Такой звездолет может быть только с дистанционным источником энергии. Единственным топливом, у которого удельная плотность энергии достаточна для разгона до релятивистских скоростей, является антивещество, но у него слишком низкий КПД производства. Так что ускоряться придется с помощью светового паруса, на котором сфокусирован пучок излучения из мощного лазера, ну или чего-то в том же духе.
Если мы хотим разогнать не что-то мелкое и выдерживающее колоссальные ускорения, а большой корабль с живыми существами на борту, то ускорение корабля должно быть порядка ускорения земной силы тяжести g=9.8 м/с2. Но в этом случае путь разгона до околосветовой скорости будет порядка светового года. А если ускорение меньше — то пропорционально больше.
Световые лучи испытывают дифракционную расходимость. Угол дифракционной расходимости порядка θ = λ/D, где λ – длина волны, D – ширина апертуры излучателя. Если требуется сфокусировать излучение на парусе на расстоянии одного светового года — потребуется лазер с огромной эффективной апертурой.
Придумыванию, как обойти эту проблему и посвящен данный труд.
Чтобы пучок не расходился, нужно для него сделать некий аналог световода. Попробуем использовать преломление света в межзвездной плазме. В плазме фазовая скорость света больше, чем скорость света в вакууме (групповая скорость понятно всегда меньше скорости света), а коэффициент преломления соответственно меньше 1.
Представляется такая схема: звездолет с помощью магнитного поля расталкивает межзвездную плазму, оставляя за собой цилиндр, очищенный от нее (и заполненный только нейтральным межзвездным газом). Внутри этого цилиндра коэффициент преломления будет больше, чем в окружающем пространстве, в котором плазма есть, так что если угол падения излучения на плазменные стенки меньше угла полного внутреннего отражения - получится световод. Сквозь этот световод можно пустить световой пучок от лазера у точки отлета, который будет разгонять звездолет. Проникновению плазмы внутрь световода будет препятствовать давление лазерного излучения, возникающее за счет его дифракционной расходимости и полного внутреннего отражения от плазменных "стенок" световода. Так что световод будет поддерживаться сам, да еще и всегда вести к кораблю. В общем, на качественном уровне все прекрасно сходится.
Звездолет и волновод.
Перейдем к количественным оценкам.
Волновод в межзвездной плазме
Для начала прикинем, при каком максимальном угле расходимости пучка возможно отражение его от межзвездной плазмы. Коэффициент преломления плазмы n = (1-(νp/ν)^2)1/2, где νp – плазменная частота, пропорциональная корню из концентрации электронов в плазме ne, ν=c/λ – частота излучения. Характерная величина плазменной частоты для межзвездной среды – килогерцы, то есть много меньше любых разумных частот разгоняющего излучения ν. Для случая ν»νp нетрудно показать, что диаметр пучка D, при котором угол его расходимости θ становится меньше угла полного внутреннего отражения плазмы, должен быть D > λp=c/νp, т. е. длины волны излучения с частотой равной плазменной.
Плотность межзвездной плазмы в окрестностях Солнечной системы ne=0.12 электронов/см3. При такой плотности νp=3 килогерц, а λp = 100 км.
Теперь посчитаем давление излучения на стенки световода. Нормальное давление света на отражающую поверхность p = (2I/c) sin(θ)2, где θ - угол падения по отношению к касательной к поверхности, I — интенсивность излучения (мощность на единицу площади), c - скорость света. В данном случае, θ равен углу дифракционной расходимости пучка, т.е. порядка λ/D. Для стабилизации канала в плазме нужно, чтобы p было равно давлению ионизированной компоненты межзвездной среды pi = 2 ne kB T (где T — температура, kB — постоянная Больцмана, а дополнительная двойка оттого, что давление создают не только электроны, но и ионы H+). Отсюда равновесный диаметр канала Ds = λ ( 2I/с pi )1/2.
То есть величина Ds прямо пропорциональна корню из интенсивности разгоняющего излучения и прямо пропорциональна длине волны излучения. Выбрав интенсивность, можно подобрать длину волны, при которой выполняется условие Ds > λp.
Температура межзвездной плазмы в окрестностях Солнечной системы T = 6500 К, откуда pi = 2e-14 паскаль. При интенсивности 1 ГВт/м2, которая предлагается для разгона Starshot, соотношение Ds>λp достигается при λ>4 мм. Возможность получения такой плотности энергии в миллиметровом диапазоне представляется сомнительной. Так что возьмём интенсивность поменьше.
