Материалы портала «Научная Россия»

Если звезды зажигают – значит кто-то этому научился

10 апреля текущего года в Бауманском университете прошло торжественное открытие центра «Плазменные исследования и технологии» — уникального научно‑образовательного и инжинирингового комплекса‚ не имеющего аналогов в России. О том, зачем центр создан и чег

10 апреля текущего года в Бауманском университете прошло торжественное открытие центра «Плазменные исследования и технологии» — уникального научно‑образовательного и инжинирингового комплекса‚ не имеющего аналогов в России. О том, зачем центр создан и чего можно ждать от плазменных технологий, нам рассказал директор Объединенного института высоких температур действительный член РАН Владимир Евгеньевич Фортов.   

Владимир Евгеньевич Фортов — академик, доктор физико-математических наук, профессор, главный редактор журнала «В мире науки / Scientific American». Автор около 500 научных работ и 40 монографий, переведенных на иностранные языки. Область научных интересов — энергетика, теплофизика сильных ударных и детонационных волн, физика плазмы и физической механики. 

 

 

 

 

 

 

 


Создавать центры под крупных ученых — инициатива Министерства образования и науки РФ. Идея состоит в том, чтобы приглашать в Россию наших специалистов, уехавших за границу, или привлекать лучших ученых-иностранцев. Дать им хорошее финансирование, обеспечить условия, предоставить современное оборудование, с тем, чтобы они, с одной стороны, учили студентов на самом современном научном уровне, а с другой — двигали вперед российскую науку. Кроме того, необходимо укреплять связи как между нашими коллективами, так и с теми, которые работают за границей. В данном случае речь идет о двух специалистах. Один из них — Грегор Морфилл, директор Института им. Макса Планка, иностранный член РАН. Второй — Алексей Анатольевич Ивлев, который в свое время окончил МГТУ им. Баумана (тогда еще МВТУ), работал у нас, потом уехал по обмену в Германию и попал в лабораторию Грегора Морфилла. Сейчас это авторитетный ученый мирового уровня. Идея состояла в том, чтобы объединить усилия Бауманки и Общества им. Макса Планка.  

Космонавт С.К. Крикалев (слева) и академик В.Е. Фортов на открытии центра «Плазменные исследования и технологии»

За этим стоят наше многолетнее сотрудничество, совместные конференции, обмен приборами, оборудованием и специалистами. На МКС экипажи выполняют работы по нашей совместной программе. Этот центр должен стать примером эффективного неформального взаимодействия. Для меня было важно сделать так, чтобы эта инициатива не превратилась в показушную, во внешнюю демонстрацию чего-то при малом эффекте. Кажется, мне это удалось.

 Четвертый агрегат

Плазма — это, как написано в школьных учебниках, «четвертое агрегатное состояние материи» наряду с твердым, жидким, газообразным. Если не брать в расчет темную материю и черную, скрытую энергию, то плазма — самое распространенное состояние вещества. 95% материи во Вселенной приходятся на ее долю; по сути, все действующие звезды — это плазма.

От других агрегатных состояний она отличается крайней неупорядоченностью. Плазма состоит из заряженных частиц, которые двигаются с очень высокой скоростью. Ее трудно получать, поэтому она в сравнении с другими состояниями менее всего изучена. Для того чтобы обычное вещество перешло в состояние плазмы, нужно нагревать его до сверхвысоких температур или сжимать до очень больших давлений. В нашей лаборатории было показано, что при давлениях порядка миллиона атмосфер даже холодное вещество, если его сжать, переходит в ионизованное состояние, т.е. в состояние плазмы.

С плазмой связывают реализацию многих энергетических и космических проектов. Наиболее интересный — управляемый термоядерный синтез. Для того чтобы пошла реакция синтеза, слияния, нужно иметь очень высокую температуру и крайне высокие давления. Такие условия, подходящие для возникновения «термоядерного горения», можно создать при помощи мощного лазерного излучения. Впервые такое «горение», только инициированное не лазером, а ядерным зарядом, было реализовано более 50 лет назад, когда была взорвана первая водородная бомба. Однако такой взрыв — процесс неуправляемый, пригодный только для разрушения. Чтобы использовать его для созидания, надо научиться его контролировать. Сделать процесс управляемым и в тех размерах, как говорят физики, в которых можно использовать его энергию для получения электрической энергии, — очень трудная задача.

