לכאורה זה פשוט – כל מה שצריך הוא לחבר מספר אטומים של מימן לאטום הליום אחד והנה לכם אנרגיה זולה ונקייה. השמש עושה את זה כבר חמישה מיליארדי שנה, אז כמה מסובך זה יכול להיות? הבעיה היא איך לעשות את זה בלי מסה של כוכב. מי שימצא את התשובה יזכה בנובל

קשה לנו לדמיין את חיינו בלעדיה. היא מאפשרת לצמחים לגדול ומעניקה לנו מזון, מספקת לנו חום ומאדה מים שהופכים אחר כך למשקעים ולמי שתייה מתוקים. אבל מה מאפשר לשמש לפלוט כמות אדירה כל כך של אנרגיה במשך מיליארדי שנים? מדוע קשה לנו כל כך "לחקות" את התהליך הפיזיקלי שמתרחש בשמש וליצור אנרגיה באמצעותו?

החומרים שמהם עשויה השמש
74 אחוז ממסת השמש היא מימן – גז דליק שהוא היסוד הכימי הראשון בטבלה המחזורית (ולכן הקל מכל היסודות), ו-24 אחוז הליום, גז אציל שהוא היסוד הבא אחרי מימן בטבלה המחזורית – אותו הליום שמשמש גם למילוי ספינות אוויר ובלונים. מקור שמו, אגב, הוא מהמילה היוונית "הליוס", שפירושה שמש. שני האחוזים הנותרים כוללים חמצן, חנקן, פחמן, ניאון, ברזל ויסודות אחרים שנמצאים בכמויות קטנות. הרכב השמש התגלה בשנת 1925 בידי המדענית ססיליה פיין-גפושקין מאוניברסיטת הרווארד שבחנה את הספקטרום שלה.

הגילוי שהשמש מורכת בעיקר ממימן ומהליום היה הבסיס למה שמכונה היום "המודל הסטנדרטי של השמש" שהציע המדען היהודי זוכה פרס נובל הנס בתה. לפי המודל, ארבעה אטומי מימן הופכים בשמש לזוג אטומי הליום ובדרך מאבדים מסה, שהופכת לאנרגיית חום. לפי חישוביו של בתה, בקצב הקרינה הנוכחי שלה השמש יכולה לבעור כעשרה מיליארדי שנים, וכיוון שהיא קיימת כבר חמישה מיליארדי שנים נותרו לה עוד חמישה מיליארדי שנים להפיץ אור וחום.

היתוך גרעיני
תהליך ההפיכה של אטומי מימן לאטומי הליום תוך פליטת אנרגיה נקרא היתוך גרעיני, והוא מתקיים בכוכבים רבים נוסף על השמש. 

היתוך גרעיני הוא תהליך שדורש אנרגיה התחלתית ואינו מתרחש באופן ספונטני, אולם האנרגיה שנפלטת בו עולה על האנרגיה שיש להשקיע בו. בכוכבים, מקור האנרגיה הזו הוא הדחיסה הכבידתית – התכווצות הכוכב תחת השפעת הכבידה של עצמו. האנרגיה דרושה משום שהתהליך מתחיל בהיתוך של שני גרעיני מימן, שאלמלא כן היו דוחים זה את זה בשל מטענם החשמלי הזהה (חיובי).

שני גרעיני המימן יכולים להיות דאוטריום (H2) – איזוטופ של מימן שמכיל פרוטון ונייטרון, או טריטיום (H3)  – איזוטופ שמכיל פרוטון ושני נייטרונים. המיזוג של שני הגרעינים הללו יוצר גרעין של הליום-4 (שני נייטרונים ושני פרוטונים) והנייטרון "העודף" הופך לאנרגיה אדירה. 

ההיתוך הגרעיני בשמש. שני גרעיני מימן (למעלה) הופכים לגרעין הליום (ימין למטה) תוך שחרור אנרגיה (שמאל למטה)| תרשים: ויקיפדיה

המין האנושי הצליח לרתום את תהליך ההיתוך הגרעיני גם למטרות הרסניות. אחת מהן היא פצצת המימן – פצצה שמבוססת על תהליך ההיתוך הגרעיני בשונה מתהליך הביקוע הגרעיני שבו משתמשים בפצצות אטום כמו אלה שהוטלו על יפן במלחמת העולם השנייה. עד כה פצצת מימן לא הופעלה בשום מלחמה, אולם ארצות הברית ניסתה אותה בשנת 1954 באי ביקיני שבאוקיינוס השקט, שתושביו פונו.

