В поисках бесконечной энергии: как человечество пытается создать вечный двигатель — Промо на vc.ru

как человечество пытается создать вечный двигатель — Промо на vc.ru

И у него каждый раз почти получается.

19 977
просмотров

Материал подготовлен при поддержке InfinityLab

Бесконечная энергия — одно из давних мечтаний человечества. Идея создать вечный двигатель дешёвой и чистой энергии не давала покоя многим видным умам Средневековья и Нового времени. Вспомним самые удивительные примеры perpetuum mobile и объясним, почему ни одно из них так и не заработало.

В вечном поиске

Вечный двигатель — это воображаемая машина, которую достаточно запустить всего раз — и она будет бесконечно работать на внутреннем ресурсе, не заимствуя энергию извне. Другими словами, устройство должно воссоздавать энергию из ничего.

Насколько известно историкам, возможность создания подобного устройства не заинтересовала ни греков, ни римлян (во всяком случае ни чертежи, ни макеты учёным не встречались). Первые сохранившиеся до наших дней проекты вечного двигателя дошли до нас из Европы примерно XIII века.

Время это было кипучее и деятельное: пока французы с англичанами выясняли отношения в Столетней войне, шотландцы боролись за независимость, а нижнесаксонские купцы объединялись в Ганзу, о механизации тоже никто не забывал. Развивались ремёсла, совершенствовались машины, росли производства.

Средневековое производство выглядело так Wikipedia

Общество нуждалось в новых источниках дешёвой энергии, способной раздувать меха в кузнях, крутить мельничные жернова и поднимать грузы на стройках. В итоге до наших дней сохранилось свыше тысячи проектов вечного двигателя.

Колёса, магниты, гидравлика

Идея вечного двигателя вытекала из средневековых представлений об окружающем мире. Мыслители того времени регулярно наблюдали явление, которое они называли perpetuum mobile naturale, или «естественное вечное движение»: небесных тел по небосводу, приливов и отливов, течения рек. А раз такое движение возможно в природе, значит, его можно повторить и опытным путём, размышляли они. Так и появилась мечта о perpetuum mobile artificae, что означает «искусственное вечное движение».

Модели вечных двигателей того времени делятся на механические, магнитные и гидравлические. Большинство механических основаны на идее колеса: если обеспечить постоянный перевес одной стороны колеса над другой, оно будет постоянно крутиться.

Визуализация колеса Бхаскара Shutterstock

Первым до этого додумался живший в XII веке индиец Бхаскара. До наших дней дошло описание колеса, к которому на равных расстояниях и под определённым углом крепились заполненные ртутью трубки.

По замыслу изобретателя, в зависимости от положения колеса жидкость переливалась либо во внешний, либо во внутренний конец трубки, создавая таким образом разницу в весе между двумя частями колеса и заставляя его крутиться. На том же принципе основаны и более поздние чертежи «вечного» колеса.

Колесо Виллара д’Оннекура, XIII век

Чертёж колеса д’Оннекура Wikipedia

Французский архитектор и инженер Виллар д’Оннекур был очень увлечённым человеком: его одинаково интересовало и устройство кафедральных соборов, и дрессировка львов. В 1240 году д’Оннекур выпустил «Книгу рисунков» — альбом разнообразных чертежей и записей, среди которых встречается чертёж колеса, «способного вращаться само собой».

Колесо д’Оннекура представлено в двух видах: с ртутью (в целом похожее на устройство Бхаскары) и молоточками. Молоточков к колесу крепилось нечётное количество, то есть с одной стороны их всегда свисало больше, чем с другой, — чтобы одна сторона перевешивала другую. Но с каждым поворотом колеса на более тяжёлой стороне должен появляться новый молоточек — процесс будет повторяться до бесконечности. Точнее, до того момента, когда владельцам колеса потребуется заменить износившуюся ось.

Почему эта идея не сработает: модель не учитывает, что, хотя слева всегда будет больше молоточков, сумма сил тяжести левых грузов будет примерно равна сумме сил тяжести правых грузов, что приведёт к тому, что на практике подобное колесо просто остановится.

Вечное колесо и архимедов винт Леонардо да Винчи

Модель вечного колеса да Винчи Adobe Stock

Один из самых известных естествоиспытателей эпохи Возрождения Леонардо да Винчи не мог пройти мимо идеи вечного двигателя и много экспериментировал над устройством. Сначала он проводил опыты с уже известными схемами колеса, затем начал вносить в модель существенные изменения.

В 1487 году Леонардо переключился на принципиально новую схему, основанную на винте Архимеда. Предполагалось, что вода будет подниматься с помощью винта на некоторую высоту, выливаться в жёлоб и стекать на лопасти колеса, вращающего винт.

Почему эта идея не сработает: модель Леонардо не учитывает силу трения. Для того чтобы двигатель вращал сам себя, он должен обладать избыточной энергией, которая уходила бы на преодоление силы трения. Но достать такую энергию неоткуда.

