Yhteistyössä CSIC:n kanssa. Juuri tämän kysymyksen minulle esitettiin, ja sitä pohdin parhaillaan. Kuten usein tapahtuu, viattomasti ja yksinkertaisesti muotoiltu kysymys voi kätkeä taakseen paljon tietoa.
Sisällysluettelo
Ensimmäinen yksinkertainen vastaus, joka tulee mieleen: ”Tietenkin käytämme painovoimaa energianlähteenä joka päivä.” Käytämme painovoimaa useilla tavoilla. Meillä on esimerkiksi vesivoimalaitoksia. Kun vesi on varastoituna säiliössä, eli merenpinnan yläpuolella, voimme päästää sen putoamaan alemmas ja hyödyntää sen energiaa. Vesi pysyy säiliössä, koska sen seinät pitävät sen paikallaan. Heti kun avaamme yksinkertaisen venttiilin, vesi virtaa ulos valtavalla nopeudella. Tämä ilmiö on sama kuin jos pitäisit omenaa kädessäsi ja pudottaisit sen. Painovoima tekee tehtävänsä ja pakottaa veden tai omenan putoamaan alas, eli kohti maapallon keskustaa, valtavalla nopeudella.
Teknisemmin sanottuna se siirtää veden tai omenan tilaan, jossa on vähemmän potentiaalienergiaa, mutta enemmän kineettistä energiaa (liikkeen energiaa), jolloin kokonaisenergia säilyy . Tällä tavoin varastamme energiaa painovoimalta. Tätä varten meidän tarvitsee vain ottaa talteen järjestäytynyt kineettinen energia, joka on liikkeessä olevalla vedellä, joka poistuu säiliöstä (tai omenalla, mutta verrattuna tähän energia on hyvin vähäistä). Pohjimmiltaan hidastamme sitä hieman siirtämällä sen liikkeen muihin elementteihin, esimerkiksi turbiiniin, ja sieltä edelleen elektronien liikkeeseen sähköjohdoissa: lamppu kotonamme syttyy painovoiman ansiosta!
Abstraktimmin sanottuna painovoima varmistaa yhteydet aineen välillä, ja nämä yhteydet voidaan liittää energian sisältöön. Kun omena putoaa puusta maahan, sen yhteys koko Maahan muuttuu. Koska painovoima vetää puoleensa, sen yhteyden energia on negatiivinen. Omena maassa on vahvemmin yhteydessä Maahan kuin puussa (koska se on kauempana Maan painopisteestä), ja tämä tekee sen yhteyden energiasta negatiivisemman. Omenan putoamisen aikana negatiivisen energian kasvu kompensoituu omenan positiivisen kineettisen energian kasvulla. Kun se osuu maahan, tämä positiivinen energia muuttuu pieneksi lämpötilan nousuksi iskukohdassa: näin gravitaation yhteysenergian muutos siirtyy maata muodostavien valtavien mikroskooppisten hiukkasten kaoottiseen liikkeeseen. Jälleen yksi esimerkki gravitaatioenergian hyödyntämisestä.
Gravitaatio hallitsee avaruutta
Mutta gravitaation voima ei lopu tähän. Gravitaatio hallitsee yksin astrofysiikan ilmiöitä. Esimerkiksi tähdet loistavat gravitaation ansiosta. Universumia täyttävien valtavien kaasupilvien sisällä muodostuu alueita, jotka romahtavat itsensä sisään gravitaation vaikutuksesta. Gravitaatio puristaa kaasua näillä alueilla, jolloin se kuumenee. Tällä tavoin saavutetaan kynnys, jossa suurimman osan kaasusta muodostavat vetyatomit pystyvät yhdistämään ytimensä heliumatomeiksi. Tässä prosessissa, joka tunnetaan nimellä ydinsynteesi, energiaa otetaan itse aineesta muuttamalla uudelleen sen rakenteen ylläpitävien pylväiden sisältämien sidosten energiaa. Aineesta saatu energia säteileytyy avaruuteen kaikkiin suuntiin valopakkauksina. Energiaa ei ole saatu suoraan gravitaatiosta, mutta se on toiminut perustavanlaatuisena katalyyttinä.