עוצמתה של פצצת מימן גדולה פי 100 מפצצת ביקוע גרעיני, מכיוון שהאנרגיה שנפלטת בהיתוך גרעיני גדולה בהרבה מזו שנפלטת בביקוע גרעיני. האנרגיה ההתחלתית להתנעת תהליך ההיתוך הגרעיני מתקבלת מפצצת ביקוע גרעיני שנמצאת בתוך פצצת המימן.

היתוך גרעיני קר?

מעבר לכמות האנרגיה האדירה שהוא פולט, להיתוך גרעיני יש עוד שני יתרונות בולטים על פני הביקוע גרעיני כמקור להפקת אנרגיה: האחד הוא שהדלק של תהליך ההיתוך הוא איזוטופ של מימן שקל לזקק ממי הים, בניגוד לתהליך הביקוע שדורש אורניום – יסוד נדיר מאוד בכדור הארץ. השני הוא שתוצר ההיתוך הוא הליום, אטום שאינו רדיואקטיבי, בשעה שתהליך הביקוע משאיר תוצרים רדיואקטיביים רבים שדורשים סילוק מיוחד.

לצד היתרונות הרבים של התהליך יש לו מגבלה עיקרית אחת שמונעת ממנו להפוך לדרך ישימה להפקת אנרגיה – האנרגיה ההתחלתית רבה שהוא דורש. אמנם יש היום כורים שמבצעים היתוך גרעיני בטמפרטורה גבוהה כמו בשמש, אך אלו אינם יעילים במידה מספקת. למשל, במכון ויצמן יש מכשיר כזה, שמייצר את הטמפרטורה של השמש לזמן קצר, כאשר מזינים אותו באטומי מימן. ברור שכדי שהתהליך ייכנס לשימוש שוטף, יש לשאוף לבצעו בתנאי מעבדה בטמפרטורת החדר – במה שקרוי "היתוך קר".

ב-1989 דיווחו שני כימאים, סטנלי פונס ומרטין פליישמן, על תהליך שמבוסס על אלקטרוליזה של מתכות כמו פלדיום ופלטינה בתוך מים כבדים – מים שבהם את המימן ה"רגיל", שאין בו נייטרונים, מחליף דאוטריום. לטענתם הם גילו שתאי האלקטרוליזה הפיקו חום רב יותר מהאנרגיה החשמלית שהושקעה בהם ושמקור האנרגיה הנוספת הזו הוא "היתוך קר". ההכרזה אמנם עוררה התרגשות רבה, אך עד מהרה התברר שאי אפשר לחזור על התוצאות הללו, ולכן הניחו שבניסוי של פונס ופליישמן לא התרחש היתוך קר.

כמה שנים לאחר מכן חוקרים בארצות הברית שחזרו את על הניסוי של פונס ופליישמן ומצאו טעות בנוסחאות ששימשו אותם לחישוב מאזן האנרגיה. הם גילו שפונס ופליישמן הניחו בטעות נצילות של 100 אחוז בניסוי, וההנחה השגויה הזו היא שהובילה אותם להסיק שקיבלו היתוך קר. הטענה הזו נבדקה ואומתה על ידי קבוצות מחקר נוספות. מאז לא טען איש שהצליח ליצור היתוך קר בתנאי מעבדה.

אפשר אם כך לומר שהניסיון לשחזר את פעולת השמש על פני כדור הארץ לא עלה יפה. אילו הצלחנו בכך, זה היה יכול לשמש אותו כתחליף לניצול אנרגיית השמש – תהליך שתלוי במזג האוויר ויעילותו מוגבלת – רק 40 אחוז מהאנרגיה הופכת לאנרגיה חשמלית, גם בטכנולוגיה המתקדמת ביותר הידועה כיום. גם האנרגיה ההתחלתית שהתהליך הזה מנצל נמוכה בהרבה מזו שנוצרת בשמש עצמה, משום שקרינת השמש מתפזרת בדרך אלינו וצריכה לעבור דרך האטמוספירה. כך שנראה שלפחות בעתיד הקרוב נצטרך "לסמוך" מקורות אנרגיה הרבה פחות יעילים (שמש) או הרבה פחות זולים (דלקים למיניהם) מהיתוך קר. 