Магнитный двигатель Джона Уилкинса, 1649 год

Схема магнитного двигателя Lockhaven University

В середине XVII века английский епископ, исследователь и естествоиспытатель Джон Уилкинс написал книгу «Сотня изобретений», в которой предложил идею магнитного двигателя.

Сильный магнит ставится на подставку, к которой один над другим крепятся два наклонных жёлоба. У первого есть небольшое отверстие в верхней части, а у второго — закруглённый нижний конец, доходящий до края верхнего жёлоба.

Если на первый жёлоб положить небольшой железный шарик, тот покатится не вниз, а вверх, повинуясь притяжению магнита. Однако, добравшись до отверстия, он обязательно провалится вниз, скатится на второй жёлоб, докатится до самого края и… снова попадёт на первый жёлоб, чтобы, повинуясь притяжению магнита, покатиться вверх…

Почему эта идея не сработает: Уилкинс отлично разбирался в магнитах и сам понимал, что его идея не сработает. Если магнит будет слишком мощным, он просто не даст шарику провалиться в отверстие, а если слишком слабым — то шарик не будет притягиваться. А если шарик всё-таки провалится вниз, магнит продолжит действовать, замедляя «падение». То есть у шарика просто не хватит скорости, чтобы добраться до верхнего края нижнего жёлоба и снова попасть на верхний.

Самодвижущееся колесо Орфиреуса, 1717 год

Чертежи самодвижущегося колеса Орфиреуса Wikipedia

2 ноября 1717 года саксонский инженер Иоганн Бесслер, также известный под именем Орфиреус, представил свой проект вечного двигателя. Его конструкция представляла собой оснащённое системой противовесов полое самодвижущееся колесо диаметром около четырёх метров. До самой своей смерти Орфиреус получал неплохие деньги, демонстрируя своё колесо сначала на ярмарках, затем при дворе могущественных аристократов.

Ландграф Гессен-Кассельский, один из таких аристократов, дважды устраивал колесу Орфиреуса испытания, оставляя устройство в наглухо запертой комнате сначала на две недели, затем на сорок дней. И оба раза спустя это время колесо продолжало вертеться.

Ландграф был вынужден признать, что колесо работает, однако в течение долгого времени тому, кто уличит Орфиреуса в жульничестве, полагалась крупная премия в размере 1000 марок. История умалчивает, получили ли эти деньги жена и служанка (видимо, уже бывшие) инженера, но именно они раскрыли секрет движущегося колеса.

После одной из ссор с Орфиреусом почтенные дамы рассказали, что на самом деле колесо приводилось в действие людьми, незаметно дёргающими за тонкий шнурок. Но как именно Орфиреусу удалось заставить колесо крутиться после месяца в запертой комнате — так и осталось тайной.

Создать вечный двигатель невозможно…

Первые сомнения в том, что вечный двигатель вообще можно создать, появились ещё в XV веке. Леонардо да Винчи, Джироламо Кардано, Симон Стевин, Галилео Галилей и другие выдающиеся естествоиспытатели пришли к выводу, что создание вечного двигателя в принципе невозможно. Однако их выводам не хватало научной базы.

Она появилась только после того, как физики открыли один из самых фундаментальных законов природы — закон сохранения энергии. Его суть сводится к тому, что энергию нельзя создать или разрушить, её можно лишь преобразовать из одной формы в другую. Соответственно, сама идея устройства, способного создавать энергию из ничего, противоречит природе.

Закон сохранения механической энергии был сформулирован в 1686 году Готфридом Лейбницем, но на всю природу его действие Юлиус Майер, Джеймс Джоуэль и Герман Гельмгольц распространили только в середине XIX века. И всё же в 1775 году, не дожидаясь научного обоснования, Французская академия наук отказалась рассматривать новые проекты вечного двигателя.

Работа вопреки

Многие естествоиспытатели руководствуются принципом: если все кругом говорят, что что-то невозможно, нужно обязательно найти способ эту невозможность обойти.

Закон сохранения энергии иначе называют первым началом термодинамики. Соответственно, все вечные двигатели, о которых мы говорили до этого момента и которые противоречили первому началу термодинамики, стали называть вечными двигателями первого рода.

Однако в XIX веке появились модели устройств, принципы работы которых никак не противоречили закону сохранения энергии. Такие устройства стали называть вечными двигателями второго рода. И если двигатели первого типа были построены вокруг принципов постоянного движения, то суть второго типа сводилась к изобретению неограниченно долго работающих машин, способных превращать в работу всё тепло, извлекаемое из окружающих тел.

Схема нуль-мотора Гэмджи Wikireading

В 1880 году американский профессор Гэмджи предложил сконструированный им нуль-мотор, который должен был работать, извлекая теплоту из равновесной окружающей среды. Двадцать лет спустя похожую модель предложил изобретатель действующей установки для сжижения воздуха Чарльз Триплер.

