Misteri plasma, satu fasa bentuk jirim yang ke-empat

Semasa gerhana matahari penuh yang dirakam di Perancis pada 1999, cahaya merah ini adalah plasma yang wujud di bahagian korona Matahari. Gambar adalah ihsan dari Luc Viatour/Wikimedia.

Semasa saya di sekolah rendah, cikgu memberitahu bahawa jirim (matter) wujud dalam tiga bentuk/keadaan, iaitu pepejal, cecair dan gas. Mungkin beliau terlupa, atau masih belum diketahui umum, cikgu saya tidak beritahu berkenaan plasma, sejenis gas berelektrik yang unik. Kita sangat jarang menjumpai plasma secara semulajadi, melainkan jika kita bertuah dan mampu untuk melihat aurora borealis (Northern lights), atau jika kita melihat matahari menggunakan satu penapis cahaya khas, atau jika kita melihat kilat yang diselubungi ribut petir seperti yang saya kerap lakukan semasa kecil. Namun begitu, walaupun plasma jarang dijumpai dalam kehidupan harian, ia membentuk lebih dari 99 peratus jirim yang wujud dalam cakerawala (jika kita tidak mengambilkira ‘jirim gelap’ (dark matter)).

Kajian mengenai plasma adalah satu bidang yang kaya dan luas. Dalam sesetengah bidang sains, kekayaan intelektual terhasil dari teori utama (grand theory) dan pencarian mendalam berkenaan dasar-dasar fizik – seperti yang ditunjukkan oleh Albert Einstein melalui pemahaman graviti di dalam teori relativiti umum (general relativity), atau pengkaji teori untaian (string theory) yang cuba menggantikan Model Standard zarah sub-atom dengan untaian-untaian tenaga kecil yang bergegar berterusan. Kajian plasma mempunyai beberapa konsep matematik yang elegan, tapi berbanding dengan bidang-bidang sains yang lain, kajian plasma kebanyakannya didorong oleh potensi kegunaan plasma dalam kehidupan kita.

Pertama sekali, bagaimanakah kita menghasilkan plasma? Bayang kita panaskan sebuah bekas berisi ais, kemudian lihat bahawa ia berubah dari pepejal, kepada cecair, kepada gas. Semakin suhu meningkat, molekul air tersebut akan menjadi semakin bertenaga dan rancak; makan ia akan bergerak dengan lebih laju dan bebas. Jika kita teruskan pemanasan bekas tersebut, kepada suhu lebih kurang 12,000 darjah Celcius, atom-atom tersendiri akan mula pecah. Elektron akan terbuang dari nuclei, meninggalkan zarah-zarah bercas yang dikenali sebagai ion. Ion-ion ini akan bermandian di dalam kelompok elektron tadi. Inilah yang dikenali sebagai bentuk/keadaan plasma.

Hubungan antara plasma di dalam darah dan plasma ‘fizikal’ bukan satu kebetulan semata-mata. Pada tahun 1927, Irving Langmuir seorang ahli kimia dari Amerika mendapati bawah cara plasma membawa elektron, ion, molekul dan objek-objek lain mempunyai persamaan dengan cara plasma darah membawa sel darah putih, sel darah merah dan kuman. Bersama teman sekerjanya, Lewi Tonks, Langmuir merupakan seorang perintis dalam kajian plasma. Beliau juga mendapati bahawa antara ciri utama plasma ialah mempunyai elektron yang bergegar laju disebabkan hubungan rapat antara partikel-partikel tersebut.

Antara ciri-ciri plasma yang menarik ialah keupayaannya untuk menyokong ombak hydromagnet (hydromagnetic waves) – ombak yang bergerak melalui plasma sealiran dengan jaluran ruang magnetik, sama seperti gegaran bergerak sealiran dengan tali gitar. Apabila Hannes Alfvén, seorang saintis dari Sweden dan juga pemenang Anugerah Nobel, buat pertama kali mencadangkan kewujudan ombak-ombak sedemikian pada 1942, komuniti fizik ragu-ragu dan tidak mempercayai beliau. Namun selepas Alfvén menyampaikan taklimat di University of Chicago, Enrico Fermi yang terkenal dan disegani menegur beliau untuk berbincang mengenai teori ombak tersebut. Fermi akur: ‘Sudah pasti ombak tersebut boleh wujud!’ Sejak dari itu, komuniti saintifik berijmak bahawa Alfvén adalah benar.

