Aarhus forskere tættere på at forklare kulstofs gåde

Forskere verden over har i de sidste 60 år forsøgt at forklare, hvordan kulstof bliver produceret i universet, men det er endnu ikke lykkedes. Kulstof 12 er god til at holde på sine hemmeligheder.

Viden om kulstof er vigtig især for et internationalt projekt i Frankrig, hvis mål er at lave en fusionsreaktor, så man i teorien kan producere mere energi. Men det vender vi tilbage til.

At kulstof overhovedet er et mysterium er pudsigt, eftersom produktionen af mange andre og tungere grundstoffer er bedre kortlagt. Kulstof 12 indeholder bare seks protoner og seks neutroner.

Normalt skal man bruge meget dyre eksperimentelle setups, men de har været kløgtige og går den modsatte vej

Men med resultater fra eksperimenter udført på Aarhus Universitet, er man kommet et skridt nærmere en fyldestgørende forklaring af kulstofs tilbliven.

– Det er ganske imponerende og virkelig godt udtænkt at gøre det på den måde. Denne her slags eksperimenter tager tid. Det har man sjældent meget af, når man låner udstyr i en kortere periode på de større forskningscentre rundt omkring i verden, siger David Jenkins om Aarhus forskernes eksperiment. Han forsker selv i nuklear astrofysik ved University of York.

Eksperimentet er nu ved at blive gentaget – denne gang med en større accelerator i kælderen under fysisk institut på AU.

– Normalt skal man bruge meget dyre eksperimentelle setups, men de har været kløgtige og går den modsatte vej, siger David Jenkins.

Når kulstof produceres i universet, sker det inde i store røde stjerner, hvor temperaturen er flere millioner grader. Det kan man af gode grunde ikke genskabe i kælderen på Aarhus Universitet.

– I stedet har vi så kigget på, hvordan kulstof 12 går i stykker. Det kan fortælle os noget om, hvordan kernen hænger sammen. Vi kan ikke besvare det spørgsmål entydigt, men vi kommer med endnu en brik til puslespillet, siger Oliver Kirsebom. Han er adjunkt ved Aarhus Universitet og en af dem, der har lavet forsøgene.

Resultaterne er publiceret i tidsskriftet European Physics Journal.

I begyndelsen var der intet
Da universet blev skabt for 13,8 mia. år siden, eksisterede der i den første tid derefter kun tre grundstoffer. Det var hydrogen, helium og en lille smule lithium – de tre første i det periodiske system.

Da temperaturen faldt blev der også udviklet andre grundstoffer. De blev produceret i store stjerner. Til at beskrive de processer fremlagde man i 1950’erne en teori, som man kalder kernesyntese. Den teori blev fremsat af bl.a. den engelske astronom Fred Hoyle.

Teorien går ud på, at alle grundstoffer er produceret i fusionsprocesser i stjernernes indre af kernerne fra primært hydrogen og helium. Den virker på næsten alle kendte grundstoffer.

Problemet er, at ingen kendte teoretiske modeller kan forklare, hvordan kulstof 12-atomet hænger sammen i Hoyle-tilstanden, selv om vi ved, at den eksisterer

Det vil sige, at kulstof 12 består af kernerne fra tre helium-atomer, som hver især består af 2 protoner og 2 neutroner. Tre heliumkerner giver seks protoner og seks neutroner – kulstof 12.

For at kulstof kan dannes på denne måde kræver det, at kulstof 12 i en kortere periode kan eksistere i en bestemt energi-tilstand, som man har døbt Hoyle-tilstanden.

– Problemet er, at ingen kendte teoretiske modeller kan forklare, hvordan kulstof 12-atomet hænger sammen i Hoyle-tilstanden, selv om vi ved, at den eksisterer. På nogle teoretiske modeller ligner kernen tre alfa-partikler, der er sat sammen i en trekant. På andre ser det ud, som om alfapartiklerne sidder på en snor, forklarer Oliver Kirsebom.

…Vi har fundet ud af, at man hverken skal bruge den ene, anden eller tredje model – men en kombination af dem alle

Meget groft sagt findes der tre overordnede teoretiske måder, man hidtil har forsøgt at beregne Hoyle-tilstanden på. Det er her, Aarhus-fysikerne kommer ind i billedet. Ved at måle på de partikler, som kulstofatomet udsender, kunne de regne baglæns i processen.

– Vi har fundet ud af, at man hverken skal bruge den ene, anden eller tredje model – men en kombination af dem alle, siger Oliver Kirsebom.

Fusionsenergi uden stråling
I Saint Paul-lez-Durance i det sydlige Frankrig er man ved at opføre forskningsfaciliteten Iter, og målet er at lave en fusionsreaktor, som kan producere strøm.

Hvis projektet virker, vil man momentvis kunne producere 10 gange så meget varme, som man bruger på at få systemet til at fungere. Helt uden udledning af CO2.

Vores teori siger, at det er bedst at lave fusionsenergi via processer, hvor der ikke er så mange frie neutroner i spil

– Vores teori siger, at det er bedst at lave fusionsenergi via processer, hvor der ikke er så mange frie neutroner i spil. Det kan bl.a. kulstof bruges til,” siger David Jenkins.

Dette kræver, at man kan genskabe nogle af de forhold, som er i midten af universets tunge stjerner. Derfor skal man vide, hvordan kulstof bliver produceret.

– Det er her, at Aarhus forskernes bidrag bliver relevant. Det er godt arbejde, siger David Jenkins.

Iter er et samarbejde imellem 35 lande, heriblandt EU-landene, Kina, Indien, Rusland og USA. Projektet begyndte i 2009. Hvornår målet nås, er endnu uvist.