В марте 1899 года в журнале McClure’s Magazine вышла посвящённая Триплеру хвалебная статья: автор сообщал, что, использовав работающее на жидком воздухе устройство, Триплер создал из 3 галлонов воздуха 10 галлонов жидкости.

Оценить эффективность работы устройства Триплера не представляется возможным, поскольку журналиста он попросту обманул, назвав выдуманные цифры. Невозможность создания вечных двигателей второго типа в 1851 году подтвердил британский физик Уильям Томпсон, лорд Кельвин. Он доказал, что в природе невозможны процессы, единственным следствием которых была бы произведённая за счёт охлаждения теплового резервуара механическая работа.

Постулат Кельвина со временем лёг в основу второго начала термодинамики. Таким образом, хотя изобретатели вечных двигателей и не смогли принести в мир бесконечные источники дешёвой энергии, попытки опровергнуть возможность существования подобных двигателей привели к появлению множества физических теорий, теорем и гипотез и существенно способствовали развитию науки.

Но история создания вечных двигателей не закончилась в XIX веке. Попытки создать энергию из ничего, или из «физического вакуума», не прекращаются и сегодня. Такие двигатели, принципы действия которых не нарушают первого или второго начала термодинамики, в шутку называют «вечными двигателями третьего рода».

А что сейчас?

В 2020 году физики из Университета Арканзаса разработали на основе графена схему, которую уже предлагают считать генератором чистой и бесконечной энергии.

Пол Тибо, руководитель исследования Университет Арканзаса

Учёные выяснили, что под действием броуновского движения внутри графена медленно колеблется и изгибается одиночно закреплённая пластина толщиной в один атом углерода. Чтобы преобразовать полученный в результате этих колебаний переменный ток в постоянный, физики предложили использовать схему с двумя диодами.

Проведённый эксперимент доказал, что схема генерирует добавочную мощность на нагрузке. Арканзасские физики считают, что, если поставить на графеновый кристалл миллионы подобных схем, они смогут вырабатывать энергию в неограниченных количествах, но в малых объёмах.

Визуализация установки Tri Alpha Energy Tri Alpha Energy

Ещё один неиссякаемый источник чистой энергии обещает построить к 2027 году американская фирма Tri Alpha Energy. Занимающаяся разработками в сфере термоядерной энергии компания недавно привлекла полмиллиарда долларов, которые пойдут на совершенствование существующих методов термоядерного синтеза и строительство первого в мире частного термоядерного реактора.

Проблема термоядерного синтеза сводится к тому, что ещё никому не удавалось нагреть атомы водорода до нужной температуры. Однако инженерам компании удалось удержать плазму в стабильном состоянии при температуре в 10 миллионов градусов Цельсия в течение 11,5 миллисекунды.

Для того чтобы добиться нужных результатов, оставалось поддерживать температуру достаточно долго, чтобы началась самоподдерживающаяся реакция.

А в 2017 году группа учёных из долгопрудненского МФТИ под руководством Гордея Лесовика нашла способ создать квантовое устройство, нарушающее второе начало термодинамики и обладающее почти стопроцентным КПД.

Исследователи из МФТИ Гордей Лесовик (слева) и Андрей Лебедев (справа) МФТИ

Правда исследования одних физиков МФТИ уже успели опровергнуть другие — в августе 2017 года на сайте студенческого портала физтеха «Поток» появилась статья сотрудника МФТИ Михаила Фейгельмана, который обвинил коллег в обмане, фальсификации и подтасовке результатов своих исследований в научных статьях. А год спустя в том, что созданный подмосковными физиками двигатель работает как надо, засомневались и учёные из Дрезденского университета.

Энергию нельзя создать из ничего, но её можно сохранить — чтобы использовать позднее. Пример таких «хранителей энергии» — зарядные устройства InfinityLab. Они компактные, энергоёмкие, а корпус на 90% состоит из переработанного пластика.

Пауэрбэнки InstantGo ёмкостью 10 000 мАч заряжают смартфоны, планшеты и ноутбуки по USB-A. В комплекте встроенный кабель на выбор — USB-C или Lightning, а модель Wireless поддерживает беспроводную зарядку стандарта Qi и способна за 70 минут восполнить ресурс небольших ноутбуков по кабелю USB-C.

Накапливает и отдаёт энергию как пауэрбанк портативный спикерфон ClearCall — устройство для конференцсвязи. По размеру он чуть больше коробки из-под компакт-диска, а весит как банка газировки — 340 грамм. В спикерфоне четыре микрофона с шумоподавлением, по нему можно непрерывно разговаривать до 24 часов или заряжать аккумуляторы до 6500 мАч.

Зарядить смартфон без провода поможет настольная станция InstantStation Wireless. Она оснащена портами USB-A и USB-C, поэтому одновременно способна заряжать сразу три устройства. Быстрая зарядка наполовину заполняет батарею небольшого ноутбука за 70 минут. К станции можно приобрести кабели, которые выдерживают 35 000 сгибаний и поставляются в биоразлагаемой упаковке.

