Maksyma

Zgodnie z definicją, maksyma to: „zwięźle sformułowana myśl filozoficzna lub etyczna zawierająca pewną zasadę postępowania”. Najsławniejsza jaką znam, przypisywana Sokratesowi, która przetrwała tysiąclecia to: Wiem, że nic nie wiem.
Inną, równie moim zdaniem ciekawą, maksymę przekazywał swoim studentom profesor Politechniki Warszawskiej Witold Pogorzelski. Wykładając analizę matematyczną w Wojskowej Akademii Technicznej mawiał do nas: Z zerem i nieskończonością proszę się nie spoufalać. Maksyma ta, choć ustępuje popularnością pierwszej, towarzyszy mi przez całe życie.

Pierwsza jej część, zero, zwykłym zjadaczom chleba jest bliższa. Odkąd Fenicjanie wynaleźli pieniądze, jak byśmy się nie starali je zdobywać, ich ilość często znajduje się w okolicy tej liczby. Dobrze, jeżeli po jej prawej, tej dodatniej stronie. Są podobno szczęśliwcy, którzy wzorem króla Midasa, czego się dotkną, zamienia się co prawda nie w złoto, a w banknoty. Niestety, nie należę do nich. Nie mam żadnej praktyki, żadnych skojarzeń, jak w tej branży przejść na lepszą część osi liczbowej w kierunku nieskończoności.

Wnuk na urodziny kupił mi książkę Ashlee Vance’a Elon Musk. Biografia twórcy PayPala, Tesli, SpaceX. Kupił dla mnie, ale właściwie to jego zafascynowała postać bohatera tej książki. Przyznaję, że można go podziwiać. Przypisuje mu się wprowadzenie na rynek amerykański samochodu elektrycznego (słynnej tesli), a ostatnio rakiet kosmicznych z możliwością wielokrotnego startu i próbę urzeczywistnienia kosmicznych wycieczek dla amatorów. To rzeczywiście są wyniki warte podkreślenia nie tylko technicznie, ale bardziej biznesowo. Przejrzałem tę książkę i wydaje mi się, że Elon Musk nie tyle ma umiejętności konstruowania innowacyjnych urządzeń, ile wybitne zdolności Midasa. Należy jednak oddać mu szacunek, że nie traci swych pieniędzy np. na luksusowy jacht i podróże po świecie, a poświęca je na finansowe motywowanie zespołów inżynierskich, by tworzyli tak nowoczesne opracowania. Godne pochwały.
Obecnie pojawił się u boku prezydenta Donalda Trumpa. Życzę mu, by przy swej energii wpłynął pozytywnie na rozwój nowych, potrzebnych ludzkości kierunków techniki. Skorzysta Ameryka, ale przecież również cały świat.

Druga liczba z maksymy W. Pogorzelskiego tak powszechnie, jak pierwsza nie jest znana i używana. Nie będę się silił w tym miejscu na jakiekolwiek definicje i wszystkich znawców przedmiotu proszę o wybaczenie. Niemniej pewne popularne skojarzenia z tym pojęciem są znane. Nieskończoność jest wieloznaczna. Może odnosić się do czasu (wieczność), przestrzeni (dal, ciągłość). Gdy myślimy o liczbie, uważa się ją za niezdefiniowaną. To taka graniczna wielkość, zawsze większa od liczby dowolnie dużej, jaką tylko uda nam się wymyśleć.
Wydawać by się mogło, że przysłowiowy Kowalski z nieskończonością ma mało do czynienia. Jednak populacja (Kowalski też) jej skutki może odczuwać. Jako pracownikowi WAT nieco bliżej z tym zagadnieniem przyszło mi się zetknąć.

Trochę wstępu. Nasza cywilizacja potrzebuje coraz więcej energii. Jej źródeł jest coraz mniej, a koszty pozyskania rosną. Z drugiej strony, nasza wiedza - także odnosząca się do energii - rośnie. Moja żona miała torbę na zakupy z napisem E=mc². Słynna zależność A. Einsteina o równoważności masy i energii może nie tyle trafiła pod strzechy, co się upowszechniła. Miała ona także może nie tyle praktyczny, co tragiczny wyraz. W wyniku tajnych prac prowadzonych w Los Alamos w Stanach Zjednoczonych w projekcie o kryptonimie Manhattan w latach II wojny światowej skonstruowana została bomba o niezwykłej sile wybuchu. Jak wielkiej, pokazała to skala zniszczeń Hiroszimy i Nagasaki.

