T28. Fusion Energy from the Sun by Fredric M. Menger, Emory University, USA

Note: The following essay is a continuation of "The Sun and Nuclear Energy" with an emphasis on the origin of the sun's fusion energy.

All energy in the world can trace its origin back to the sun. Living plants, for example, use the sun's energy to make substances such as wood. When wood is burned, energy in the form of light and heat is released in the fire. The light and heat are a direct result of the sunlight energy that has been stored in the wood. Petroleum, natural gas, and coal derive from plants that have been transformed underground but, nonetheless, have retained their sun-derived "chemical energy". For example, when natural gas (methane) is burned, heat is created (along with water and carbon dioxide) according the following equation:

Now one might think that the sun's energy comes from some sort of gigantic fire, but this is not the case. To fully appreciate the sun's energy, one must understand the Einstein equation:

E is the energy; m is the mass of the substance; and c = the speed of light. Since the speed of light c is 186,000 miles/second (and the square of this number is, of course, an even larger number), a tiny loss of mass produces a massive amount of energy. For example, loss of only one gram of mass releases an energy equivalent to about 3,000 tons of coal. The non-intuitive fact that mass is energy, and energy is mass, is one of the great scientific ideas of all time.

Now burning natural gas, as in the above equation, does not destroy mass. Bonds are merely rearranged so that heat ("chemical energy") is produced without any overall mass loss as methane and oxygen are converted into water and carbon dioxide. But there are so-called "nuclear processes" that do lead to a loss of mass, and a simple example is given below. Thus, two deuterium atoms can fuse at extremely high temperatures, such as found on the sun, to form helium. (Deuterium is hydrogen atom with a proton shown in blue and an extra neutron shown in red, but this is a detail).

The important point is that the atomic mass of deuterium is 2.0136, whereas the atomic mass of helium is 4.0015. But the two deuterium atoms needed to make helium have a total mass of 2 x 2.0136 = 4.0272 which is 0.0257 greater than the 4.0015 mass of helium. In other words, there is a 0.0257 loss of mass per helium atom in this nuclear fusion. The percentage loss seems small, but (as we saw in the comparison with coal) the energy production from even a small loss of mass is enormous. In summary, the sun, which is 70% hydrogen, derives its energy from nuclear fusion, and all life on earth depends on it.

LA ENERGIA DE FUSIÓN DEL SOL
Fredric M. Menger, Emory University, EUA
Traducción por Elsa Abuin y Eduardo Lissi, Universidad de Santiago de Chile, Chile

Nota: El siguiente ensayo es una continuación de "El Sol y Energía Nuclear" con un énfasis en el origen de la energía de fusión del sol.

Toda la energía en el mundo tiene su origen en el sol. Las plantas, por ejemplo, usan la energía del sol para hacer sustancias tales como la madera. Cuando la madera se quema, en el fuego se libera energía en forma de luz y calor. La luz y el calor son el resultado directo de la energía del sol que ha sido almacenada en la madera. El petróleo, el gas natural y el carbón derivan de las plantas que han sido transformadas bajo la tierra pero que, sin embargo, han retenido su "energía química" derivada del sol. Por ejemplo, cuando se quema el gas natural (CH4), se libera calor (junto con agua y dióxido de carbono) de acuerdo con la siguiente reacción:

Ahora bien, uno puede pensar que la energía del sol proviene de alguna suerte de fuego gigantesco, pero este no es el caso. Para apreciar completamente la energía del sol, uno debe entender la ecuación de Einstein:

Donde, E es la energía; m es la masa de la sustancia y c es la velocidad de la luz. Dado que la velocidad de la luz es 186 000 millas /segundo (y el cuadrado de este número es, por supuesto, aun más grande), una muy pequeña pérdida de masa produce una enorme cantidad de energía. Por ejemplo, una pérdida de solo un gramo de masa libera una energía equivalente a aproximadamente 3 000 toneladas de carbón. El hecho no intuitivo de que la masa es energía, y la energía es masa, es una de las más grandes ideas científicas de todos los tiempos.

Ahora bien, quemar gas natural, como en la ecuación precedente, no destruye masa. Lo que ocurre es simplemente un reordenamiento de las uniones entre los átomos, de tal forma que se produce calor (a expensas de la "energía química") sin ninguna pérdida de masa al convertirse el metano y el oxígeno en agua y dióxido de carbono. Pero existen los llamados "procesos nucleares" que conducen a pérdida de masa, y un ejemplo simple se presenta más abajo. Esto es, dos átomos de Deuterio pueden fundirse a temperaturas extremadamente altas, tales como la del sol, para formar Helio (El Deuterio es un átomo de hidrógeno con un protón mostrado en azul y un neutrón extra mostrado en rojo, pero esto es un detalle)

El punto importante es que la masa atómica del Deuterio es 2,0136, mientras que la masa atómica del Helio es 4,0015. Por lo tanto, los dos átomos de Deuterio necesarios para hacer Helio tienen una masa total de 2 x 2,0136 = 4,0272 la cual es 0,0257 mayor que la masa del Helio (4,0015). En otras palabras, hay una pérdida de masa de 0,0257 por átomo de Helio en la fusión. El porcentaje de pérdida parece pequeño, pero la producción de energía a partir de esa pequeña pérdida de masa es enorme. En resumen, el sol, que es en un 70% hidrógeno, deriva su energía de la fusión nuclear, y toda la vida en la tierra depende de eso.