Waarom is de zon zo warm?

Het leven op aarde zou zonder de zon een stuk saaier zijn. Er zou geen wind waaien, geen watercyclus bestaan, geen planten kunnen groeien en wij zouden niet kunnen bestaan. Alle energie die wij gebruiken (van voedsel tot benzine) is op de een of andere manier (indirect) afkomstig van de zon. Bovendien ontdekte Nicolaas Copernicus in de zestiende eeuw dat dit prachtige hemellichaam letterlijk het middelpunt van ons zonnestelsel vormt. Maar wat weten we eigenlijk van onze warmtebron? WRM is de zon zo ontzettend warm en straalt hij licht uit? Wat geef hem al deze energie? Een minicollege kernfusie in de zon.

Warmte door zwaartekracht
Pas aan het eind van de negentiende eeuw werd er een eerste model voorgesteld over hoe de energie van de zon opgewekt wordt. Volgens de Duister Hermann von Helmholtz is de hoeveelheid massa van de zon zo groot dat het hemellichaam instort onder zijn eigen zwaartekracht. De energie die daarbij vrijkomt, zou de warmte die we op onze huid voelen en het licht dat ons overdag beschijnt moeten verklaren. Helaas volgt uit dit model dat de zon slechts twintig tot dertig miljoen jaar warmte kan leveren voordat zijn energie op is. Dit bleek in strijd met metingen aan isotopen, die het zonnestelsel op ruim vier miljard jaar oud schatten. Er moest dus gezocht worden naar een verklaring voor het lange, energierijke leven van de zon (en wie zou het geheim daarachter nou niet willen weten?).

Kernfusie
Het antwoord kwam in 1938 uit een onverwachte hoek: de kernfysica. Hans Bethe stelde voor dat de zonne-energie afkomstig is van kernfusie en won voor dat idee een Nobelprijs. Bij dit proces smelten atomen samen tot nieuwe, zwaardere atomen. Atoomkernen bestaan uit kleinere deeltjes: protonen en neutronen. Om deze deeltjes bij elkaar te houden is er energie nodig, de zogenaamde bindingsenergie. Als twee atoomkernen samengesmolten zijn, heeft de nieuwe atoomkern een nieuwe bindingsenergie. Soms is die lager dan de som van de bindingsenergieën van de deeltjes waar hij uit ontstond. Deze energie komt dan vrij bij de fusie.

Hoe werkt dit in de zon? De zon bestaat grotendeels uit waterstof (kortweg: H). Bovendien heersen er in de zon bijzonder hoge temperaturen, die ontstaan door de druk van de zwaartekracht (daarin had Von Helmholtz wel gelijk). Deze hitte en de hoge druk zorgen ervoor dat de waterstofatomen zo dicht bij elkaar kunnen komen dat ze samensmelten tot een nieuw atoom, genaamd deuterium (²H). Als zo’n deuteriumdeeltje vervolgens weer een intieme ontmoeting heeft met een ander waterstofatoom, slokt hij deze op en wordt tritium (³H). Als twee tritiumatomen botsen, kan dit weer leiden tot een nieuw atoom dat velen van jullie zullen kennen uit ballonnen: helium (⁴He). In de tussenstappen komen soms ook nog wat andere deeltjes vrij (zoals te zien is in het diagram).
Bij elke fusie in dit proces komt behoorlijk wat energie vrij die de zon stralend en warm houdt, op een veel efficiëntere manier dan alleen zwaartekracht dat zou kunnen. En dat is maar goed ook, want het betekent dat de zon niet maar twintig tot dertig miljoen jaar leeft, maar al vijf miljard jaar op de teller heeft staan. En hij is waarschijnlijk pas op de helft! De komende 5 miljard jaar zitten we er dus nog warmpjes bij.

Extra: WRM ook kernsplijting?
Verwant aan kernfusie is kernsplijting, waarbij een atoomkern uit elkaar getrokken wordt in kleinere deeltjes. Hierbij komt ook enorm veel (bindings-)energie vrij. Dit energiewinningsproces kunnen we redelijk gecontroleerd plaats laten vinden op aarde en dat doen we dan ook in kerncentrales. Verder kan dit principe gebruikt worden in minder gecontroleerde omstandigheden: in kernwapens.

Hoe kan het dat zowel het samensmelten als het uit elkaar halen van atoomkernen energie oplevert? Dat komt omdat de hoeveelheid bindingsenergie per atoom verschilt en de natuur stiekem heel erg lui is. Er wordt altijd gestreefd naar de energetisch laagst mogelijk toestand. Als een groot atoom dus een boel energie nodig heeft om gebonden te zijn, is het soms voordeliger om zichzelf op te breken in kleinere atomen met minder bindingsenergie. De energiewinst die dat oplevert komt dan vrij. En wij kunnen dat gebruiken voor stroomopwekking (of kernwapens).

Soms is het echter voordeliger voor atomenkernen om samen te smelten, omdat de bindingsenergie van het gecombineerde atoom lager is dan die van de twee kleinere atoomkernen opgeteld. Die overgebleven energie komt dan vrij bij de fusie. Kleine atomen fuseren daarom graag, tot ze zo groot zijn als een ijzeratoom; dan wordt het weer voordeliger om te splitsen.

Kernenergie
Het voordeel van kernfusie is dat de gefuseerde afvalstoffen veiliger en schoner zijn dan die van kernsplijting (dat radioactief afval oplevert). Daarom zien veel mensen fusie als een meer duurzame energiebron. Helaas is het op aarde nog niet gelukt om dit rendabel te laten gebeuren. Tot nu toe is er meer energie nodig om de atomen te laten samensmelten dan dat de fusie oplevert. Maar wie weet hebben we over een tijdje onze eigen, gecontroleerde zonnetjes op aarde.