Текст книги "Юный техник, 2007 № 05"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ

Зажжем солнце на Земле

Так, пожалуй, можно сформулировать цель, которую поставили перед собой создатели нового экспериментального термоядерного реактора. Он должен перерабатывать обычную воду в энергию, имитируя процессы, проходящие на Солнце. Насколько это реально?

ИТЭР на старте

После долгих предварительных переговоров в конце 2006 года в Париже была достигнута договоренность о начале строительства международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР (ITER – International Termonuclear Experimental Reactor).

Соответствующие документы подписали представители России, Европейского союза, Китая, Индии, Республики Корея, США и Японии. Приступить к совместному сооружению реактора ИТЭР в местечке Кадараш (Франция) – в 40 милях от Марселя – стороны должны в начале 2007 года. На строительство по плану отводится 10 лет, после чего реактор предполагается использовать в течение 20–25 лет как опытно-экспериментальную установку.

Расчетная мощность ИТЭР – 500 МВт. Общая стоимость проекта оценивается примерно в 10 млрд. евро, из которых 40 % вносит Евросоюз, а остальные 60 % – примерно в равных долях другие участники проекта.

Тут стоит, наверное, сказать, что ИТЭР – второй по масштабности финансовых затрат международный научно-технический проект современности. Первый – это Международная космическая станция (МКС).

Компьютерный чертеж ИТЭРа.

Схема термоядерной реакции:

_{1. дейтерий; 2. тритий; 3. гелий; 4. нейтрон.}

Об этом мы упомянули не случайно. Люди постарше могут вспомнить, каким ажиотажем сопровождалась подготовка к созданию МКС. Один из первых проектов назывался «Альфа», поскольку были надежды, что вслед последует «Бета» и так далее до конца латино-греческого алфавита. Сейчас на МКС вместо запланированных 6 членов экипажа работают лишь двое. И мало кто верит, что станция когда-нибудь будет развернута в запланированном ранее объеме.

Не произойдет ли нечто подобное и с ИТЭР? Задать такой вопрос заставляет хотя бы ретроспективный взгляд в прошлое.

Оглянемся в прошлое

Еще в 1942 году один из «отцов» ядерной бомбы, знаменитый итальянский физик Энрико Ферми, в Чикаго сделал первый шаг к термоядерному реактору. В 50-х годах XX века советские ученые Андрей Сахаров и Игорь Тамм предложили принципиально новую идею, которая воплотилась в легендарные токамаки (см. «Справку»).

В 1956 году, будучи в Англии, руководитель советских ядерных и термоядерных исследований Игорь Курчатов впервые публично объявил о начале исследований в СССР с целью осуществления управляемой термоядерной реакции.

Тогда полагали: пройдет лет десять, и человечество получит в свое распоряжение неиссякаемый источник энергии. Причем, в отличие от атомных электростанций, термоядерные не будут давать вредных радиоактивных отходов.

Вера в успех подкреплялась конкретными делами.

В том же 1956 году Лев Арцимович, Игорь Головин и Натан Явлинский соорудили первый токамак. Теория получила первое подтверждение на практике. Однако те же расчеты показывали: практическое значение экспериментальные установки будут иметь, если удастся разогреть плазму до температуры 100 млн. градусов. Расчет основывался вот на каких соображениях. Термоядерная реакция на Солнце, приводящая к синтезу из водорода и его изотопов – дейтерия и трития – ядер гелия и сопровождающаяся выделением огромного количества энергии, идет при температуре 20–30 млн. градусов и давлении в миллионы атмосфер. Только тогда удается дополнительно к каждому грамму синтезированного гелия получить еще 175 000 кВт/ч энергии.

На Земле стабильно получать столь высокие давления пока не можем. Поэтому физики предложили «компенсировать» недостающую плотность подъемом температуры, а чтобы изолировать плазму от стенок камеры, разработали систему удержания ее в магнитном поле. Ведь ни один, даже самый теплостойкий, материал не выдержит и секундного соприкосновения с таким жаром. Были разработаны хитроумные конструкции магнитных «ловушек», которые позволяли удерживать плазму вдали от стенок с помощью сверхсильных магнитных полей.

