Από το περίπου Μηδέν, στο σχεδόν Άπειρο

Το παρακάτω άρθρο υπάρχει δημοσιευμένο και στο παλαιότερο blog μου "mepolyaplalogia", μάλιστα ήταν το πρώτο άρθρο και είχε δημιουργηθεί ειδικά για παιδιά, και συγκεκριμένα του Γυμνασίου Αντίκυρας.

Σταδιακά προστέθηκαν και άλλα άρθρα και έτσι δημιουργήθηκε το πρώτο blog. Με την ευκαιρια, ευχαριστώ το Γυμνάσιο Αντίκυρας και τον Διευθυντή του κ Ι. Μαργαρίτη, για τη "φιλοξενία" των αρχικών άρθρων στην ιστοσελίδα του Γυμνασίου.

Εξαιτίας του ενδιαφέροντοςτου θέματος και για "ιστορικούς" λόγους, αναδημοσιεύεται και σ'αυτό το νέο μου blog, με κάποιες διορθώσεις και προσθήκες.

"Ζούμε  σ’ έναν κόσμο μαγικό ...", όπως λέει και το τραγούδι, αλλά σπάνια συνειδητοποιούμε ότι μεγάλο μέρος της μαγείας οφείλεται στο ότι ζούμε στη μέση περίπου της κλίμακας των διαστάσεων, μεταξύ του ατόμου και των μεγεθών του Σύμπαντος.

Αυτό μας δίνει το πλεονέκτημα να μπορούμε να έχουμε πρόσβαση με τα τεχνικά μέσα που έχουν αναπτυχθεί χάρις στην ευφυία του ανθρώπου και στα δύο άκρα των μεγεθών αυτών, έτσι ώστε να έχουμε μια αρκετά καλή, αν και όχι ακόμα ολοκληρωμένη εικόνα του φυσικού κόσμου.

Από την άλλη μεριά, εξαιτίας της εύθραυστης φύσης μας, ζούμε πολύ κοντά στο κάτω μέρος της κλίμακας σε ότι αφορά την πίεση, τη θερμοκρασία και τις βαρυτικές δυνάμεις.

Αρκεί να σκεφτούμε ότι ζούμε σε πίεση περίπου 1 bar (100.000 Ρa), θερμοκρασία λίγο επάνω από το απόλυτο μηδέν (273 βαθμούς Κελσίου) και σε πεδίο επιτάχυνσης της τάξης του 1g (δηλαδή μάζα 1 kg δέχεται δύναμη 10 Ν), ενώ στα άστρα και τις μαύρες τρύπες οι τιμές των μεγεθών αυτών είναι εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες.

Εκατομμύρια φορές μεγαλύτερες είναι και οι ταχύτητες που αναπτύσσουν τα σχεδόν άυλα υποατομικά σωματίδια και τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε σχέση με τις ανθρώπινες κατασκευές, αν και εδώ, όπως απέδειξε ο πολύ έξυπνος κύριος Αλβέρτος υπάρχει και ένα άνω όριο (η ταχύτητα του φωτός στο κενό), που κάθε τόσο  επιβεβαιώνεται ότι είναι πράγματι αξεπέραστο, τουλάχιστον στο παρατηρούμενο και αισθητό Σϋμπαν που μας περιβάλλει.

Κοντά στο μέσο της κλίμακας της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, βρισκόμαστε επίσης και από πλευράς οπτικής αντίληψης των κυμάτων αυτών (ορατό φως).

Χοντρικά, θα λέγαμε ότι ο κόσμος μας χωρίζεται σε τρεις περιοχές, αλλά χωρίς σαφή όρια μεταξύ τους:

-          Τον Φυσικό Κόσμο κοντά στις διαστάσεις και τα μέτρα του ανθρώπου,

-          Τον Μικρόκοσμο (κάτω από το ατομικό μέγεθος), και

-          Τον Μακρόκοσμο (το σύμπαν που βλέπουμε το βράδυ στον ουρανό και με τα τηλεσκόπια).

Το περίεργο είναι ότι στις τρείς αυτές περιοχές, και με τις σημερινές γνώσεις, τα πράγματα δεν φαίνεται να δουλεύουν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Μη φανταστείτε όμως ότι οι εξισώσεις δεν ισχύουν από την μία στην άλλη περιοχή, απλά οι εξισώσεις περιέχουν παράγοντες που γίνονται ασήμαντοι (ή το αντίθετο) καθώς τα μεγέθη αλλάζουν δραματικά

Στον άμεσα αντιληπτό (φυσικό) μας κόσμο, ισχύει η Νευτώνεια φυσική, δηλαδή αυτή που περιέγραψε ο Νεύτωνας με τις εξισώσεις του, τη μαθαίνουμε στο Γυμνάσιο και όλα «σχεδόν» τα αντικείμενα γύρω μας έχουν κατασκευαστεί σύμφωνα με αυτούς τους φυσικούς νόμους.

(Για αυτό το «σχεδόν», βλ παρακάτω στο κείμενο).

Στον Μικρόκοσμο, τα πράγματα είναι κάπως αόριστα και αυτό δεν είναι σχήμα λόγου, καθώς εκεί επικρατεί η κβαντική φυσική με την αρχή της αβεβαιότητας ή απροσδιοριστίας, που μοιάζει να πλησιάζει λίγο την περιοχή του μεταφυσικού.

Τροχιές υποατομικών σωματιδίων (επεξεργασμένες από υπολογιστή) μετά από σύγκρουση ατομικών σωματιδίων, στο CERN. Από την τροχιά κάθε σωματιδίου συμπεραίνονται τα φυσικά χαρακτηριστικά του. Η μέγιστη ισχύς των συγκρούσεων στο CERN φτάνει τα 14 TeV, που ακούγεται μεγάλη (και είναι για τα υποατομικά σωματίδια) αλλά για σύγκριση, 1 TeV είναι η κινητική ενέργεια του ιπτάμενου κουνουπιού!

Με απλά λόγια, μοιάζει σαν κάποια ιδιότητα ενός σωματιδίου να γίνεται συγκεκριμένη μόνο εφόσον υπάρχει κάποιος να την παρατηρήσει, ή να την καταγράψει με όργανα.

Παραφράζοντας τον Καρτέσιο, θα λέγαμε: "παρατηρώ, άρα υπάρχει".

Είναι σαν ένα ζουζούνι να πετάει μέσα σ’ ένα δωμάτιο, αλλά να είναι αδύνατον να προσδιορίσουμε ταυτόχρονα τη θέση και την ταχύτητά του, μας επιτρέπεται να προσδιορίσουμε με ακρίβεια μόνον ένα από τα δύο αυτά μεγέθη κάθε φορά.

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέμα Νο 87.

Μια άλλη ενδιαφέρουσα ιδιότητα που έχει παρατηρηθεί στο μικρόκοσμο, είναι η δυνατότητα να υπάρχει "επίδραση" (κβαντικός συσχετισμός), με τρόπο που μοιάζει να ξεπερνάει σε ταχύτητα αυτή του φωτός.

Αυτό δεν αντίκειται στη γνωστή αρχή που θέλει την ταχύτητα του φωτός στο κενό τη μεγαλύτερη δυνατή στο Σύμπαν, αλλά έχει να κάνει με τον προσδιορισμό μιας ιδιότητας μεταξύ δύο φωτονίων (προς το παρόν) που έχουν κοινή προέλευση, εφόσον γνωρίζουμε την αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου. Αυτό όμως δεν έχει να κάνει με τη μετάδοση πληροφορίας, αλλά με τον προσδιορισμό μιας ιδιότητας όταν μία άλλη "συνδεδεμένη" μαζί της γίνει γνωστή. 

Για παράδειγμα, σκεφτείτε δύο κουτιά που το ένα περιέχει ένα δεξί και το άλλο ένα αριστερό γάντι, εξωτερικά πανομοιότυπα. Δύο άτομα επιλέγουν τυχαία το κάθε κουτί. Αυτά τα άτομα μπορούν να απομακρυνθούν μεταξύ τους οσοδήποτε χωρίς να γνωρίζουν το είδος του γαντιού που περιέχει το κουτί τους. Τη στιγμή όμως που το ένα άτομο θα ανοίξει το κουτί του, αυτόματα θα γνωρίζει και το περιεχόμενο του άλλου κουτιού.

Μη βιαστείτε όμως να πείτε ότι το καταλάβατε! Το ποιό γάντι περιέχεται στο κάθε κουτί δεν είναι προκαθορισμένο, "αποφασίζεται" την ώρα που ανοίγεται το πρώτο κουτί! 

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέμα Νο 55.

Η κατανόηση του μικρόκοσμου ανοίγει μια γοητευτική διάσταση στη φύση, και αξιοποιεί τη δυνατότητα του ανθρώπου να κατασκευάσει μηχανήματα σε διαχειρίσιμα μεγέθη (όπως πχ ο τεράστιος επιταχυντής του CERN στη Γενεύη), που δίνουν ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός σε υποατομικά σωματίδια.

Και μάλιστα, όσο πιο μικρά σωματίδια θέλουμε να ερευνήσουμε, τόσο μεγαλύτερα μηχανήματα χρειαζόμαστε, επειδή απαιτείται περισσότερη ενέργεια για να φθάσουμε σ’ αυτά!

Οδηγώντας κάποια από τα σωματίδια αυτά σε σύγκρουση μεταξύ τους, δημιουργούνται (σε πολύ, μα πάρα πολύ μικρή κλίμακα αλλά εξαιρετικά υψηλή θερμοκρασία σημειακά) συνθήκες παραπλήσιες με την απαρχή του Σύμπαντος (τη γνωστή Μεγάλη Έκρηξη ή Big Bang), οπότε θα μπορούσε  να γίνει κατανοητό το πώς δημιουργήθηκε η ύλη και η ενέργεια, και πώς απέκτησαν τις ιδιότητες που γνωρίζουμε σήμερα.

Μια άλλη συνέπεια αυτών των συγκρούσεων μεγάλης ενέργειας, ήταν να αποκαλυφθεί ένα πλήθος νέων σωματιδίων που κρύβονται μέσα στην κλασική εικόνα του ατόμου, με αποτέλεσμα να αναγκαστούν οι φυσικοί να εξαντλήσουν τη φαντασία τους για να τα ονομάσουν!

Και αν σας φαίνεται ότι ψάχνουμε ψύλλους στα άχυρα, σας λέμε ότι σήμερα γνωρίζουμε για τους ψύλλους, αλλά μας διαφεύγουν ακόμα τα «άχυρα».

(Για τα «άχυρα», βλ. παρακάτω στο κείμενο).