Подробнее

Зажгли

Физики совершили прорыв в поисках бесконечной и экологически чистой энергии, сообщила в понедельник Financial Times со ссылкой на источники и вслед за ней — сотни других изданий. Ученые из Ливерморской лаборатории подтвердили: они смогли получить на лазерной установке NIF больше энергии, чем было потрачено на зажигание термоядерной реакции. Было много раз сказано «прорыв» и «впервые». Попробуем разобраться, что случилось.

Термоядерную реакцию вполне серьезно можно назвать «святым Граалем» энергетики. Топливом для нее служат доступные человеку изотопы водорода — дейтерия, например, на Земле целый океан, никаких долгоживущих радиоактивных отходов, никаких выбросов парниковых газов — просто мечта.

Но грааль этот кажется почти недоступным. Для того, чтобы положительно заряженные ядра слились, нужно преодолеть кулоновское отталкивание, нужна сила, которая их сблизит и удержит достаточно долго, чтобы произошла реакция.

Для запуска слияния ядер изотопов водорода — нужны экстремально высокая температура и давление — как в недрах Солнца. Для термоядерной бомбы такие условия создает бомба плутониевая, которая играет роль запала. Но взрыв водородной бомбы вряд ли можно рассматривать как надежный источник энергии.

Магистральным путем для попыток создать устойчиво работающий термоядерный реактор стали токамаки, где плазменный шнур в тороидальной камере удерживает магнитное поле. Ученые рассчитывали, что при достаточно высокой температуре в этом шнуре начнется реакция с положительным выходом энергии, то есть энергии будет выделяться больше, чем затрачено. Рассчитывают они на это и сейчас, и строят в надежде на это международный термоядерный реактор ИТЭР (читайте о нем в нашем материале «Солнце в бутылку!»).

Быстрее взрыва

Но наш главный герой — устройство, совсем не похожее на токамак. Это установка NIF (National Ignition Facility — можно перевести как «Национальная зажигательная лаборатория») была построена в США в конце 1990-х годов для изучения управляемого термоядерного синтеза с инерциальным конфайнментом и непрямым лазерным обжатием.

Главное слово в этом длинном поезде терминов — прилагательное «инерциальный». Если вы попытаетесь нагреть капсулу с термоядерным топливом (скажем, смесью дейтерия и трития) до очень высоких температур, при которых теоретически может начаться реакция синтеза, то задолго до нужного градуса и капсула и ее содержимое испарятся и рассеются в пространстве. Именно поэтому создатели токамаков тратят столько усилий на удержание плазмы в ограниченном объеме, чтобы не терять нужные для синтеза плотность и температуру топливной смеси.

Но если вы сумеете сжать и нагреть топливо очень быстро и очень сильно, то термоядерная реакция в нем будет идти быстрее, чем разлет вещества капсулы и ее охлаждение. Иначе говоря, инерциальное удержание (то есть конфайнмент) состоит в том, что и реакция, и выделение энергии происходят до того, как вещество наконец соберется разлететься — точно как в термоядерной бомбе после того, как в ней сработает атомный запал.

Как это сделать? Советские физики, в частности, еще в 40-е годы прорабатывали теорию газодинамического термоядерного синтеза — то есть термоядерной реакции под действием направленного внутрь симметричного взрыва — имплозии — обычной взрывчатки.

В 1978 году в письме в Nature физики из ядерного центра в Арзамасе-16 сообщали, что проводили такие эксперименты в 1955 и 1963 годах и достигли успеха — то есть смогли зафиксировать нейтроны, порожденные, по их мнению, термоядерной реакцией в тритиево-дейтериевой мишени. Но к тому моменту у ученых появился значительно более удобный, чем раствор нитробензола в тетранитрометане, инструмент — лазер.

Лазерный пресс

Один из изобретателей лазера Николай Басов в 1964 году вместе с коллегами опубликовал в ЖЭТФ статью, где рассматривал тонкости нагрева плазмы лазерным излучением, а уже через несколько лет рассказал о результатах первых экспериментов с мишенью из дейтерида лития (и они увидел нейтроны, что могло свидетельствовать о термоядерной реакции).

За океаном в то же время ходили похожие идеи. Например, американский «отец» водородной бомбы Эдвард Теллер в 1957 году обдумывал вариант взорвать термоядерное устройство в трехсотметровой полости в толще гранита для получения энергии. Это заставило его и его сотрудников искать ответы на два вопроса: каким может быть наименьший энергетический выход термоядерной реакции, который бы имел смысл для коммерческого использования, и какого уровня энерговыделения можно добиться, не используя для запуска реакции «ядерный запал».

Эти вопросы через некоторое время привели их к мысли об использовании лазера — как способа концентрации энергии в очень небольшом пространстве, что позволяло бы достичь необходимых давлений и температур в маленьком объеме топлива, горения которого бы не было разрушительным по масштабу.

