Новости науки
В недрах внесолнечных версий нашей планеты обычная керамика может превратиться в жидкий металл, вероятно, дающий этим далёким мирам возможность создавать магнитные поля, защищающие их от губительной космической радиации, говорят исследователи.
Группа учёных из Института Карнеги во главе с ведущим автором исследования геофизиком Р. Стюартом МакВильямсом обнаружила, что в условиях экстремальных температур и давлений, существующих внутри более массивных, чем наша планета, суперземель, диоксид магния способен превращаться в жидкий металл. Эта субстанция может помочь внесолнечным планетам создавать магнитные поля, подобно тому как Земля создаёт вокруг себя магнитное поле, используя для этого своё жидкое железное ядро.
Диоксид магния представляет собой прозрачную керамику, встречающуюся как на поверхности Земли, так и в глубоких слоях её мантии. Чтобы изучить поведение этого вещества, учёные нагревали его образцы в лаборатории при помощи лазеров до температур около 50000 градусов Цельсия под давлением, достигающим 14 миллионов атмосфер.
Исследование опубликовано онлайн вчера, 22 ноября, в журнале Science.
Быстровращающаяся нейтронная звезда в теории (вверху) и на практике (внизу).
Астрофизики из ФИАН выяснили, как происходит формирование и распространение излучения в магнитосфере радиопульсаров. Эти сведения помогут сделать количественные предсказания относительно эволюции нейтронных звезд, а также свойств наблюдаемого радиоизлучения.
Несмотря на то, что радиопульсары были открыты почти полвека назад (в 1967 году) наши представления о них пока остаются неполными. Два недостающих звена, необходимых для сравнения теории радиопульсаров с наблюдениями, заключались в дополнении знаний о процессе формирования и распространения радиоизлучения. Первое звено – механизм образования излучения пульсара в его магнитосфере – было предложено группой ученых из ФИАН – Александром Гуревичем, Яковом Истоминым и Василием Бескиным – чуть больше 20 лет назад.
«Излучение формируется в магнитосфере пульсара, в этом нет никаких сомнений. Заряженные частицы, двигаясь по кривой траектории с ускорением, излучают электромагнитные волны. Но поскольку плотности в магнитосфере большие, то важно найти коллективный механизм излучения, то есть не от одной частицы, а от ансамбля. При этом излучение происходит в фазе, это означает, что оно когерентно, и мощность его возрастает не пропорционально числу частиц, а пропорционально квадрату числа частиц. Также очень важную роль играет поляризация излучения. Больше 20 лет назад нами была найдена такая неустойчивость, которая приводит к генерации излучения. Мы назвали ее изгибно-плазменной», - рассказывает доктор физико-математических наук Яков Истомин.
Второе звено – как излучение распространяется – необходимо было прояснить. Дело в том, что наблюдаемые параметры излучения – средний профиль, поляризация, зависимости спектра от частот - зависят не только от механизма формирования, но и от процесса распространения излучения. Эти волны выходят из магнитосферы нейтронной звезды в межзвездную среду очень низкой плотности и их параметры формируются при переходе.
«Никаких принципиальных физических процессов или эффектов, которые мешали бы понять процесс распространения радиоизлучения пульсаров, нет. Это область распространения электромагнитных волн в плазме, но просчитать – как это происходит, до сих пор никто аккуратно не мог. Здесь дело исключительно в аккуратности учета всех эффектов и, соответственно, в математической сложности расчетов», - комментирует ведущий научный сотрудник ФИАН, доктор физико-математических наук Василий Бескин.
В общей сложности два года интенсивного труда потратили Василий Бескин и его студент из МФТИ Александр Филиппов на последовательные расчеты процесса распространения радиоизлучения. В качестве модели использовалась дополненная (и многократно подтвержденная) «модель полого конуса». Она заключается в том, что диаграмма направленности радиоизлучения повторяет профиль плотности вторичной электронно-позитронной плазмы, истекающей вдоль открытых магнитных силовых линий. По внешнему виду этот профиль похож на полый конус.
«В процессе распространения излучения нужно учитывать много эффектов, которыми раньше пренебрегали. Один из моментов, который необходимо было внести в модель, заключается в учете двулучепреломления магнитоактивной плазмы, в результате чего волны различной поляризации могут по разному распространяться в магнитосфере нейтронной звезды. Кроме того, до сих пор не всегда последовательно учитывалось связанное с вращением пульсара электрическое поле, которое в области формирования поляризационных характеристик выходящего излучения становится порядка магнитного. Это обуславливает вид тензора диэлектрической проницаемости, гораздо более сложный, чем в обычной плазме. Также в нашей работе была выбрана реальная структура магнитного поля, а не поле невозмущенного диполя, как делалось ранее, так как дипольное приближение справедливо далеко не во всей рассматриваемой области», - говорит Василий Бескин.
Электронно-позитронная плазма, рождаемая жесткими гамма-квантами вблизи поверхности нейтронной звезды, истекает из магнитосферы пульсара вдоль магнитных силовых линий. Именно поэтому для того, чтобы знать плотность частиц в каждой точке вдоль траектории распространения радиоизлучения, нужно просчитать, как искривилась та или иная магнитная силовая линия.