Παρόλη όμως τη θεωρητική απροσδιοριστία που βασιλεύει στην κβαντική μηχανική, έχουν ήδη προκύψει και αναμένεται να προκύψουν στο μέλλον πολύ συγκεκριμένες πρακτικές εφαρμογές της, που αφορούν πχ την ανάπτυξη νανο-υλικών στα οποία μπορούν να δοθούν πρωτόγνωρες ιδιότητες, καθώς και την ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών με πολλαπλάσια υπολογιστική ικανότητα από τους σημερινούς (ίσως τότε δούμε και τον πρώτο «σκεπτόμενο» υπολογιστή).

Ένα κβαντικό ρολόι θα έχει τόση μεγάλη ακρίβεια, ώστε αν είχε αρχίσει να λειτουργεί τη στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης, μέχρι σήμερα θα είχε χάσει λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο!

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέμα Νο 39.

Σχηματική παράσταση της εξέλιξης του σύμπαντος, από το big bang (αριστερά) μέχρι σήμερα (δεξιά). Στην κλίμακα στο κάτω μέρος της εικόνας, φαίνεται ο χρόνος, η θερμοκρασία και η ενέργεια, ενώ στο επάνω μέρος το πόσο κοντά έχουμε καταφέρει να φθάσουμε να αναπαραστήσουμε τις συνθήκες μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, μέσα στους διάφορους επιταχυντές. 

Ενας πολύ πρόσφατος κλάδος είναι και η Κβαντική Βιολογία, η οποία μελετά τις επιδράσεις των τυχαίων συμβάντων στη δομή του κυττάρου, με κύριο στόχο να ανακαλύψει τον μηχανισμό δημιουργίας των μεταλλάξεων και των καρκινικών κυττάρων.

Γενικά, αν θελήσουμε να αντιστοιχήσουμε το βαθμιαίο «χτίσιμο» της ύπαρξής μας με τις ανάλογες επιστήμες, θα είχαμε την παρακάτω κλιμάκωση:

Φυσική:          Δομή του ατόμου

Χημεία:           Δομή των μορίων

Βιοχημεία:      Οργάνωση των μορίων σε κύτταρα

Βιολογία:        Συνένωση των κυττάρων σε ζωντανούς οργανισμούς

Γενετική:         Αξιοποίηση των πληροφοριών των κυττάρων

Με αυτά κι αυτά μεταφερόμαστε στο Μακρόκοσμο, όπου ισχύουν διαφορετικά αλλά εξίσου περίεργα και συναρπαστικά φαινόμενα.

Κατ’ αρχήν δεν βλέπουμε τα πραγματικά όρια του σύμπαντος, αφού τα πλέον μακρινά άστρα που βλέπουμε σήμερα ήταν στη θέση εκείνη, όταν το φως τους που φτάνει σ’ εμάς τώρα ξεκίνησε να έρχεται προς το μέρος μας.

Με διάφορους υπολογισμούς οι αστρονόμοι εκτιμούν την ηλικία του σύμπαντος σε 14 δισεκατομμύρια έτη περίπου, ενώ η δυνατότητα παρατήρησης των ορίων του σύμπαντος φθάνει σε βάθος και προς όλες τις κατευθύνσεις, τα 47 δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Τώρα πώς γίνεται αυτό, που μοιάζει να παραβιάζει το όριο της ταχύτητας του φωτός, ρωτήστε τους αστρονόμους που λένε ότι μέρος της επέκτασης του Σύμπαντος (που συνεχίζεται), έχει συμβεί με ταχύτατη διαστολή του χώρου ελάχιστο χρόνο μετά τη δημιουργία του.

Και δεν είναι μόνο ότι δεν βλέπουμε όλο το σύμπαν. Δεν βλέπουμε ούτε όλη την ύλη, ούτε και όλη την ενέργεια που εμπεριέχει.

Στην πραγματικότητα αντιλαμβανόμαστε μόνο ένα μικρό ποσοστό τους, της τάξης του 5%!.

Η υπόλοιπη ύλη και ενέργεια (τα «άχυρα» που λέγαμε παραπάνω) έχουν βαφτιστεί «σκοτεινές», που δηλώνει την άγνοιά μας επί του θέματος.

Πολύ συνοπτικά, η σκοτεινή ύλη είναι αόρατη ύλη κυρίως μέσα στους γαλαξίες, που έχει θετική βαρυτική επίδραση και βοηθάει στη συνοχή τους, ενώ η σκοτεινή ενέργεια είναι διάσπαρτη στο Σύμπαν, έχει αρνητική βαρυτική επίδραση και προκαλεί την επιταχυνόμενη διαστολή του (δηλ την επιταχυνόμενη απομάκρυνση των γαλαξιών μεταξύ τους).

Τελικά, το Σύμπαν δεν είναι τόσο ομοιoγενές όσο αρχικά είχε εκτιμηθεί, με μεγάλες συγκεντρώσεις γαλαξιών (αόρατων με γυμνό μάτι) να βρίσκονται σε δύο τεράστιες περιοχές που επισημαίνονται με μπλε και κόκκινο χρώμα. Πηγή εικόνας: physicsgg.me

Αντίθετα, για τις «μαύρες τρύπες» οι ιδιότητες τους έχουν προσδιοριστεί με αρκετή ακρίβεια, και έχουν χρησιμοποιηθεί τόσο σε ιστορίες επιστημονικής φαντασίας όσο και αυθεντικής επιστήμης, ως ο από μηχανής Θεός για να δώσουν λύσεις στους ήρωες ή διέξοδο στη φαντασία των επιστημόνων, δημιουργώντας «σκουληκότρυπες» για ταχεία μεταφορά από τη μια άκρη του Σύμπαντος στην άλλη, ταξίδια μπρος – πίσω στο χρόνο, κλπ.

Μία μαύρη τρύπα είναι περιοχή τεράστιας βαρύτητας, τόσο τεράστιας που συγκρατεί ακόμα και το φως από το να διαφύγει, οπότε δεν βλέπουμε τίποτα μέσα της (πιο μέσα από τον "ορίζοντα γεγονότων" για την ακρίβεια).

Μα το φως επηρεάζεται από την βαρύτητα?

Όχι μόνο το φως, αλλά και ο ίδιος ο χρόνος επηρεάζεται από τη βαρύτητα (σωστότερα από την παρουσία μάζας, όχι από τις δυνάμεις g), προκαλώντας περίεργα αλλά και αστεία φαινόμενα, που όμως έχουν επιβεβαιωθεί. 

Υπόψη ότι χρόνος και χώρος θεωρείται ότι δημιουργήθηκαν ταυτόχρονα με τα υπόλοιπα προϊόντα της Μεγάλης Έκρηξης, οπότε η ερώτηση για το τι υπήρχε πριν και πού, δεν έχει νόημα ούτε φυσικά απάντηση.

Σήμερα, εκτιμάται ότι στο κέντρο των περισσότερων γαλαξιών υπάρχει και από μία γιγάντια μαύρη τρύπα.

Η επίδραση της βαρύτητας στο φως  έχει επιβεβαιωθεί, όπως και η επιβράδυνση του χρόνου τόσο από τη βαρύτητα, όσο και από την ταχύτητα.

Στη μαύρη τρύπα, εκτός από το φως που δεν ξεφεύγει, δεν κυλάει ούτε ο χρόνος για τον εξωτερικό παρατηρητή, και δεν εννοούμε ότι επηρεάζονται οι μηχανισμοί των ρολογιών εξαιτίας του βαρυτικού πεδίου, αλλά και ο ίδιος ο βιολογικός χρόνος.

Οι τροχιές των δορυφόρων του συστήματος GPS, σε ύψος 20.000 km από την επιφάνεια της Γης. Οι δορυφόροι GPS είναι μια από τις αποδείξεις ότι η θεωρία της σχετικότητας ισχύει.

Αντίστοιχα, οι μεγάλες ταχύτητες επιβραδύνουν επίσης τον χρόνο, και πρακτικό παράδειγμα (εδώ αντιστοιχεί το «σχεδόν» προηγούμενης παραγράφου) αποτελούν οι δορυφόροι του συστήματος GPS, που λαμβάνουν υπόψη την «παραμόρφωση» του χρόνου τόσο λόγω της ταχύτητάς τους, αλλά και εξαιτίας της απομάκρυνσής τους από τη μάζα της Γης, αλλιώς τα λάθη τους θα ήταν σημαντικά. 

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέματα Νο 36 και Νο 37. 

Γνωστό είναι επίσης το παράδειγμα των διδύμων, όπου ο αδελφός που κάνει ένα σύντομο για τον ίδιο ταξίδι αλλά με πολύ γρήγορο διαστημόπλοιο, γυρίζει στη Γη για να βρει τον αδελφό του αρκετά πιο γερασμένο από τον ίδιο.

Αυτός είναι και ο μόνος γνωστός τρόπος για να προχωρήσει κάποιος γρηγορότερα στο μέλλον, αλλά δυστυχώς είναι διαδρομή χωρίς εισιτήριο (χρονικής) επιστροφής.

Όσο για επιστροφή στο παρελθόν, δεν φαίνεται να υπάρχει τρόπος, τουλάχιστον όχι με «διαδραστικό» τρόπο, επειδή δεν θα πρέπει να μπορούμε να επηρεάσουμε το παρελθόν, παρότι το αντίθετο είναι προσφιλές θέμα σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας και υπάρχουν και κάποιες ενδείξεις ότι η αιτία δεν προηγείται πάντοτε του αποτελέσματος.

Καθαρά θεωρητικά, επιστροφή στο παρελθόν μπορεί να γίνει μόνο αν επιτευχθεί ταχύτητα μεγαλύτερη από του φωτός, οπότε η κομψή κυρία δεν πρόκειται να γυρίσει πίσω στο χρόνο, όχι σύντομα τουλάχιστον*.

* Από το σχετικό τραγουδάκι που κυκλοφόρησε όταν έγινε ευρύτερα γνωστή η θεωρία της Σχετικότητας:

«Ήταν μια κομψή κυρία που εγνώριζε σαφώς,

πώς να ταξιδεύει μόνη γρηγορότερα απ’ το φως.

Εξεκίνησε μια μέρα, κατευόδιο καλό της,

και επέστρεψε ξανά, να τι είναι η Σχετικότης,

την προηγουμένη νύχτα πίσω πάλι στο χωριό της»

Είναι επίσης γνωστό ότι οι μεγάλες ταχύτητες αυξάνουν τη μάζα των σωμάτων.

Αυτό δεν σημαίνει ότι τα αντικείμενα «φουσκώνουν», αλλά καθώς πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός, χρειάζεται όλο και περισσότερη ενέργεια για να αυξηθεί και άλλο η ταχύτητά τους (οπότε φαίνεται «σαν» να αυξάνεται η μάζα τους), συνεπώς όταν βρίσκονται ένα βήμα πριν την ταχύτητα του φωτός χρειάζεται πια άπειρη ενέργεια για αυτό το τελευταίο βήμα, οπότε είναι αδύνατον να γίνει. 

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέματα Νο 32, 33, 34.