В 1972 году Джон Накколс из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса вместе с коллегами опубликовал в Nature статью, где описал главные черты установки для лазерного термоядерного синтеза и даже привел вычисления, касающиеся ее коммерческой эффективности.

Главное преимущество лазера, писал Накколс и его соавторы, состоит в том, что он позволяет создать сверхвысокую плотность вещества, необходимую для зажигания термоядерной реакции. Механические средства могут создать давление не более 10⁶ атмосфер, этот предел задается прочностью химических связей. Взрыв химической взрывчатки может создать давление от 10⁶ до 10⁷ (в центре имплозивного взрывного устройства). Но это еще далеко до нужных для инерциального синтеза параметров. Лазерное излучение может довести давление до 10⁸ — 10¹¹ атмосфер и даже выше.

Работать это все должно было так: лазерные импульсы, несущие огромную энергию сразу со всех сторон, должны был испарять внешние слои сферической мишени размером в миллиметр, что вызывало бы схлопывание оставшейся части к центру. И там, в момент наибольшего сжатия, возникали бы условия для «зажигания» небольшой части смеси дейтерия и трития в центре мишени — от 2 до 5 процентов общей массы, которые разогревали бы оставшееся тело мишени.

Но достичь успеха удалось не сразу. Любые неравномерности в обжатии мишени разрушали ее задолго до момента схлопывания к нужному размеру и достижения нужной плотности и температуры.

Ученые подыскивали способы эффективнее обжимать топливные капсулы. Изначальная концепция нагрева и сжатия капсулы лазерами потребовала бы порядка 100 мегаджоулей, но физики придумали вариант, где разгоняющиеся внешние плотные слои из топливного льда сжимают газовую топливную смесь, разогревая ее ударной волной сжатия — такая концепция требовала уже 2-3 мегаджоуля, в 30 раз меньше!

Параллельно ученые в попытке добиться инерциального конфайнмента пробовали и увеличить «массу молотка», то есть энергии, которая «вкачивалась» в мишень за один выстрел (начав с единиц килоджоулей, физики к 1980-м пришли к энергиям в десятки, а то и сотню килоджоулей за выстрел), так и поменять саму схему эксперимента.

В середине 1970-х годов физики решили поставить между лазерным излучением и мишенью посредника, то есть попробовать метод «непрямого воздействия». В этом варианте топливная капсула размером в миллиметр подвешивалась в центре небольшого золотого или свинцового сосуда, который получил название хольраум (от немецкого Hohlraum, «пустое пространство, полость», термин взят из работ Макса Планка, посвященных излучению абсолютно черного тела). Детали их производства оставались в секрете до 1994 года.

Под действием излучения лазера внутренняя поверхность сосуда становилась источником рентгеновского излучения, которое и попадало в мишень, запуская термоядерную реакцию. В рентген должно было превращаться от 70 до 80 процентов энергии лазерного излучения. В этом варианте поток излучения гораздо более равномерен и капсула, в теории, должна была сжиматься ровно, без искажения формы. Впрочем, на практике путь к этому оказался долгим.

Рождения героя

После нескольких промежуточных установок поменьше, в 1997 году США запустили строительство гигантской лазерной установки NIF стоимостью около 2 миллиардов долларов, которая должна была продемонстрировать работоспособность концепции и так называемый breakeven — равенство или превышение выхода термоядерной энергии над энергией лазеров, которая по проекту должна была составить 1,8 мегаджоуля.

Проблемы NIF, как прототипа термоядерной электростанции, были видны еще до начала строительства — даже если бы 1,8 мегаджоуля термоядерной энергии получалось бы в каждом выстреле, затраты энергии «из розетки» все равно составляли бы скорее 500 мегаджоулей, а количество выстрелов не превышало бы 2-3 в сутки. Кроме того, мишени для NIF представляли собой произведение криогенного ювелирного искусства: капсула миллиметрового размера и сверхточной формы наполняется топливом при температуре 15 кельвин и поддерживается при этой температуре в процессе помещения в установку и до момента эксперимента. Ну и разумеется, никакой энергоустановки в проекте предусмотрено не было, термоядерное тепло просто рассеивалось через градирни.

В реальности все оказалось еще скромнее. Установка произвела первые полноценные выстрелы в 2010 году и вместо мегаджоулей термоядерной энергии ученые увидели сотни джоулей. Три года непрерывных усилий по совершенствованию установки привели к первому breakeven — выходу около 15 килоджоулей термоядерной энергии, что было больше, чем сообщали рентгеновского тепла стенки сосуда с капсулой. Однако это было далеко от того, что обещали до начала строительства NIF. Впрочем, основного заказчика этой установки все устраивало.

