Je bekijkt nu Hoe werkt kernfusie in sterren?
Afbeelding van de Zon. Bron: NASA

Hoe werkt kernfusie in sterren?

  • Bericht auteur:
  • Berichtcategorie:Heelal

Kernfusie is het proces waarbij meerdere atomen worden samengesmolten tot een groter en zwaarder atoom. Bij kernfusie in sterren smelten vier waterstofatomen samen tot een heliumatoom, dit proces heet de PP1 chain. Bij deze fusie van atomen komt tevens veel energie vrij in de vorm van warmte en licht dat wij weer zien.

Naast de PP1 chain is er ook nog de CNO cyclus en het triple-alfaproces. Ook via deze processen vindt kernfusie plaats maar dan nemen ook andere atomen naast waterstof deel aan het fusie proces. Afhankelijk van de temperatuur van de ster zal de PP1 chain, de CNO cyclus of het triple-alfaproces het dominante kernfusie proces zijn. In dit artikel ga ik dieper in op de verschillende kernfusieprocessen die in een ster kunnen plaatsvinden.

Geschiedenis van de energie productie in sterren

Voor een lange tijd was het onduidelijk wat de brandstof van sterren vormde. Vroeger dachten astronomen dat de krimping van sterren voor voldoende brandstof zou kunnen zorgen. Er komt bij de krimping van sterren namelijk energie vrij. Maar al snel bleek dat dit niet de oplossing was. Op deze manier zou de Zon maar een paar miljoen jaar oud kunnen worden voordat zijn brandstof op is terwijl we weten dat de Zon al een paar miljard jaar oud is.

Een mogelijke tweede oplossing baseerde zich op chemische processen. Dit is te vergelijken met de verbranding van bijvoorbeeld benzine in een auto. Bij de verbranding van het chemische product komt energie vrij. In sterren gebeurt dit ook maar dan met andere stoffen, Maar ook dit proces kan niet de lange levensduur van de Zon verklaren.

En dus moest er naar een andere oplossing worden gezocht die op dat moment minder voor de hand lag. In de jaren 20 van de vorige eeuw kwam dan eindelijk de oplossing. In 1920 stelde de Engelse astronoom en natuurkundige Arthur Eddington voor dat de fusie van waterstof in helium de primaire bron voor de energie van sterren zou kunnen zijn. Zijn vooruitziende blik werd in 1924 verder versterkt met de ontdekking van de kwantummechanica.

De volgende doorbraak kwam in 1927 toen Friedrich Hund het tunneleffect ontdekte. Dit effect zegt dat een atoom als het ware door een wand heen kan gaan, een soort teleportatie als het ware. Dit klinkt misschien wat gek maar het bestaan echt in de kwantummechanica. Dit tunneleffect was het ontbrekende puzzelstukje dat het energie probleem van sterren heeft opgelost.

Voorheen was het niet te verklaren hoe atomen in sterren dicht genoeg bij elkaar zouden kunnen komen om kernfusie te laten plaatsvinden. Twee atomen stoten elkaar af als ze te dicht bij elkaar in de buurt komen. Maar door het tunneleffect hoeven ze niet zo dichtbij bij elkaar in de buurt te komen. Ze kunnen het laatste stukje immers doorbreken via het tunneleffect.

Tunneleffect en kernfusie in sterren

Voordat de kwantummechanica was ontdekt, werd er vooral gebruik gemaakt van de klassieke mechanica. Dit is de tak van natuurkunde die onder andere de beweging van ballen en klokken, planeten en draaiende schijven beschrijft.

Om kernfusie in sterren te realiseren moeten er meerdere atomen dicht genoeg bij elkaar in de buurt komen om samen te gaan smelten. Hoe dicht deze bij elkaar in de buurt moeten komen was al te berekenen met de klassieke mechanica. Maar toen astronomen en natuurkunde dat deden stuitten ze op een probleem. De temperatuur die de Zon in zijn kern moet hebben om de deeltjes dicht genoeg bij elkaar te brengen zou namelijk wel 100 keer zo hoog moeten zijn als de daadwerkelijke temperatuur van de kern van de Zon.

Het tunneleffect helpt ons hier uit de brand. Want klassiek gezien kunnen de deeltjes niet dicht genoeg bij elkaar komen, maar als je het via de kwantummechanica bekijkt kan dit wel. Doordat een atoom via het tunneleffect door de energiebarrière kan breken die twee waterstofatomen van elkaar vandaan houdt, kunnen de atomen toch dicht genoeg bij elkaar komen. Toen astronomen de bijbehorende temperatuur berekende kwamen ze uit op de temperatuur van de kern van de Zon. En hierdoor kan er dus toch wel kernfusie plaatsvinden in sterren.

Kernfusie in sterren via de PP1 chain

De PP1 chain, voluit ook wel de Proton Proton chain genoemd, is een van twee processen in een ster waar waterstof door middel van kernfusie wordt omgezet in helium. Het andere proces is de CNO cyclus. De naam proton proton chain komt doordat vier waterstofatomen, ook wel protonen genoemd, samensmelten tot een heliumatoom.

