάζα δεν μπορούν να μεταδώσουν μεγάλη θερμική ενέργεια στο περιβάλλον τους. (1.000 βαθμοί Kelvin = 726,85 βαθμοί Κελσίου).

16,7

εκατομμύρια διαφορετικά χρώματα: Μπορούσαν να παραχθούν ανάμεσα στο μαύρο και στο λευκό από μια οθόνη πλάσματος. Αλλά το βάρος της και άλλες δυσκολίες στη χρήση της προκάλεσαν τελικά την αντικατάστασή της από οθόνες που δουλεύουν με διόδους τύπου OLED.

Κόβοντας βόλτες στο Διάστημα

Αν και τα χρονικά παρατεταμένα ταξίδια στο Διάστημα δεν είναι κάτι που μπορεί να δεχθεί χωρίς συνέπειες το ανθρώπινο σώμα, υπάρχει πάντα η διάθεση για τον σχεδιασμό βελτιωμένων κινητήρων που θα δώσουν τη δυνατότητα, κάνοντας οικονομία στα καύσιμα, να φθάσει ένα διαστημόπλοιο αφάνταστα πιο μακριά από ό,τι σήμερα. Μπορεί να μην έχει καν ανθρώπους για πλήρωμα, ενώ σε λίγο μάλλον θα υπάρχει και η λύση ενός ρομπότ-πιλότου.

Το πλάσμα φαίνεται ότι παίζει και εδώ κάποιον ρόλο. Πύραυλοι που θα έχουν αυτό ως καύσιμο πρέπει να διαθέτουν κατ’ αρχάς τη δυνατότητα με τη βοήθεια ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων να μετατρέπουν αέρια όπως το κρυπτόν και το ξένο σε πλάσμα. Στη συνέχεια τα ιόντα αυτού του πλάσματος θα επιταχύνονται, θα βγαίνουν με μια ταχύτητα κοντά στα 72.400 χιλιόμετρα την ώρα και θα ωθούν προς την αντίθετη κατεύθυνση το σκάφος, υπακούοντας στην αρχή διατήρησης της ορμής.

Στον έναν από τους επικρατέστερους τύπους κινητήρα έχουμε μαγνητικό και ηλεκτρικό πεδίο σε κάθετη μεταξύ τους διάταξη. Διοχετεύοντας ένα ρεύμα ηλεκτρονίων, αυτά, λόγω της διάταξης των πεδίων, αποκτούν κυκλική τροχιά και με την είσοδο του «καυσίμου» αερίου τα άτομά του υφίστανται πραγματικό… μπούλινγκ, με σκοπό να χάσουν κάποια από τα ηλεκτρόνιά τους και να δημιουργηθεί πλέον ένα πλάσμα από τα φορτισμένα σωματίδια. Τα οποία είναι πια δυνατόν να τα κατευθύνεις με τη βοήθεια ηλεκτρικών πεδίων και να τα επιταχύνεις όσο χρειάζεται, προτού εγκαταλείψουν το διαστημόπλοιο.

Αλλάζοντας λίγο τη διάταξη των πεδίων που μετακινούνται προς τα τοιχώματα ενός άλλου τύπου κινητήρα τα ηλεκτρόνια-σφυριά κοντά στα τοιχώματα καταφέρνουν τελικά να δημιουργήσουν και αυτά πλάσμα, από το αέριο που διοχετεύεται στον κινητήρα. Αυτό, με τη βοήθεια ηλεκτρικού ελκτικού πλέγματος, περνάει σε έναν άλλο θάλαμο, όπου γίνεται η επιτάχυνση των σωματιδίων του. Η μορφή αυτή κινητήρα έχει προς το παρόν την προτίμηση της NASA διότι είναι πιο οικονομική στην κατανάλωση

Υπάρχει επίσης μια τρίτη πρόταση, η οποία είναι ακόμη σε δοκιμαστικό στάδιο αν και έχει αρχίσει να σχεδιάζεται από το 1977. Πρόκειται για τον γνωστό ως πύραυλο VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket).

Και σε αυτόν χρησιμοποιείται αργό, υδρογόνο ή ξένο, που μετατρέπεται στο πρώτο στάδιο σε πλάσμα με θερμοκρασία κοντά σε αυτήν που έχει η φωτόσφαιρα του ηλίου. Στη συνέχεια, από τους περίπου 5.800 βαθμούς, σε ένα δεύτερο στάδιο η θερμοκρασία των σωματιδίων του πλάσματος φθάνει στα 10 εκατομμύρια βαθμούς Κελσίου! Από εκεί το άτακτο σμήνος των φορτισμένων σωματιδίων διοχετεύεται με τεράστια ορμή προς την έξοδο. Οι προδιαγραφές αυτού του κινητήρα αναφέρουν ότι μπορεί να φθάσει ταχύτητες κοντά στις 180.000 χιλιόμετρα την ώρα.