Wyjaśnijmy, skąd się taka energia wzięła. Materia w naszym wszechświecie zbudowana jest z około setki różnych pierwiastków. Te zaś różnią się między sobą liczbą cegiełek składowych: protonów i neutronów tworzących jądro i krążących wokół niego elektronów w liczbie równej liczbie protonów.
Jak widać, średniowieczni alchemicy chcący zamieniać np. ołów w złoto, co do zasady mieli rację. Obydwa te pierwiastki są zbudowane z tych samych cegiełek składowych, chociaż w tym przypadku przejście od jednego do drugiego pierwiastka nie jest możliwe. Takie przejście nie jest jednak wykluczone co do zasady. Istnieją w przyrodzie duże pierwiastki, które nie są dostatecznie stabilne i mogą się rozpadać na dwa mniejsze. To między innymi jeden z izotopów uranu – U-235, który może się rozpaść na bar-141 i krypton-92 oraz dwa neutrony.

Ale to nie wszystko. Gdybyśmy położyli na jednej szalce wagi atom uranu, a na drugiej nowo powstałe atomy baru i kryptonu, okazałoby się, że suma mas nowych atomów jest mniejsza od masy atomu uranu o więcej niż te dwa odrzucone neutrony. Mamy tu do czynienia z tak zwanym defektem masy. W miejsce jej ubytku pojawia się zgodnie ze wzorem Einsteina E=mc2 stosowna ilość energii. Jeden akt podziału może być mało zauważalny, ale jeśli jest ich dostatecznie dużo, można już skonstruować niszczącą bombę atomową. Taką, jaka została użyta w wojnie USA z Japonią.

Reakcja jądrowa opisana powyżej nosi nazwę reakcji rozpadu. Oprócz niej istnieje jeszcze reakcja syntezy. Jeżeli udałoby się nam złączyć dwa atomu wodoru tak, by powstał atom helu - otrzyma się jeszcze większy defekt masy i wyzwoli jeszcze więcej energii. Wiadomo, jakich pierwiastków jest najwięcej we wszechświecie. Właśnie wodoru. Dobrodziejstw tej reakcji doświadczamy na co dzień. To ona bowiem rozpala wnętrza gwiazd i oczywiście Słońce, które oświetla i ogrzewa naszą planetę od miliardów lat. Gdybyśmy potrafili odwzorować proces syntezy wodorowej, zyskalibyśmy doskonałe źródło energii. Jest tu jednak pewna niedogodność: jądra wodoru to naładowane dodatnio protony, które odpychają się z siłą proporcjonalną do iloczynu ładunków i odwrotnie proporcjonalną do kwadratu odległości pomiędzy nimi. I tu dotykamy problemu nieskończoności.
Aby zaszło połączenie dwóch atomów wodoru tworząc atom helu, odległość pomiędzy ich jądrami musi stać się na tyle mała, że siła je odpychająca zdąża w kierunku nieskończoności. Nie chcą się łączyć. Wewnątrz gwiazd warunki do połączenia powstają w sposób naturalny. A w naszych ziemskich warunkach - nie. Czy można to zmienić?

Udało się to zrobić jedynie w skali makro. Do składników bomby atomowej dodano domieszkę wodoru, tworząc tysiące razy potężniejszą bombę wodorową. Reakcję syntezy jąder wodoru i wzmocnienie niszczących efektów wybuchu wywołuje niezwykle wysoka temperatura w centrum wybuchu atomowego. Metoda niestety nie nadaje się do wykorzystania pokojowego. W takiej skali reakcję syntezy należy wywoływać w bardzo małych ilościach wodoru. Czytałem kiedyś artykuł pokazujący wizję elektrowni działającej na zasadzie syntezy wodoru. Jednorazowa reakcja obejmowała gaz zawarty w kuleczce o średnicy 0,1 mm. Dla uzyskania stosownej mocy średniej, reakcja była powtarzana sto razy na sekundę.

