Jak zamienić ołów w złoto (i nic na tym nie zarobić)?

Kilka mie­się­cy temu zespół badaw­czy obsłu­gu­ją­cy eks­pe­ry­ment ALICE w Wielkim Zder­za­czu Hadro­nów, dokonał czegoś, co wzru­szy­ło­by Nico­la­sa Flamela i innych śre­dnio­wiecz­nych alche­mi­ków. Fizycy z Genewy dosłow­nie trans­mu­to­wa­li ołów w złoto. Tyle tylko, że zamiast kamie­nia filo­zo­ficz­ne­go, użyli do tego zadania akce­le­ra­to­ra cząstek i detek­to­ra o roz­mia­rach czte­ro­pię­tro­we­go budynku.

Trans­mu­ta­cji doko­na­no w sposób nastę­pu­ją­cy. Naukow­cy roz­pę­dza­li wiązki zawie­ra­ją­ce jądra atomów ołowiu do 99,999993% pręd­ko­ści światła w próżni i podzi­wia­li ich kolizje. A wła­ści­wie nie tyle kolizje, co “niemal kolizje” (near-miss col­li­sions) lub – jeśli wolisz ter­mi­no­lo­gię wprost z publi­ka­cji – “kolizje ultra­pe­ry­fe­ryj­ne” (ultra­pe­ri­phe­ral col­li­sions). To takie zda­rze­nia, kiedy obiekty nie wpadają na siebie bez­po­śred­nio, ale mijają się o kwan­to­wy włos – dość blisko, aby doszło do elek­tro­ma­gne­tycz­nych turbulencji.

Pamię­taj, że mamy do czy­nie­nia z nagimi jądrami (ogo­ło­co­ny­mi z elek­tro­nów), które niosą silny dodatni ładunek elek­trycz­ny. Podczas bli­skie­go spo­tka­nia takich jonów docho­dzi do czegoś, co fizycy nazy­wa­ją dyso­cja­cją elek­tro­ma­gne­tycz­ną. Chociaż obiekty na siebie nie wpadają, sama inte­rak­cja pól elek­tro­ma­gne­tycz­nych i towa­rzy­szą­ca jej erupcja fotonów, potrafi oka­le­czyć mija­ją­ce się jądra.

Jak wiemy z układu okre­so­we­go, liczba atomowa ołowiu wynosi 82 – pier­wia­stek zawiera w swoim jądrze 82 protony. Złoto jest nieco lżejsze i posiada 79 pro­to­nów. Zatem, żeby zamie­nić ołów w złoto, należy usunąć dokład­nie 3 protony.

W ramach eks­pe­ry­men­tu ALICE zare­je­stro­wa­no zda­rze­nia, podczas których roz­pę­dza­ne jądra ołowiu gubiły po jednym, po dwa lub po trzy protony (oraz po kilka neu­tro­nów, ale to tutaj mniej istotne). Tym samym w akce­le­ra­to­rze nastę­po­wa­ła trans­mu­ta­cja ołowiu w rtęć, tal oraz złoto.

W szczy­to­wym momen­cie powsta­wa­ło 89 tysięcy jąder atomu złota na sekundę. Ogólnie w całym trzy­let­nim cyklu badaw­czym (Run 2) wypro­du­ko­wa­no ponad 86 miliar­dów jąder złota.

86 miliardów? Brzmi jak początek imperium finansowego!

Czekaj. Pamię­taj o skali, w jakiej się poru­sza­my. Jeden atom złota posiada masę 3,27 × 10^-10 piko­gra­ma. Jeżeli pomno­ży­my tę wartość przez 86 miliar­dów to dosta­nie­my (*bęb­nie­nie palcami po kal­ku­la­to­rze*) jakieś 28 piko­gra­mów. 0,000000000028 grama.

Żeby to zobra­zo­wać: gdyby caluś­kie trans­mu­to­wa­ne w LHC złoto zebrać w jednym miejscu, bryłka waży­ła­by nie­wie­le więcej niż poje­dyn­cza bakteria. 

Zwa­żyw­szy na to, że sam rachu­nek za prąd do akce­le­ra­to­ra wyniósł kil­ka­set milio­nów euro – to raczej kiepski interes. Coś jak zakup nowego RTX‑a, żeby odpalać gry z 2001 roku.

Gdyby któryś pra­cow­nik CERN‑u w roman­tycz­nym unie­sie­niu zechciał gro­ma­dzić w LHC mate­riał na pier­ścio­nek zarę­czy­no­wy, w tym tempie potrze­bo­wał­by ponad 530 miliar­dów lat. To 38 razy dłużej niż sza­co­wa­ny wiek wszech­świa­ta. Obawiam się, że mało które uczucie wytrzy­ma taką próbę czasu.

Na dodatek jądra złota wycho­dzą ze zderzeń z bardzo wysoką energią i bynaj­mniej nie tra­fia­ją do żadnego sejfu. Po prostu odla­tu­ją w różnych kie­run­kach i ude­rza­jąc w ściany tunelu lub instru­men­ty, natych­miast roz­pry­sku­ją się na wolne protony i neu­tro­ny. Nie dość więc, że wytwo­rzo­ne­go złota nie star­czy­ło­by do prze­ku­pie­nia pier­wot­nia­ka, to jeszcze nie potra­fi­my go gromadzić.