В 1962 году плазменный шнур разогрели до 1 млн. градусов. В 1971 году подняли температуру до 10 млн. Счетчики нейтронов регистрировали уже не отдельные импульсы, а целые лавины, что говорило о несомненном начале термоядерного синтеза.

Термоядерной энергетикой стали заниматься во многих странах. На сегодняшний день в мире насчитывается уже 300 токамаков. Правда, работает из них лишь около 30. Причина тому – огромная сложность и сумасшедшая дороговизна экспериментов. На исследования потрачено уже около 30 млрд. долларов, причем половина приходится на долю США. Но воз, как говорится, и ныне там: едва начавшись, термоядерная реакция затухает.

Предложения и сомнения

Между тем, расходы на термоядерную программу стали расти такими темпами, что ни одна страна не в состоянии нести их в одиночку. Потому и возникла идея совместного строительства экспериментального термоядерного реактора. Она была предложена президентом СССР Михаилом Горбачевым и одобрена президентом Франции Франсуа Миттераном и президентом США Рональдом Рейганом на Женевском саммите в 1985 году.

Разработка технического проекта ИТЭР была завершена в 2001 году. Еще три с лишним года ушли на подбор оптимального варианта размещения площадки для строительства. В итоге, 28 июня 2005 года в Москве была подписана совместная декларация, согласно которой было решено соорудить реактор в ядерном центре Кадараш во Франции.

Сейчас многие элементы будущего реактора уже изготовлены. В Японии сделали гигантскую вакуумную камеру и роботов, способных работать внутри реактора. В России создано уникальное устройство для втягивания сверхпроводящего кабеля, в котором при длине в 1 км нет ни одного стыка. Мы также построили компьютерную модель ИТЭРа.

Далее наше участие в проекте будет заключаться в изготовлении и поставке в Кадараш технологического оборудования по согласованному списку (основную его часть составят сверхпроводники) и в соответствующем денежном взносе (около 10 % от общей суммы).

Впрочем, предполагается, что участие России в сооружении, а затем и в исследованиях на реакторе позволит нашим специалистам получить уникальный опыт сооружения и эксплуатации термоядерных реакторов, создать собственные технологии термоядерного синтеза, а также обеспечит подготовку ученых и инженеров для будущих термоядерных электростанций в России.

Так выглядит магнитная камера токамака:

_{1. индуктор; 2. тороидальные катушки; 3. полоидальные витки; 4. плазменный шнур.}

А может, еще подумать?…

Тем не менее, многие эксперты указывают на недостатки проекта. Скажем, превращение энергии термояда в электричество будет происходить посредством нагрева воды, превращения ее в пар, который будет затем вращать обычную паровую турбину, а та, в свою очередь, электрогенератор. А ведь чем сложнее система, тем меньше кпд.

И это еще не все. Критики утверждают, что для получения от проекта практической отдачи понадобится не 10 лет и даже не 30, а, по меньшей мере, полвека. Причем нет никакой гарантии, что именно этот проект приведет к реальному результату. Ведь и в СССР, и в США, напомним еще раз, многие десятилетия – с 50-х годов прошлого столетия – пытались запустить термоядерную реакцию…

Так что, полагают эксперты, пожалуй, полезнее было бы потратить выделяемые деньги на использование энергии ветра, прилива, того же Солнца.

С. НИКОЛАЕВ, В. ЧЕРНОВ

Наша справка

ТОКАМАК И ДРУГИЕ

Токамак – это сокращение слов «тороидальная магнитная камера». И в самом деле, главная часть установки – тороидальная (в форме бублика) магнитная камера, внутри которой и удерживают раскаленную плазму при температуре в несколько сотен миллионов градусов сильными магнитными полями. Правда, впоследствии выяснилось, что удержать плазму таким образом даже 1 секунду – это большой успех. Поэтому американец Лайман Спитцер предложил свернуть бублик в восьмерку. Такая ловушка получила название стелларатор, на ее основе развернулись американские программы термояда. Впрочем, последнее время и в США все более популярными становятся токамаки.

А недавно в Японии на токамаке JET-upgradeудалось удержать плазму в течение нескольких секунд при температуре в 400 млн. градусов. Однако положительного баланса, когда реактор дает больше энергии, чем к нему подводят, добиться пока не удалось.