W 1960 r. skonstruowano pierwszy laser. Jeden z wizjonerów tej techniki Gordon Golde przewidywał: „Moce, jakie będzie można osiągnąć przy użyciu odpowiednich ośrodków laserowych będą mogły ogrzać obiekt do temperatury stu milionów stopni. Możliwe będzie zapoczątkowanie syntezy termojądrowej”. Opinię tę potwierdził twórca pierwszego masera Charles Townes: „Jestem obecnie przekonany, że lasery są jednym ze sposobów uzyskania fuzji”.

To były opinie, które rozpaliły wyobraźnię uczonych. Możliwość prowadzenia małymi porcjami wodoru syntezę jego jąder rozwiązałaby problem niedostatku energii w świecie. W różnych krajach (głównie USA, ZSRR, ale nie tylko) powstawały zespoły konstruktorów zajmujących się poważnie tym problemem. W Polsce pierwszy laser został zbudowany stosunkowo wcześnie, w 1963 r. Od 1967 r. rektorem WAT był generał brygady prof. Sylwester Kaliski, fizyk poszukujący ambitnej tematyki dla tworzonych przez siebie zespołów badawczych. Nowa, zarysowująca się w świecie tematyka zafascynowała również jego. To wtedy zaraz po obronie pracy doktorskiej z zakresu laserów ciała stałego zostałem przez niego powołany na kierownika zespołu mającego zbudować odpowiedni laser do eksperymentów syntezy termojądrowej.*

W ten sposób znalazłem się w gronie tych, którzy zderzyli się z problemami nieskończoności w nauce. Powstał taki zespół i zbudował laser, na jaki było wtedy Polskę stać. Niewiele tym zwojował, chociaż chęci mieliśmy i nawet sporo udało się nam zrobić. Jednak skromność polskich środków oraz ogrom problemu przeraził mnie i wyraźnie zniechęcił. Samodzielnie zrezygnowałem z osobistego uczestnictwa w wojnie z nieskończonością. Kibicowałem za to innym, głównie Amerykanom, którzy na placu boju pozostali najdłużej, budując chyba największy na świecie, gigantyczny laser o kryptonimie Nova. Widziałem go w Lawrance Livermore National Laboratory w Kalifornii. Tworzyły go 192 kanały, z których promieniowanie ze wszystkich stron poprzez układy skupiające padały na kuleczkę o średnicy ok. 0,1 mm wypełnioną izotopami wodoru stanowiącą tarczę dla tego lasera. Laser wypełniał szczelnie cały kilkupiętrowy budynek i miał niebotyczne, nieosiągalne dla nas parametry. Nie będę ich tu przytaczał. Promieniowanie z kanałów miało kuleczkę nagrzać do bardzo wysokiej temperatury, ale przede wszystkim ściskać, doprowadzając jej zawartość do syntezy. Eksperymenty trwały długo, bo do 2013 roku. I co? Ano nic. Im także, podobnie jak innym, syntezy jąder wodoru nie udało osiągnąć.

Zdarzyło mi się kiedyś w dość licznym gronie opowiadać o tych próbach. Jedna z pań, wyjątkowo utalentowana kucharka, skwitowała mają opowieść opinią: „nigdy nie przyszło mi na myśl, by wodę w garnku ściskać za pomocą durszlaka”. Wartość naukowa tej opinii jest raczej mierna, lecz trafności spostrzeżeń tej pani odmówić nie sposób.

To wielka szkoda, że syntezy jąder wodoru przy pomocy promieniowania laserowego nie udało zrealizować. Jej realizacja jest potrzebna jakąkolwiek z metod. Czy rzeczywiście to, co nazwałem problemem nieskończoności jest przeszkodą tak silną, że synteza jąder lekkich pierwiastków w małych porcji jest aż tak trudna? Nikomu, jak dotąd, nie udało się tego dokonać i to żadną z proponowanych dotychczas metod. Z nieskończonością nie należy się spoufalać.

Gdy jesteśmy przy problemie nieskończoności, chciałbym powrócić jeszcze do postaci Elona Muska. Z książki poświęconej jego działalności przytoczę następujący cytat:
„Problem w tym, że choć elektronika była super i można było uzyskać przyspieszenie przy niewielkim budżecie, to akumulator był do bani. Pozwalał przejechać ledwie pięćdziesiąt kilometrów”.