Одно из перспективных современных направлений — попытка поджечь термоядерную реакцию в горячей плазме. Нобелевские лауреаты Андрей Дмитриевич Сахаров и академик Игорь Евгеньевич Тамм в свое время предложили идею магнитного удержания плазмы, когда магнитное поле отжимает плазму от стенок, и она «висит» в нем. Тогда возникли токамаки (ТОроидальные КАмеры с МАгнитными Катушками) — магнитные установки для удержания плазмы. Сегодня международная коллаборация ученых строит крупную установку, которая называется ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Международный термоядерный экспериментальный реактор). Россия в этом проекте — один из основных участников. Руководитель проекта — академик РАН Евгений Павлович Велихов, задействованы многие наши специалисты из Курчатовского института, Института ядерной физики Новосибирска.

Другое направление связано с реакцией в форме микровзрывов, когда берется маленькая крупинка дейтерий-тритиевого льда, облучается мощным лазерным излучением, в результате чего возникает микровспышка. Мощность этой вспышки составляет порядка 20–50 кг тротилового эквивалента. По сути, это взрыв. У нас в институте есть большая взрывная камера, где мы исследуем процессы микровзрыва и пытаемся понять, как его можно преобразовать в энергию.

Сегодня много говорят про термоядерный реактор, раньше говорили еще больше. В свое время академик Лев Андреевич Арцимович сказал, что термоядерная энергия появится тогда, когда человечеству это будет действительно необходимо. Сегодня стоимость энергии, которая получается из термояда, по сравнению с энергией, полученной при сжигании углеводородов, крайне велика. Однако наглядно продемонстрировано, что ничего фантастического в этом нет.

Вся полезная энергия на Земле, вся жизнь существует за счет использования термоядерной энергии Солнца. Физики не сомневаются, что эта реакция — ведущая, что она питает Солнце, его различные эволюционные цепочки развития. Наша звезда — термоядерная бомба, которая взрывается уже более 4 млрд лет, электростанции — преобразователи энергии Солнца в электрический ток. Нас бы не было, если бы не работал солнечный термоядерный реактор. Сделать установку, в которой бы работала термоядерная реакция в чистом виде, чтобы она была продолжительной, шла при контролируемой температуре и нужной концентрации, — трудная инженерно-техническая задача. Токамаки — это направление, через которое люди сейчас стараются эту идею реализовать. Но даже если все будет сделано и ITER заработает, надо понимать, что получаемая на нем энергия должна быть конкурентоспособна на рынке. Это случится, если углеводородное топливо будет дорогим. По сегодняшним оценкам, выработка термоядерной энергии будет рентабельной в случае, если стоимость барреля превысит $500. Тогда, если верить Арцимовичу, термояд и заработает. Это серьезная проблема и вызов человечеству. Я убежден, что она будет решена.

Физика плазмы немыслима без высокотехнологичной аппаратуры

В.Е. Фортов перед вакуумной камерой

 


 

 

 

 

 

 

 

 Плазма на службе

Плазма уже широко применяется и в повседневной жизни. Плазменные телевизоры, плазменные экраны всем известны. Рынок такой техники составляет сотни миллиардов долларов. Сегодня нет ни одного автомобиля, детали которого не были бы упрочнены при помощи плазменных потоков. Существует специальная отрасль промышленности — плазмохимия, в которой плазмохимические реакторы используются для получения и модификации свойств разных полезных химических продуктов типа полиэтилена и подобных полимеров. Плазма работает и в полупроводниках, в современных микро- и наноэлектронных системах. Жорес Иванович Алферов получил Нобелевскую премию за блестящую работу в этой области.

В последнее время появилась еще одна специальная наука — плазменная медицина. Многие болезни, микробы, больные клетки могут эффективно уничтожаться при помощи лазерных воздействий. Плазменной струей можно убивать бактерии, резистентные к антибиотикам. Мы разработали для этого специальный прибор и уже получили разрешение на его масштабные клинические испытания. Надеемся, что это поможет людям. Там работает электронный пучок. Электроны разгоняются до больших скоростей, температура высокая, ионы холодные, происходит сверхвысокочастотный разряд. Если вы такой плазменной струей воздействуете как электрической дугой на живую ткань, то она ее не сожжет, но микробы будут уничтожены.

