Güneşin Enerjisi Hidrojen Füzyonundan mı Geliyor?

Ders kitaplarında yanlış yazıyor: Güneşin enerjisi hidrojen füzyonundan gelmiyor. Peki asıl kaynağı nedir? Gerçek güneş enerjisi çatıya kurulu güneş panelleriyle gün ışığını elektriğe çevirerek üretilmiyor. Güneşin ısı ve ışık saçmasını sağlayan asıl şey çekirdeğinde gerçekleşen nükleer füzyon reaksiyonlarıdır. Nükleer füzyonda küçük hidrojen atomlarını alır ve yüksek ısıyla basınç altında kaynaştırarak helyum atomları sentezlersiniz. Güneş’in yüzde 70’i hidrojen ve yaklaşık yüzde 27,4’ü de helyumdan oluşur. Peki güneş gerçekte nasıl enerji üretiyor?

Bir yıldız nasıl oluşuyor?

Uzayda yüzen yeterince büyük bir hidrojen bulutunu alır ve kendi ağırlığıyla büzülerek içe çökmesini sağlarsanız bir yıldız oluşturursunuz: Hidrojen atomlarının ikişer ikişer yan yana gelmesinden oluşan soğuk moleküler hidrojen bulutu büzüldükçe sıkışmaya ve sıkışan hidrojen atomları da birbiriyle çarpışmaya başlar. Bulut gittikçe küçülerek ısınır ve topaklanıp dev bir gaz küresine dönüşür.

Hidrojen küresinin kütlesi birkaç milyon Dünya kütlesine eşit veya daha fazlaysa bulut merkezindeki sıcaklık 4 milyon dereceyi aşar ve hidrojeni kaynaştırıp helyuma dönüştüren füzyon tepkimeleri başlar. Nükleer füzyon büyük miktarda enerji üretir ve elinizde ısıyla ışık saçan güzel bir yıldız olur.

Dünya’ya yaşam veren bir yıldız üretmek için bulut kütlesinin Güneş’in yüzde 8’i olması yeterlidir. Ders kitaplarında bu güzel senaryo öğretilir ama yanlıştır. Güneş enerjisinin kaynağı nükleer füzyondur ama asıl kaynağı hidrojen füzyonu değildir. Peki Güneşimiz füzyonla nasıl enerji üretiyor?

İlgili yazı: Gerçek Adem: ilk insan ne zaman yaşadı?

 

Güneşin kütlesi ve büyüklüğü

Dünya’ya en yakın yıldız olan Proxima Centauri bir kırmızı cüce olup kütlesi Güneş’in yüzde 12’si ve çapı da yüzde 15’idir (754 bin 138 km). Bu da ilginçtir; çünkü evrendeki yıldızların dörtte üçü kırmızı cücedir (küçük ve soluk yıldızlar). Oksijenli Dünya atmosferinde gün ışığının saçılarak sarıya bürünmesi yüzünden sarı cüce denilen G2 sınıfı bir yıldız olan Güneş de aslında yıldızların yüzde 95’inden ağırdır.

Bir gaz küresinin (pratikte kahverengi cücenin) nükleer füzyon ateşiyle yıldız olarak tutuşması için çekirdek sıcaklığının 4 milyon dereceyi bulması gerekir dedik; ancak Güneş çekirdeği 15 milyon derece ile çok daha sıcaktır. Güneş enerjisinin ana kaynağı da hidrojen füzyonu değildir dedik ama Güneş’te gerçekten hidrojen füzyonu gerçekleşir: İki hidrojen çekirdeği birleşerek helyum 4 çekirdeği oluşturur.

Dikkat ederseniz çekirdek terimini kullandım. Bunun nedeni 15 milyon derece sıcaklıkta bütün elektronların atomlardan kopması ve çekirdeklerin çıplak kalmasıdır. Dolayısıyla Güneş dev bir gaz küresi değil, dev bir plazma topudur.

Sonuçta tümüyle çıplak çekirdeklerden veya çekirdeği oluşturan proton sayısından daha az elektron içerdiği için net yükü pozitif olan çekirdeklerden oluşan bulutlar gaz değil plazma halindedir. Plazma maddenin dördüncü halidir. Peki Güneş denilen plazma küresi nükleer ateşle nasıl tutuşur ve yanar?

İlgili yazı: Kodlama İçin En Gerekli 16 Programlama Dili

 

Güneşin füzyon reaksiyonları

Güneş yanar çünkü E=mc² gereği kütle enerjiden oluşan bir özellik olup kütleyi kullanarak enerji üretebilirsiniz. Detayları nükleer füzyon yazısında anlattım ama özetle: Güneş çekirdeğinde oluşan helyum 4 çekirdeklerinin kütlesi onları oluşturan hidrojen çekirdeklerinin toplam kütlesinden azdır!