В Кадараше исходное сырье – водород – будет при помощи микроволн и электричества разогреваться до температуры 150 млн. градусов. При этом оно превращается в плазму, в которой происходят реакции синтеза – водород превращается в гелий – и выделяется энергия. Как показывают расчеты, таким образом можно получить в 10 млн. раз больше энергии, чем при сгорании угля, нефти или иного органического топлива, и в 100 раз больше, чем при расщеплении ядер урана.

Знакомьтесь: клэйтроника

Мы не раз рассказывали, как наши нанотехнологи создают устройства, которые бы собирали любую вещь или конструкцию из атомов и молекул. Сегодня рассказ о том, как проблему пытаются решить специалисты всемирно известной компании Intel, продемонстрировавшие недавно в Сан-Франциско свои последние разработки. Одна из самых интересных – первые механизмы-организмы на базе так называемой клэйтроники.

Сама идея не нова. Вспомним, например, как братья Стругацкие в повести «Попытка к бегству» описывают Яйцо, из которого за несколько часов «вылупился» глайдер-антиграв «Кузнечик» – «надежная шестиместная машина, очень популярная у десантников и следопытов». «Он стоял на краю громадной ямы-проталины, откуда поднимался густой пар, и гладкие борта его были еще теплыми, а в кабине было даже жарко».

Недавно даже такой серьезный научный журнал, как Nature, опубликовал статью, где красочно расписывается распространение нанороботов к 2100 году. Даже дома перестанут строить. Подъедет грузовик, из его кузова выгрузят «механозародыш». А дальше как бы сам собой вырастет коттедж, электростанция или даже целый завод. Все зависит от программы, заложенной в этот самый «зародыш».

Более того, в США уже зарегистрированы десятки фирм и исследовательских групп, которые пытаются найти ключ к давней мечте человечества, хорошо знакомой всем нам по сказке о Емеле и щучьем велении.

Об успехах многих из них пока не слышно. Но Intelпублично продемонстрировала прототипы элементарных «кирпичиков» программируемой материи. Назвали это направление почему-то клэйтроникой ( clayпо-английски – глина).

Идея, лежащая в основе концепции, заключается в следующем. Специалисты Intelпытаются создать специальные искусственные «клатомы» – крошечные наноавтоматы. Они должны каким-то образом произвольно прицепляться и отсоединяться, перемещать себя друг относительно друга и – что немаловажно – обмениваться информацией о том, что им предстоит сделать.

Специалисты из Университета Карнеги-Меллона, с которыми сотрудничает Intel, показали с десяток разных опытных моделей клатомов, выполненных пока еще в достаточно большом масштабе. На них идет отработка первых этапов этой технологии. Пока что модельки, оснащенные электромагнитами, которые служат и для соединения, и для перемещения клатомов, ползают по столу и неким образом взаимодействуют между собой в очень примитивных вариантах – не больше 2–3 клатомов в одной «бригаде».

Прототипы будущих моделей наномеханизмов. Как видите, все они еще довольно внушительных размеров.

Правда, сами создатели этих микромашин полны оптимизма и показали ролик, иллюстрирующий поведение большой системы, на которой отрабатывается технология управления миллионами клатомов.

Сложность ведь не только в том, чтобы создать отдельные элементы и миниатюризировать их, нужно еще заставить их по сигналу извне совершать осмысленные действия в условиях, когда даже координаты отдельных клатомов толком неизвестны.

Специалисты надеются решить эту проблему, разработав принципиально новые управляющие системы, которые будут работать по псевдослучайному принципу, когда в массиве атомов случайным образом перемещаются незаполненные «дырки», коррекция движений которых осуществляется по вероятностному принципу. Показано было и то, как создатели клатомов намерены их производить в массовом количестве. Сначала с помощью более или менее стандартного литографического процесса «вытравливается» плоский рисунок – своеобразная «развертка» робота, а затем из нее «склеивается» особыми способами его объемный прототип.

Все это довольно любопытно, но многие специалисты справедливо указывают, что от первых экспериментов до создания настоящего, реально работающего Яйца еще далеко. Не случайно журнал Natureотводит на внедрение этой технологии без малого сто лет. Возможно, специалистам снова – в который уже раз?! – способна помочь природа.