Έτσι εξηγούνται οι τεράστιες εγκαταστάσεις και ενέργειες που χρειάζονται για την επιτάχυνση μερικών υποατομικών σωματιδίων πολύ κοντά (αλλά όχι ακριβώς) στην ταχύτητα του φωτός.

Θα έχετε ενδεχομένως παρατηρήσει ότι η δομή του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου μοιάζουν, δηλαδή υπάρχουν πυρήνες, πολύ κενό γύρω τους, και μικρότερα σώματα που κινούνται σε τροχιά γύρω από τους πυρήνες αυτούς.

Επιπλέον ο χώρος διαποτίζεται από διάφορα ενεργειακά πεδία που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους αλλά και με τα ίδια τα σωματίδια, συνδέοντας έτσι τον μικρόκοσμο με τον μακρόκοσμο.

(Ένα πεδίο είναι χώρος με συγκεκριμένες ιδιότητες, που μπορούν να περιγραφούν μαθηματικά).

Οι φυσικοί έχουν μελετήσει αυτές τις ιδιότητες, και έχουν καταλήξει ότι υπάρχουν τέσσερεις μόνο θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις στη φύση και κατά συνέπεια μόνο τέσσερα διαφορετικά πεδία στο Σύμπαν, και μάλιστα εκτιμούν (και ελπίζουν) ότι θα μπορούσαν και τα τέσσερα να περιγραφούν με ενιαίο μαθηματικό τρόπο.

Ήδη, τα δύο από τα πεδία αυτά (ηλεκτρομαγνητικό και ασθενές πυρηνικό) έχουν ενοποιηθεί ενώ το τρίτο (ισχυρό πυρηνικό) πλησιάζει προς την ενοποίηση (Μεγάλη Ενοποιημένη Θεωρία).

Οπότε για να καταλήξουμε στην τελική «Θεωρία των Πάντων», μάς μένει το τέταρτο πεδίο το βαρυτικό, που αν και πάρα πολύ ασθενέστερο αν το θεωρήσουμε στην ίδια κλίμακα με τα προηγούμενα (και μάλλον γι’ αυτό ακριβώς), αντιστέκεται ακόμα.

Τα τρία από τα τέσσερα πεδία (εκτός από το βαρυτικό), φαίνεται να συγκλίνουν στις πολύ υψηλές ενέργειες. Πηγή εικόνας: https://particleadventure.org/grand.html

Μία πρόσφατη σημαντική ανακάλυψη στο Cern έχει να κάνει με το σωματίδιο Higgs, που είχε θεωρητικά προβλεφθεί πριν από σχεδόν 50 χρόνια, και που επιβεβαιώνει την ύπαρξη τού ομώνυμου πεδίου το οποίο δίνει στα περισσότερα υποατομικά σωματίδια τη μάζα τους (σε όσα βέβαια έχουν). 

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέμα Νο 54.

Κάποιοι επιστήμονες βλέπουν μια πολύ περίεργη σύμπτωση στο γεγονός ότι τα μεγέθη των παραπάνω πεδίων έχουν ακριβώς τις κατάλληλες τιμές, οι οποίες επέτρεψαν την εξέλιξη προς ένα Σύμπαν φιλικό προς την ανάπτυξη τελικά της νοήμονος ζωής (Ανθρωπική Αρχή). 

Παλιότερα, κυριαρχούσε η αρχή του «Ευφυούς Σχεδιασμού» του Σύμπαντος, εξαιτίας της πολυπλοκότητας των οργανισμών που αποκάλυπτε συνεχώς η επιστήμη και της εδραίωσης παγκόσμιων και σχετικά απλών φυσικών νόμων.

Όμως, η αρχή αυτή δεν θεωρείται σήμερα απαραίτητη για τη δημιουργία του Σύμπαντος, καθώς η αυθόρμητη (εκ του μηδενός) εμφάνισή του δεν είναι αντίθετη στα μαθηματικά της σύγχρονης Φυσικής, και χωρίς βέβαια αυτό να αποκλείει την ύπαρξη Θεού. 

Μάλιστα ορισμένοι προτείνουν ότι η Μεγάλη Έκρηξη έχει επαναληφθεί πολλές φορές, ακολουθούμενη κάθε φορά από τη Μεγάλη Σύνθλιψη και ότι το σημερινό Σύμπαν είναι το μόνο που είχε τις κατάλληλες συνθήκες, οι οποίες επέτρεψαν την ανάπτυξη νοημόνων όντων που έφθασαν να αναρωτιούνται για τη δημιουργία του!

Αν λοιπόν οι αποστάσεις μεταξύ των ουράνιων σωμάτων, πέρα από το ηλιακό σύστημα, είναι τόσο μεγάλες και η ταχύτητα έχει ένα όριο (πολύ χαμηλότερο από την ταχύτητα του φωτός για κάθε πρακτική χρήση), υπάρχει λόγος να ψάχνουμε τόσο πολύ το ηλιακό σύστημα και το βαθύ διάστημα?

Φυσικά κάποιες πρακτικές εφαρμογές για την ανθρωπότητα οπωσδήποτε θα προκύψουν, πχ να εντοπίσουμε έγκαιρα και να εκτρέψουμε ενδεχόμενη απειλή από αστεροειδή (για να μην έχουμε το τέλος των δεινοσαύρων), ή να φέρουμε ήλιο3 από τη Σελήνη (και αργότερα ίσως και από τον Κρόνο) για να διευκολυνθεί η πυρηνική σύντηξη, ελπίζοντας ότι θα καταφέρουνε να την κάνουμε αρκετά αποδοτική ώστε να λύσουμε οριστικά το ενεργειακό πρόβλημα στη Γη. 

Το Ηλιακό Σύστημα σε ρεαλιστική συγκριτική απεικόνιση μεγεθών, όχι όμως και αποστάσεων. Θα παρατηρήσετε ότι μετά τον Άρη (Mars) εμφανίζεται ο αστεροειδής Δήμητρα (Ceres), ο μεγαλύτερος της ζώνης των αστεροειδών. Στην πιο απομακρυσμένη θέση του Ηλιακού Συστήματος βρίσκεται ο 2003UB313 ή Έρις, ο οποίος μαζί με τον Πλούτωνα (Pluto), κατατάσσονται στους νάνους πλανήτες. 

Όμως είμαστε σχεδόν βέβαιοι ότι εξελιγμένη ζωή στο Ηλιακό σύστημα δεν υπάρχει πέρα από τη Γη, και πέρα από το Ηλιακό σύστημα εξαιτίας των τεράστιων αποστάσεων είναι απίθανο να φθάσουμε στη διάρκεια μιας ανθρώπινης ζωής, όσο και να καταφέρουμε μελλοντικά να την παρατείνουμε.

Υπενθυμίζεται όμως, ότι σε ταχύτητες πολύ κοντά στην ταχύτητα του φωτός όπως στο παράδειγμα των διδύμων, η διάρκεια του ταξιδιού για τους αστροναύτες συντομεύεται κατά πολύ.

Ξέχωρα όμως από τους χρονικούς περιορισμούς, ακόμα και αν στο μέλλον υπάρξει ένα πανίσχυρο προωθητικό σύστημα (ας πούμε με αντιύλη που είναι το πιο δύσκολο αλλά και ενεργειακά το πιο αποδοτικό «καύσιμο»), η επιτάχυνση που μπορεί να έχει ένα διαστημόπλοιο περιορίζεται από τη φυσική αντοχή του ανθρώπου που δεν είναι και πολύ μεγάλη (3 g για λίγες ώρες).

Εκτός αν, βρεθεί τρόπος να επιταχύνεται το διαστημόπλοιο από βαρυτικό πεδίο, επειδή στην περίπτωση αυτή οι επιβάτες ουσιαστικά θα βρίσκονται συνεχώς σε περιβάλλον έλλειψης βαρύτητας, ανεξάρτητα από την επιτάχυνση! 

Για περισσότερα, βλ. στο ίδιο blog το άρθρο: https://geometax12.blogspot.com/2018/07/blog-post_9.html, θέμα Νο 80.

Και τα UFO? Aυτά προς το παρόν ανάγονται περισσότερο στο πεδίο της πίστης παρά της επιστήμης, τουλάχιστον μέχρι να υπάρξουν ουσιαστικές αποδείξεις εμφάνισης και επικοινωνίας μαζί τους.

Αν όμως πρέπει να δεχτούμε σώνει και καλά την ύπαρξή τους, μια πιθανή εξήγηση ίσως είναι ότι έρχονται από άλλη κοσμική διάσταση, και κινούνται μέσα από αυτή τη διάσταση μεταξύ των πλανητικών συστημάτων.

Πάντως οι σοβαρότερες έρευνες για εξωγήινη ζωή, όπως για παράδειγμα το πρόγραμμα SETI που την ψάχνει μέσω ραδιοκυμάτων, δεν έχουν εντοπίσει ακόμα κάτι, ενώ η έρευνα για κατοικήσιμους πλανήτες ή φεγγάρια σε άλλα ηλιακά συστήματα, είναι ακόμα στην αρχή της.

Αν και το πιθανότερο είναι να μην είμαστε τα μόνα νοήμονα όντα στο Σύμπαν, στο ερώτημα γιατί ενδεχομένως μόνο εδώ, σ’ αυτόν τον πλανήτη αναπτύχθηκε ζωή με νοημοσύνη, η απάντηση είναι ότι όπου και να ήταν «αυτός ο πλανήτης» το ερώτημα θα ήταν το ίδιο, και ίσως τελικά η ανάπτυξη ειδικά νοήμονος ζωής να  προϋποθέτει εξαιρετική συγκυρία γεγονότων σε έναν ήδη πολύ «βολικό» πλανήτη.

Ας μην ξεχνάμε ότι οι δεινόσαυροι κυριάρχησαν στη γη για 160 περίπου εκατομμύρια χρόνια χωρίς ουσιαστικά να εξελιχθούν (παρά μόνο κάποιοι απ’ αυτούς σε πουλιά), ενώ ο άνθρωπος εξελίχθηκε από τον κοινό μας πρόγονο με τον πίθηκο στη σημερινή του μορφή, σε λιγότερο από 7 εκατομμύρια χρόνια.

Ενδεχομένως, μία «σύμπτωση» που οδήγησε στον σημερινό άνθρωπο να ήταν και η καταστροφή των δεινόσαυρων, μάλλον από αστεροειδή όπως προαναφέρθηκε, ώστε να επικρατήσουν τα μικρά θηλαστικά που μπορούσαν από την κατασκευή τους να ρυθμίζουν τη θερμοκρασία του σώματός τους σε μεγαλύτερο εύρος, και εξαιτίας του μεγέθους τους να αξιοποιούν το πολύ σταθερότερο (θερμοκρασιακά) περιβάλλον των σπηλαίων ή των εδαφικών κοιλωμάτων.