Sonuçta hidrojen çekirdekleri birer protondan oluşur ve uzayda serbestçe yüzen protonlar, helyum çekirdeklerinde olduğundan daha hızlı hareket eder. Dolayısıyla serbest protonların enerjisi VE kütlesi daha fazladır.

Peki helyum 4 çekirdeğinin kütlesi, 2 nötron da içeriyor olmasına rağmen onu oluşturan 2 protonun serbest kütlesinden daha az ise aradaki kütle farkı nereye gider? Kütle enerjiye denk olduğu için bu fark enerji halinde yıldız çekirdeğine yayılır. Çekirdeği ısıtarak ışık ısı ve ışık saçmasını sağlar.

Kısacası helyum 4 kütlesi onu oluşturan hidrojen çekirdeklerinin toplam kütlesinin yüzde 70’ine eşittir. Aradaki yüzde 30’luk fark da enerji olarak çekirdeğe yayılır. Güneş nükleer füzyonla işte böyle tutuşur! Peki bu ne anlama geliyor? Bu 4,5 milyar yaşında olan Güneş’in aradan geçen zamanda gerçekleşen füzyon reaksiyonları sonucunda insan ölçülerine önemli ölçüde kütle kaybettiği anlamına geliyor. 😮

İlgili yazı: Düz Dünya Teorisini Çürüten 12 Kanıt

 

Güneşin kilo vermesi

Güneş 4,5 milyar yılda, Güneş Sistemi’nin ikinci büyük gezegeni olup Dünya’dan 95 kat ağır olan Satürn kadar kütle kaybetmiştir. Gezegenleri ısıtıp aydınlatan enerjinin büyük kısmı (nötrinoları saymıyoruz) Satürn kütlesine denk bu kütleden gelmiştir! Satürn bizim için büyüktür ama bu Güneş kütlesinin sadece binde 3’üne karşılık gelir. Elbette Güneş taçküre kütle atımlarıyla da kütle kaybeder (CME):

CME’ler güneş rüzgarının önemli bir bileşeni olan dev plazma püskürmeleridir ki bu plazma alevi dillerinin içine onlarca Dünya sığabilir! Güneş rüzgarının ortalama hızı saniyede 400 km iken en güçlü CME püskürmelerinin hızı 2000 km/saniyeye ulaşabilir. Oysa en büyük CME’lerin kütlesi bile 1 milyar tonu aşmaz. Güneş’in füzyonla ısı ve ışık üretirken ne kadar kütle kaybettiğini bir de böyle düşünün!

Ancak, Heisenberg’in belirsizlik ilkesi yüzünden birbirine yakın olan protonlar Güneş çekirdeğinde kuantum tünelleme yoluyla aniden yan yana gelecek şekilde birbirine ışınlanmasaydı, 15 milyon derece sıcaklıktaki Güneş çekirdeğinde bile füzyon gerçekleşmezdi. Bunu kavramak için çekirdek basıncının ne kadar yüksel olduğunu görelim:

Güneş’in çekirdek basıncı 100 milyar atmosfer olup plazma yoğunluğu santimetre küpte 150 gramdır. Bu da altın yoğunluğunun 10 katı ve kurşun yoğunluğunun 19,3 katıdır. Buna rağmen kuantum tünelleme olmasa hidrojen çekirdekleri asla helyum halinde birleşecek kadar sıkışmayacaktı (Neden derseniz nükleer füzyondan sorumlu olan güçlü nükleer kuvvete dair yazıda anlatım).

İlgili yazı: 5 Soruda Paralel Evrenler

 

Kısacası nükleer füzyon zordur

Güneş’in yeterince yüksek ısı ve basınçta gerçekleşen kuantum tünelleme etkisiyle enerji üretmesinin kolay olduğunu sanabiliriz ama bu çok daha zor bir süreçtir. Hatta bunu fizik yasalarına hükmeden evrensel sabitlere borçluyuz (Evreni yöneten ve denklemlere sonradan eklediğimiz evrensel sabitleri kim ya da ne koymuş derseniz sizi fizikte tanrı var mı yazısına alalım).