Есть идеи получать клатомы аналогично тому, как природа строит вирусы и микробы. При помощи последних достижений генной инженерии можно создать некие псевдоорганизмы, которые будут не только выполнять определенные действия, но и окажутся способны к размножению. Но и здесь пока еще исследователи в самом начале пути.

Публикацию подготовил А. ПЕТРОВ

* * *

ПРИМЕТЫ БУДУЩЕГО
Вирусы-монтажники?

В Массачусетском технологическом институте проведена серия экспериментов с вирусами, которые, возможно, приведут к глобальному перевороту в… микроэлектронике, сообщает журнал Scientific American.

Началось все с того, что специалист по материаловедению Анджела Белчер и ее коллеги попытались понять, как моллюск «морское ушко» строит свою поразительно прочную раковину. Ученые провели серию экспериментов и выяснили: «морское ушко» вырабатывает особые белки, которые заставляют молекулы карбоната кальция выстраиваться в две совершенно различные, но легко сочетаемые кристаллические структуры: одну прочную, а другую быстрорастущую.

По результатам своих исследований Белчер защитила диссертацию в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и вскоре стала профессором Массачусетского технологического института (МТИ). Вот тогда она и решила заняться поиском или даже созданием биологических организмов, которые, подобно «морскому ушку», были бы способны строить из молекул, словно из кирпичиков, сложные структуры.

Анджела Белчерв лаборатории.

«В современной нанотехнологии такая стратегия называется самосборкой, – поясняет профессор Белчер. – Однако неповоротливое и медленно растущее «морское ушко» нас уже не устраивало. Нужен был маленький, гибкий и подвижный организм».

Испробовав немало вариантов, Белчер в конце концов остановила свой выбор на бактериофаге М13 – безвредном для человека вирусе, паразитирующем на бактериях. Его нитевидное тело состоит из единственной цепочки ДНК, окруженной 2700 молекулами одного белка по бокам и несколькими молекулами других белков на концах. Немалое значение для выбора играл и тот факт, что фаг можно конструировать из различных видов белков методами современной генной инженерии, получая миллиарды сочетаний. «Это был редкий случай, когда физики позаимствовали достижения биологов, – вспоминает А. Белчер. – Мне удалось всего за 300 долларов купить всю базу данных о разновидностях М13».

Биологи давно используют химическую избирательность фага М13 и его способность связываться с определенными органическими соединениями для идентификации проб неизвестных веществ. Белчер же показала, что вирус способен соединяться и с неорганическими молекулами, такими как металлы и полупроводники.

Чтобы заставить фаг связываться с нужными молекулами, исследователи обычно используют процесс так называемой направленной эволюции. Образец материала помещают в пробирку с миллиардами различных вирусов, потом промывают его и помещают в агрессивную среду (например, с повышенной кислотностью), чтобы удалить плохо прилипшие фаги. Оставшиеся на образце экземпляры М13 размножают, инфицируя ими бактерию-хозяина. В результате размножения появляются триллионы перспективных разновидностей фагов, которые используют на следующем этапе эволюции. Затем химический состав раствора изменяют, чтобы еще затруднить связывание фага с нужным веществом.

Ослабевшие вирусы снова смывают, а оставшиеся – размножаются. Затем процесс повторяется еще и еще раз во все более жестких условиях. Так после двух-трех недель дарвиновской эволюции из многих вариантов фага остается лишь самый цепкий – тот, который лучше всех сцепляется с данным материалом.

Вирусы М13образуют золотые связи между органическими кристаллами.

Если в раствор, содержащий, например, ионы золота, поместить фаг с высокой избирательностью к этому металлу, то он вскоре покроет себя пленкой драгоценного металла и превратится в проволочку длиной 1 мкм, пригодную для соединения элементов микросхемы. Более того, такой вирус, соединяясь с себе подобными, образует сеть золотых микропроводников.

Впрочем, вирусы М13 способны самоорганизовываться в сложные структуры, покрывая себя не только золотом, но и иными веществами. Так, например, недавно А.Белчер смогла заставить фаги сформировать металлическую пленку площадью 10 кв. см и толщиной менее 1 мкм.