Главным клиентом NIF было NNSA, агентство ядерной безопасности, занимающееся разработкой и жизненным циклом ядерного оружия в США. Дело в том, что условия, создающиеся в топливной капсуле и хольрауме очень похожи на то, что происходит в термоядерном боеприпасе в момент срабатывания. И изначально NIF создавался как большой стенд для верификации нового поколения программ, симулирующих поведение ядерного оружия, а энергетическое направление было приятным бонусом, на который выделялось меньше трети фондирования. Но команда термоядерщиков LLNL продолжала совершенствовать режимы работы лазеров, конструкцию хольраума и капсулы. Вместе это позволило поднять симметричность и стабильность сжатия капсулы, побороть лазерно-плазменные неустойчивости на хольрауме, увеличить эффективность передачи энергии от лазеров на хольраум и от хольраума на сжатие капсулы.

Как работает NIF

Специально профилированный во времени затравочный импульс «мастер-лазера» расщепляется на 192 луча, каждый из которых проходит 4 раза через 192 усилителя лазерного излучения и направляется на систему преобразования частоты, где исходное инфракрасное превращается в рабочий ультрафиолет.

Через систему фокусировки 192 луча с точностью в 10 микрон проходят через окна в хольрауме, попадая на его внутренние стенки, за 10 наносекунд разогревая их до 3 миллионов градусов. Сфера с топливом, «купаясь» в излучаемом хольраумом рентгеновском излучении начинает испаряться снаружи, а реактивная сила отдачи начинает сжимать внутренние слои к центру симметрии капсулы.

Примерно за 2 наносекунды при давлении в 200 миллиардов атмосфер размер сферы уменьшается в 30 раз, а плотность топлива возрастает до 1000-1300 грамм на кубический сантиметр — примерно в 100 раз плотнее свинца.

В момент максимального сжатия, в разогретой центральной части начинается термоядерная реакция, которая, как пожар, распространяется от центра к периферии. Всего несколько десятков пикосекунд продолжается горение, мощность которого в этот короткий миг сравнимо с потоком солнечной энергии на всю планету Земля и в десятки тысяч раз превосходит всю остальную мощность человеческой цивилизации.

Как итог — в 2019-2020 году выход термоядерной энергии в экспериментах NIF начал заметно расти, перешагнул порог 100 килоджоулей, а весной 2021 года несколько выстрелов дали энергии от 400 до 700 килоджоулей и наконец 8 августа 2021 года — 1350 килоджоулей.

Эта энергия в 2-5 раз превосходила энергию рентгеновского излучения от стенок хольраума и в 10-20 раз — энергию, переданную топливной сфере и свидетельствовала о том, что зажженная термоядерная реакция в маленькой точке в центре сжатой сферы успевает прогреть и поджечь окружающий ее относительно холодный топливный материал. В ходе этого, рекордного на сегодня, эксперимента сгорело 4 микрограмма термоядерного топлива, примерно 1/500 от начального объема.

Теперь ученые, работающие в NIF провели пресс-конференцию, где рассказали, что 5 декабря 2022 года, при мощности лазера в 114 процентов от номинальной командой было получено заметное превышение выхода термоядерной энергии (3,15 мегаджоулей) над вложенной энергией лазера (2,05 мегаджоулей), что является рекордным достижением для всех установок термоядерного синтеза.

Журнал Science добавляет несколько деталей про выстрел 5 декабря. Рекордный эксперимент потребовал заметных усилий от команды экспериментаторов. Для корпуса топливной капсулы использовался искусственный алмаз, который давал наиболее гладкую сферическую поверхность без пор. Было максимально уменьшено отверстие, через которое капсула заполняется топливом. Лазер был настроен на максимальную мощность и энергию, что позволило придать испаренной оболочке капсулы больше ускорения и сжать топливо чуть больше.

За три месяца до рекорда, команда NIF уже опробовала эти улучшения, получив энерговыход в 1,2 мегаджоуля. Проблема, как оказалась, лежала в недостаточно симметричном обжатии, на последнем этапе капсула превратилась скорее в блин, чем в плотный шарик. Путем подстройки мощности каждого из 192 лучей удалось улучшить сферичность сжатия и как итог — получить рекордную термоядерную энергию. Никаких других подробностей об эксперименте нет: команда не опубликовала научную статью о своем результате.

Много это или мало?

Эффективность термоядерных установок оценивают в Q — это отношение выделившейся термоядерной энергии к вложенной в плазму энергии нагрева. Для прошлого рекордного эксперимента на NIF термоядерный выход составил 1,35 мегаджоуля, энергия лазера — 1,8, что дает Q = 0,75. Сейчас Q в эксперименте на NIF достиг значения 1,54.

Это значительно лучше достижений другой ветви управляемого термоядерного синтеза — магнитного удержания плазмы с помощью токамаков. Например, рекорд общеевропейского токамака JET, установленный еще в 1997 году — Q = 0,7. Остальные типы устройств, например стеллараторы или открытые ловушки, не дотягивают и до Q = 0,01 на границе плазмы.

Однако с инженерной точки зрения эти показатели не очень существенны, поскольку важен баланс затраченной и полученной электроэнергии. И в этом смысле NIF пока прилично уступает передовым токамакам, его Qen (Q инженерное, измеряемое в электроэнергии) = 0,0027 против Qen токамаков = 0,1.