בחלל ניתן לנצל אנרגיה סולרית ביעילות גבוהה יותר, בגלל היעדר אטמוספירה| צילום: נאס"א

ד"ר עידו מגן
המחלקה לגנטיקה מולקולרית
מכון ויצמן למדע


הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בתגובה לכתבה זו  ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

12 תגובות

  • חתולה

    חתול אנונימי

    לא עזר לי

  • מאיר ביטן

    הרצאות או כתבות על יצירת העולם והגלקציה

    שלום אני פנסיונר, ומעוניין לקרוא חומר ולהבין על היווצרות העולם והמפץ הגדול
    תודה
    מאיר ביטן

  • דני

    שאלות שעולות מהמאמר

    שלום עידו. תודה רבה על המאמר המעניין.
    התהליך שתארת מחייב היתוך של דיאוטריום וטריטיום (כך, למשל אם שני אטומי דיאוטריום מותכים - אין נויטרון עודף). האם השכיחות של שני האיזוטופים האלה על השמש אכן תואם את היקף ההיתוך ומשכו? האם השכיחות של החומרים האלה בשמש שונה מהותית מאשר על כדה"א (שהרי בפלנטה שלנו מדובר באיזוטופים נדירים).
    תודה!
    דני

  • חיים

    השמש היא מלאך השם עושה דברו. שום הסבר אחר.

    אין הסבר לכך שהיא אינה נגמרת מבד ה יתברך.

  • ק.

    פרובלם סולבד, קייס קלוזד!

    עכשיו רק נשאר למצוא תרופה לסרטן באמצעות שימוש בתיאוריה מהסוג הזה. יכול לתרום משהו בנושא?
    הנה עוד דתי פנאט שאיבד מזמן את הדרך (ארץ).

  • ירון

    אין עוד מלבדו

    חזק וברוך חיים

  • ק.

    פרובלם סולבד, קייס קלוזד!

    והנה עוד דתי פנאט שאיבד מזמן את הדרך (ארץ).

  • ירון

    המאמר אינו תואם את הכותרת

    עם כל הכבוד המאמר לא מסביר את מקור האנרגיה של השמש.יתרה מזאת כמות הגז/ חומר הנשרף בשניה בשמש הוא 4.5 מיליון טון אם אינני טועה כך שאם היא קיימת 5 מיליארד שנה היא היתה צריכה לכלות את המאסה של עצמה.המאמר מסביר את התהליך ותו לא שנו את כותרת לא בושה להגיד לא יודעים!

  • ק.

    טועה בשני סדרי גודל ומטיף כנגד חוסר ידע (כביכול) אצל אחרים...

    אם "זו לא בושה להגיד שלא יודעים" כדבריך, אז למה אתה מקשקש על נושא שניכר שאינך מבין בו דבר? ונניח שהשמש שורפת 4.5 מליון טון חומר בשניה (זה לא נכון, כמות החומר ש"נשרפת" בשמש בשנייה היא הרבה יותר גדולה) לפי מה החלטת שהשמש כבר הייתה אמורה לכלות את עצמה? כנראה שלא היית בשיעור שבו פתרו בעייה של ריקון מים מבריכות (אולי תוצאה של היעדר לימודי ליבה?) כי כדי לדעת את משך התהליך צריך לדעת לא רק מה קצב היעלמות החומר אלא גם כמה חומר היה שם מלכתחילה. אולי תפסיק להוציא שם רע לדתיים?

  • דרור מ.

    לגבי עיקרון פעולת החימום בשמש

    שלום רב יש מאמר שטענו בו,שהשמש לא מספיק גדולה בשביל לייצר היתוך גרעיני אלה ע"י עירור קוונטי של דחיה בין האטומים יוצרת חום גבוהה גם כמו במיקרוגל והיתוך אמיתי יש אותו בכוכבים לבנים וכחולים. כמו מינהור של החלקיקים של האטומים. זאת האנרגיה בשמש שלנו. האומנם?

  • עידו

    לא ידוע לי על כך, אשמח אם

    לא ידוע לי על כך, אשמח אם תשלח לי את המאמר

  • יונתן

    זהו המאמר שפורסם על ידי מכון דווידסון

    https://goo.gl/gcQj1m