Όσο για την ίδια την αρχή της ζωής, έχει ενδιαφέρον ότι μέσα στη δεκαετία του 2010 εντοπίσθηκαν ίχνη πρόσκρουσης αστεροειδούς 200 φορές μεγαλύτερου απ' αυτόν που αφάνισε τους δεινόσαυρους, ο οποίος εκτιμάται ότι έπληξε τη Γη τρία δισεκατομμύρια χρόνια πριν, φέρνοντας στην επιφάνεια στοιχεία από τα βαθύτερα στρώματα του φλοιού της, χρήσιμα για τη δημιουργία αρχέγονης ζωής.

Θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί αν όλη αυτή η δαπάνη πόρων (κόπος, χρόνος, χρήμα) αξίζει τον κόπο.

Αν κρίνουμε με άμεσα ωφελιμιστικά κριτήρια, ίσως όχι.

Τις χρήσιμες εφαρμογές που έχουν προκύψει, θα μπορούσαμε ενδεχομένως να τις είχαμε πετύχει με πολύ μικρότερη δαπάνη πόρων, εφόσον γίνονταν στοχευμένη έρευνα.

Αλλά ο άνθρωπος, όπως λέει το όνομά του, είναι φτιαγμένος* για να κοιτάζει ψηλά, και σε τελική ανάλυση είναι η περιέργεια για το άγνωστο και η δυνατότητα να το ερευνήσει, που έχει οδηγήσει τα βήματα της ανθρωπότητας μέχρι σήμερα, και θα συνεχίζει να το κάνει.
Και κατά τον Αριστοτέλη, "άνθρωπος του ειδέναι ορέγεται φύσει".

*Επιπλέον, το ανθρώπινο σώμα αποτελείται από κοσμικά υλικά, όπως πχ σε μεγάλο ποσοστό από άτομα υδρογόνου, τα οποία δημιουργήθηκαν κατ’ ευθείαν από τη Μεγάλη Έκρηξη, αλλά και από βαρύτερα υλικά που δημιουργήθηκαν από τις εκρήξεις άστρων.

Σημείωση:

Στο παραπάνω άρθρο δεν σχολιάστηκαν οι θεωρίες για Παράλληλα ή Πολλαπλά Σύμπαντα, Περισσότερες Διαστάσεις, Σκουληκότρυπες, Χορδές και Μεμβράνες, καθώς παραμένουν προς το παρόν μόνο θεωρητικές εικασίες και μαθηματικά μοντέλα.

Πάντως, μετά τα «παθήματα και μαθήματα» του παρελθόντος, καμία θεωρία πλέον δεν απορρίπτεται σαν παράλογη, εφόσον δεν αντίκειται στα μαθηματικά και σε θεωρίες που έχουν ήδη επιβεβαιωθεί.

ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ

Συνιστώμενα εκλαϊκευμένα βιβλία (χωρίς μαθηματικά):

-          Μιλώντας για το Σύμπαν στα εγγόνια μου, του Hubert Reeves, εκδόσεις Πατάκη

-          Quantικά Παράδοξα, για τον κβαντικό κόσμο, του Jim Al-Khalili, εκδόσεις Τραυλός

-          Sκουληκότρυπες μαύρες τρύπες και Χρονομηχανές, γενικά για το Σύμπαν, του Jim Al-Khalili, εκδόσεις Τραυλός

-          Η Κόμη της Βερενίκης, για το Σύμπαν, τη ζωή και το περιβάλλον, του Γιώργου Γραμματικάκη

Ενδιαφέροντα βίντεο στο you tube, σχετικά με τα παραπάνω θέματα:

-          To πείραμα των δύο σχισμών (κβαντική φυσική)

Βίντεο κινούμενων σχεδίων με ελληνικούς υπότιτλους, για τη αρχή της απροσδιοριστίας.

-          Big bang & Birth of the Earth

Από το big bang στη δημιουργία των ηπείρων, μόνο με μουσική υπόκρουση.

-          The smallest to the biggest thing in the Universe

Μια σύγκριση μεγεθών από τα υποατομικά σωματίδια μέχρι τους γαλαξίες, μόνο με μουσική υπόκρουση.

Προτεινόμενες κινηματογραφικές ταινίες για το Διάστημα:

-          2001, Οδύσσεια του Διαστήματος

Η αναζήτηση του ρόλου ενός μονόλιθου στην εξέλιξη του ανθρώπινου είδους.

-      2010, Το Έτος της Παγκόσμιας Συμφιλίωσης

Η συνέχεια του "2001", με κοινή Αμερικανο-Σοβιετική αποστολή στον Δία, η μετατροπή του σε άστρο με την επίδραση μονόλιθων, και η έναρξη της γαιομορφοποίησης του δορυφόρου του Ευρώπη.

-          Europa report

Η αναζήτηση ζωής στο φεγγάρι του Δία, Ευρώπη.

-          Κόκκινος πλανήτης

Η προσπάθεια για γαιομορφοποίηση του Άρη.

-          Sunshine

Η προσπάθεια για επαναδραστηριοποίηση του Ήλιου, που χάνει τη λάμψη του.

-          Contact

Η αναζήτηση εξωγήινης νοημοσύνης και η προσπάθεια επαφής μαζί της.

-          Apollo 13

Η πραγματική ιστορία της επιστροφής της αποστολής Απόλλων 13, μετά από έκρηξη στο διαστημόπλοιο κατά το ταξίδι προς τη Σελήνη.

-          Gravity

Η προσπάθεια επιστροφής μιας αστροναύτη στη γη από τροχιακό ύψος, μετά από ένα διαστημικό ατύχημα.
-     Η Διάσωση (The Martian). 
Η προσπάθεια να διασωθεί ένας αστροναύτης από τον Άρη, όπου έχει εγκαταλειφθεί κατά λάθος.

-     Interstellar, το οποίο όμως θα πρέπει να το δει κανείς περισσότερο σαν φαντασία, παρά σαν επιστήμη.

Σημείωση:

Σε μερικές ταινίες, για λόγους εντυπωσιασμού παρουσιάζεται ότι η ολική απώλεια πίεσης μιας διαστημικής στολής οδηγεί  στον άμεσο θάνατο του αστροναύτη και μάλιστα με εντυπωσιακό τρόπο (σκάσιμο!). Στην πραγματικότητα, σε μια τέτοια περίπτωση ο αστροναύτης διατηρεί τις αισθήσεις του για αρκετά δευτερόλεπτα και μπορεί να επανέλθει αν του παρασχεθεί οξυγόνο μέχρι και μετά από δύο λεπτά. Ούτε παγώνει αμέσως, καθώς το κενό του διαστήματος είναι το καλύτερο μονωτικό. Μία ταινία (σειρά) που το δείχνει αυτό με πολύ ρεαλιστικό τρόπο είναι "The Expanse", και στο παρακάτω link θα βρείτε έναν πολύ καλό σχετικό σχολιασμό (στα αγγλικά): https://www.youtube.com/watch?v=Jy0299W67cU

Η πορεία προς τη «Θεωρία των Πάντων»

Hλεκτρισμός                                   Από την αρχαιότητα, αλλά κυρίως από τον 18ο αι.

+ Μαγνητισμός

               V

Hλεκτρομαγνητισμός                    1850   Faraday και αργότερα Maxwell

+ Ασθενής Πυρηνική Δύναμη           Έχει σχέση με κάποια μορφή ραδιενέργειας

               V

Ηλεκτρασθενής Δύναμη (GSW)  1960   Glashow+ Salem+ Weinberg

+ Ισχυρή Πυρηνική Δύναμη             Είναι η δύναμη που κρατά τον ατομικό πυρήνα ενωμένο

               V

 GUT                                              1970   Grand Unified Theory (είμαστε κοντά, ενημ. 2023)

+ Βαρύτητα

  V

Θεωρία των Πάντων                     (στο μέλλον?)

Για σύγκριση, ενώ η Ισχυρή Πυρηνική και ο Ηλεκτρομαγνητισμός έχουν παραπλήσια ισχύ πεδίου, η Ασθενής Πυρηνική είναι 10⁶ φορές ασθενέστερη, ενώ η Βαρύτητα 10⁴⁰ φορές ασθενέστερη!

Mερικά ενδιαφέροντα νούμερα και συσχετίσεις

- Σύνολο άστρων ορατών με γυμνό μάτι από τη Γη:           περίπου 3000 (όλα ανήκουν στον                                                                                                     Γαλαξία μας)

- Σύνολο ύλης στο ορατό Σύμπαν:                                      10⁵⁰ τόνοι

- Σύνολο ατόμων στο ορατό Σύμπαν:                                 10^{80 *}

- Σύνολο ατόμων στον Γαλαξία μας:                                    10⁶⁷

- Σύνολο ατόμων στη Γη:                                                      10⁵⁰

- Κατανομή ατόμων στο Σύμπαν:                ¾ Υδρογόνο, ¼ ήλιο, μικρό ποσοστό βαρέων ατόμων  - Διάμετρος του Γαλαξία μας:                                               100 χιλ. έτη φωτός

- Διάμετρος του γνωστού Κόσμου μας                                   100 δισεκατομμύρια έτη φωτός 

- Περιφορές του Ήλιου στον Γαλαξία:                                  20 από τη δημιουργία του Ήλιου

- Απόσταση του πλησιέστερου γαλαξία (Ανδρομέδα):      2,5 εκατ. έτη φωτός

- Απόσταση του πλησιέστερου άστρου στον Ήλιο:            4 έτη φωτός (Εγγύτατος Κενταύρου)

- Ηλικία του Σύμπαντος:                                                        14 δισεκατομμύρια έτη

- Ηλικία του Ηλιακού Συστήματος:                                5 δισεκατομ. έτη (και έχει άλλη τόση «ζωή»)

- Συνολικός αριθμός γαλαξιών στο Σύμπαν:                          100 δισεκατομμύρια

- Tυπικός αριθμός άστρων σ’ έναν γαλαξία:                           100 δισεκατομμύρια

- Χρόνος του φωτός να φθάσει στη Γη από τον Ήλιο:           8 λεπτά

- Χρόνος του φωτός να φθάσει στη Γη από τη Σελήνη:         1 δευτερόλεπτο 

- Tαχύτητα διαφυγής από τη γήινη έλξη:                                40.300 km/h

- Γραμμική ταχύτητα Γης στον Ισημερινό:                                1670 km/h

- Γραμμική ταχύτητα της Γης γύρω από τον Ήλιο:                107.000 km/h

- Ταχύτητα Ήλιου στο Γαλαξία:                                                828.000 km/h

- Ταχύτητα Γαλαξία στο Σύμπαν:                                             2.160.000 km/h

- Λόγος τoυ μεγαλύτερου μεγέθους προς τo μικρότερo στο Σύμπαν (Διάμετρος Σύμπαντος προς μήκος Plank):                                                                        10¹²⁰

* Αν ο αριθμός αυτό φαίνεται τεράστιος (και είναι), φανταστείτε τον αριθμό Googol (όνομα που δόθηκε από ένα παιδί και μάλιστα αποτελεί τη ρίζα του εμπορικού ονόματος Google), που αναφέρεται στον αριθμό 10¹⁰⁰ .