Василий Бескин: «Для определения плотности плазмы приходилось в каждой точке вдоль луча интегрировать назад вдоль магнитных силовых линий чтобы знать, в какой области на поверхности нейтронной звезды частицы начали свое движение. Компьютер может считать это целые сутки. В предыдущих же работах, в которых рассматривалось вращение простого диполя, а также предполагалось, что радиоизлучение распространяется по прямой, многие важные эффекты не могли быть учтены».
Полученные результаты, как полагают ученые, помогут существенно продвинуться в понимании природы активности пульсаров и в определении параметров истекающей плазмы. Действительно, воспользовавшись построенной количественной теорией распространения волн и анализируя наблюдаемые профили излучения конкретных радиопульсаров можно понять, как устроена и сама магнитосфера нейтронной звезды. В настоящее время эти работы ведутся совместно с сотрудниками Пущинской радиоастрономической Обсерватории ФИАН, а также с группой М.Крамера - директора Института радиоастрономии им. М.Планка (г.Бонн, Германия).
На рисунке: Модель полого конуса (схематично)
Для астрофизиков уже давно понятно, что самым мощным «кроликом-энерджайзером» нашей Вселенной являются чёрные дыры: сверхмассивные чёрные дыры почти полностью превращают свою массу в энергию. Поэтому учёные из института поисков внеземного разума SETI (Search for Extra-Terrestrial Intelligence) считают, что продвинутые цивилизации должны уметь «приручать» чёрную дыру, создавая мощнейшие источники энергии размером с зёрнышко поп-корна.
Луис Крейн и Шон Вестморленд из Университета штата Канзас подсчитали, что на создание одной чёрной дыры весом в миллион тонн, радиус которой будет меньше радиуса атома, суперцивилизации придётся потратить около года. Для этого необходимо будет построить гигантскую солнечную панель и создать мощный гамма-лазер, который сгенерирует сгусток излучения, способный в дальнейшем коллапсировать с образованием чёрной дыры.
Поэтому в настоящее время исследователи из SETI предлагают построить детекторы гамма-излучения и гравитационных волн, которые могут быть использованы для отслеживания, возможно, уже бороздящих бескрайние просторы нашей Вселенной космических кораблей внеземных цивилизаций с двигателями на основе чёрных дыр.
Астрофизики пытаются провести недорогие эксперименты на Земле, вместо того чтобы запускать в космос новые миссии, стоящие баснословных денег.
Уже многие десятилетия назад были построены гигантские магниты, способные удерживать ядра водорода в магнитном поле для проведения ядерных реакций. Но начиная с 1998 г., Жан Эдегаль, плазменный физик из Массачусетского технологического института, Кембридж, использовал магниты из массивного токамака тороидальной формы для моделирования таких же магнитных полей, как и те, по которым текут потоки заряженных частиц солнечного ветра близ поверхности нашего светила.
Раньше астрофизикам приходилось проводить свои эксперименты на одних базах с фундаментальными физическими исследованиями, но в июне этого года Американским астрономическим обществом в Вашингтоне было создано первое подразделение, связанное с лабораторной астрофизикой.
Группа Эдегаля смогла предсказать существование режима плазмы, в котором электроны могут быть неожиданно и мощно ионизированы, – этот ранее необъяснимый эффект наблюдался космическими аппаратами, отслеживающими солнечный ветер. Если лабораторное направление астрофизических исследований будет продолжать развиваться, Эдегаль сможет продолжить свои изыскания, для которых ему требуется более мощное оборудование.
Пылевая буря, бушующая на Красной планете, которую орбитальный модуль НАСА Mars Reconnaissance Orbiter отслеживает, начиная с прошлой недели, может слегка повлиять на работу ровера Opportunity и – в ещё меньшей степени – ровера Curiosity.
Буря должна пронестись не ближе, чем в 1347 километрах от вездехода Opportunity, но это может привести к слабым изменениям прозрачности атмосферы над этим ровером. Для Opportunity, в отличие от Curiosity, оснащённого радиоизотопным термоэлектрическим генератором, очень важно иметь над головой прозрачное небо, чтобы энергии, производимой солнечными панелями вездехода, хватало на выполнение ежедневных научных операций.
Даже сильная пылевая буря незначительно повлияет на более современный вездеход Curiosity, для которого будут наблюдаться лишь некоторое ухудшением качества отправляемых на Землю снимков и эффекты, связанные с повышением температуры окружающего воздуха.
Повышение температуры марсианского воздуха во время пылевой бури вызывается поглощением солнечного света частицами пыли, говорят учёные.
Исследование марсианской бури проводилось специалистами из Лаборатории реактивного движения НАСА.
Коллективные спиновые возбуждения в ферромагнетиках рассматривают как перспективный способ для переключения магнитного состояния устройств спинтроники и возбуждения спиновых волн в магнонных устройствах. Однако традиционный способ возбуждения колебаний с помощью магнитного поля не позволяет воздействовать на отдельные элементы памяти, не затрагивая остальных.
Локализация воздействия может быть достигнута с помощью спин-поляризованного тока, однако требуемые для этого сверхвысокие плотности тока ~ 106А/см2 приводят к деградации элементов. Поэтому взгляды разработчиков устройств спинтроники все чаще обращаются в сторону магнитоэлектрических эффектов, которые позволяют управлять намагниченностью посредством электрического поля. Одной из разновидностей магнитоэлектрического эффекта является индуцированное электрическим полем изменение магнитной анизотропии. Этому принципу управления посвящены две недавние работы японских исследователей в журналах семейства Nature [1,2].
Электрическое воздействие на намагниченность в спиновом вентиле:
а – под действием импульса электрического напряжения анизотропия магнитной пленки меняется от легкоплоскостной
(вектор намагниченности, показанный красным, лежит в плоскости пленки) к легкоосной (вектор намагниченности, перпендикулярен плоскости пленки);
б – под действием гармонического электрического сигнала возбуждаются колебания намагниченности на резонансной частоте [2]
(желтым показано эффективное магнитное поле анизотропии, порожденное электрическим полем,
синим – результирующее магнитное поле, вокруг которого совершается прецессия спинов).
В статье [1] с помощью электрического поля воздействуют на многослойную структуру типа “спиновый вентиль”, в котором намагниченность в одном слое остается фиксированной, а в другом – переключается внешним воздействием. От относительной ориентации намагниченностей в слоях зависит сопротивление структуры. Прикладывая электрическое поле около 1 В (что создает в тонких слоях магнитного материала напряженность в десятки мегавольт на сантиметр) авторам [1] удавалось вызвать изменение типа анизотропии от легкой плоскости к легкой оси, что приводило к прецессии магнитных моментов и переключению
элемента за время равное полупериоду прецессии – 0.4 нс. Характерная энергия переключения составляла порядка 104 kBT (измерения вели при комнатных температурах), что сравнимо с лучшими результатами для полевых транзисторов.
На схожем принципе основано действие устройства, предложенного в [2], однако возбуждение колебаний осуществляется не импульсом ступенчатого электрического напряжения, а гармоническим сигналом с частотой 1-10 ГГц, соответствующей ферромагнитному резонансу, что позволит сэкономить энергию. Правда, пока характерные мощности, поглощаемые устройством, составляют немалые для устройств спинтроники величины ~1 мкВт, но авторы [2] утверждают, что эту величину можно снизить как минимум на два порядка.
В заключение отметим, что на схожем принципе электрически индуцированного изменения магнитной анизотропии ранее предлагалось создать усилитель спиновых волн (см. ПерсТ [3]).
В новом исследовании указывается, что планеты, вращающиеся вокруг белого или коричневого карликов, плохо походят для возникновения на них жизни в тех формах, в каких она нам известна.
Несмотря на то что до сих пор на орбите вокруг белого или коричневого карликов не было обнаружено ни одной землеподобной планеты, нет никаких оснований считать, что в планетных системах таких звёзд не найдётся места планете, похожей на нашу.
Однако пара учёных из США и Германии провела исследование, в ходе которого выяснилось, что из-за сдвига границ обитаемой зоны таких звёзд при их остывании существование на орбитах вокруг них планет, на которых возможно возникновение жизни, маловероятно.
Белый карлик представляет собой догорающие остатки проэволюционировавшей звезды, а коричневый карлик является несостоявшейся звездой, объектом, которому не хватило массы на то, чтобы запустить ядерные реакции. Вокруг обоих из этих типов существует так называемая обитаемая зона – область пространства, в которой условия позволяют воде существовать на поверхности планеты в жидкой форме.
Новое исследование, используя уникальный инструмент, установленный на крупнейшем в мире оптическом телескопе, установило вероятное происхождение особенно ярких сверхновых, которые астрономы используют как легко различимые «дорожные знаки», позволяющие измерять расширение и ускорение расширения Вселенной.
В новой работе учёные описывают наблюдения произошедшей недавно сверхновой 2011fe, которую они запечатлели при помощи телескопа Large Binocular Telescope (LBT), используя инструмент, созданный в Университете штата Огайо: Multi-Object Double Spectrograph (MODS).
После проведения наблюдений астрономы пришли к выводу, что свет, излучаемый сверхновой 2011fe, которая относится к типу 1а, скорее всего, был порождён парой умирающих звёзд, известных как белые карлики.
Сверхновая 2011fe произошла в галактике Вертушка, расположенной на расстоянии примерно в 21 миллион световых лет от нас, и является ближайшей к нам сверхновой типа 1а, из происходивших за последние 20 лет.
Исследование появилось в журнале The Astrophysical Journal.
Команда учёных из Университета Карнеги исследовала водород, растворённый в воде из марсианских недр, и обнаружила, что Марс сформировался из тех же строительных блоков, что и Земля, а изменения химического состава планеты начали происходить в процессе её последующей эволюции. Это указывает на то, что у планет земного типа, включая Землю, один и тот же источник воды – хондритовые метеориты. Однако в отличие от нашей планеты, марсианские камни, которые содержат летучие компоненты, такие как воду, не могли перерабатываться глубоко в недрах планеты.
Учёные исследовали два типа метеоритов – один из них отражал химический состав вещества с поверхности Марса, находившегося в контакте с атмосферой, в то время как другой представлял собой вещество, поднявшееся глубоко из мантии планеты и мало изменившее при этом свой состав. Анализ показал, что образец с поверхности содержал примерно в десять раз больше воды, чем образец из глубин Марса, что свидетельствует о былом присутствии большого количества воды на поверхности Красной планеты, говорят учёные.
Исследование было опубликовано в журнале Earth and Planetary Science Letters.
На Солнце разразилось мощнейшее извержение сверхраскалённой плазмы в эту пятницу (19 ноября) после ряда последовательных солнечных бурь, снятых на видео космическим аппаратом НАСА.
Гигантский протуберанец «показал язык» примерно в 6:00 по Гринвичу, а следующее за ним событие состоялось четыре часа спустя. Протуберанцы были настолько огромными, что они вытянулись за пределы поля обзора камеры Обсерватории солнечной динамики НАСА (SDO), которая произвела съёмку солнечного извержения в высоком разрешении.
Пятничный протуберанец не был направлен в сторону Земли, поэтому он не должен оказать заметного влияния на нашу планету. Будучи направлены на Землю, самые мощные солнечные вспышки и извержения могут представлять угрозу для спутников и астронавтов, находящихся на орбите, а также нарушать работу систем связи, навигации и энергосистем на Земле.
Солнце в настоящее время находится в середине активной фазы своего 11-летнего цикла активности. Текущий цикл называется 24-й солнечный цикл, и его максимум должен прийтись на 2013 г.
Источник
На редком прямом снимке далёкой звёздной системы астрономы заметили планету, в 13 раз более массивную, чем Юпитер, крупнейшая планета в нашей Солнечной системе.
Планета вращается вокруг звезды Каппы Андромеды, масса которой составляет 2,5 массы Солнца, и которая лежит на расстоянии в 170 световых лет от Земли. Являясь газовым гигантом, большим, чем Юпитер, она классифицируется как «супер-юпитер».
Новая находка позволила учёным подтвердить положения теории формирования планет, согласно которым гигантские планеты формируются таким же образом, что и обычные экзопланеты небольшой массы: путём уплотнения материи протопланетного диска рождающейся звезды. Ранее учёные сомневались в том, что в протопланетных дисках настолько больших звёзд, как Каппа Андромеды, могли формироваться планеты, но теперь этот факт подтвердился.
Исследование будет опубликовано в ближайшем выпуске журнала The Astrophysical Journal Letters.
Источник
Разрушение астероида ядерной бомбой – это довольно избитый сценарий из научной фантастики, но скоро новый проект может сделать его реальностью.
Учёные разрабатывают проект миссии, которая разнесёт вдребезги астероид, представляющий угрозу для Земли ядерным взрывом, так же, как это сделал Брюс Уиллис и его бригада астронавтов-нефтяников в кинофильме 1998 г. «Армагеддон».
Но в отличие от сценария фильма, разрабатываемый космический аппарат – под названием Hypervelocity Asteroid Intercept Vehicle, или HAIV, – будет беспилотным. Он быстро нанесёт по космическому камню два последовательных удара: первый из них пробьёт в астероиде углубление, в которое будет помещён ядерный заряд для нанесения второго, финального удара – такой приём позволит увеличить эффективность взрыва.
Проект был представлен руководителем исследования Бонгом Ви из Университета штата Айова, США, в среду, 14 ноября, на собрании, проводимом НАСА по программе Innovative Advanced Concepts (NIAC) в штате Вирджиния.
Схематическое изображение проведенного эксперимента. (кликните картинку для увеличения)
Благодаря явлению, известному, как стохастический резонанс, всего лишь одна молекула водорода может быть использована для перемещения гораздо более массивного объекта. Методику, позволяющую реализовать это на практике, предложила совместная группа ученых из Германии и Испании. Исследователям удалось извлечь полезную энергию из «шума» в экспериментах с наконечником атомно-силового микроскопа, установленным на гибком кантиливере. В будущем обнаруженный в ходе эксперимента процесс может быть использован в качестве привода для нано- и микромашин.
Стохастический резонанс характерен для широкого диапазона различных сложных систем, особенно в живых организмах. В частности, он несет ответственность за такие процессы, как «накачка» энергией. Стохастический резонанс позволяет слабому периодическому сигналу усиливаться за счет окружающего «шума» (случайных колебаний системы, возникающих, к примеру, в результате изменений температуры системы, движения электронов или фотонов). Резонанс возникает тогда, когда пики шума случайно совпадают с пиками периодического сигнала.
Ученые давно задумывались над тем, как использовать эту природную способность отделения полезного сигнала от шума в своих работах. Совместная группа из Freie Universit (Германия) nanoGUNE (Испания) продемонстрировали первые результаты в этой области, показав, что стохастическое движение колеблющейся молекулыводорода может быть использовано для перемещения сравнительно крупномасштабного механического кантиливера.
Исследователи использовали острие атомно-силового микроскопа – иглу, установленную на гибкой пружинно-подобной консоли, сделанной из кварца. В ходе эксперимента они фиксировали в ловушке одну молекулу водорода между зондом и поверхностью меди. Небольшое напряжение между зондом и медью (порядка 0,1 В) вызывало случайные «переключения» молекулы водорода между двумя пространственными позициями (состояниями), что заставляло консоль колебаться.
По мнению ученых, движение кантиливера в описанной системе происходило за счет стохастического резонанса. Иными словами, взаимодействие случайных колебаний молекулы водорода и периодического движения механического осциллятора (кантиливера) приводило к усилению передачи энергии от молекулы водорода к осциллятору. Таким образом, эксперимент показал, что наименьшая из существующих молекул – молекула водорода – приводила в движение осциллятор, размеры которого в 1019 превышают ее собственные габариты.
В представленном исследователями эксперименте молекула водорода приводилась в движение за счет приложенного электрического напряжения. Однако ученые отмечают, что аналогичного эффекта нельзя добиться, если использовать другие источники энергии, например, свет.
Как считает научная группа, их результаты могут использоваться для разработки искусственных молекулярных моторов. Как они считают, сходные принципы позволяют извлечь энергию шума, например, для вращения двигателя. Как говорят сами ученые, достигнутые результаты мотивируют их к поиску других источников молекулярного шума, например, иных электрических или магнитных колебаний, которые могли бы также привести к более эффективной передаче энергии механического осциллятора.
Подробные результаты работы опубликованы в журнале Science.
Ученые-физики из Европейской организации ядерных исследований CERN, работающие с Большим адронным коллайдером (БАК), зарегистрировали и экспериментально подтвердили существование одного из самых редких видов распада частиц в природе. Существование такого вида распада наносит сокрушительный удар по теории суперсимметрии, которая является расширением Стандартной физической модели и которая, по мнению ее последователей, может объяснить существование некоторых физических явлений, таких как гравитация, темная энергия и темная материя.
С момента ввода в обиход теории суперсимметрии и до настоящего времени эта теория являлась лишь только неподтвержденной физической гипотезой. И как обычно в таких ситуациях, ученые уже давно искали пути для того, чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Одним из таких путей, по мнению ученых, является распад Bs-мезона, частицы, состоящей из прелестного кварка (beauty quark) и странного антикварка (strange anti-quark). Распад Bs-мезона, в результате которого получаются мюон и анти-мюон, частицы, напоминающие очень тяжелые электроны, является очень редким видом распада, теоретическая возможность которого была предсказана уже достаточно давно. Но экспериментального подтверждения существования такого вида распада не удавалось получить до последнего времени.
Впервые в истории науки распад Bs-мезона удалось зарегистрировать датчиком эксперимента LHCb (LHC beauty), одним из гигантских датчиков частиц, установленных на 27-километровом кольце Большого адронного коллайдера. Коллайдер ускоряет лучи протонов почти до скорости света и сталкивает два разогнанных луча лоб в лоб. Столкновения протонов производят ливень частиц, среди которых иногда возникают Bs-мезоны. Bs-мезон является очень нестабильной частицей и распадается почти сразу же после образования. Но времени существования Bs-мезона оказывается достаточно для того, чтобы датчик LHCb успел зарегистрировать эту частицу. Распадаясь, Bs-мезон рождает новые частицы и крайне редко, один на 300 миллионов раз, Bs-мезон распадается на мюон и антимюон.
НАСА отмечает два ключевых события в истории поисков планет, подобных Земле: успешное завершение космическим телескопом «Кеплер» 3,5-летней миссии и начало его новой, расширенной миссии, которая может продлиться целых четыре года.
Учёные использовали данные «Кеплера» для идентификации более чем 2300 планет-кандидатов и подтверждения более чем 100 открытых планет.
До настоящего времени были обнаружены сотни планет-кандидатов с массами, близкими к массе Земли, а также планеты-кандидаты, находящиеся в обитаемых зонах своих родительских звёзд – областях планетных систем, где жидкая вода может существовать на поверхности планеты. Ни один из этих кандидатов пока не напоминал Землю в достаточной мере. Теперь, по завершении своей основной миссии, «Кеплер» собрал достаточно данных для начала поисков настоящих аналогов системы Солнце-Земля – землеподобных планет с орбитальными периодами обращения вокруг их родительских солнцеподобных звёзд, составляющими примерно один год.
«Кеплер» был запущен 6 марта 2009 г. для наблюдения за частью нашей галактики в поисках звёзд, возле которых могут находиться потенциально пригодные для жизни планеты.
Команда американских ученых использует особенную установку для испытания ядерного оружия, чтобы разработать термоядерный ракетный двигатель, который сделает Солнечную систему "задним двором" человечества.
Огромный аппарат под названием Decade Module Two (DM2) в течение 10 лет использовался Агентством по сокращению военной угрозы (DTRA) для исследований в области воздействия ядерных взрывов. В 2009 году военные исследования были закончены и DM2 передали Университету Алабамы.
Теперь специалисты из Университета Алабамы в Хантствилле, НАСА, Boeing используют бывшую военную установку для сборки устройства Charger-1 Pulsed Power Generator. Когда 50-тонный Charger-1 соберут, это будет одна из самых крупных и мощных импульсных энергетических систем в мире.
Гигантская зажигалка
Термоядерный синтез – это слияние атомных ядер, которое освобождает большое количество энергии. Американские ученые планируют использовать термоядерный синтез с участием атомов тяжелого водорода, дейтерия, и изотопов лития. Энергию, необходимую для сжатия атомов, т.е. зажигания термоядерной реакции, планируется высвобождать с помощью мощного импульсного устройства, которое по действию чем-то похоже на удар молнии.
Зажечь термоядерную реакцию в установке Charger-1 должен мощнейший электрический импульс, энергию для которого накапливают конденсаторы. В настоящее время идет монтаж проводов из лития-6 и дейтерида лития, проводящих импульс и превращающихся в плазму, которая будет сжиматься Z-пинч эффектом.
Работа Z-пинч эффекта
Пинч-эффект - это сжатие плазмы в результате взаимодействия тока разряда с магнитным полем. Если ток протекает вдоль оси цилиндрического плазменного столба, то его называют Z-пинчем. Z-пинч можно наблюдать, например, при ударе молнии в трубчатый громоотвод. Данный эффект используется для стабилизации плазмы в термоядерных реакторах, и в НАСА на него возлагают большие надежды.
Разряд установки Charger-1 может производить плазму, которая сжимается собственным магнитным полем и при размере в палец может заключать в себе 20% от всей энергии, которую потребляет человечество в текущий момент времени. Разумеется, главная цель разработчиков термоядерного ракетного двигателя – получить на выходе больше энергии, чем было потрачено на инициацию термоядерного синтеза. Хотя, надо сказать, команда Charger 1 не надеется, что им удастся этого достичь, но в любом случае огромная установка даст большое количество ценной научной информации, которая пригодится для разработки первого прототипа термоядерного ракетного двигателя. Бывший военный модуль DM2 в 500-наносекундном электрическом импульсе выдает до 1 тераватта мощности - около 6% от потребления электроэнергии в мире.
Двигатель
Проблема космических кораблей на химическом горючем известна: нужно сжечь тысячи тонн топлива, чтобы транспортировать всего десятки тонн полезного груза. С такими ракетами серьезно говорить об освоении Солнечной системы не приходится.
Слева направо показана эволюция научной программы по созданию Z-пинч двигателя: через 9 лет вместо одного нынешнего накопительного модуля DM2 будет испытываться полноценное кольцо из 8 модулей. Еще через 2 года будут испытываться одновременно 2 кольца
Термоядерная силовая установка – совсем другое дело. Термоядерной ракете вместо тысяч нужно всего несколько тонн топлива. Более того, с помощью ядерного ракетного двигателя, например, на Марс можно было бы долететь не за 6 месяцев, а за 6 недель. Все это одним махом решает проблему длительного пребывания в напичканном опасностями космосе, а также уменьшает сложность систем жизнеобеспечения и защиты космического корабля.
Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто
Кандидат технических наук специалист в области аэрокосмической техники Росс Кортез, участвующий в проекте Charger-1, описывает термоядерный ракетный двигатель очень просто: "Представьте, что в задней части ракеты взрывается заряд, эквивалентный 1 тонне тротила. Именно такой двигатель мы и делаем".
Двигатель корабля на Z-пинче работает просто
Двигатель корабля на Z-пинче работает просто: в параболическую камеру сгорания подаются два компонента топлива и мощный электрический импульс из конденсаторов превращает их в плазму. Магнитное поле большой силы сжимает плазму и зажигает реакцию термоядерного синтеза. В результате образуется расширяющаяся в камере сгорания плазма, которая имеет массу всего 0,02 кг, но ее начальная кинетическая энергия достигает 1 ГДж.
Плазма, раздувающаяся как своеобразный воздушный шарик, в итоге сжимается Z-пинч эффектом, выбрасывается из магнитного сопла и создает реактивную тягу.
Основная функция Z-пинч эффекта – это защищать двигатель от разрушения и направлять очень большие токи (в мегамперы) через плотную плазму в течение очень короткого времени – около 10-6 секунды.
На выходе получается реактивная тяга в 3812 ньютон-секунд за импульс при частоте 10 импульсов в секунду и удельном импульсе 19436 секунд.
В НАСА рассчитывают на то, что количество энергии, выделяющейся при реакции синтеза, будет в 3 раза больше количества энергии, необходимого для зажигания. Это означает, что за 100 наносекунд до начала следующего импульса конденсаторам необходимо "сбросить" в камеру сгорания 333 МДж энергии. Это весьма сложная проблема - даже учитывая высокую эффективность конденсаторов (80%), необходимо будет решить задачу создания накопителей, которые смогут очень быстро заряжаться и разряжаться.
