Інженери дослідницького центру NASA Glenn Research Center показали метод запуску реакції ядерного синтезу без використання гігантських установок. Подібними установками є токамаки та стелларатори, разом із найбільшим подібним реактором ITER, який будується кілька десятиліть силами 35 країн і нещодавно перейшов до передостанньої стадії. Для запуску реакції злиття ядер інженерам NASA знадобилося лише трохи металу, водень та прискорювач часток – цілком доступні речі. Інженери вважають, що ця технологія може стати джерелом енергії для тривалих космічних місій.
Ядерний синтез – це реакція, яка живить Сонце, і вона вважається найперспективнішим джерелом енергії. У ході неї два легких атомних ядра формують одне важке, виділяючи величезну кількість енергії. Більшу, ніж при розпаді ядра в атомних станціях. У центрі Сонця відбувається ядерний синтез водню в гелій.
Проблема ядерного синтезу в тому, що для цього потрібні надзвичайно пекельні умови. У центрі зірок ці умови склалися природним шляхом, а земним ученим потрібно вигадати, як наявними матеріалами втримати нагрітий до сотень мільйонів градусів газ. Нині вченим вдається утримувати цю плазму кілька секунд, але для стабільного джерела енергії час утримання повинен вимірюватися роками. Над проблемою працює навіть Google.
Підписуйтесь на наш канал у Telegram: https://t.me/techtodayua
Програми дослідження технологій ядерного синтезу проводяться з 1950-х років. Сьогодні найперспективнішим методом вважається токамак, який виглядає як бублик із плазмою всередині. Установкою такого класу є ITER, проект якого стартував у 1992 році, у 2020 році почалося його збирання, а перші тестові запуски очікуються не раніше 2035 року. ITER вважається однією з найскладніших установок, які коли-небудь створювалися людиною, загальна маса реактора оцінюється в 23 тисячі тонн, а сам він займає величезну будівлю.
Розроблена у NASA технологія конфайнменту (укриття) кристалічної решітки дозволяє проводити ядерний синтез при кімнатних температурах. Для цього ємність з тестовим металом (ербій та титан) наповнювали газом дейтерієм (один із різновидів водню). Під високим тиском метал вкривав ядро дейтерію, запускаючи реакцію ядерного синтезу.
«Під час процесу завантаження кристалічна решітка металу починає ламатися для утримування атомів дейтерію. Результат схожий на пил, ці частки називають дейтронами.
Наступним кроком необхідно подолати взаємне електростатичне відштовхування (так званий Коломбовий бар’єр). Для цього прискорювач електронів бомбардує розміщену поруч мішень із вольфраму. Зіткнення електронів з мішенню породжує високоенергетичні фотони. Схожий процес відбувається в рентген-апараті.
Коли фотон вдаряє ядро дейтерію, яке вкрите металом, воно розпадається на протон та нейтрон. Нейтрон зіштовхується з наступним дейтроном і розганяє його.
У ємності з початковими матеріалами з’являються дейтрони, які мають достатньо енергії для подолання Коломбового бар’єру та злиття з сусіднім дейтроном.
Розробники технології кажуть, що їм довелося використати ефект укриття електронів. Без цього Коломбовий бар’єр міг виявитися нездоланним навіть для розігнаних дейтронів. Створити ефект укриття електронів допомогла кристалічна решітка металу, яка формує захисний екран навколо дейтрона.
Запущена таким чином реакція ядерного синтезу дозволяє отримувати корисну енергію, що показав практичний експеримент. Надалі інженери NASA планують удосконалити установку для підвищення її ефективності.
Кінцева мета роботи – створити джерело енергії для космічних апаратів із тривалим терміном роботи у глибинах космосу. Найпопулярніша технологія генерації енергії для тривалих космічних місій – сонячні панелі. Однак вони придатні лише для місій, що проводяться відносно недалеко (за космічними мірками) від Сонця. На краю Сонячної системи панелі не працюватимуть.
Для тривалих місій у глибокий космос використовуються РІТЕГи, але для них не вистачає радіоактивних металів, вони видають невелику потужність, і вона з роками знижується. Наприклад, нині NASA бореться за життя 40-річного зонду Voyager 2, чий РІТЕГ нині видає так мало енергії, що вченим доводиться жертвувати певним обладнанням на борту для збереження більш важливих компонентів.
До речі, ядерний синтез може втратити звання найпотужнішого джерела енергії. У 2017 році вчені повідомили, що синтез кварків обіцяє майже вдесятеро більше енергії, ніж зможе видавати ядерний синтез.
А у 2020 році створили новий ракетний двигун на рідкому паливі для підйому із Землі в космос. Він використовує принцип, який раніше вважалося неможливим втілити на практиці.