Στο διαδίκτιο υπάρχει ένα βίντεο μιας απλής μηχανής με 101 ζευγάρια πλαστικών γραναζιών, με λόγο μετάδοσης του καθενός προς το διπλανό του 10:1, οπότε για να κάνει (θεωρητικά) το τελευταίο μία πλήρη περιστροφή, το πρώτο θα έπρεπε να έχει περιστραφεί 10¹⁰⁰  φορές (εικόνα κάτω)

Το link του σχετικού βίντεο είναι: https://www.youtube.com/watch?v=rbXEtIha70c

- Αν Γη συρρικνωνόταν (θεωρητικά) σε Μαύρη Τρύπα, θα είχε το μέγεθος μπιζελιού, διατηρώντας όμως όλη τη μάζα της.

- Αν σκεφτούμε τον ατομικό πυρήνα σαν κόκκο φακής στο κέντρο ενός γηπέδου ποδοσφαίρου, τα ηλεκτρόνια θα περιφέρονταν στις κερκίδες.

- Αν ο Ήλιος μας ήταν σαν μπαλάκι του τένις στο κέντρο της πλατείας Ομόνοιας:

- η Γη θα ήταν σε 4 μέτρα απόσταση*

- τα όρια του Ηλιακού συστήματος θα βρίσκονταν στη Χαλκοκονδύλη

- το πλησιέστερο άστρο (Εγγύτατος Κενταύρου) θα ήταν στη Σόφια της Βουλγαρίας

- τα πιο απομακρυσμένα άστρα του Γαλαξία μας θα βρίσκονταν κοντά στον Ήλιο (τον πραγματικό, όχι της... Ομόνοιας).

- Ο πλησιέστερος γαλαξίας (της Ανδρομέδας) θα βρίσκονταν στα όρια του Ηλιακού συστήματος.

* Συγκριτικά επίσης, οι τέσσερεις βραχώδεις πλανήτες θα ήταν σε μέγεθος κόκκου άμμου, ενώ οι δύο αέριοι γίγαντες (Δίας - Κρόνος), σε μέγεθος μπιζελιού.

ΥΓ1. Το βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 2025 μοιράστηκε μεταξύ τριών επιστημόνων, που απέδειξαν πειραματικά ότι κοντά σε θερμοκρασία απόλυτου μηδενός και υπό προϋποθέσιες, το κβαντικό φαινόμενο της σήραγγος μπορεί να παρατηρηθεί και σε μακροσκοπικά συστήματα, ανοίγοντας τον δρόμο σε πολλές πρακτικές εφαρμογές, όπως των κβαντικών υπολογιστών.

ΥΓ2. Διαβάστε στο παρακάτω άρθρο, για την πολύ λεπτή ισορροπία μεταξύ ορισμένων φυσικών μεγεθών που επέτρεψε τη δημιουργία ζωής και συνείδησης (ανθρωπική αρχή): https://physicsgg.me/2026/07/20/

                                                                                                                        Γ. Μεταξάς

"Μαγικός" Αυλός και "Μαγικός" Μύλος (Συσκευές Ranque-Hilsch και Crookes), "Μαγικό" καραβάκι (pop pop) και βαλβίδα του Tesla

Αυλός στροβιλισμού Ranque - Hilsch

Μοιάζει πράγματι μαγικός ένας σωλήνας στον οποίο μπαίνει πεπιεσμένος αέρας, έχει πολύ απλή εσωτερική διαμόρφωση, κανένα κινούμενο τμήμα και βγάζει από τη μία άκρη του θερμό αέρα μέχρι και 100 ⁰C παραπάνω, και από την άλλη ψυχρό μέχρι και 50 ⁰C παρακάτω, από τον εισερχόμενο.

Όσο απλή όμως είναι κατασκευαστικά η συσκευή, άλλο τόσο πολύπλοκος θερμοδυναμικά είναι ο τρόπος λειτουργία της, και αυτό επειδή οι διάφορες φάσεις λειτουργίας δεν απομονώνονται αλλά βρίσκονται σε συνεχή αλληλεπίδραση, εμπλέκοντας μάλιστα το πιο πολύπλοκο είδος ροής, την τυρβώδη ή στροβιλώδη ροή. Δεν είναι συνεπώς παράδοξο ότι χρειάστηκαν πάνω από 8 δεκαετίες για να εξηγηθεί πλήρως η λειτουργία της συσκευής και να εκφραστούν σε αναλυτική μορφή (δηλαδή με εξισώσεις) τα φαινόμενα που συμβαίνουν μέσα της.

Η συσκευή εφευρέθηκε αρχικά το 1931 από τον Γάλλο Φυσικό G. Ranque, ξαναεφευρέθηκε κατά σύμπτωση λίγα χρόνια αργότερα από τον επίσης Γάλλο πυρηνικό Φυσικό Paul Dirac, ενώ το 1947 ο Γερμανός Φυσικός R. Hilsch τη βελτίωσε και δημοσίευσε μια μελέτη επάνω στη αρχή λειτουργίας της.

Όπως προαναφέρθηκε, η συσκευή αποτελείται βασικά από έναν μεταλλικό σωλήνα, κοντά στο ένα άκρο του οποίου εισέρχεται εφαπτομενικά η ροή του πεπιεσμένου αέρα. Κοντά στο ίδιο άκρο υπάρχει μια στένωση (αριστερά στην εικόνα) που επιτρέπει μόνο στη ροή κοντά στον άξονα του σωλήνα να διαφεύγει, ενώ στο άλλο άκρο υπάρχει μία κωνική τάπα, που αντίθετα, επιτρέπει να διαφεύγει μόνο η περιφερειακή ροή. Και αυτό είναι όλο!

Η λειτουργία της συσκευής έχει ως εξής: Ο συμπιεσμένος αέρας που εισάγεται εφαπτομενικά, αρχικά ψύχεται καθώς εκτονώνεται, αλλά γρήγορα θερμαίνεται καθώς δημιουργείται ένας ισχυρός στρόβιλος που ακολουθεί την περιφέρεια του σωλήνα, το θερμότερο τμήμα του οποίου, η εξωτερική στοιβάδα, διαφεύγει γύρω από τον κώνο στην άκρη του σωλήνα. Αντίθετα, το κεντρικό τμήμα του αέρα ανακλάται κοντά στον κώνο και επιστρέφει προς τα πίσω, εκτονούμενο και ψυχόμενο για να βγει τελικά από την απέναντι κεντρική οπή.

Η όλη διαδικασία γίνεται αδιαβατικά, δηλαδή χωρίς ανταλλαγή θερμότητας μεταξύ των στροβίλων του αέρα με το περιβάλλον. Η μόνη ανταλλαγή θερμότητας που γίνεται είναι μεταξύ των δύο αντίθετα κινούμενων στροβίλων, είναι όμως ιδιαίτερα έντονη. Μπορούμε λοιπόν να φανταστούμε ότι ο χώρος ανάμεσα στους δύο στροβίλους δουλεύει σαν μία αντλία θερμότητας χωρίς όμως την παρεμβολή ενδιάμεσης επιφάνειας, που αφαιρεί θερμίδες από τον ψυχρότερο στρόβιλο για να τις προσθέσει στον θερμότερο. Παράλληλα, η φύση των στροβίλων είναι τέτοια που διατηρούν το σχήμα τους χωρίς να καταρρέουν και να αναμιγνύονται, ενώ η επαφή τους είναι μόνον επιφανειακή. Ο κάθε στρόβιλος δηλαδή είναι μια εγγενώς ευσταθής κατάσταση, όπως οι ανεμοστρόβιλοι ή οι "βολές στροβίλων" (εικόνα κάτω).

Βέβαια, θα αναρωτηθεί κάποιος γιατί μια τέτοια απλή συσκευή δεν χρησιμοποιείται συστηματικά για την παραγωγή ψυχρού αέρα, και η απάντηση είναι ότι είναι θορυβώδης (λαμβάνοντας υπόψη και το απαιτούμενο κομπρεσέρ), ενώ ο βαθμός απόδοσής της είναι αρκετά χαμηλότερος από αυτόν των αντλιών θερμότητας, που έχουν επικρατήσει. Μόνο σε βιομηχανικές εφαρμογές όπου υπάρχει ήδη εγκατάσταση πεπιεσμένου αέρα χρησιμοποιείται, και εκεί πάλι για τοπική ψύξη, όπως σε εργαλειομηχανές, με το πρόσθετο πλεονέκτημα η ροή του αέρα να κρατάει καθαρές τις επιφάνειες απομακρύνοντας τα ρινίσματα.

Μύλος (ραδιόμετρο) του Crookes

Το ραδιόμετρο του Crookes εφευρέθηκε κατά τύχη, από τον Βρετανό Χημικό Sir William Crookes το 1873 στη διάρκεια ζυγίσεων ακριβείας, και χρησιμοποιήθηκε αρχικά σαν όργανο μέτρησης της φωτεινής ακτινοβολίας (γι’ αυτό και το όνομα, από τις ακτίνες του φωτός).

Πρόκειται για έναν «μύλο» με τέσσερα συνήθως πτερύγια, βαμμένα άσπρα από τη μία πλευρά και μαύρα από την άλλη, που στηρίζονται σε κατακόρυφο άξονα με ελάχιστες τριβές, ενώ η όλη κατασκευή είναι κλεισμένη μέσα σε αεροστεγή σφαίρα με πίεση ιδανικά γύρω στο 1 Pa (10 μBar).

Ακόμα και σήμερα, που χρησιμοποιείται σαν συσκευή επίδειξης, θεωρείται ότι αντιδρά στη φωτεινή ακτινοβολία μέσα από την «πίεση» που ασκούν τα φωτόνια στα πτερύγια της συσκευής, κάτι όμως που είναι λάθος. Πράγματι, σύμφωνα με το θεώρημα διατήρησης της ορμής, στην περίπτωση αυτή θα έπρεπε η μαύρη πλευρά των πτερυγίων να προηγείται κατά την περιστροφή (καθώς στην άσπρη που αντανακλά τα φωτόνια, συμβαίνει μεγαλύτερη μεταβολή της ορμής τους), ισχύει όμως το αντίθετο!

Η τελική εξήγηση για τη λειτουργία της συσκευής δόθηκε από τον O. Reynolds (γνωστό κυρίως από τον ομώνυμο αριθμό Re στην Αεροδυναμική) το 1879, σύμφωνα με την οποία η κίνηση των πτερυγίων οφείλεται στο διαφορετικό βαθμό θέρμανσης των επιφανειών τους εξαιτίας της χρωματικής διαφοράς. Ο αέρας που είναι σε επαφή με την ψυχρότερη άσπρη πλευρά κινείται προς τη θερμότερη μαύρη πλευρά, και καθώς παρακάμπτει τις ακμές τα πτερύγια από αντίδραση κινούνται αντίθετα, δηλαδή με την άσπρη πλευρά να προπορεύεται.