Plasma dan keupayaannya menghasilkan tenaga bersih

Antara motivasi terbesar dalam sains plasma terkini adalah potensi plasma dalam pelakuran/penyatuan termonuklear terkawal (controlled thermonuclear fusion), yang mana atom-atom akan bersatu dan menghasilkan tenaga yang sangat padat dan terkawal. Ini membolehkan kita menjana tenaga secara berpanjangan dan bersih, tapi ianya bukanlah satu kerja yang mudah. Sebelum pelakuran boleh berlaku di muka bumi ini, plasma mestilah dipanaskan kepada suhu lebih dari 100 juta darjah Celcius – iaitu 10 kali lebih panas dari pusat Matahari! Tapi ini bukanlah suatu kerja yang mustahil ataupun yang paling susah; kita pernah mencapai suhu tersebut (malah lebih panas) pada tahun 1990-an. Apa yang paling susah ialah plasma yang panas adalah sangat tidak stabil dan tidak suka berada dalam satu bentuk yang tetap (fixed volume). Jadi ini menyebabkan plasma susah untuk dikandung dan dikawal untuk perkara-perkara yang berguna.

Stellarator vs Tokamaka – Kredit: economist.com

Cubaan untuk mengawal pelakurang termonuklear bermula sejak 1950-an lagi. Pada masa itu, kajian dibuat secara rahsia oleh Amerika, Soviet Union dan Great Britain. Di Amerika, Princeton University adalah tunggak utama bagi kajian ini. Di-sana, ahli fizik Lyman Spitzer telah memulakan Projek Matterhorn yang mana beberapa saintis cuba untuk menjana dan memerangkap pelakuran nuklear menggunakan alatan berbentuk nombor 8 yang dipanggil ‘stellarator’. Mereka tidak mempunyai sebarang komputer, dan terpaksa bergantung kepada pengiraan menggunakan pen dan pensel. Walaupun mereka tidak dapat menyelesaikan masalah tersebut, mereka berjaya menghurai ‘prinsip tenaga (the energy principal)’ yang menjadi kaedah penting untuk mengenalpasti keseimbangan ideal sesuatu plasma.

Pada masa yang sama, saintis-saintis di Soviet Union pula membina sebuah alatan yang berbeza: iaitu ‘tokamak’. Mesin ini direka-bentuk oleh Andrei Sakharov dan Igor Tamm, menggunakan medan magnetik yang kuat supaya ia boleh mengolah plasma yang panas kepada bentuk sebuah donut. Mesim Tokamak ini ternyata lebih berkesan dalam memastikan plasma tersebut sentiasa panas dan stabil. Oleh itu, kebanyakan program kajian pelakuran pada masa ini menggunakan reka-bentuk Tokamak.

Konsortium yang terdiri daripada China, Kesatuan Eropah, India, Jepun, Korea, Russia dan Amerika telah bersepakat untuk membina reaktor Tokamak terbesar di dunia, yang dijangka mula beroperasi pada 2025. Malahan, baru-baru ini, stellarator mula mendapat suntikan semangat yang baru apabila reaktor stellarator terbesar di dunia dibina oleh Jerman pada 2015. Pelaburan dalam teknologi-teknologi ini mungkin peluang terbaik bagi kita untuk berjaya dalam pelakuran nuklear.

