Четыре плазменные технологии, которые приведут нас в послезавтра

Еще в школе всех нас учили, что у вещества есть четыре фазовых состояния — твердое, жидкое, газообразное и плазменное. Плазма — буквально сверхзаряженное вещество. Однако при слове «плазма» большинство людей подумает о новом сезоне «Игры престолов» и большом плоском телевизоре, висящем на стене. В горячей плазме царит настоящая термодинамическая оргия частиц в соусе электрического и магнитного полей.

Когда плазма охлаждается, протоны и электроны формируют стабильные нейтральные пары. Совершенно точно плазменные технологии являются «паровым двигателем» современности. Как только современная наука создаст правильные трубы, котлы и медные заклепки, плазменный паровоз стремительно умчит нас в будущее. Мы изучили четыре самые важные разработки, которые превратят научную фантастику в наши будни.

«Вендельштейн 7-X»

Плазма составляет бóльшую часть видимой Вселенной. Благодаря падающему свету мы видим предметы вокруг себя. Естественный свет, горящая палочка, энергия приливов и ветряных электростанций — все это обеспечивает Солнце, главный поставщик энергии для нашей планеты.

Большинство электростанций питается крошками со стола экосистемы — кусками мертвых деревьев, падающей с гор водой или дующим от перепада давления ветром. Вместо того чтобы пользоваться побочной энергией Солнца, мы можем попытаться скопировать саму технологию солнечного реактора. Именно этим сейчас занимаются немцы на «имитаторе звезды» — стеллараторе «Вендельштейн 7-X».

Термоядерный синтез внутри Солнца обусловлен чудовищной гравитацией этой звезды. Чтобы добиться такого же на Земле, нашей планете пришлось бы быть в 300 тыс. раз тяжелее. Однако гравитация является слабым взаимодействием. Электромагнетизм настолько более сильное взаимодействие, что этим без стыда решили воспользоваться педантичные немецкие ученые, которые в очередной раз доказали — лучше быть умным, чем большим.

Правда, с плазмой есть одна проблема — ее нельзя положить в коробку или потрогать. Рука испарится и ионизируется, а плазма остынет. Заряженную плазму можно удерживать только магнитным полем. Стелларатор «Вендельштейн 7-X» будет иметь форму мятого бублика: парящий внутри плазменный шар стабилизируется гораздо лучше, чем в токамаках, использовавшихся для этих целей ранее.

Стелларатор воплощает самые передовые технологии и достижения современной науки. Каждое нововведение — результат продолжительной работы ученых. Это огромная система, созданная людьми и разработанная для изменения жизни всех последующих поколений. Если все пойдет удачно, внуки всего лишь отругают нас за выкачанную и сожженную нефть.

Ионные двигатели

Запуск ракет и космических кораблей — грандиозное событие, которое сопровождается столпотворением фотографов в кепках с козырьками назад, клубами огня и оглушающим рокотом. Но как только двигатель выводит судно в открытый космос, начинаются проблемы. Продолжительные полеты требуют много дорогого топлива. Больше топлива требует еще чуть-чуть топлива, чтобы запустить уже залитое топливо к звездам. С увеличением массы ракеты объем топлива растет экспоненциально, и после определенного момента становится проще превратить всю Австралию в сопло двигателя, залить окислителем и полететь в нужную сторону сразу всей планетой.

К счастью, есть более изящное решение — ионный двигатель:

Все двигатели построены по принципу сохранения импульса — что-то должно выталкиваться сзади, чтобы ракета двигалась вперед. Двигатели с химическим топливом достигают этого благодаря горению и взрывам. Ионные двигатели превращают инертный газ в плазму и ускоряют ионы электрическим полем. Они используются в космосе почти 50 лет. Ионные двигатели дают очень слабую тягу и не могут вывести ракету на орбиту.