Сейчас А.Белчер и ее коллеги из МТИ Ет Мин Чианг, Паула Хэммонд и Ки Тэ Нам изготавливают из таких пленок электроды для сверхлегких литий-ионных аккумуляторов.

Схема получения литий-ионных аккумуляторов по новой технологии.

Катод можно сделать из листа специально выведенных фагов, покрывающих себя золотом для увеличения электропроводности и оксидом кобальта для обеспечения ионного обмена с электролитом батареи. Двухслойный электрод формируется самостоятельно на предварительно подготовленном полимерном электролите.

Теперь группа Белчер работает над получением фагов для выращивания анода. Кроме того, разработчики пытаются создать пленки с чередующимися на их поверхности положительными и отрицательными электродами, чтобы можно было соединять их последовательно и получать более высокое напряжение. Малая величина расстояний между электродами обеспечивает быстроту перезарядки аккумулятора, а также оптимальное использование компонентов. Таким батареям можно будет придавать любую форму, что позволит экономить место в самых разных устройствах. Особенно заинтересовалось этим обстоятельством министерство обороны США. Ведь современные самолеты и прочая военная техника содержат множество батарей электропитания. И снижение их веса, габаритов чрезвычайно важно для военных.

Фаги могут образовывать весьма необычные структуры.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

КАК ЗВЕЗДА УТРОИЛАСЬ…Самая большая звезда галактики Млечный Путь, где находится наша планетарная система, на самом деле представляет собой три разных небесных объекта. К такому неожиданному выводу пришла международная группа астрономов во главе с испанцем Хесусом Маисом из Астрофизического института Андалусии.

Речь идет о звезде Писмис 24-1, расположенной в 8 тыс. световых лет от Земли, в созвездии Стрельца. Ранее предполагалось, что объект своей массой в несколько сот раз превышает массу Солнца и является самой большой звездой Млечного Пути. Однако благодаря результатам комплексного наблюдения с поверхности нашей планеты и космического телескопа «Хаббл» астрономы получили данные, опровергающие предыдущие догадки. Теперь полагают, что Писмис 24-1 состоит из одинарной и двойной звезд. Каждая из них в 70 раз больше Солнца, что и позволило этим объектам все же остаться в числе 25 самых крупных звезд Млечного Пути.

ОСЫ ПРОТИВ… ТЕРРОРИСТОВ. Именно насекомых в качестве своих помощников намерены использовать в ближайшем будущем немецкие специалисты. При этом они не намерены дрессировать их, приучая жалить террористов и прочих преступников в самые уязвимые места. Нет, эксперты думают использовать особенности крошечных насекомых, известных науке под именем «микроплитис кросейпес». Оказывается, эти близкие родственники обыкновенных ос обладают необычайно тонким нюхом и способны, если их натренировать, учуять запах взрывчатки за сотни, а то и тысячи метров.

МОТОЦИКЛ ИЗ ДЕРЕВА. Его создал байкер Иван Трофимов из Екатеринбурга. Подобно своему земляку Ивану Артамонову, который, как говорят, некогда построил в этих местах первый в мире велосипед, байкер изготовил свой мотоцикл из березовых дощечек, поставив всю конструкцию на колеса от обыкновенной деревенской телеги. Необычный агрегат, по словам очевидцев, привлекал внимание не только своим экзотичным внешним видом, но и страшным шумом во время движения.

ТЕРАСКАНЕРЫ ВИДЯТ ВЗРЫВЧАТКУ ИЗДАЛЕКА. Высокочувствительные сканеры, способные обнаруживать взрывчатку на расстоянии, размещены в комплексе зданий лондонского района Кэнери-Уорф. Данная система позволит выявлять взрывчатые вещества и их компоненты, включая жидкие, даже в том случае, если они будут упакованы.

Кэнери-Уорф выбран пионером для практического использования новой системы в связи с тем, что этот район, где размещены офисы ведущих мировых банков, является, по данным британских спецслужб, целью номер один для террористической организации «Аль-Каида».

Система обнаружения основана на использовании терагерцовых волн, или Т-волн, которые обеспечивают более детальное изображение, чем рентгеновские сканеры.