Если говорить о других практических приложениях, то есть варианты, как сепарировать мелкие частицы. Для медицины, биологии крайне важно иметь частички одного размера, если в ансамбле среди маленьких появляется большая частица, это плохо. Наши системы позволяют эффективно разделить маленькую и большую фракции. Сейчас мы работаем над ядерной батареей, когда кристаллы дают ультрафиолетовое излучение, которое попадает на фотоприемник. Это прямое преобразование ядерной энергии в электричество. И это лишь малая часть приложений, в которых наши плазменные технологии могут сыграть важную роль.

Физика плазмы для молодых специалистов — одна из самых перспективных областей приложения сил, ума и энергии

 Кристальное пламя

О физике плазмы нельзя говорить однозначно. Плазма возникает в самых разнообразных технических устройствах и космических объектах. Она бывает релятивистская, низкотемпературная, жидкая, жидкоподобная, кристаллическая. Люди даже сумели выстроить из плазмы кристаллы. Нельзя сказать, что есть лишь одна проблема, решение которой откроет дорогу к процветанию. Каждая ситуация сложна по-своему. Сегодня интереснейшая область — это плазма, возникающая при лазерном взаимодействии. Люди научились концентрировать лазерное излучение на маленьких поверхностях и получать высокую плотность мощности — до 1023 Вт/см2. Скорости электрона в таком интенсивном световом поле становятся релятивистскими, порядка скорости света. Существуют режимы, когда такая среда — вакуум — становится неустойчивой по отношению к рождению электрон-позитронных пар. При больших плотностях возникают гравитационные волны. Это увлекательнейшая область науки, но и в ней есть свои проблемы.

В нашем институте удалось впервые получить кристаллическую плазму. Есть иерархия четырех фазовых состояний. Подразумевалось, что каждое следующее состояние — более неупорядоченное, чем предыдущее. У кристалла есть решетка, выстроенная в некую форму разной степени совершенства. Когда вы нагреваете кристалл, решетка становится все более и более неупорядоченной. Обычная плазма в лампе дневного света или в ксеноновой лампе — это быстрые движения электронов и ионов. Там нет структуры, но если вы определенным образом устроите сильное взаимодействие между частицами, то такая плазма замерзнет, кристаллизуется — и вы увидите плазменные кристаллы.

Слева направо: космонавт С.К. Крикалев и академики РАН физик В.Е. Фортов и химик С.М. Алдошин

Открытие центра вызвало большой интерес

 

 

 

 

 

 

 

 


Самое главное, ради чего стоит заниматься наукой, — это попытки увидеть что-то новое и понять, как устроен мир. Здесь мы впервые наблюдаем за поведением твердого тела своими глазами. Чтобы увидеть атомы, расположенные в обычной материи, нужно перейти в рентгеновский диапазон излучения, на очень короткие длины волн, чтобы они были сравнимы с размером атома. При помощи дифракции вы можете посмотреть, как устроена атомная решетка. Кристалл интересен тем, что вы видите, как он выстроен, затем вы можете наблюдать, как происходит развитие дислокаций, движение солитонов, их отражение, как распространяются ударные волны. Мы уже довольно давно ведем такие эксперименты в космосе.

Уникальный космический эксперимент, который мы начали еще на станции «Мир» в 1998 г. и который сейчас продолжается на МКС, называется «Космический кристалл». Это вакуумная камера, в которой стоят электроды, к ним прикладывается переменное напряжение, возникает СВЧ-разряд, в него попадают маленькие частички пластика. В результате того, что на них «налипает» большой электрический заряд, примерно 10 тыс. зарядов электрона, эти частички начинают зависать и выстраиваться в кристалл, который можно видеть, а лазер позволяет на эти частички воздействовать. Мы можем их сжимать, расширять, пускать ударные волны. Такая же система находится в космосе, и космонавты проводят на ней эксперименты. Отличие в том, что у нас гравитация есть, а там нет. Специалист видит интересный эффект, связывается с космонавтом и диктует, какие действия он должен совершить для того, чтобы получить схожий эффект, только без вмешательства гравитационных сил. Обойтись без человека в этом деле пока нельзя, т.к. невозможно предусмотреть все варианты, которые возникнут в ходе эксперимента. Новое непредсказуемо. Мы довольны таким сотрудничеством и очень быстро продвигаемся вперед. Плазменные технологии — это реальный завтрашний день человечества. Наш центр — еще одна серьезная ступенька, ведущая к их постижению. В конце концов, всем известно, что через несколько миллиардов лет наше Солнце погаснет. И нам надо будет к тому времени научиться зажигать звезды самостоятельно.

владимир фортов плазма центр «плазменные исследования и технологии»

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий