Инженеры исследовательского центра NASA Glenn Research Center показали метод запуска реакции ядерного синтеза без использования гигантских установок. Подобными установками есть токамаки и стелларатори, включая крупнейший подобный реактор ITER, который строится несколько десятилетий силами 35 стран и недавно перешел к предпоследней стадии. Для запуска реакции слияния ядер инженерам NASA понадобилось лишь немного металла, водород и ускоритель частиц – вполне доступные вещи. Инженеры считают, что эта технология может стать источником энергии для длительных космических миссий.
Ядерный синтез – это реакция, которая питает Солнце и она считается самым перспективным источником энергии. В ходе нее два легких атомных ядра формируют одно тяжелое, выделяя огромное количество энергии. Большую, чем при распаде ядра в атомных станциях. В центре Солнца происходит ядерный синтез водорода в гелий.
Проблема ядерного синтеза в том, что для этого нужны чрезвычайно адские условия. В центре звезд эти условия сложились естественным путем, а земным ученым нужно придумать, как имеющимися материалами удержать нагретый до сотен миллионов градусов газ. Сейчас ученым удается удерживать эту плазму несколько секунд, но для стабильного источника энергии время содержания должен измеряться годами.
Підписуйтесь на наш канал у Telegram: https://t.me/techtodayua
Программы исследования технологий ядерного синтеза проводятся с 1950-х годов. Сегодня наиболее перспективным методом считается токамак, который выглядит как бублик с плазмой внутри. Установкой такого класса является ИТЭР, проект которого стартовал в 1992 году, в 2020 году началось его сбор, а первые тестовые запуски ожидаются не ранее 2035 года. ITER считается одной из самых сложных установок, которые когда-либо создавались человеком, общая масса реактора оценивается в 23 тысячи тонн, а сам он занимает огромное здание.
Разработанная NASA технология конфайнмента (укрытия) кристаллической решетки позволяет проводить ядерный синтез при комнатных температурах. Для этого емкость с тестовым металлом (эрбий и титан) наполняли газом дейтерием (один из разновидностей водорода). Под высоким давлением металл укрывал ядро дейтерия.
«Во время процесса загрузки кристаллическая решетка металла начинает ломаться для удерживания атомов дейтерия. Результат похож на пыль, эти частицы называют дейтронами.
Следующим шагом необходимо преодолеть взаимное электростатическое отталкивание (так называемый Коломбовый барьер). Для этого ускоритель электронов бомбардирует размещенную рядом мишень из вольфрама. Столкновения электронов с мишенью порождает высокоэнергетические фотоны. Похожий процесс происходит в рентген-аппарате.
Когда фотон ударяет ядро дейтерия, которое покрыто металлом, оно распадается на протон и нейтрон. Нейтрон сталкивается со следующим дейтроном и разгоняет его.
В емкости с исходными материалами появляются дейтроны, которые имеют достаточно энергии для преодоления Коломбового барьера и слияния с соседним дейтроном.
Разработчики технологии говорят, что им пришлось использовать эффект укрытия электронов. Без этого Коломбовый барьер мог оказаться непреодолимым даже для разогнанных дейтронов. Создать эффект укрытия электронов помогла кристаллическая решетка металла, которая формирует защитный экран вокруг дейтрона.
Запущенная таким образом реакция ядерного синтеза позволяет получать полезную энергию, что показал практический эксперимент. В дальнейшем инженеры NASA планируют усовершенствовать установку для повышения ее эффективности.
Конечная цель работы – создать источник энергии для космических аппаратов с длительным сроком работы в глубинах космоса. Самая популярная технология генерации энергии для длительных космических миссий – солнечные панели. Однако они пригодны лишь для миссий, проводимых относительно недалеко (по космическим меркам) от Солнца. На краю Солнечной системы панели не будут работать.
Для длительных миссий в глубокий космос используются РИТЭГи, но для них не хватает радиоактивных металлов, они выдают небольшую мощность, и она с годами снижается. Например, сейчас NASA борется за жизнь 40-летнего зонда Voyager 2, чей РИТЭГ сейчас выдает так мало энергии, что ученым приходится жертвовать определенным оборудованием на борту для сохранения более важных компонентов.
Кстати, ядерный синтез может потерять звание самого мощного источника энергии. В 2017 году ученые сообщили, что синтез кварков обещает почти в десять раз больше энергии, чем сможет выдавать ядерный синтез.
А в 2020 году создали новый ракетный двигатель на жидком топливе для подъема с Земли в космос. Он использует принцип, который раньше считалось невозможным воплотить на практике.