Είναι ενδιαφέρον ότι η συσκευή δουλεύει μόνο με πηγές ακτινοβολίας που εκπέμπουν υπέρυθρη ακτινοβολία ακόμα και αν δεν εκπέμπουν ορατό φως. Για παράδειγμα, οι λάμπες φθορισμού λευκού «ψυχρού» φωτός δεν την ενεργοποιούν.

Επίσης, αν η πίεση του αέρα στο εσωτερικό της σφαίρας είναι πολύ μεγαλύτερη ή μικρότερη του 1 Pa ο μύλος πάλι δεν ενεργοποιείται, είτε επειδή η αντίσταση του αέρα είναι μεγάλη (στην πρώτη περίπτωση) είτε επειδή δεν υπάρχει αρκετή μάζα αέρα για να μετακινηθεί ώστε να δημιουργηθεί αντίδραση.

Έτσι, ενώ η συσκευή του Crookes είναι τελικά μία θερμική μηχανή, το 1901 ο Αμερικανός Φυσικός Ernest Nichols κατασκεύασε το ομώνυμο ραδιόμετρο, το οποίο πράγματι δουλεύει με την πίεση των φωτονίων (εικόνα κάτω). Στην περίπτωση αυτή οι δίσκοι περιστρέφονται ελαφρά, όσο δηλαδή τους επιτρέπει η ελαστικότητα της ανάρτησής τους, το κενό στη φιάλη είναι πολύ υψηλό, ενώ η φωτεινή δέσμη εστιάζεται αποκλειστικά στον έναν δίσκο.

Το "παράδοξο", που δεν είναι, (και το pop pop)

Ο τίτλος αναφέρεται σε κάτι φαινομενικά παράδοξο, που συχνά ονομάζεται "ακροφύσια Feynman" ή "ανάστροφα ακροφύσια", αλλά μάλλον πρόκειται για παρεξήγηση.

Τα κυρτά ακροφύσια είναι γνωστά από την "ατμομηχανή" του Ήρωνα, ενώ στις μέρες μας και από κάποια συστήματα αυτόματου ποτίσματος.

Είναι προφανές το πώς δουλεύει ένα σύστημα κυρτών ακροφυσίων (εικόνα κάτω, 1). 

Τα ακροφύσια δουλεύουν αρκετά αποτελεσματικά και μέσα στο νερό, προφανώς όμως στην περίπτωση αυτή το νερό εκτοξεύεται σε πολύ μικρή απόσταση, εξαιτίας της αντίστασης του νερού που περιβάλλει το σύστημα. Εφόσον όμως τα ακροφύσια βρίσκονται βυθισμένα μέσα σε νερό, μπορούμε επίσης να αντιστρέψουμε τη ροή του νερού και τότε θα δούμε το σύστημα να περιστρέφεται αντίστροφα, αλλά πολύ πιο αργά (εικόνα επάνω, 2).

Δεν υπάρχει όμως κάτι το παράδοξο, αν σκεφτούμε τη ροή του υγρού κοντά στα ακροφύσια, που ενώ στην πρώτη περίπτωση μένει συγκεντρωμένη σε συμπαγή δέσμη, στη δεύτερη περίπτωση αναρροφάται κυρίως από τα πλάγια, δημιουργώντας (πολύ μικρότερες) δυνάμεις αντίδρασης κατά τον άξονα του ακροφυσίου (εικόνα κάτω).

Το "ταπεινό" και κλασικό παιχνίδι -καραβάκι pop pop ή putt putt (εικόνα κάτω) είναι ουσιαστικά μία έξυπνη και πολύ απλή (και επίσης πολύ παλιά, 1920!) εφαρμογή του "ακροφυσίου του Feynman", σ' ένα μικρό τενεκεδένιο παιχνίδι.

Η αρχή του βασίζεται σ' ένα μεταλλικό τύμπανο με δύο σωληνάκια που διαπερνούν την πρύμνη του σκάφους και καταλήγουν μέσα στο νερό. Αρχικά το σύστημα γεμίζει με νερό, και ένα κεράκι τοποθετείται κάτω από το τύμπανο για να το ζεστάνει. Όταν ο αέρας (που αναπόφευκτα περιέχεται στο τύμπανο θερμανθεί αρκετά, διαστέλλεται και σπρώχνει το νερό έξω από τα σωληνάκια. 

Η ορμή του νερού ωθεί το βαρκάκι, αλλά επίσης δημιουργεί υποπίεση που αμέσως μετά τραβάει πάλι νερό μέσα στο σωληνάκι. Αυτό δημιουργεί μία ταλάντωση στη στήλη του νερού μέσα στα σωληνάκια (δουλεύει και με ένα σωληνάκι) και ο κύκλος επαναλαμβάνεται μέχρι να σβήσει το κεράκι. 

Η προώθηση βασίζεται ακριβώς στο φαινόμενο με τα ακροφύσια που περιεγράφηκε παραπάνω. 

Η πιο απλή επίδειξη αυτής της αρχής λειτουργίας, μπορεί να βρεθεί στο YouTube σε εφαρμογή "pulse jet", όπως εδώ: https://www.youtube.com/watch?v=Erq3eOxPHGg

Βαλβίδα του Τέσλα

Ο Τέσλα είναι γνωστός για τις πολλές πρωτοπορειακές εφευρέσεις του, αλλά και για τις ακόμα περισσότερες "τρελλές" ιδέες του που δεν δούλεψαν, τουλάχιστον στην εποχή του. 

Μία εφεύρεσή του όμως που δουλεύει, είναι πολύ λιγότερο γνωστή ίσως επειδή δεν σχετίζεται με τον ηλεκτρισμό. Πρόκειται για μια βαλβίδα μονόδρομης παροχής υγρού (συνήθως νερού) η οποία δεν έχει κανένα κινούμενο μέρος, ούτε καν ελαστικά πτερύγια όπως για παράδειγμα έχουν οι φλέβες των ποδιών στους ανθρώπους.

Η λειτουργία της (στην αποκοπή) βασίζεται στην εκτροπή μιας ποσότητας του υγρού που ρέει, και στην ανακατεύθυνσή του έτσι ώστε να έλθει σε "συγκρουση" με το υγρό της βασικής ροής επιβραδύνοντά το, και μάλιστα για καλύτερα αποτελέσματα αυτό επαναλαμβάνεται και σε επόμενες βαθμίδες σε σειρά (εικόνα κάτω).

Στην εικόνα, η ροή στην κατεύθυνση των μπλε βελών προς τα αριστερά, είναι πρακτικά ανεμπόδιστη, ενώ στην κατεύθυνση των μαύρων βελών εμποδίζεται από την ποσότητα του υγρού που εκτρέπεται (κόκκινα βέλη) και ανακατευθύνεται ώστε να "παρεμποδίζει" την αρχική ροή προς τα δεξιά. 

Το μειονέκτημα βέβαια είναι προφανές. Η ροή επιβραδύνεται αρκετά αλλά δεν διακόπτεται ποτέ εντελώς. Αυτό σε κάποιες περιπτώσεις είναι αποδεκτό, προκειμένου να υπάρχει μια συσκευή "σχεδόν" μονόδρομης ροής νερού, χωρίς καμμία πιθανότητα βλάβης ή ανάγκη συντήρησης.

                                                                                                                             Γ. Μεταξάς

Fuel cells vs Flow cells (κυψέλες καυσίμου και κυψέλες ροής)

Πολύς λόγος γίνεται τελευταία για τις «κυψέλες καυσίμου» (fuel cells) και ακόμα πιο πρόσφατα για τις «κυψέλες ροής» (flow cells) ή "οξειδοαναγωγικής ροής", που προτείνονται σαν ιδανικές λύσεις για την ηλεκτροκίνηση των αυτοκινήτων.

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν φθάσει πλέον σε ωριμότητα ως προς τη σχεδίαση και κατασκευή των ηλεκτρικών κινητήρων και των ηλεκτρονικών που τους διαχειρίζονται, ενώ ενσωματώνουν και πολλά τεχνικά πλεονεκτήματα όπως τη μηχανολογική απλότητα (πολύ απλούστερος και συμπαγέστερος κινητήρας, κατάργηση κιβωτίου ταχυτήτων και συμπλέκτη) και τη δυνατότητα ανάκτησης μέρους της ενέργειας του φρεναρίσματος.

Υπάρχει όμως ένα σημείο στο οποίο υστερούν σημαντικά έναντι των κινητήρων εσωτερικής καύσης, που είναι η αυτονομία τους.

Η αυτονομία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων με συσσωρευτές, φθάνει σήμερα πρακτικά γύρω στα 350 km (εξαιρούνται τα σημαντικά ακριβότερα Tesla), αλλά δεν είναι μόνον αυτό το πρόβλημα.

Είναι και ο χρόνος επαναφόρτισης, που είναι της τάξης του οκτάωρου (για οικιακή φόρτιση), ή τουλάχιστον του εικοσάλεπτου (για ταχυφόρτιση κατά 80%).

Υπάρχει επίσης το πρόβλημα του βάρους των συσσωρευτών, που όμως ουσιαστικά είναι ενσωματωμένο στο πρόβλημα της αυτονομίας, αφού τελικά την περιορίζει. Παραμένει τέλος και το θέμα του αρκετά μεγαλύτερου κόστους, σε σχέση με τα αντίστοιχων επιδόσεων συμβατικά αυτοκίνητα.

Προφανώς οι εταιρείες εργάζονται πυρετωδώς για να λύσουν αυτά τα προβλήματα, αλλά υπάρχουν δύο άλλες λύσεις που χρησιμοποιούν επίσης τον ηλεκτρικό κινητήρα με όλα τα πλεονεκτήματά του, ενώ παράλληλα λύνουν το πρόβλημα της αυτονομίας. (Στη σύγκριση δεν συμπεριλαμβάνονται τα υβριδικά αυτοκίνητα, καθώς δεν απαλλάσσονται από τον θερμικό κινητήρα).

Κυψέλες καυσίμου.

Μία μέθοδος είναι η ηλεκτρική ενέργεια αντί να προέρχεται από συσσωρευτές, να λαμβάνεται από μία κυψέλη καυσίμου. Οι κυψέλες καυσίμου δεν είναι νέα επινόηση, δημιουργήθηκαν το 1839 από τον Sir William Grove, χρησιμοποιήθηκαν συστηματικά τη δεκαετία του 1960 στις διαστημικές πτήσεις, αλλά επανήλθαν δυναμικά στο προσκήνιο την τελευταία δεκαετία με τη ραγδαία εξέλιξη των ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Υπάρχουν πολλών ειδών κυψέλες καυσίμου, αλλά εδώ θα εξετάσουμε την πιο συνηθισμένη για χρήση σε αυτοκίνητα, την κυψέλη καυσίμου υδρογόνου με μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων (PEM).