Снизу значение интенсивности разгоняющего излучения ограничивается тем, что корабль для создания волноводного канала должен «разгребать» межзвездную плазму, то есть преодолевать давление ее встречного потока. При околосветовой скорости движения корабля и плотности плазмы, указанной выше, давление натекающей плазмы будет равно давлению света (на зеркально отражающую поверхность) с интенсивностью около 3 КВт/м2.
Так что для разгона выберем на порядок большую интенсивность, I=32 КВт/м2. Это при D=λp соответствует полной мощности пучка W = D2 I = 1/500 от полной мощности падающего на Землю солнечного света, или 4 грамм/сек массового эквивалента энергии. В этом случае требуется λ>1 м.
При фиксированной полной мощности пучка W перпендикулярное давление пучка p обратно пропорционально D4. Это защищает от неустойчивостей относительно сжатия или расширения канала-волновода — отклонения от равновесного диаметра будут самопроизвольно исчезать. Но, конечно, нет уверенности, что с другими типами неустойчивостей дело обстоит аналогично. Например, внутрь канала может постепенно просачиваться плазма, из-за чего эффект полного внутреннего отражения в итоге исчезнет. Проверка устойчивости волновода относительно такого эффекта требует решения системы дифуров, чем мы здесь заниматься не будем. Ограничимся предположением, что устойчивость можно повысить магнитным полем, генерируемым например током пучка быстрых тяжелых ядер пущенных внутри канала.
Поскольку для разгона придётся использовать радиоволны, в качестве паруса можно использовать проводящую сетку.
Система магнитного рассеивания плазмы и величина ускорения корабля
Рассмотрим вопрос убирания плазмы с пути корабля для создания волновода. Индукция магнитного поля, давление которого равно давлению набегающей плазмы при околосветовой скорости порядка B=1e-5 тесла. Ларморовский радиус электронов в таком поле - порядка нескольких сот метров. Это гораздо меньше характерных размеров паруса, так что плазму можно рассматривать как сплошную среду, и делает допустимой оценку, основывающуюся только на давлении.
Для создания такого магнитного поля в центре кольца тока с диаметром D=λp=100 км требуется ток 250 кА. Если взять в качестве проводника сверхпроводящие пленки YBCO (критический ток 90 МА/см2), то вклад собственно сверхпроводника в массу кольца будет пренебрежимо мал по сравнению с массой его несущей жилы, призванной препятствовать разрыву кольца силой Ампера. Если использовать для этой жилы углеродное волокно (напряжение разрыва 1.6 ГПа), то масса кольца, которое не разорвет взаимодействие магнитного поля с током, будет порядка 50 тонн.
Гораздо большую массу должна иметь упряжь, передающая тягу от паруса кораблю. Считая, что длина тросов порядка окружности кольца, и они сделаны из того же углеродного волокна, получаем их массу порядка 500 тонн.
Если взять массу самого корабля тоже порядка 500 тонн, то получается, что корабль будет иметь ускорение порядка 1 м/с2. Причем эту величина определяется только плазменной длиной волны λp и прочностью материала тросов, удерживающих парус (увеличивая мощность, нельзя увеличить ускорение, поскольку при большей мощности потребуются более массивные тросы).
В этом месте можно вспомнить, что λp определяется плотностью плазмы, а плотность межзвездной плазмы в окрестностях Солнечной системы такая, как сказано выше, потому как Солнце в настоящее время находится в межзвездном газовом облаке, креативно названном Местным Межзвездным Облаком (Local Interstellar Cloud, LIC).
А точнее, на границе между LIC и чуть более холодным облаком, названным облаком G (G cloud). Внутри последнего находится и Альфа Центавра.
Во все стороны вокруг этого островка сравнительно плотного газа на сотни световых лет простирается Местный Пузырь (Local Bubble), заполненный горячим разреженным газом. Местный Пузырь порожден серией взрывов сверхновых в ранее находившейся на этом месте области звездообразования.
Местный Пузырь
Электронная плотность в Местном Пузыре ne ≈ 0.005 /см3. Плазменная длина волны λp в таком газе в пять раз больше, чем в Местном Облаке (т. е. примерно 500 км). Примерно в такое же числа раз должна стать больше масса несущих тросов паруса корабля. И максимально возможное его ускорение сократиться до порядка дециметра/сек2.
В общем, разгон волноводолетов в неплотных частях Местного Пузыря сильно затруднен.
Солнце вошло в Местное Облако примерно 10 тысяч лет назад и примерно через 10 тысяч лет из него выйдет. А вот Местный Пузырь оно будет пересекать миллионы лет. Так что с запуском волноводолета надо поторопиться. Впрочем, кроме Местного Облака, внутри Местного Пузыря есть и другие аналогичные облака.