Но в открытом космосе нет гравитации или сопротивления воздуха, поэтому ракета медленно, но уверенно разгоняется до чудовищных скоростей. В 1998 году солнечной батареи мощностью 2100 ватт (чуть меньше, чем у бытового пылесоса) хватило, чтобы разогнать Deep Space 1 до скорости 16 000 км/ч на килограмм топлива.

Но за окном уже 2014 год, и человечество строит кое-что в сотни раз более мощное. VASIMR — электромагнитная ракета с изменяемым удельным импульсом, которая разрабатывается с 1979 года и будет использовать радиоволны для формирования высокотемпературной плазмы. Запуск полетной версии двигателя запланирован на 2015 год. Если все пройдет удачно, люди смогут добраться до Марса за 39 дней.

Z-машина

Такое название могло бы быть у изобретения суперзлодея и оружия, на спецэффекты для которого не дадут денег даже режиссеру Майклу Бэю. Однако реальные «эффекты» установки впечатляют даже без блокбастеров, поскольку это один из крупнейших в мире источников рентгеновского излучения. Более того, это самый мощный и эффективный источник излучения на Земле.

Установка разряжает кольцо огромных конденсаторов сразу на 300 металлических нитей. В отличие от лампочки, в Z-машине вольфрамовые нити натянуты параллельно. Сокрушительный по силе ток в 25 млн ампер эквивалентен одновременному удару 700 молний — он превращает металл в очень горячую плазму c температурой в 2 млрд градусов по Кельвину.

Электрический импульс создает в плазме сильное магнитное поле, которое приводит к ее сильному нагреванию и сжиманию, так называемому пинч-эффекту. На пару наносекунд Z-машина в 80 раз превышает потребление энергии на всей планете Земля. Она способна разогнать кусочки фольги до скоростей, которые в 50 раз превышают скорость снайперской пули, а ударная волна с давлением в 15 млн атмосфер способна сразу превращать твердые тела в жидкость.

Демоническое устройство позволяет ученым изучать процессы ядерного синтеза в звездах, понимать физику солнечных вспышек и проводить ядерные испытания без взрыва бомб.

Кварк-глюонная плазма

Физика кварк-глюонной плазмы — ключевая область современной физики, которая объединяет ядерную физику с космологией и элементарными частицами. Именно кварк-глюонная плазма обуславливает свечение звезд на небе. Обычная плазма — всего лишь суп из электронов и атомных ядер. Кварк-глюонная плазма — это когда ядра атомов разбиты, а их кусочки расплавлены. Такое происходит только при очень высоком давлении и температуре. В этой плазме задействована вся материя и вся энергия, ее связывающая. Вселенная прошла через стадию кварк-глюонной плазмы в первые микросекунды после Большого взрыва.

Вера в человечество никогда бы не была восстановлена, если бы мы уже не научились делать кварк-глюонную плазму без Большого взрыва. Группа PHENIX Collaboration этим как раз и занимается: ученые разгоняют ионы золота до скоростей, на которых ион рассыпается на субатомные частички-«фаерболы».

Другая группа ученых выжимает все соки из теории Большого взрыва на Большом адронном коллайдере, и «фаерболы» у них получаются помощнее, из более тяжелых ядер свинца.

Плазма ученых из PHENIX поставила мировой рекорд температуры — 4 трлн градусов, а в случае с БАК вещество было прогрето до 5,5 трлн градусов. С такими цифрами можно даже не указывать, в каких единицах проводилось измерение — по Кельвину или по Цельсию, поскольку это будет равноценно измерению диаметра Солнца в аршинах.

Кварк-глюонная плазма в 300 тыс. раз горячее, чем температура внутри солнечного ядра. Зачем нужна такая горячая штука на нашей планете? Конечно же для того, чтобы лучше понять строение вещества и между делом — уточнить процесс образования Вселенной.

Перепечатка текста и фотографий Onliner.by запрещена без разрешения редакции. db@onliner.by