Μία κυψέλη καυσίμου υδρογόνου αποτελείται από ένα δοχείο (κυψέλη) στον οποίο δύο αέρια, υδρογόνο που προέρχεται από κάποια δεξαμενή (κίτρινα βέλη, αριστερά) και οξυγόνο που προέρχεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα (γαλάζια βέλη δεξιά), συναντώνται για την παραγωγή νερού και ηλεκτρικού ρεύματος (και θερμότητας). Μέσα στην κυψέλη υπάρχουν δύο ηλεκτρόδια από άνθρακα στον οποίο όμως έχει εμφυτευθεί πλατίνα (ανοικτό γκρι) και διαχωρίζονται μεταξύ τους από ειδική ημιπερατή μεμβράνη από μονωτικό υλικό (σκούρο γκρι, στο κέντρο), που παίζει τον ρόλο του ηλεκτρολύτη. Όταν τα άτομα του υδρογόνου συναντήσουν το ηλεκτρόδιο που βρίσκεται προς την πλευρά τους, η πλατίνα δρα σαν καταλύτης και διαχωρίζει το θετικό πρωτόνιο του πυρήνα (Η⁺) από το αρνητικό ηλεκτρόνιο (e^-). Η μεμβράνη επιτρέπει στο πρωτόνιο να περάσει σαν ιόν, αλλά όχι και στο ηλεκτρόνιο που χρειάζεται αγώγιμο υλικό για να κινηθεί. Τέτοιο υλικό όμως είναι το ηλεκτρόδιο (άνοδος), οπότε τα ηλεκτρόνια κινούνται μέσα από το αγώγιμο κύκλωμα (και το φορτίο εφόσον έχει συνδεθεί) μέχρι να φθάσουν στο άλλο ηλεκτρόδιο (κάθοδο). Στην κάθοδο, η πλατίνα που την επικαλύπτει βοηθάει την αντίδραση του οξυγόνου της ατμόσφαιρας με τους πυρήνες του υδρογόνου ώστε να παραχθεί νερό, ενώ τα ηλεκτρόνια που έχουν κάνει «τον γύρο» μέσα από το κύκλωμα, φροντίζουν για την αποκατάσταση της ηλεκτρικής ισορροπίας στην αντίδραση. Κάθε κυψέλη παράγει τάση περίπου 0.7 V, οπότε για μεγαλύτερη τάση θα πρέπει να μπουν σε σειρά πολλές κυψέλες, σχηματίζοντας «πακέτο».

Η κυψέλη υδρογόνου έχει (έναντι των συσσωρευτών) ένα μεγάλο πλεονέκτημα, αλλά και κάποια μειονεκτήματα. Το πλεονέκτημα είναι η σημαντική αυτονομία που εξασφαλίζει με μία ποσότητα υδρογόνου που μπορεί εύκολα να μεταφέρει το αυτοκίνητο. Το μειονέκτημα είναι ότι ενώ η ποσότητα αυτή του υδρογόνου (σαν μάζα) είναι μικρή, δεν μπορεί πρακτικά να υγροποιηθεί και πρέπει να μεταφερθεί σαν αέριο σε σημαντικά υψηλή πίεση, οπότε χρειάζεται αρκετό όγκο για τις πολύ ισχυρές δεξαμενές που θα το περιέχουν.

Επίσης, το υδρογόνο είναι ένα «δύσκολο» στη διαχείρισή του καύσιμο καθώς διαρρέει πολύ εύκολα (εξαιτίας του πολύ μικρού μορίου του) και καίγεται χωρίς ορατή φλόγα, κάτι που σε περίπτωση ατυχήματος είναι ιδιαίτερα επικίνδυνο (αν και γρήγορα ανυψώνεται στην ατμόσφαιρα).

Σήμερα (αρχές της δεκαετίας 2020), υπάρχει ουσιαστικά ένα μόνο αυτοκίνητο παραγωγής με κυψέλη υδρογόνου*, το τετραθέσιο Mirai της Toyota από το 2014, που κυκλοφορεί όμως προς το παρόν στην Ιαπωνία, σε ορισμένες περιοχές των ΗΠΑ και Καναδά και σε ορισμένες χώρες της βόρειας Ευρώπης, καθώς εκεί υπάρχουν (προς το παρόν) κάποια πρατήρια υδρογόνου, αν και το δίκτυο συνεχώς επεκτείνεται.

*Από ένα μοντέλο της Hyundai (Nexo) και της Honda (Clarity FC) έχουν κυκλοφορήσει στις ΗΠΑ, αλλά με μικρή επιτυχία.

Όσο για την παραγωγή του υδρογόνου, αυτή κυρίως προέρχεται από ηλεκτρόλυση νερού (παρότι μπορεί να παραχθεί και από υδρογονάνθρακες), αν και η μακροχρόνια προοπτική είναι να παράγεται κοντά στα πρατήρια διανομής, με ενέργεια που θα προέρχεται από τον ήλιο ή από άλλες ανανεώσιμες πηγές.
Εναλλακτικά, μια αυστραλιανή εταιρεία (CSIRO) δοκιμάζει τρόπους αποθήκευσης του υδρογόνου σε μορφή αμμωνίας (η αμμωνία αποτελείται από υδρογόνο και άζωτο), από την οποία θα το ανακτά με την αντίστροφη διαδικασία και χρήση ειδικής μεμβράνης. Παρόμοιες δοκιμές γίνονται από το 2014 στην Αγγλία,  ενώ μια ολλανδική εταιρεία δοκιμάζει με αντίστοιχο σκεπτικό το μυρμηκικό οξύ. Το μυρμηκικό οξύ (formic acid, χημικός τύπος HCOOH) συντίθεται δεσμεύοντας υδρογόνο και διοξείδιο του άνθρακα σε μία μη αναφλέξιμη υγρή μορφή. Με αυτόν τον τρόπο το διοξείδιο του άνθρακα ανακυκλώνεται, ενώ το υδρογόνο συνδυάζεται με το οξυγόνο της ατμόσφαιρας στην κυψέλη καυσίμου παράγοντας νερό και ταυτόχρονα ηλεκτρισμό. 

Το 2019 ανακοινώθηκε ότι με χρήση καταλύτη βισμουθίου (ένα πολύ βαρύ εύθραυστο μέταλλο) η παραγωγή μυρμηκικού οξέος με σύνθεση υδρογόνου και διοξειδίου του άνθρακα γίνεται πολύ αποδοτικότερα, καθιστώντας εφικτή τη βιομηχανική παραγωγή του.

Μάλιστα το 2021 η χρήση του βισμουθίου σαν καταλύτης βελτιώθηκε, τόσο ως προς τη δυνατότητα παραγωγής μεγαλύτερων ποσοτήτων του ιδίου, όσο και ως προς στην ποιότητα του παραγομένου μυρμηκικού οξέος ώστε να μη χρειάζεται στάδιο καθαρισμού.

Η διάταξη κίνησης του Mirai της Toyota. Η κυψέλη καυσίμου (FC Stack) τροφοδοτείται από δεξαμενή υδρογόνου στο πίσω μέρος του αυτοκινήτου. Υπάρχει πάντως και συσσωρευτής κίνησης (Drive battery) για να αντιμετωπίζει την απότομη ζήτηση ισχύος, αλλά και να αποθηκεύει την ενέργεια που ανακτάται κατά το φρενάρισμα. Ο ηλεκτρικός κινητήρας είναι ισχύος 113 kW (152 hp), η αποθηκευμένη ενέργεια του συσσωρευτή κίνησης είναι 1.6 kWh (τύπος nickel-metal hydride), ενώ η αυτονομία φθάνει τα 500 km με δύο δεξαμενές (φαίνεται μόνον η μία, η άλλη είναι εμπρός από τους πίσω τροχούς) από συνθετικά υλικά, που περιέχουν συνολικά 5 kg υδρογόνου σε πίεση 700 bar. Το απόβαρο του αυτοκινήτου είναι 1850 kg.

Κυψέλες ροής (ή οξειδοαναγωγικής ροής - Redox).

Η άλλη μέθοδος, είναι η αποθήκευση της ηλεκτρικής ενέργειας σε κυψέλη ροής.

Η ιστορία της είναι περίπου παράλληλη με αυτή της κυψέλης καυσίμου. Εφευρέθηκε το 1884 από τον Γάλλο μηχανικό Charles Renard για να τροφοδοτήσει τον ηλεκτρικό κινητήρα ενός αερόπλοιου, ενώ τη δεκαετία του 1970 κίνησε το ενδιαφέρον της NASA για ενδεχόμενη χρήση σε μελλοντική σεληνιακή βάση.

Την κυψέλη ροής μπορούμε να τη φανταστούμε σαν μία κυψέλη καυσίμου, όπου αντί για δύο αέρια που αντιδρούν και παράγουν ηλεκτρισμό έχουμε δύο υγρά ιοντικών διαλυμάτων που αντιδρούν μεταξύ τους με το ίδιο αποτέλεσμα, δηλαδή την παραγωγή ηλεκτρισμού.

Συνήθως χρησιμοποιείται το ηλεκτρολυτικό διάλυμα ενός δραστικού μετάλλου (Λίθιο, Κάλιο, Νάτριο, Ψευδάργυρος) που θα τροφοδοτήσει το ηλεκτρόδιο που θα γίνει ο αρνητικός πόλος και ένα διάλυμα αλογόνου (Βρώμιο, Χλώριο, Ιώδιο) που θα τροφοδοτήσει το άλλο ηλεκτρόδιο που θα γίνει ο θετικός πόλος. Και τα δύο ηλεκτρόδια είναι από γραφίτη.

Η διαφορά με την κυψέλη καυσίμου είναι ότι τα δύο αυτά υγρά αποθηκεύονται σε αντίστοιχες δεξαμενές και τροφοδοτούνται ταυτόχρονα, με ελεγχόμενη ροή και σε κλειστό κύκλωμα στην κυψέλη, ενώ όταν «εκφορτιστούν» μπορούν να αντικατασταθούν με μία σύντομη διαδικασία, οπότε το σύστημα θα είναι έτοιμο να επαναλάβει τη λειτουργία του.

Εναλλακτικά, τα δύο υγρά μπορούν να «επαναφορτιστούν» με διαδικασία αντίστοιχη των συσσωρευτών ώστε να επανέλθουν στην αρχική τους κατάσταση, αλλά είναι φανερό ότι για την αυτοκίνηση είναι η πρώτη μέθοδος που έχει ενδιαφέρον.