Özetle nükleer füzyon zordur; çünkü iki hidrojen çekirdeğini Lego parçaları gibi birleştirerek basitçe helyum 4 üretemezsiniz. Hidrojen çekirdekleri birer protondan oluşur ve bunların helyum 4 halinde birleşmesi için birkaç ara reaksiyondan, ara montaj aşamasından geçmesi gerekir. Güneş çekirdeğindeki bu reaksiyonlara proton-proton zinciri deriz:

• Önce 2 proton birleşip diproton parçacığı oluşturur. Son derece kararsız olan bu parçacık çok kısa bir süre için helyum 2 çekirdeği sentezler (birbirine çok yaklaşan protonların dalga fonksiyonları üst üste biner ve bunlar birleşirler).
• Saniyenin 10 milyar kere milyar kere milyarda birinde diproton zayıf nükleer kuvvetin etkisiyle bozunarak döterona dönüşür. Döteronlar döteryum atomunun çekirdeğidir. Bunlar fazladan 1 nötron içeren ağır hidrojen çekirdekleridir (Ek bilgi: Hidrojen yerine döteryum atomlarından oluşan suya ağır su denir ve ağır su havuzları Çerenkov radyasyonu yoluyla nükleer reaktörlerin zararlı radyasyonunu kesmekte kullanılır).
• Özetle diproton genellikle dağılıp iki protona geri dönüşür ama nadiren bir nötrino ve pozitron parçacığı (anti elektron) salarak döterona dönüşür. Böylece güneş çekirdeğinde sonunda helyum 4 üretecek olan hidrojen füzyonu başlar. Peki diğer reaksiyon aşamaları nedir? (Resimlere bakıyorsunuz değil mi? Lafla anlatılmaz bunlar. 😊 ).

Önemli not

Diprotondan nötron nasıl çıkar derseniz: Döteron üretim aşamasında protonlardan biri zayıf kuvvet yüzünden nötrona dönüşebilir ve iyi ki dönüşür; çünkü döteron olmadan hidrojen füzyonu olmaz ve Güneş çok daha az enerji üretir. 😉 Şimdi nükleer füzyon tepkimelerini anlatmaya devam edelim:

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Güneşin ikinci grup reaksiyonları

Evet, bu aşamada Güneş’in çekirdeğinde ne var? Az miktarda döteron ve bol proton… Diprotonların tersine, döteron kararlı bir hidrojen çekirdeği (izotopu) olup kolayca bir protonla daha birleşerek helyum 3 sentezleyebilir.

Helyum 3 füzyonu enerji açısından son derece verimli, hızlı ve kolaydır (Temiz nükleer enerji üreten helyum 3 geleceğin nükleer füzyon santralleriyle yıldızlararası füzyon roketlerinin yakıtıdır ve biz de helyum 3’ü Ay yüzeyinden çıkaracağız). Peki helyum 3 çekirdekleri ne yapar? Ya iki helyum 3 birleşerek bir helyum 4 sentezler (Dünya’da hayalini kurduğumuz temiz nükleer enerji) ya da bir helyum 3 çekirdeği önceden sentezlenmiş olan helyum 4’le birleşerek berilyum 7 atom çekirdeği oluşturur.

Şimdi diyeceksiniz ki “Ama hocam, Güneş kütlesinin yüzde 70,6’sı hidrojen ve yüzde 27,4’ü helyumdan oluşuyor. Peki Güneş neden baştan beri büyük ölçüde hidrojen füzyonu yerine helyum füzyonu yapmıyor?” Güzel bir soru. Bunun nedeni, bir yıldız çekirdeğinde bol hidrojen olduğu sürece ağırlıklı olarak hidrojen füzyonu reaksiyonlarının gerçekleşecek olmasıdır.

Güneş ancak 5 milyar yıl sonra çekirdeğindeki hidrojeni bitirince soğuyup büzülecek ve salt helyum yakmaya başlayacak. Bebek Güneş’in büzülmesi ise 4,5 milyar yıl önce hidrojen füzyonunun başlaması ve Güneş’i oluşturan plazmayı ısıtıp genleştirmesi nedeniyle durmuştur. Bu da helyum füzyonu reaksiyon sayısının artarak başat olmasını önlemiştir. Peki ne oldu şu bizim berilyum 7’ye?

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Adım adım hidrojen füzyonu

Berilyum 7 kararsız, radyoaktif ve kısa ömürlü bir atom çekirdeğidir. Hızla lityum 7’ye bozunur ve o da başka bir protonla kaynaşarak berilyum 8 üretir. Berilyum 8 anında bozunarak iki helyum 4 çekirdeği üretir. Fiyuu! Nereden nereye geldik! Buraya dek anlattıklarımızı toparlayalım. Güneş 4 farklı nükleer füzyon reaksiyonuyla enerji üretir:

1. 2 proton füzyonuyla (diproton ara aşaması) nadiren döteron ve enerji üretme
2. Döteron (hidrojen 2) + 1 proton füzyonuyla helyum 3 ve enerji üretme.
3. İki helyum 3 füzyonuyla helyum 4, iki serbest proton ve enerji üretme.
4. Helyum 3-helyum 4 füzyonuyla berilyum 7 üretme. Onun lityum 7’ye bozunması ve onun da bir protonla birleşip berilyum 8 üretmesi. Berilyum 8’in anında bozunarak iki helyum 4 ve enerji üretmesi.