В качестве топлива Z-пинч двигателя планируется использовать дейтерий и литий-6, которые производят полезные побочные продукты (например, тритий), повышающие выход энергии. Охлаждать двигатель будет жидкость фтор-литий-бериллий (FLiBe), которая к тому же способна поглощать гамма-лучи и нейтроны. Параболическое магнитное сопло будет состоять из 8 колец сверхпроводящих магнитных катушек на основе иттрия. Они создают внутри сопла начальное магнитное поле и направляют в конденсаторы электрический ток, индуцированный в процессе расширения плазмы. Позже эта энергия будет использована для следующего импульса.
Термоядерная ракета
Проект Z-пинч корабля, разработанный в 2010 году, предполагает, что это будет аппарат длиной 125 м (в два раза длиннее МКС), поэтому собирать его придется на орбите.
Проект Z-пинч корабля, разработанный в 2010 году, предполагает, что это будет аппарат длиной 125 м (в два раза длиннее МКС), поэтому собирать его придется на орбит
Несущей конструкцией корабля будет центральная ферма с радиаторами, отводящими тепло от двигателей. На одном конце фермы будет расположен двигатель, а на другом - обитаемый отсек и спускаемый аппарат или друга полезная нагрузка.
Сопло двигателя будет иметь диаметр 13,6 м, его планируется изготовить из углеродного композита – в любом случае сопло радиации не боится, а от плазмы сопло защищает магнитное поле. Сложнее с конденсаторами, которые необходимо защитить от гамма-излучения и нейтронов. Их придется закрыть достаточно тяжелой радиационной защитой, которая одновременно будет защищать и экипаж, к тому же удаленный от активной зоны на безопасное расстояние с помощью длинной фермы.
Максимальная тяга Z-пинч корабля сравнима с традиционными ракетами, но перегрузка при ускорении такого крупного корабля будет совсем небольшой – менее 1 g, что обеспечит комфорт при многодневном разгоне и торможении.
При массе полезной нагрузки в 150 тонн, общая масса корабля составит почти 600 тыс. тонн. Это, ненамного больше МКС весом 400 тонн, однако возможности у Z-пинч корабля будут совсем другие: за 1,5 суток максимальной тяги двигателя Z-пинч корабль достигнет Марса через 90 дней. Если полная тяга продлится 8,7 суток, то до Марса можно будет добраться всего за 30 дней! При этом корабль за вдвое меньшее время полета доставит на 35-55% больше полезного груза, чем сравнимая химическая ракета.
В целом, США по силам собрать корабль с сухим весом около 390 тонн. Это сравнимо с МКС, а учитывая, что в США активно ведется разработка мощнейшей ракеты-носителя SLS, способной выводить на низкую околоземную орбиту до 130 тонн груза, сборка Z-пинч корабля - задача вполне решаемая.
Решить проблемы
В любом случае, до сборки пока далеко. Еще предстоит решить ряд сложных технических задач по созданию Z-пинч двигателя. С помощью установки Charger 1, ученые должны оценить безопасность и пригодность для использования в качестве топлива лития-6, эффективность работы МГД-генераторов, надежность магнитного сопла, антирадиационной защиты и т.д. Все это ученые планируют сделать в течение ближайших 11 лет. Надо отметить, что в НАСА параллельно работает множество программ по обеспечению полетов вглубь Солнечной системы: решаются проблемы сохранения здоровья экипажа межпланетного корабля, отрабатываются системы посадки, оборудование для работы на поверхности планет и астероидов и т.д. Таким образом, подготовка к освоению нашей звездной системы уже идет полным ходом.
PanARMENIAN.Net - Иран скоро начнет строительство комплекса для осуществления ядерного синтеза, сообщает во вторник ISNA.
Ядерная реакция синтеза - процесс слияния двух атомных ядер с образованием нового, более тяжелого ядра.
Кроме нового ядра, в ходе реакции синтеза, как правило, образуются также различные элементарные частицы и (или) кванты электромагнитного излучения.
Замглавы Национального научно-технического центра для макропроектов администрации президента Ирана Гуламхусейн Рахими сказал, что этот амбициозный проект решено разбить на несколько этапов.
В 2011 году Иран стал одной из шести стран, развивающих ядерную энергетику по методу инерциальной электростатической камеры. Иранская программа по разработке экспериментального реактора для управляемого термоядерного синтеза была начата еще в 2010 году.
Рахими отметил, что первый этап проекта оценивается в восемь миллионов долларов, которые планировалось выделить еще в 2009 году, но до сих пор лишь половина этой суммы была направлена для нужд проекта.
Рахими отметил также, что определенная сумма должна быть выделена из государственного бюджета, чтобы помочь развитию проекта.
Уровень радиации на поверхности Красной планеты сравним с радиационным фоном на низкой околоземной орбите, обнаружил марсианский ровер НАСА Curiosity.
Первые измерения уровня радиации – впервые проведённые на поверхности другой планеты – могут обрадовать тех, кто мечтает увидеть, как однажды на Марс впервые ступит нога человека: ровер Curiosity выяснил, что люди вполне могут проводить какое-то время на поверхности Красной планеты.
Измерения радиационного фона проводились при помощи инструмента вездехода Radiation Assessment Detector instrument, или RAD, почти с момента приземления миссии Mars Science Laboratory на поверхность Марса 6 августа этого года.