Plasma dalam bentuk aurora borealis (Northern lights) berasal dari atmosfera atasan Matahari. Plasma ini dibawa oleh angin solar (solar wind) menerusi ruang vakum angkasa raya dan melanggar atmosfera Bumi. Kita bernasib baik kerana ruang magnetik Bumi melindungi hidupan daripada terkena partikel plasma bercas dan radiasi berbahaya. Satelit-satelit, kapal angkasa dan angkasawan akan terdedah kepada plasma berbahaya ini. Keupayaan mereka untuk terus hidup dalam persekitaran berbahaya ini bergantung kepada pemahaman kita terhadap sifat-sifat plasma.

Terdapat satu bidang sains baru yang dipanggil ‘kajian cuaca angkasa (space weather)’. Dalam bidang ini, plasma memainkan peranan yang sama seperti kajian dinamik cecair (fluid dynamics) di permukaan Bumi. Saya menumpukan kajian saya kepada penyambungan semula magnetik (magnetic reconnection), di mana jaluran ruang magnetik dalam plasma boleh terputus dan tersambung semula. Kejadian ini akan menyaksikan pelepasan tenaga yang besar dan rancak. Proses ini dipercayai menjana kejadian-kejadian peletusan di Matahari, seperti suar solar (solar flare) sungguhpun kita masih tidak berjaya memahami secara mendalam. Pada masa hadapan, kita mungkin mampu menjangka ribut solar (solar storm) sepertimana kita mampu menjangka kewujudan cuaca buruk di muka Bumi.

Mengimbau kembali pada ruang dan masa (space and time) lepas, saya berharap agar kajian plasma mampu memberi pandangan dan kefahaman yang mendalam dari segi asal kewujudan bintang-bintang, galaksi-galaksi dan kelompok galaksi. Merujuk kepada model kajian cakerawala yang sedia-ada, plasma ada di merata-rata tempat semasa alam semesta ini masih muda. Kemudian apabila semua semakin menyejuk (selepas Letupan Besar – Big Bang), elektron yang bercas dan proton mula bersatu untuk membentuk atom Hidrogen yang neutral/tidak mempunyai cas elektrik. Keadaan ini berkekalan sehinggalah bintang-bintang dan lubang hitam (black hole) yang pertama terbentuk dan mula mengeluarkan radiasi. Ini adalah titik permulaan alam semesta mula ber’ion’ dan kembali kepada keadaan yang dipenuhi plasma.

Pancutan Plasma dari sebuah lubang hitam yang besar

Akhir sekali, plasma membantu kita menjawab beberapa persoalan penting mengenai fenomena-fenomena menakjubkan yang boleh dilihat pada kawasan-kawasan paling hujung di Alam Semesta. Sebagai contoh, kejadian Lubang Hitam (black hole) yang sungguh padat sehinggakan cahaya tidak dapat lari daripadanya. Jadi, lubang hitam ini adalah gelap dan tidak akan nampak pada mata manusia. Namun begitu, lubang hitam kebiasaannya akan diselubungi oleh satu cakera jirim plasma yang mengorbit ruang graviti luang hitam tersebut, dan mengeluarkan photon bertenaga tinggi. Photo ini boleh dilihat dalam spektrum X-ray yang mendedahkan beberapa perkara berkaitan persekitaran ekstrem ini.

Ini merupakan satu perjalanan yang menarik bagi saya semenjak dari masa saya mengetahui kewujudan pepejal, cecair dan gas sahaja. Plasma adalah sungguh eksotik, tapi apabila kita belajar untuk menggunakan keupayaan plasma dan membesarkan pemahaman kita terhadap alam semesta, mungkin pada suatu hari nanti plasma akan kelihatan normal seperti ais dan air. Dan jika kita akhir sekali mampu menjana pelakuran nuklear, plasma mungkin menjadi satu elemen yang kita tak mampu pisahkan dari hidup ini.

Nukilan asli oleh: Luca Comisso, Postdoctoral research scientist di Jabatan Astronomi & Columbia Astrophysics Laboratory di Columbia University, New York.

Rujukan asal: AEON – Plasma, the mysterious (and powerful) forth phase of matter

Alih-bahasa oleh: fuqaha.com, 21 September 2018

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s