Przynajmniej nauczyliśmy się, jak transmutować pierwiastki.

Tak napraw­dę to żadna nowość, ponie­waż sztuka prze­kształ­ca­nia jednego pier­wiast­ka w inny jest tak stara, jak sama fizyka jądrowa. Już w 1901 roku dwaj przy­szli nobli­ści – Ernest Ruther­ford i Fre­de­rick Soddy – zaob­ser­wo­wa­li, że radio­ak­tyw­ne atomy toru samo­ist­nie trans­mu­tu­ją w rad. Dowie­dli w ten sposób, że pier­wiast­ki nie są czymś stałym, a sam rozpad pro­mie­nio­twór­czy wystar­czy do spon­ta­nicz­nej prze­mia­ny jednego w drugi.

Podobno to wtedy entu­zja­stycz­ny Soddy nazwał zaob­ser­wo­wa­ny proces “trans­mu­ta­cją”. Jego nowo­ze­landz­ki partner miał odpo­wie­dzieć: “Na litość boską! Nie nazywaj tego trans­mu­ta­cją, bo zaraz będą nas ścigać jako alchemików”!

Kil­ka­na­ście lat później ten sam Ruther­ford prze­pro­wa­dził inne ciekawe doświad­cze­nie, ostrze­li­wu­jąc próbkę azotu jądrami helu. Odno­to­wał, że część atomów azotu pochło­nę­ła nad­la­tu­ją­ce jądra, zamie­nia­jąc się w tlen. Był to pierw­szy przy­pa­dek, kiedy czło­wiek nie tylko biernie obser­wo­wał, ale inten­cjo­nal­nie dopro­wa­dził do zmiany toż­sa­mo­ści pierwiastka.

Od tamtego czasu trans­mu­ta­cja stała się codzien­no­ścią. Każdy reaktor jądrowy i akce­le­ra­tor to w zasa­dzie fabryka trans­mu­ta­cji. A jeśli chodzi o złoto, to udało się je uzyskać już w 1941 roku, poprzez bom­bar­do­wa­nie swo­bod­ny­mi neu­tro­na­mi atomów rtęci. Nawia­sem mówiąc, to tańsza metoda od zde­rza­nia ołowiu w LHC – choć nadal nie na tyle, żeby marzyć o prze­my­sło­wej produkcji.

Dlaczego więc w ogóle to robimy?

Nie dla złota, tylko dla wiedzy. Rze­czy­wi­stym celem eks­pe­ry­men­tu ALICE (A Large Ion Col­li­der Expe­ri­ment) są badania plazmy kwar­ko­wo-glu­ono­wej. To bardzo egzo­tycz­ny stan materii, roz­grza­nej do tego stopnia, że wnętrz­no­ści pro­to­nów i neu­tro­nów (tj. kwarki i zle­pia­ją­ce je gluony) zaczy­na­ją szaleć, jak stu­den­ci po prze­ce­nie piwa. Fizycy podej­rze­wa­ją, że taka zupa cząstek wypeł­nia­ła wszech­świat w pierw­szych mikro­se­kun­dach po wielkim wybuchu. Kolizje w LHC pozwa­la­ją odtwo­rzyć te warunki w maleń­kiej skali.

Zare­je­stro­wa­nie procesu prze­mia­ny ołowiu w złoto i inne pier­wiast­ki, to po prostu bonus. Jak zna­le­zie­nie monety na ulicy podczas udziału w mara­to­nie. Miło, ale prze­cież nie po to biegasz.

Czyli praktycznie rzecz biorąc transmutacja nie ma znaczenia?

Trans­mu­to­wa­nie pier­wiast­ków jest ważne i ma przy­szłość. Tylko nie taką, o jakiej marzyli alche­mi­cy. Wyróż­nił­bym dwa naj­cie­kaw­sze kie­run­ki rozwoju tej dziedziny.

1. Produkcja izotopów medycznych

Można tu wymie­nić na przy­kład jod I‑131, sto­so­wa­ny od lat w dia­gno­sty­ce i lecze­niu chorób tar­czy­cy. Albo technet Tc-99m obecny w tysiącu różnych pro­ce­dur, od dia­gno­sty­ki układu krą­że­nia po obra­zo­wa­nie mózgu. Technet ma przy tym bardzo krótki okres pół­tr­wa­nia (zale­d­wie 6 godzin), co oznacza, że nie da się go maga­zy­no­wać – musi być pro­du­ko­wa­ny niemal na bieżąco. W tym przy­pad­ku trans­mu­ta­cja to nie fana­be­ria naukow­ców, tylko realna potrzeba.

