¿Es posible descomponer cualquier materia en protones, neutrones y electrones y luego reorganizar esas partículas en cualquier otra forma de materia?

Comencemos con el caso molecular. Es posible disociar átomos en moléculas en átomos libres calentándolos lo suficiente para que se rompan todos los enlaces; esta energía de disociación de enlace es inferior a aproximadamente 1 MJ por mol de un enlace particular en la sustancia. Entonces, en principio, pueden volver a ensamblarse en otras moléculas con los mismos átomos y uno recupera su entalpía de formación . El desafío aquí es separar los diferentes átomos entre sí (por ejemplo, usando un espectrómetro de masas de plasma), lo que tiene un costo termodinámico inevitable que es el negativo de la energía libre de Gibbs de la mezcla (para una mezcla del 50 %, esto es aproximadamente 5 kJ/ lunar). Además, por supuesto, realizar la operación de ensamblaje utilizando una fabricación atómicamente precisa adecuada.

Sobre el papel, el costo de la energía sería simplemente la diferencia entre la energía de disociación y la entalpía de formación, más el costo de la energía de separación menos la entalpía de mezcla. Idealmente, todo esto son procesos adiabáticos empujados suavemente hacia el resultado deseado con un mínimo de aumento de entropía. En la práctica, esto será mucho más, ya que estos procesos no se realizan a la perfección: hay grandes cambios en la energía y la temperatura, y estos provocan aumentos de entropía que tienen que ser "lavados" utilizando el calor residual. El enfoque anterior de "calentar para desarmar, separar, enfriar y volver a armar" probablemente tendrá un costo de energía comparable a las energías involucradas varias veces.

El caso nuclear es exactamente el mismo. Puedes fotodisociarte$^{56}$Fe en 13 partículas alfa y 3 neutrones golpeando el núcleo con fotones de 124MeV; calentando núcleos de materia para$10^{10}$Por lo tanto, K puede convertirse en nucleones libres y partículas alfa que luego, en principio, pueden separarse, enfriarse y fusionarse en otros isótopos con un costo/ganancia de energía total que depende de las diferencias en la energía de enlace. La termodinámica se ve igual: tendrá que pagar un costo mínimo de alrededor de 5 kJ/mol de nucleones solo para separar los tipos y lo más probable es que pague un costo enorme por todo el proceso.

Si tiene el número incorrecto de nucleones, podría subir aún más a la temperatura de Hagedorn $2\times 10^{12}$K donde la materia bariónica se "derrite" y extrae partículas recién acuñadas del plasma de quarks, pero esto probablemente desperdiciará una gran cantidad de partículas incapturables como neutrinos o anti-leptones que quedan después de la descomposición del pión (cuando se obtiene antimateria como producto de desecho). es una pista de que estás haciendo algo mal!)

La moraleja es que la materia es interconvertible. Pero reorganizarlo de la manera "obvia" es muy entropía y consume mucha energía. La fabricación inteligente encuentra las transiciones menos energéticas donde cada paso es termodinámicamente reversible. Por lo general, eso significa mantener las piezas más grandes lo más intactas posible y solo cambiar lo que se necesita cambiar: la mayoría de la nanofabricación probablemente implicará piezas estándar reciclables, siendo el proceso que consume más energía la fabricación de esas piezas estándar (que luego se empaquetan como materia prima) . Por supuesto, para un usuario todavía puede parecer bastante mágico. Pero el dispositivo aún tendrá un cable de alimentación, un ventilador de enfriamiento fuerte, una entrada de materia prima... y probablemente nos molestará regularmente con mensajes de error de "falta de tulio" y "atasco de grafeno".

Sí, esto es teóricamente posible. De hecho, ya se ha hecho para ciertas transmutaciones. Pero incluso cuando se convierte el plomo en oro, en la actualidad el costo del proceso (al menos ese proceso) es prohibitivo.