Торможение
Магнитное поле корабля, которым он расчищает канал от плазмы, после окончания ускорения и отключения пучка можно использовать как магнитный парашют для торможения при приближении к цели.
Торможение также можно обеспечить и с помощью схемы, придуманной для лазерных парусов — парус с магнитным кольцом сбрасывается, улетает вперед, пробивая волновод в плазме, и отражает пучок назад, на дополнительный парус корабля.
Поскольку зеркало и парус корабля должны находиться в одном пучке, нужно как то обеспечить, чтобы на парус корабля давило только излучение спереди, отраженное от зеркала. Это можно сделать за счет поляризации излучения. Например, сделав парус корабля пропускающим излучение с линейной поляризацией вдоль какой-то оси. Медленно поворачивая плоскость поляризации излучения источника и парус корабля, можно добиться, чтобы излучение от источника всегда приходило на парус с поляризацией, при которой он пропускает, а запаздывающее отраженное излучение — с поляризацией, при которой он отражает.
Но со всей этой схемой есть такая проблема - излучение нельзя отключать. Можно только сэкономить энергию, увеличивая длину волны и уменьшая мощность пучка, когда корабль на участке пути, где ускорение не требуется. Если излучение полностью выключится хотя бы на долю секунды, канал в межзвездной плазме тут же схлопнется, и при вторичном включении уже не восстановится.
В принципе можно запустить вслед легкий корабль, который пробьет новый канал, догонит основной корабль, и пролетит рядом, чтобы потом основной корабль (предварительно убрав свое магнитное поле, выключив ток в сверхпроводящем кольце), мог на реактивных двигателях боковым ходом зайти в новый пучок (после чего восстановить ток в кольце, черпая энергию из пучка).
Зато корабль в некоторых пределах сможет менять направление движения, как при разгоне, так и при торможении, без перенаправления излучателя. Это связано с тем, что канал не обязательно должен быть идеально прямым - при угле поворота канала менее λ2/λp3 = 10 радиан на световой год луч будет удерживаться в волноводе.
Выход из Солнечной системы
Рассмотрим вопрос, можно ли поместить источник радиоволн внутри Солнечной системы, чтобы питать его непосредственно от Солнца. Ведь параметры межпланетной плазмы (т. е. солнечного ветра) сильно отличаются от параметров межзвездной среды, так что и участок волновода в межпланетной среде должен существенно отличаться по диаметру от своего межзвездного продолжения, если вообще будет стабилен.
При постоянной полной мощности пучка равновесный диаметр канала Ds пропорционален 1/pi1/4, а отношение Ds/λp пропорционально (ne/T)1/4. Так что если где-то (в межзвездной среде) выполняется соотношение Ds>λp, то в межпланетной среде оно тоже будет выполняться, если температура межпланетной среды больше температуры межзвездной в меньшее число раз, чем плотность межпланетной больше чем межзвездной.
На орбите Земли средняя плотность медленного солнечного ветра примерно в 50 раз больше, а температура — в 10 раз больше локальных межзвездных. Так что, если волновод идет строго вдоль радиуса от Солнца (так что можно не учитывать давление солнечного ветра связанное с его направленным движением), условие вроде как выполняется. А Ds=20 км, так что мы даже можем использовать не очень большую антенну.
Но с расстоянием плотность солнечного ветра падает гораздо быстрее, чем температура, так что соотношение перестает выполнятся уже на нескольких астрономических единицах от Солнца.
Отношение (ne/T)1/4 в зависимости от расстояния до Солнца, нормированное на его значение для межзвезной среды
Величина же λp растет с расстоянием линейно, и на 100 аст.ед. превышает 1000 км. Дальше начинается гелиопауза, где солнечный ветер сталкивается с межзвездным газом и тормозится, отчего резко поднимается температура, и с поддержанием канала все будет совсем плохо.
Так что излучающую антенну видимо придеться размещать на Седне, и питать ее от огромных термоядерных реакторов на дейтерии, добываемом из ее же льда. А за счет отведенного тепла реакторов можно превратить Седну в планетоид-сад. Ведь при 30% КПД генерации излучения, средняя мощность реакторов на единицу площади Седны (диаметр 960 км) во время разгона корабля будет равна солнечной постоянной на Земле. ]]>
Российские шинопроводы и корейские преобразователи (слева) в здании магнитных конверторов.
Производство
2020 год отметился передачей с производства на монтаж сразу нескольких важнейших компонентов международного токамака. Речь идет про первый сектор вакуумной камеры, сразу несколько магнитов тороидального поля, первую катушку полоидального поля, основание криостата и множество более мелких, но от этого не менее важных элементов.
