Ist es möglich, eine beliebige Materie in Protonen, Neutronen und Elektronen zu zerlegen und diese Teilchen dann in eine andere Form von Materie umzuwandeln?

Beginnen wir mit dem molekularen Fall. Die Dissoziation von Atomen in Molekülen in freie Atome ist möglich, indem man sie so weit erhitzt, dass alle Bindungen aufbrechen; diese Bindungsdissoziationsenergie beträgt weniger als etwa 1 MJ pro Mol einer bestimmten Bindung in der Substanz. Dann lassen sie sich im Prinzip wieder zu anderen Molekülen mit den gleichen Atomen zusammensetzen und man erhält ihre Bildungsenthalpie zurück . Die Herausforderung besteht hier darin, die verschiedenen Atome voneinander zu trennen (z. B. mit einem Plasma-Massenspektrometer), was unvermeidbare thermodynamische Kosten hat, die das Negative der freien Gibbs-Energie der Mischung sind (für eine 50%ige Mischung sind dies etwa 5 kJ/ Mol). Plus natürlich die tatsächliche Ausführung des Montagevorgangs unter Verwendung einer geeigneten atomar präzisen Fertigung.

Auf dem Papier wären die Energiekosten nur die Differenz zwischen der Dissoziationsenergie und der Bildungsenthalpie plus den Trennungsenergiekosten minus der Mischungsenthalpie. Im Idealfall handelt es sich dabei um adiabatische Prozesse, die mit einem Minimum an Entropiezunahme sanft zum gewünschten Ergebnis geschoben werden. In der Praxis werden dies viel mehr sein, da diese Prozesse nicht perfekt ausgeführt werden: Es gibt enorme Energie- und Temperaturschwankungen, die zu Entropieerhöhungen führen, die mit Abwärme "weggespült" werden müssen. Der obige Ansatz "Erhitzen zum Zerlegen, Trennen, Kühlen und Wiederzusammenbauen" wird wahrscheinlich Energiekosten haben, die ein paar Mal mit den beteiligten Energien vergleichbar sind.

Der Nuklearfall ist genau derselbe. Sie können photodissoziieren$^{56}$Fe in 13 Alpha-Teilchen und 3 Neutronen zerlegen, indem sie den Kern mit 124-MeV-Photonen treffen; durch Erhitzen von Materiekernen zu$10^{10}$K kann daher in freie Nukleonen und Alpha-Teilchen umgewandelt werden, die dann im Prinzip getrennt, gekühlt und in andere Isotope fusioniert werden können, wobei die Gesamtenergiekosten / -gewinne von Unterschieden in der Bindungsenergie abhängen. Die Thermodynamik sieht genauso aus: Sie müssen minimale Kosten von etwa 5 kJ / Mol Nukleonen zahlen, nur um die Typen zu trennen, und höchstwahrscheinlich enorme Kosten für den gesamten Prozess.

Wenn Sie die falsche Anzahl von Nukleonen haben, können Sie sogar noch höher auf die Hagedorn-Temperatur gehen $2\times 10^{12}$K, wo baryonische Materie "schmilzt" und neu geprägte Partikel aus dem Quarkplasma herausholt, aber dies wird wahrscheinlich viel davon als nicht einfangbare Partikel wie Neutrinos oder Antileptonen verschwenden, die nach dem Pion-Zerfall zurückbleiben (wenn Sie Antimaterie als Abfallprodukt erhalten). ist ein Hinweis darauf, dass Sie etwas falsch machen!)

Die Moral ist, dass Materie ineinander umwandelbar ist. Aber es auf die "offensichtliche" Weise neu anzuordnen, ist sehr entropie- und energieintensiv. Smart Manufacturing findet die energieärmsten Übergänge, bei denen jeder Schritt nahezu thermodynamisch umkehrbar ist. Typischerweise bedeutet dies, größere Teile so intakt wie möglich zu halten und nur das zu ändern, was geändert werden muss: Die meisten Nano-Fertigungen werden wahrscheinlich recycelbare Standardteile beinhalten, wobei der energieintensivste Prozess die Herstellung dieser Standardteile ist (die dann als Ausgangsmaterial verpackt werden). . Natürlich kann es für einen Benutzer immer noch ziemlich magisch aussehen. Aber das Gerät wird immer noch ein Netzkabel, einen kräftigen Lüfter, einen Feedstock-Eingang haben ... und uns wahrscheinlich regelmäßig mit den Fehlermeldungen „Thulium-Fehler“ und „Graphen-Stau“ nerven.

Ja, das ist theoretisch möglich. Tatsächlich wurde dies bereits für bestimmte Transmutationen durchgeführt . Aber selbst bei der Umwandlung von Blei in Gold sind die Kosten des Verfahrens (zumindest dieses Verfahrens) derzeit unerschwinglich.