Η κυψέλη ροής αποτελείται, όπως και η κυψέλη καυσίμου, από ένα δοχείο με δύο ηλεκτρόδια γραφίτη που χωρίζονται από ημιπερατή μεμβράνη. Δύο υγρά (που το ένα παρέχει τα ανιόντα δηλαδή τα ηλεκτρόνια και το άλλο τα κατιόντα) αποθηκεύονται σε χωριστές δεξαμενές και τροφοδοτούνται με ελεγχόμενη ροή μέσω αντίστοιχων αντλιών σε κλειστό κύκλωμα. Τυπικά «ζευγάρια» αποτελούν τα ηλεκτρολυτικά διαλύματα του ψευδάργυρου / χλώριου (παλαιότερο), ή του ψευδάργυρου/ βρώμιου (νεώτερο). Η ηλεκτρικά μονωτική μεμβράνη που διαχωρίζει τα δύο υγρά επιτρέπει, όπως και στην περίπτωση της κυψέλης καυσίμου, την ανταλλαγή των ιόντων τους αλλά όχι των ηλεκτρονίων, τα οποία κυκλοφορούν μέσω των ηλεκτροδίων και του φορτίου. Και σ’ αυτή την περίπτωση η παραγόμενη τάση μιας μόνον κυψέλης είναι μικρή (1.0 - 2.2 V), οπότε απαιτείται η διαμόρφωση σε συστοιχία για πρακτικές χρήσεις. Όταν η κυψέλη εκφορτιστεί, οι δύο δεξαμενές θα περιέχουν το ίδιο τελικό μίγμα, οπότε τα υγρά χρειάζονται αναγέννηση ή αντικατάσταση. Μπορούμε επίσης να φανταστούμε την κυψέλη ροής σαν συσσωρευτή, όπου η ηλεκτρική ενέργεια αντί να αποθηκεύεται σαν αλλαγή της σύστασης των ηλεκτροδίων, αποθηκεύεται σαν αλλαγή της σύστασης των ηλεκτρολυτικών υγρών.

Το πλεονέκτημα της κυψέλης ροής (ουσιαστικά πάντα πρόκειται για συστοιχία κυψελών) στην περίπτωση των αυτοκινήτων, είναι η δυνατότητα γρήγορης αντικατάστασης των υγρών σε ειδικό πρατήριο με «φρέσκα» υγρά και η ανακύκλωση των χρησιμοποιημένων, δηλαδή η επαναφορά τους στην αρχική κατάσταση για την επόμενη χρήση.

Οι κυψέλες ροής βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο και η έρευνα έχει επικεντρωθεί από μεγάλα ερευνητικά ιδρύματα, όπως το πανεπιστήμιο Stanford, στην επιλογή των κατάλληλων υγρών που θα αυξήσουν την ταχύτητα της αντίδρασης, θα μειώσουν τη θερμοκρασία και το κόστος, και θα κάνουν το χειρισμό των υγρών ασφαλέστερο.
Οι κυψέλες ροής θεωρούνται επίσης μία καλή λύση και στο πρόβλημα της μακροχρόνιας αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας σε στατικές εφαρμογές (πχ σε συστήματα αδιάλειπτης παροχής ενέργειας ή σε απομονωμένες κατοικίες), καθώς μπορούν να παραμείνουν σε κατάσταση αναμονής πρακτικά επ' αόριστον χωρίς να μειώνεται η χωρητικότητά τους και χωρίς προβλήματα ασφάλειας, καθώς είναι άκαυστες. 

Υπάρχουν όμως και ιδιωτικές εταιρείες που κάνουν τη δική τους έρευνα στις κυψέλες ροής, με τη ελβετική NanoFlowcell Holdings (ιδρύθηκε το 2013) να έχει προχωρήσει στην κατασκευή ενός σπορ πειραματικού αυτοκινήτου, του Quantino, με εντυπωσιακές επιδόσεις στον τομέα της αυτονομίας.

Φυσικά, καθώς προς το παρόν η όλη διάταξη είναι πειραματική, δεν υπάρχει η δυνατότητα αντικατάστασης των υγρών παρά μόνον στις εγκαταστάσεις της εταιρείας, στη Ζυρίχη.

Επίσης, αν και σε αυτή τη φάση το κόστος του αυτοκινήτου είναι προφανώς σημαντικό, η εταιρεία υπόσχεται ότι σε μελλοντική παραγωγή το κόστος θα είναι συγκρίσιμο με αυτό των ανταγωνιστικών αυτοκινήτων.

Το Quantino, είναι ένα 2+2 θέσεων πειραματικό αυτοκίνητο με σπορ εμφάνιση και μήκος σχεδόν 4 m, που κινείται με ηλεκτρική ενέργεια που προέρχεται από κυψέλη ροής, οι λεπτομέρειες της οποίας παραμένουν μυστικές. Το όχημα πάντως (σύμφωνα με τον κατασκευαστή*) έχει πετύχει το 2017 την εντυπωσιακή αυτονομία των 1400 km(!) με ένα «γέμισμα» του συστήματός του, που παρέχει 85 kWh αποθηκευμένης ηλεκτρικής ενέργειας. Η ισχύς του είναι 80 kW (108 hp), το βάρος του χωρίς τα υγρά σχεδόν 700 kg, ενώ τα υγρά της κυψέλης αποθηκεύονται σε δύο δεξαμενές των 96 λίτρων η κάθε μία. Σημαντικό είναι επίσης ότι το Quantino δεν χρειάζεται πυκνωτές ενίσχυσης (ενώ δεν έχει ανακοινωθεί αν χρησιμοποιείται συσσωρευτής κίνησης), καθώς έχει βρεθεί τρόπος η κυψέλη να ανταποκρίνεται ακόμα και σε απότομη αύξηση της ζήτησης ισχύος. Πολύ λιγότερο σημαντικό (αλλά πάντως εντυπωσιακό) είναι ότι το αυτοκίνητο δεν αποβάλει τίποτα προς το περιβάλλον, ούτε καν νερό όπως τα οχήματα με κυψέλες καυσίμου.

*Κατά την άποψη του γράφοντα, τα νούμερα του κατασκευαστή φαίνονται υπερβολικά αισιόδοξα και μένει να επιβεβαιωθούν από ανεξάρτητους δοκιμαστές.

Ενώ μεσολάβησε μια μεγάλη περίοδος σιωπής για το Quantino, στα τέλη του 2022 ανακοινώθηκε ότι η εταιρεία NanoFlowcell Holdings που πλέον εδρεύει στο Λονδίνο, ψάχνει επενδυτές για να ξεκινήσει την παραγωγή του αυτοκινήτου στις ΗΠΑ, δημιουργώντας φυσικά τις τις κατάλληλες υποδομές για την αντικατάσταση των υγρών του. Μάλιστα για να γιορτάσει την περίσταση, παρήγαγε το Quantino 25 με δύο ηλεκτροκινητήρες με συνδυασμένη ισχύ 320 ίππων, δύο δεξαμενές ηλεκτρολυτών των 125 λίτρων η κάθε μια, και εκτιμώμενη εμβέλεια τα 2000km.

Η εκτίμηση της Toyota για την εξέλιξη των οχημάτων ανάλογα με το μέγεθος και τη χρήση τους, σε σχέση προς το είδος της ενέργειας που καταναλώνουν (προς τα δεξιά, η πυκνότητα ενέργειας αυξάνεται). Προσέξτε τη σημαντικά μεγαλύτερη πυκνότητα ενέργειας του υδρογόνου, σε σχέση με τα άλλα καύσιμα. Στο διάγραμμα παρουσιάζονται και οι νέες μορφές ενέργειας που βασίζονται στον ηλεκτρισμό, σύμφωνα με την παρακάτω κωδικοποίηση:

EV: Electric Vehicles (συσσωρευτής)

HV/PHV: Hybrid Vehicles/Plug-in Hybrid Vehicles (υβριδικά/επαναφορτιζόμενα υβριδικά)

PCV: Fuel Cell Vehicles (κυψέλη καυσίμου).

Τελικά, φαίνεται ότι το παιχνίδι για την επικράτηση της ηλεκτροκίνησης στα αυτοκίνητα, θα δοθεί μάλλον στο πεδίο της Χημείας παρά του Ηλεκτρισμού!

ΥΓ1: Υδρογόνο από αλουμίνιο και νερό!
Είναι φανερό, ότι το κύριο πρόβλημα της χρήσης του υδρογόνου είτε σε κυψέλη καυσίμου είτε κατ' ευθείαν σαν καύσιμο, είναι το γεγονός ότι η βιομηχανική μέθοδος χρησιμοποιεί σαν πρώτη ύλη υδρογονάνθρακες, αλλά και ότι η αποθήκευσή του απαιτεί πολύ υψηλή πίεση.
Μια νέα μέθοδος όμως που αναπτύχθηκε από ερευνητές του ΜΙΤ επιτρέπει την αντίδραση του αλουμινίου με νερό για την παραγωγή υδρογόνου (και οξειδίου του αλουμινίου, δηλ. αλουμίνας), σε συνθήκες περιβάλλοντος και μάλιστα χωρίς δαπάνη ενέργειας!
Αρκεί να μπορέσει το νερό να έλθει σε επαφή με καθαρό αλουμίνιο, καθώς το μέταλλο αυτό οξειδώνεται αμέσως μόλις εκτεθεί στον αέρα. Για να επιτευχθεί αυτό, ρινίσματα αλουμινίου καλύπτονται με ένα μίγμα γαλλίου-ινδίου σε υγρή κατάσταση, που διαπερνά το στρώμα οξείδωσης και επιτρέπει στο νερό να έλθει σε επαφή και να αντιδράσει με το καθαρό αλουμίνιο. Μάλιστα καθώς το μίγμα γαλλίου-ινδίου δρα σαν καταλύτης, είναι ανακυκλώσιμο.
Με τη μέθοδο αυτή θα είναι εφικτό να παραχθεί υδρογόνο από ρινίσματα ανακυκλωμένου αλουμινίου κοντά στο σημείο χρήσης του, με χαμηλή δαπάνη ενέργειας (πέρα απ’ αυτήν της αρχικής παραγωγής του αλουμινίου, το οποίο θα μετατραπεί σε αλουμίνα-οξείδιο του αλουμινίου) και με πυκνότητα δεκαπλάσια από αυτήν με την οποία αποθηκεύεται το υδρογόνο σε δεξαμενή υψηλής πίεσης.

ΥΓ2. Η μεγαλύτερη μπαταρία Redox στον κόσμο!

Το 2026, ξεκίνησε κοντά στην πόλη Laufenburg στα βόρεια σύνορα ης Ελβετίας, η εκσκαφή για τη δημιουργία ενός τεράστιου χώρου που θα φιλοξενήσει τη μεγαλύτερη μπαταρία τύπου κυψέλης ροής (Redox) στον κόσμο, με χωρητικότητα 2.1 GWh και ισχύ 1.2 GW.
Το έργο, που αποσκοπεί στην αποθήκευση και αξιοποίηση της ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, κατασκευάζεται από την εταιρεία FlexBase Group, προβλέπεται να ολοκληρωθεί το 2029 και θα στοιχίσει μερικά δισεκατομμύρια ευρώ. Θα περιλαμβάνει και ένα μεγάλο τεχνολογικό συγκρότημα με γραφεία, ερευνητικά κέντρα κλπ.

                                                                                                        Γ. Μεταξάς