Warto zdawać sobie z powyż­sze­go faktu sprawę choćby dlatego, że istot­nym ogniwem w glo­bal­nym łań­cu­chu dostaw radio­izo­to­pów stanowi Polska. Reaktor MARIA w Świerku – jedyny czynny (powiedz­my*) reaktor jądrowy w kraju – wytwa­rza zarówno jod-131, jak i molib­den-99, który roz­kła­da się do cennego tech­ne­tu-99m. Na świecie jest raptem kilka podob­nych ośrod­ków, w związku z czym MARIA samo­dziel­nie pokrywa nawet 10–20% świa­to­we­go zapo­trze­bo­wa­nia na te izotopy.

2. Utylizacja odpadów radioaktywnych

Zało­że­nie jest proste: bie­rze­my zużyte paliwo zawie­ra­ją­ce nie­bez­piecz­ne izotopy neptunu, ameryku czy plutonu i wsa­dza­my do akce­le­ra­to­ra albo spe­cjal­nie zapro­jek­to­wa­ne­go reak­to­ra, wysta­wia­jąc je na dzia­ła­nie wyso­ko­ener­ge­tycz­nych neu­tro­nów. Neu­tro­ny zmie­nia­ją struk­tu­rę jąder ato­mo­wych, tworząc nowe izotopy – tym razem sta­bil­ne lub przy­naj­mniej takie, które będą zabój­cze krócej niż przez kolejne 150 tysięcy lat.

Sta­ra­nia trwają od 1998 roku, kiedy to w malow­ni­czym szwedz­kim ośrodku Stud­svik, prze­pro­wa­dzo­no pierw­sze próby z uniesz­ko­dli­wia­niem uranu U‑233 oraz tech­ne­tu Tc-99 (nie myl go ze wspo­mnia­nym wcze­śniej meta­sta­bil­nym Tc-99m. Chociaż oba izotopy posia­da­ją w jądrze tyle samo pro­to­nów i neu­tro­nów, różnią się struk­tu­rą i sta­bil­no­ścią. W efekcie ten pierw­szy to pro­ble­ma­tycz­ny odpad zale­ga­ją­cy na skła­do­wi­skach przez setki tysięcy lat; podczas gdy drugi ulega roz­pa­do­wi po paru godzi­nach i ratuje życie ludziom). 

Wyniki były całkiem obie­cu­ją­ce, ponie­waż w jednym z doświad­czeń 16% bom­bar­do­wa­nych atomów tech­ne­tu udało się zamie­nić w atomy rutenu Ru-100. Te dwie literki rzadko zwia­stu­ją coś dobrego, ale akurat ruten rze­czy­wi­ście pozo­sta­je sta­bil­ny i nie­groź­ny dla czło­wie­ka. Problem znów polegał na wydaj­no­ści, ponie­waż próbka zawie­ra­ła tylko 12 gramów sub­stan­cji, a eks­po­zy­cja na neu­tro­ny trwała półtora roku. W 18 mie­się­cy uniesz­ko­dli­wio­no więc niecałe 2 gramy.

Mimo to Szwedzi poka­za­li, że pomysł jest fizycz­nie możliwy do reali­za­cji – a to już coś. Współ­cze­śnie rów­no­le­gle roz­wi­ja­ne są przy­naj­mniej cztery podobne pro­jek­ty (MYRRHA, Trans­mu­tex, ARPA‑E NEWTON, Newcleo). Najam­bit­niej­szy wydaje się chło­dzo­ny metalem bel­gij­ski reaktor MYRRHA, który planowo powi­nien osią­gnąć pełną ope­ra­cyj­ność w 2036 roku (czyli realnie gdzieś po 2050).

Nie brzmi to wszyst­ko może tak roman­tycz­nie jak legenda o kamie­niu filo­zo­ficz­nym, ale efekty są znacz­nie bar­dziej realne. I bez porów­na­nia praktyczniejsze.

A TAK W OGÓLE TO… Nie można wspo­mi­nać o alche­mii, bez dodania szczyp­ty pseu­do­nau­ki. Fran­cu­ski inży­nier Coren­tin Louis Kervran zapro­po­no­wał kon­cep­cję “trans­mu­ta­cji bio­lo­gicz­nej”, zgodnie z którą żywe orga­ni­zmy mają natu­ral­ną zdol­ność do prze­kształ­ca­nia jednych pier­wiast­ków w inne. Kervran argu­men­to­wał, że np. kury znoszą jaja oto­czo­ne sko­rup­ką bogatą w wapń, nawet mimo nie­do­bo­ru wapnia w ich diecie. Na tej pod­sta­wie twier­dził, że w orga­ni­zmie ptaków docho­dzi do pro­duk­cji atomów wapnia z połą­cze­nia potasu z wodorem. Nie byłoby to zabawne, gdyby nie fakt, że kurza hipo­te­za została wysu­nię­ta… w latach 60. XX wieku.

* Ale ponie­waż w tym kraju nigdy nie może być za dobrze, w kwiet­niu tego roku wybu­chła afera z wyga­śnię­ciem licen­cji na eks­plo­ata­cję reak­to­ra. Nato­miast dobra wia­do­mość jest taka, że mini­ster­stwo prze­my­słu nie­śmia­ło prze­bą­ku­je o pracach nad następ­cą wysłu­żo­nej Marii.