Şimdi dikkat

Sadece ikinci seçenek direkt (sıfırdan) hidrojen füzyonu ile helyum üretimini gösterir. Diğer reaksiyonlar döteron ve helyum füzyonuyla enerji üretir. Bu helyum kısmen Güneş’in doğuran buluttan hazır gelen helyumdur. Geri kalanı ise Güneş’in sentezlediği helyumdur.

Yalnızca yıldız olmasına ramak kalmış ama başaramamış olan kahverengi cüceler nükleer füzyon enerjisinin tamamını hidrojen füzyonuyla helyum sentezleyerek üretir ama bu füzyonu da ancak düzensiz aralıklarla başlatabilirler. Füzyon reaksiyonu sürekli olmadığı için de bir türlü tutuşup yıldız olamazlar.  Öyleyse Güneş’in temel enerji kaynağı nedir?

İlgili yazı: Zamanda Yolculuk Etmenin 9 Sıra Dışı Yolu

 

Güneşin ana enerji kaynağı

• Proton-proton füzyonu Güneş çekirdeğinde gerçekleşen reaksiyonların yüzde 40’ını oluşturup reaksiyon başına 1,44 megaelektronvolt (MeV) enerji üretir. Bu da güneş enerjisinin yüzde 10,4’ünü oluşturur.
• Döteryum-proton füzyonuyla helyum 3 üretimi Güneşteki füzyon reaksiyonlarının yine yüzde 40’ını oluşturup reaksiyon başına 5,49 MeV enerji açığa çıkarır. Bu reaksiyon Güneş enerjisinin yüzde 39,5’ini üretir.
• Helyum 3-helyum 3 füzyonu ile helyum 4 üretimi çekirdekteki reaksiyon sayısının yüzde 17’sini oluşturarak reaksiyon başına 12,86 MeV enerji üretir ve Güneş enerjisinin yüzde 39,3’ünü oluşturur.
• Helyum 3-helyum 4 füzyonu ile helyum 4 üretimi çekirdekteki reaksiyonların yüzde 3’ünü oluşturup reaksiyon başına 19,99 MeV enerji üretir. Bu da Güneş enerjisinin yüzde 10,8’ini oluşturur.

Peki bunlar ne anlama geliyor? Hidrojen çekirdekleri küçük olduğu için hidrojen füzyonunun sayıca fazla olduğu ama Güneş enerjisinin yüzde 50’den fazlasının helyum füzyonuyla üretildiğini gösteriyor! Böylece ders kitaplarında yer alan ve Güneş sadece ömrünün sonunda helyumla enerji üretecek efsanesini çürütüyoruz. Evet, Güneş’te hidrojen füzyonu yaygın ama enerji kaynağı helyum füzyonudur. 😊

Nitekim kuantum fiziğindeki belirsizlik ilkesi nedeniyle bu maceralı füzyon sürecinde çok garip şeyler oluyor: Diprotonlar durduk yere iki protona geri dönüşüyor. Dünya’da doğal olarak bulunmayan bazı çekirdekler sentezleniyor ve radyoaktif çekirdekler pozitron üreterek aniden daha kararlı çekirdeklere bozunuyor.

İlgili yazı: İnternetinizi Uçuracak En İyi 10 Modem

 

Güneşin sonsözü

Öyleyse okulda bir daha Güneş enerjisinin kaynağı hidrojen füzyonudur derlerse “Hayır, ana kaynağı helyum füzyonudur” diyerek düzeltirsiniz. Oysa Güneş 5 milyar yıl sonra yaşlandığında çekirdeğindeki hidrojen tümüyle tükenecek ve geriye sadece helyum kalacak. O zaman Güneş ve Dünya’ya ne olacak?

Onu da Beyaz Cücede okuyabilir ve füzyon yerine termonükleer patlamalarla enerji üreten ölü yıldız çekirdeklerini tekrarlayan novada görebilirsiniz. Atomlardan hazır söz etmişken merakınızı atomları tek tek gören kuantum mikroskop ve periyodik tabloda keşfedecek kaç element kaldı başlıklarıyla giderebilirsiniz. Sağlıcakla ve bilimle kalın.

Güneşin içini görelim

¹Fresh insights on the structure of the solar core
²Isotopes Tell Origin and Operation of the Sun
³Rotation rate of the solar core as a key constraint to magnetic angular momentum transport in stellar interiors
⁴Probing the Sun’s inner core using solar neutrinos: a new diagnostic method