Pozwalam sobie wyrazić tu zdanie, że mimo znaczących ulepszeń akumulatory dziś stosowane w samochodach Tesli są nadal „do bani.” Do bani są wszelkie sposoby gromadzenia dużej ilości nośników prądu – elektronów w małych objętościach. Dotyczy ich ten sam problem nieskończoności, co protonów w jądrach wodoru przy syntezie. Mają jednakowy ładunek elektryczny (tym razem ujemny) i odpychają się.
Nie jest to tak zdecydowana wada, jaka ujawnia się w przypadku syntezy, ale jak widać jest.
Już się przyzwyczailiśmy, że jedno tankowanie wystarcza na przejechanie 500 – 1000 km. Tankowanie trwa kilka minut (razem z myciem szyb) w licznych stacjach rozmieszczonych wzdłuż dróg. Czy elektryczność jako paliwo samochodów przyszłości spełnia te oczekiwania? Raczej nie.

Na dodatek okazało się, że akumulatory mają dodatkową wadę. Przytoczmy jeszcze jeden fragment z cytowanej książki:
„Ktoś okleił taśmą dwadzieścia akumulatorów, włożył pomiędzy nie drut grzewczy i podpalił. Całość wybuchła jak zbitka rakiet z butelki. Jednak w Roadsterze miało nie być dwudziestu akumulatorów, lecz prawie siedem tysięcy, a sama myśl o eksplozji na taką skalę przeraziła inżynierów.”

Taka wada pozostać nie mogła. Inżynierowie Muska jakoś sobie z nią poradzili. Jednak pozostała w innej postaci. Samochodów z napędem elektrycznym po zapaleniu się, tradycyjnymi metodami nie udaje się ugasić. Strach pomyśleć, gdy taki samochód znajdzie się w podziemnym garażu lub na statku. Takie przypadki już się zdarzały.

Co w takim razie z ideą napędu elektrycznego w motoryzacji? Przedziwnie jest nadal popierana, rozwijana i wprowadzana do praktyki. Samochody z tym napędem ze względu na akumulator są drogie i prawdopodobnie będą miały skrócony czas pracy w porównaniu z napędem tradycyjnym np. benzynowym. Dlaczego więc są propagowane? Moda? Może snobizm ludzi bogatych? Nie przeszkadzajmy im. Niech nimi jeżdżą i rozpędzają się do setki w pięć sekund.
Podejrzewam jednak, że towarzyszyć nam zaczyna obłęd ideologii czystego powietrza. Gdyby rzeczywiście chodziło o samochody nie zanieczyszczające środowiska, dawno jeździlibyśmy samochodami napędzanymi gazem. Pamiętam, że taki silnik o parametrach podobno lepszych niż benzynowy opracowany został w firmie Honda. Jednak na doniesieniu prasowym się skończyło. Chyba zadziałało lobby paliwowe. Pozostały nam elektrony. Chciałbym zapoznać się z faktycznym zanieczyszczeniem środowiska przez te samochody, biorąc pod uwagę nie tylko ich eksploatację, ale także produkcję baterii, akumulatorów i ich utylizację. Entuzjazm zapewne byłby mniejszy, gdyby były one tańsze i powszechniej dostępne.

W dzisiejszym kształcie będą one ekologiczne w ograniczonym użyciu. Tylko dla tych, których będzie na to stać. Plebejuszom należy zabronić wjazdu do miast pojazdami z napędem silnikami spalinowymi. Pozostanie im rower lub transport miejski.
Czy to zapewni nam czyste powietrze, o które tak zapalczywie walczą szaleni ekolodzy? Oczywiście nie; jestem o tym przekonany. Populacja europejska maleje. Inne: azjatycka, afrykańska i południowoamerykańska rosną. Wyraźnie nas liczebnie przewyższają. Nawet, jeżeli wyeliminujemy z naszej gospodarki krowy, które wydychają mnóstwo dwutlenku węgla i prukają metanem, i tak przyrostu światowej populacji nie zrównoważymy. Przecież nie będziemy eliminować piesków. Broń Boże. Z biedy będziemy się co najwyżej eliminowali sami, bez pomocy innych.
Zdzisław Jankiewicz

*Więcej informacji na blogu „zdzislawjankiewicz.pl” w części Miraż.