Южная Корея в конце 2019 года закончила сварку-сборку первого сектора вакуумной камеры (из 4, изготавливаемых в Корее). Это сложнейшее изделие весом в 440 тонн - двухстеночный сосуд со стенками толщиной до 60 мм (в среднем - 40) и сложной структурой между стенок (здесь находятся элементы крепления первой стенки и сборки стальной биозащиты).
Первый в своем роде сектор вакуумной камеры токамака ИТЭР
Кстати элементы защиты представляют собой вот такие блочки из борированной стали, производство 9000 единиц которых Индия закончила в 2020 году.
Задачу производства сильно осложняет геометрия сектора, с повсеместными поверхностями двойной кривизны, на фоне высочайших требований к точности изготовления.
Корейский производитель выпустил неплохой ролик, в котором видна титаническая работа по созданию этого изделия.
Впрочем, чудо производственных цепочек - на подходе уже второй корейский сектор, который должны сдать в первом полугодии 2021, а затем и 2 заключительных, ожидаемых в Кадараше до конца 2022.
В процессе сборки токамака в единую камеру необходимо множество всякой тяжелой оснастки (нужной для сохранения геометрии), также изготавливаемой в Корее. В частности нужны центральная колонна и активные радиальные подвесы, на картинке ниже покрашенные зеленым.
Так вот, в 2020 году эти элементы были произведены и протестированы, и уже в 2021 они должны пойти в дело.
Вместе с каждым сектором вакуумной камеры в шахту устанавливается и по две 320 тонные катушки тороидального поля - мощнейшие, на сегодня, магниты в мире. Производство 18 этих магнитов началось аж в 2009 году и включало в себя 6 больших этапа: производство сверхпроводящих кабелей, радиальных плат, сборка сверхпроводящих длинн, сборка намоточных пакетов, производство корпусов катушек, сборка катушек. И вот, наконец, в 2020 году с Японского и Европейского конвееров начали сходить готовые катушки, коих к концу года набралось уже 5 штук готовых.
Первые две готовые тороидальные катушки на площадке в Кадараше в процессе подготовки к сборке с первым сектором тороидальной камеры.
И чуть раньше - в процессе заварки проема, через который намоточный пакет сверхпроводящего кабеля вставлялся в силовой корпус катушки.
И еще одно фото этого же процесса для лучшего понимания масштаба.
А вот тут другой техпроцесс - заливки внутренностей катушки эпоксидной смолой, для чего ее приходится подогревать и наклонить на 10 градусов.
Удивительно, но на старте проекта эти магниты считались одним из главных технологических вызовов, во многом определяющих его сроки и стоимость. Однако промышленность в блеском справилась с этой задачей. В том числе необходимо отметить российский ВНИИКП, изготовивший 22 километра сверхпроводяшего кабеля из стрендов ТВЭЛ, находящегося сейчас внутри готовых магнитов.
Кроме тороидальных магнитов, в токамаке есть еще 4 других типа: центральный соленоид, полоидальные, корректирующие и внутрикамерные теплые магниты вертикальной стабилизации и подавления ELM. С точки зрения графика сборки самыми важными являются полоидальные катушки PF6 и PF5 а также набор из 6 нижних корректирующих магнитов.
18 корректирующих магнитов будут расположены вот в такой конфигурации. Это "маленькие" магниты с 32 или 40 витками сверхпроводящего кабеля с током 10 кА нужны для управляемой коррекции поля основных магнитов.
PF6 была изготовлена еще в 2019 году в Китае, однако добралась до Кадараша только к сентябрю месяцу, причем, подозреваю, пандемия была только отговоркой и речь шла о каких-то устранимых косяках. С октября по конец декабря было проведено холодное тестирование PF6 и наконец, 400-тонная красавица практически готова к установке в нижней части основания криостата (из которой она потом перекочует на крепления внизу “бублика”, когда он будет собран в шахте).
Катушка PF6. По клику картинку можно открыть в полный размер и поразглядывать ее детали - соденинения слоев между собой, коллекторы охлаждающего гелия и кабели от датчиков температуры и напряжения
Другая катушка PF5, диаметром 17 метров, изготавливалась сразу на площадке ИТЭР, наряду с другими 4 полоидальными, размеры которых не позволяют их транспортировать. В середине декабря она была установлена в тестовый стенд и через несколько месяцев можно ожидать сдачи.