Учёные заметили интересную закономерность – уровни радиации на планете периодически повышаются и снижаются на 3 – 5%, причём похоже, что существует определённая взаимосвязь между этими флуктуациями и изменениями толщины марсианской атмосферы. Однако пока исследователи предпочитают не спешить с выводами о наличии устойчивой корреляции между этими явлениями: основная миссия Curiosity должна продлиться около 2-х лет, и у учёных ещё есть время на тщательное изучение всех данных.
Физики из Европейского центра ядерных исследований заявили официально, что в Большом адронном коллайдере произошло давно ожидаемое событие - распад частицы на две других. Это открытие подтверждает правильность теории.
Процесс распада уже был теоретически предсказан стандартной моделью физики, и подтверждает ее правильность. Стандартная модель описывает фундаментальное строение Вселенной. Последним штрихом, подтверждающим правильность модели, и стал зафиксированный экспериментально процесс распада частицы на составляющие. Этот процесс физики стремились воссоздать уже около десяти лет, используя различные ускорители.
И, наконец, свершилось – в Большом адронном коллайдере специалисты по микромиру смогли наконец зафиксировать крайне редкое явление – в результате столкновения протонов образовался Bs мезон, распавшийся на мюон-антимюонную пару. Явление это очень редкое, поскольку распадаются только три частицы из десяти миллиардов, и зафиксировано пока только 15 событий, но они уже позволяют заявить, что стандартная модель верна.
Эксперимент опровергает альтернативную модель суперсимметрии, согласно которой каждая элементарная частица с момента своего рождения обладает двойником - суперсимметричной частицей, поскольку, если бы такие симметричные частицы существовали, распады бы происходили значительно чаще и требовали бы других энергий.
Мощность коллайдера в 2014 году предполагается удвоить, что должно позволить сделать множество самых неожиданных открытий в мире квантовой физики.
Учёные из Свободного университета в Берлине (Германия), используя случайные колебания единичной водородной молекулы, заставили кварцевый кантилевер равномерно осциллировать. Эффект был достигнут за счёт возбуждения молекулы водорода электронами, а также благодаря использованию кристалла, способного к стабильной осцилляции.
Для создания кантилевера к игле зонда электронного микроскопа была прикреплена продолговатая полоска кварца. Затем зонд был помещён рядом с кусочком меди так, чтобы между ними находилась только одна молекула водорода. Слабый электрический ток, поданный на молекулу, заставил её случайным образом колебаться между двумя состояниями (вперёд — назад), генерируя так называемый белый шум. Это случайное, но постоянное колебание молекулы вызывает чередование притяжения и отталкивания кантилевера, заставляя его также немного двигаться вперёд и назад. Ну а перемещения кантилевера, в свою очередь, оказывают влияние на колебания водородной молекулы.
Детально изучив поведение данной системы, физики обнаружили, что, варьируя начальное напряжение, подаваемое на молекулу, можно добиться постепенного перехода кантилевера к состоянию равномерной осцилляции. Более того, выяснилось, что существует возможность модификации колебательного движения водородной молекулы, позволяющая достичь более высокой амплитуды (настолько высокой, что случайные движения единственной водородной молекулы способны заставить двигаться объект, размер которого в 1019 раз превосходит саму молекулу).
Построенная учёными система представляет собой пример классического стохастического резонанса, при котором происходит резкое усиление периодического сигнала под действием белого шума определённой мощности. Настоящая цель подобных исследований заключается в нахождении путей, которые позволили бы надёжно получать полезную энергию из, казалось бы, совершенно хаотических систем. Само явление стохастического резонанса довольно универсально, присуще многим нелинейным природным системам, что и вдохновляет учёных на попытки его репликации в лабораторных условиях.
Подводя черту под исследованием, результаты которого опубликованы в журнале Science, учёные полагают, что их эксперимент продемонстрировал теоретическую возможность построения молекулярного мотора нового типа, способного трансформировать «случайную» (или хаотическую) энергию в предсказуемое координированное движение в весьма малом масштабе.
Исследования в этой области будут продолжены; авторы намерены выяснить, какие ещё материалы можно использовать для получения подобного эффекта, включая напрашивающуюся замену электрического напряжения светом.
- Научные труды...
- Видеоматериалы
- Каталог физических демонстраций
- 1. Механика...
- 2. Колебания и молекулярная физика...
- 3. Электричество и магнетизм...
- 3.1 Электрическое поле
- 3.2 Проводники в электрическом поле
- 3.3 Энергия электрического поля
- 3.4 Постоянный электрический ток
- 3.5 Магнитное поле
- Политика
- Солнечная система
- Эфир
- Ацюковский В.А. Лекции
- Черепенников В.Б. Науке нужна защита от лженаучных мошенников. Монография.
- Российской академии наук фундаментальная наука не нужна. Монография. Черепенников В.Б.
- Псевдонаучные труды (критика)
- Псевдонаучные статьи (обсуждение)
- Полемические статьи (обсуждение)
На сайте:
Интернет-журнал Ньютоновские чтенияНовости наукиПолитикаСолнечная система07.03.2023 09:50