Посмотрим, что такое эксперимент на NIF с точки зрения баланса энергии (цифры взяты из эксперимента 2021 года):

• NIF тратит 400 мегаджоулей на работу ламп-вспышек и еще 100 мегаджоулей на другие нужды установки
• Лампы-вспышки накачивают примерно 50 мегаджоулей в активную среду генерации лазеров
• Затем 4,2 мегаджоуля инфракрасного лазерного излучения конвертируют в ультрафиолет
• Лазерный ультрафиолет приносит в хольраум 1,8 мегаджоуля
• Хольраум производит 300 килоджоулей рентгеновского излучения
• Капсула поглощает 40-50 килоджоулей рентгена и схлопывается, производя термоядерную энергию — 1,35 мегаджоулей.

В декабрьском эксперименте термоядерной энергии выделилось более чем в два раза больше — 3,05 мегаджоулей. Цифры говорят, что инженерам еще надо долго совершенствовать установку, чтобы она научилась перекрывать начальные затраты в сотни мегаджоулей.

Поэтому, хотя нам может показаться, что мы видим смену лидера — после 50 лет превосходства токамаков в Q, внезапно вперед вырывается инерциальный синтез, зрелость токамаков, как энергетических установок значительно выше.

Инженерам придется ответить на множество вопросов: как оптимально поглощать и отводить на генераторы гигаджоули энергии, выделяющиеся в шарике размером несколько микрон? Как эффективно получать несуществующий на земле изотоп тритий, используемый в качестве топлива? Как дешево и массово производить мишени, требующие рекордных характеристик? Как сделать надежной и недорогой лазерную установку, которая должна выдавать несколько мегаджоулей раз в секунду или около того, тогда как сегодня ее подготовка к одному выстрелу занимает полдня, и как быстро устранять ее неисправности?

Многие десятилетия результаты установок с инерциальным удержанием вызывали скепсис и уныние, а строительство новых установок финансировалось только военными. Казалось, что это направление никогда не перейдет в рост. Но последние два года показали, что это была экспонента, по которой ученые уже прошли большую часть и преодолели большинство принципиальных физических проблем. Остались инженерные и экономические трудности, которые могут стать и запретительными на пути к инерциальной термоядерной энергетике, а могут и нет. Но — сегодня у человечества появился принципиально новый вариант на пути к «Граалю».

Fusion: В поисках бесконечной энергии
title={Fusion: поиск бесконечной энергии},
автор={Роберт Альфред. Герман},
год = {1990}
}

• Р. Герман
• Опубликовано в 1990 г.
• Физика

Благодарности 1. Изобретение доктора Спитцера 2. За закрытыми дверями 3. Друзья и соперники 4. В поисках ответов 5. Рассвет токамака 6. Строить по-крупному наука 7. Формирование высшей лиги 8. Политическая плазма 9. Современная лаборатория термоядерного синтеза 10. Олимпиада по плазме 11. Различные направления 12. Борьба за продажу термоядерного синтеза 13. В перспективе безубыточности 14. Прошлое и будущее Fusion Примечания Глоссарий Приложения Указатель.

Просмотр через Publisher

Солнце на Земле: бесконечная энергия водорода

• М. Кикучи

• Физика, образование

• 2011

900 18 Большой взрыв создал Вселенную 13,7 миллиардов лет назад. Вселенная наполнена водородом, и прекрасное ночное небо образовано в результате синтеза водорода. Здесь синтез — это ядерная реакция…

Физика плазмы и управляемый ядерный синтез

• Н. Фиш

• Физика

• 2010

Уже внося свой знаменитый вклад в неуправляемый ядерный синтез для использования в военное время, Эдвард Теллер размышлял о том, как обильное выделение энергии при ядерном синтезе может служить в мирное время…

Конкурс научных дисциплин по исследованию холодного ядерного синтеза

• Дж. Макаллистер

• Образование

  Наука в контексте

• 1992

Аргумент В полемике 1989 г. по поводу заявленного достижения холодного ядерного синтеза части физиков и химиков выступили против как в теоретической, так и в профессиональной…

Основа теории Fusion с намагниченными мишенями — Учебник по Fusion

Все большее число исследователей во всем мире признают, что технология конференций Megagauss открыла возможность достижения управляемого термоядерного синтеза в относительно…

Большой токамак JT-60: история борьбы за выполнение японской исследовательской миссии в области термоядерного синтеза

Исследования в области термоядерного синтеза были вызваны нефтяными потрясениями 1970-х годов и опасениями по поводу изменения климата в 20-м веке. В этой статье рассматривается история научных исследований токамака JT-60, который…

Четвертое состояние материи: введение в науку о плазме, 2-е издание

• С. Элиезер, Яффа Элиезер

• Физика

• 2 001

Пролог Основные сведения о плазме Что такое плазма? Вселенная плазмы Плазма в промышленности Решение энергетической проблемы Подробнее История физики плазмы Приложение: Рифмованные стихи Эпилог Глоссарий…

Низкоэнергетический синтез, вызванный интерференцией

• Ивлев Б.