Albert Einsteinin opista lähtien tiedämme, että massa on yhtä kuin energia . Ydinsynteesissä noin 1 % alkuperäisestä vedyn massasta muuttuu energiaksi. Toisin sanoen, kun kaikki kaasu on muuttunut heliumiksi, se painaa 1 % vähemmän kuin alkuperäinen. Tämä on uskomattoman tehokas energialähde verrattuna esimerkiksi energiaan, jonka voimme saada fossiilisista polttoaineista: vain yksi miljoonasosa sen massasta!
Painovoima ja mustat aukot
On kuitenkin myös muita painovoimaan liittyviä prosesseja, joissa massan muuntuminen energiaksi voi olla vielä tehokkaampaa kuin termonukleaarisessa synteesissä. Painovoiman vaikutuksesta syntyvä vetovoima saa luonnon luomaan yhä kompaktimpia kohteita . Kompaktilla tarkoitan itse asiassa objektin gravitaatiosäteen (objektin massaan suhteutettu pituus) suhdetta sen todelliseen keskimääräiseen säteeseen. Maan gravitaatiosäde on vain 1 senttimetri, kun taas sen todellinen säde on 6000 kilometriä. Siksi voidaan sanoa, että painovoiman kannalta Maa on hyvin epäkompakti: 1 jaettuna 600 000 000:lla.
Tiedämme, että maailmankaikkeudessa on erittäin kompakteja kohteita, joiden kompaktius on lähellä ykköstä: ne ovat astrofysiikassa tunnettuja mustia aukkoja. 14. syyskuuta 2015 havaittiin ensimmäistä kertaa gravitaatioaaltojen säteily kahden tällaisen kohteen törmäyksessä, joista kumpikin oli noin 30 kertaa painavampi kuin Aurinko (tieteellinen merkkipaalu). Tässä törmäyksessä kolmen Auringon massan vastaava määrä heitettiin avaruuteen gravitaatioaaltojen muodossa. Kaikki tämä tapahtui sekunnin murto-osassa . Tuolloin törmäys ”loisti” kirkkaammin kuin kaikki maailmankaikkeuden tähdet yhteensä. Kirjoitin sanan ” loisti” lainausmerkeissä, koska tämä loisto ei ollut valon muodossa, vaan gravitaatioaaltojen muodossa, joka on toinen valon muoto, jonka tiedämme olevan olemassa maailmankaikkeudessa.
Mustien aukkojen törmäyksistä saatavan energian lisäksi voimme myös saada gravitaatioenergiaa, jos törmäämme pyörivään mustaan aukkoon. Oletetaan, että suurin osa maailmankaikkeuden mustista aukoista pyörii suurella nopeudella. Näiden kohteiden pyörimisen kineettinen energia on yhtä suuri kuin niiden massa, joten ne painavat enemmän kuin pyörimättömät vastineensa.
Tämä pyörivä kineettinen energia voidaan ottaa mustasta aukosta hidastamalla sen pyörimistä. On laskettu, että tällä tavalla voidaan ottaa jopa 29 % pyörivän mustan aukon massasta/energiasta. Tämä on tehokkain tunnettu energian talteenottomekanismi (lukuun ottamatta aineen ja antimateriaalin annihilaatiota, jonka tehokkuus on 100 %; ongelmana on kuitenkin antimateriaalin havaitseminen, jota ei ilmeisesti esiinny luonnossa meidän universumissamme). Uskotaan, että juuri tämä energian talteenottomekanismi on vastuussa aktiivisten galaksien ytimien jättimäisestä, pitkään selittämättömästä loistosta.
Lopullinen johtopäätös: gravitaatiosta ei vain voida ottaa energiaa, vaan se on ilmeisesti myös maailmankaikkeuden tehokkain energialähde.