Kernfusie sterren
Deze afbeelding laat zien hoe de PP1 chain in elkaar zit.

Bij dit proces wordt 0,7% van de oorspronkelijke massa van het waterstof omgezet in energie volgens de welbekende formule van Einstein: E=mc². Dit lijkt op het eerste gezicht niet heel erg efficiënt, maar dat is het wel. Kernfusie is veruit de meest efficiënte manier voor het opwekken van energie. Het is dan ook niet gek dat kernfusie de manier is waarop sterren aan hun energie komen.

Zoals eerder besproken moet de temperatuur wel heel hoog zijn om kernfusie te faciliteren. De PP1 chain is het dominante proces bij temperaturen tussen de 10-18 miljoen graden Celsius. Gelukkig zijn dit soort temperaturen alleen maar te vinden in de kern van sterren.

Naast de PP1 chain heb je ook nog de PP2 en de PP3 chain. Deze twee kernfusie processen, die ook in de kern van sterren plaatsvinden, lijken heel erg op de PP1 chain. Het verschil zit hem in hoe er helium wordt gemaakt. De PP2 en PP3 chain nemen een kleine omweg waarbij er tussendoor ook de elementen beryllium en lithium worden gevormd. Deze vallen dan weer terug in helium.

Dan is er ook nog de theoretische PP4 chain. Bij dit proces neemt een helium-3 atoom direct een waterstofatoom op waardoor het fuseert tot een helium-4 atoom. Maar deze reactie zou zeer zeldzaam zijn waardoor het ook nog niet is geobserveerd.

Op Wikipedia is meer te lezen over de proton-proton chain.

Kernfusie zorgt ervoor dat er verschillende elementen worden gemaakt. Maar welk element komt dan het meest voor in het heelal? Lees er hieronder meer over:

Wat is het meest voorkomende element in het heelal?

Kernfusie in sterren via de CNO cyclus

De CNO cyclus is het andere kernfusie proces dat in sterren plaatsvindt waarbij waterstof samensmelt tot helium. Waar de PP1 chain slechts waterstof nodig heeft, heeft de CNO cyclus ook nog andere elementen nodig die als een soort katalysatoren werken.

Als eerste moet er koolstof-12 aanwezig zijn. Hier kan een waterstofatoom mee gaan samensmelten tot een stikstof-13 atoom. Deze vervalt vervolgens terug naar een koolstof-13 atoom (deze heeft in zijn kern 1 neutron meer dan het koolstof-12 atoom). Hier kan weer een waterstofatoom op botsen waardoor stikstof-14 wordt gecreëerd. Als hier nog een waterstofatoom op knalt, fuseren ze samen tot een zuurstof-15 atoom. Deze valt weer terug naar een stikstof-15 atoom. Als we hier weer een waterstofatoom aan toevoegen, krijgen we het oorspronkelijke koolstof-12 weer terug met nu een extra heliumatoom.

In onze Zon vindt dit proces minder vaak plaats dan te proton proton chain. Dit komt omdat deze reactie een hogere temperatuur vereist dan de PP1 chain en de Zon hier simpelweg niet warm genoeg voor is. De CNO cyclus wordt het dominante kernfusie proces in een ster als deze tenminste 1,3 keer zoveel massa heeft als de Zon.

Net als bij de PP1 chain zijn ook hier verschillende processen aanwezig. Hierboven besprak ik de CNO-1 cyclus. Maar je hebt ook nog de CNO-2, CNO-3 en de CNO-4 cyclus. En je hebt nog een andere versie van de cyclussen die in nog warmere omstandigheden plaatsvinden. Deze heten ook wel de HCNO cyclussen. Al deze processen gaan op een vergelijkbare manier maar dan net iets anders. Als je hier meer over wilt weten adviseer ik naar deze Wikipedia pagina over de CNO cyclus te gaan.

Desondanks vindt ook de CNO cyclus plaats in de Zon. Maar daarvoor zijn dus ook andere elementen nodig. Maar welke elementen zijn er eigenlijk allemaal te vinden in de Zon? Het antwoord daarop vind je in het volgende artikel:

Waar is de Zon van gemaakt?

Triple-alfaproces

Ook het triple-alfaproces is een aaneenkoppeling aan fusies die in de kern van een ster kunnen plaatsvinden. Dit is een relatief simpel proces waarbij 2 helium deeltjes, ook wel alfadeeltjes genoemd, fuseren tot een berylliumatoom. Als je hier weer een heliumatoom mee laat fuseren krijg je een koolstofatoom. De naam komt dan ook van de hoeveelheid alfa (helium) deeltjes die je laat samensmelten tot een koolstofatoom.

Naast een hogere temperatuur heeft dit proces ook een grote hoeveelheid helium nodig. Dit komt omdat het gevormde berylliumatoom een korte levensduur heeft en hierdoor snel weer terugvalt naar twee helium atomen. Als de temperatuur hoog genoeg is wordt de productie van beryllium in evenwicht gehouden door het verval van beryllium. Vooral oude sterren hebben een relatief hoog percentage helium omdat deze al het aanwezige waterstof al in helium hebben omgezet. Dit proces is dan ook voornamelijk in oude sterren te vinden.