• Физика

• 2 013

Исследован синтез двух дейтронов с энергией комнатной температуры. Ядра находятся в вакууме без связи с каким-либо внешним источником (электрическим или магнитным полем, освещением, окружающим веществом, ловушками и т. д. 9).0019

Как может происходить низкоэнергетический синтез

• Б. Ивлев

• Физика

• 2012

Обсуждается синтез двух дейтронов с энергией комнатной температуры. Ядра находятся в вакууме и не связаны с каким-либо внешним источником (электрическим или магнитным полем, освещением, окружающим веществом,…

Свойства и явления: основы физики плазмы и термоядерные исследования в послевоенной Америке

• Г. Вайзель

• Физика, Образование

• 2008

Я рассматриваю изменяющиеся концепции фундаментальной физики, которые американское сообщество физиков плазмы выдвинуло в послевоенной Америке. Я уделяю особое внимание напряженным отношениям между исследованиями термоядерного синтеза…

Новый взгляд на пространство параметров для управляемого термоядерного синтеза

путь с наименьшими затратами и этот третий путь, теперь известный как синтез намагниченных мишеней (MTF), по-видимому, доступен с использованием существующей технологии импульсной энергии, такой как обсуждалась на этой конференции.

Rockwell Kent – БЕСКОНЕЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ДЛЯ БЕЗГРАНИЧНОЙ ЖИЗНИ

Человек, появляющийся из ливня и защищающий глаза от взрывного луча света, изображает жизненно важную роль человека в преобразовании угля в энергию в книге Роквелла Кента «Бесконечная энергия для безграничной жизни » . Это одна из девяти картин серии, заказанной в 1945 году Институтом каменного угля и рекламным агентством Benton and Bowles. Показан в рекламе в  Saturday Evening Post 9.0138 , Newsweek и Liberty , у этого изображения было двоякое назначение. Во-первых, он был призван укрепить репутацию угольной отрасли. Во-вторых, он был разработан, чтобы обеспечить уголь в качестве основного источника энергии в современном послевоенном обществе.

Подробнее о работе и художнике:

В левой верхней части этой картины изображен обнаженный торс мускулистого молодого человека, гигантского размера по сравнению с другими элементами картины. На сумеречно-голубом фоне его верхняя часть тела выступает из группы голубовато-белых облаков в левом центре. Волосы мужчины светлые, а его тело имеет золотистый оттенок. Его левая рука вытянута прямо из тела, а в руке у него большой кусок черного угля. Из-под угля вырвались зазубренные разряды молний; мужчина прикрывает лицо от его яркого свечения правым предплечьем. Прямо под молниями находится угольный генератор, по форме напоминающий локомотив. Освещенный светящимся углем, генератор отбрасывает на землю отчетливую тень. По обеим сторонам генератора стоят крошечные человеческие фигурки, также отбрасывающие длинные тени. Из генератора выходит одна толстая изогнутая линия, которая сразу же разветвляется на несколько более тонких линий; они, в свою очередь, разветвляются на еще более тонкие линии, напоминающие сеть вен, уходящих вдаль. 9 Бесконечная энергия для безграничной жизни Институт битуминозного угля и рекламное агентство Benton and Bowles в Нью-Йорке в качестве иллюстраций к рекламной кампании, проводившейся в таких журналах, как Saturday Evening Post , Newsweek и Liberty . Цель этих роликов заключалась в том, чтобы повысить репутацию угольной промышленности и доказать центральное значение этого источника энергии для современного послевоенного общества. Другие работы в этой серии включали Power for Wheels of Progress , Heat for the Steel That Shapes Our Lives , Воплотить дома мечты в жизнь и Light for Tomorrow’s Lincolns . Их названия предполагают, что общество полностью полагается на уголь. Точно так же другие отрасли коммунального обслуживания и тяжелой промышленности, такие как сталелитейная, медная и газовая, конкурировали на общественной арене рекламы за лояльность и признание публики.

Что является наиболее интригующим аспектом этой серии работ, так это собственная политическая история Рокуэлла Кента в отношении угля и бедственного положения профсоюзных рабочих. Известный на протяжении 1930-х годов как политический левый, Кент на самом деле был главным представителем Коммунистической партии в Америке. Отвечая на свой собственный риторический вопрос «что такое американец» в «Новых массах»  в 1936 году, Кент заявляет, что «чтобы быть настоящим американцем, человек должен иметь волю исправить наши социальные ошибки. Как, это его собственная забота. Для меня путь — это коммунизм». Также в 1936, Кент, выступая за объединение художников в профсоюзы, опирается на пример Объединения горняков со следующей оговоркой: «Уголь обязательно должен быть первой необходимостью.