Ситуация с сверхпроводящими корректирующими катушками заметно печальнее. Ответственный за их изготовление Китай еще в в 2018 году рапортовал об окончании изготовления первого магнита, и отправки первых магнитов в конце 2019. В конце 2019 года речь шла о тестировании магнита и отправке первых 4 штук в начале 2020. Однако на сегодня поставка так и не произошла, во всяком случае нигде публично это озвучено не было. К сожалению, корректирующие катушки невозможно установить после начала сборки вакуумной камеры, так что если китайцы не хотят нарушить график сборки им надо поторопиться и с этим элементом.
Процесс вставки сверхпроводящей обмотки нижней корректирующей катушки в силовой стальной корпус, 2018 год.
В 2020 активно производились и устанавливались элементы системы электропитания магнитов ИТЭР. Напомню, что хотя магниты и сверхпроводящие, и их вроде как можно не подпитывать, физика токамаков требует в процессе запуска менять (порой очень резко) напряженность поля и соответственно ток. Учитывая физические размеры магнитов и запасенную в них энергию поля, мощность преобразователей, управляющих током, получается грандиозная. В 2020 году на площадку Кадараша начали поступать серийные тиристорные синхронные выпрямители мощностью от 10 до 50 мегаватт, производства Южной Кореи и Китая. Еще одним важным элементом, отгрузка которого начата в прошлом году стали российские коммутирующие модули: первые 10 из 150 единиц оборудования уехали во Францию в ноябре. Продолжалась и производство и поставка алюминиевых шинопроводов для 20 линий питания магнитов.
Первые конверторы (12-пульсные тиристорные синхронные выпрямители) в здании...
А так же их сглаживащие индуктивности, выключатели и прочая машинерия.
Быстрые пневматические выключатели FMS на ~50 килоампер тока и несколько киловольт напряжения. Если у вас возникает вопрос, что же тут коммутируются - то приглядитесь к алюминиевому листу на "столе" - это один "провод", а второй находится под столом (подробнее про устройство)
Несколько интересных производственных историй касаются силового каркаса магнитной системы. Сочетание 15 мегаампер тока плазмы и полей в 6-13 Тесла рождает в магнитах совершенно разнообразные по направлению силы величиной до десятков тысяч тонн. Чтобы удержать геометрию магнитной системы используется множество хитрой механики, гибкой в одном направлении и жесткой в другом.
Давайте попробуем тут нырнуть совсем в детали и посмотреть на одно устройство, отвечающее за преднатяжение центрального соленоида.
Очень подробное изображение центрального соленоида со всеми его механическими структурами.
А вот и одна из деталей структуры ЦС. Наблюдательные читатели скажут - какая.
Центральный соленоид, 6 магнитных модулей которого находятся на разных стадиях изготовления (в частности 1 уже полностью готов) будет стянут в продольном направлении с усилием 21000 тонн.
Для понимания цифр в "футбольных полях" - для такого усилия вам понадобится как раз 2 таких пресса.
Зачем это надо? Дело в том, что в процессе запуска в ЦС ток будет быстро снижаться до нуля и до сильно отрицательных значений, причем в разным модулях с разной скоростью. В какие-то моменты они начнут расталкивать друг друга, и чтобы стабилизировать стуктуру и нужна система преднатяжения.
Практически готовый модуль ЦС в процессе проверки геометрии. Вес этого изделия - 109 тонн.
Для этого используются продольные стальные пластины и специальные блоки-натяжители, 9 комплектов на весь ЦС. В каждом блоке-натяжителе есть 5 болтов, которые упираются в верхний модуль ЦС и тянут за продольные пластины нижнюю часть ЦС, таким образом создавая компрессию.
Upper Key Block упирается в синий элемент под собой и через Tie Plate'ы тянет нижнюю часть соленоида к себе.
А теперь перейдем от абстрактных десятков тысяч тонн к конкретным 467 тоннам, которые должен создать каждый из болтов. Много это или мало? Затягивая стандартным ключем болт мы можем создать осевое усилие в нем примерно в 70-80 раз больше усилия на обычном ключе, и в 200-400 раз - на хорошо удлиненном ключе. В данном случае было бы приложить усилие в 1,2-1,5 тонны на 9-метровом ключе. Это нереальные значения, поэтому возникает идея использования гидравлических натяжителей. К сожалению, на магнитах ИТЭР запрещено использование маслонаполненного инструмента, да и места под гидроголовку стандартного инструмента маловато. Поэтому сегодня рассматривается 2 варианта - либо специально спроектированный под задачу гидронатяжитель с водой, либо специальные болты, называемые Multi Jackbolt Tensioner. Это очень интересные механические натяжители, активно использующиеся там, где требуется слишком большое натяжение.
Рекламный ролик, подробно рассказывающий о MJT. Коротко - маленькие болтики упираются в шайбу и вытягивают тело основного болта.
Для рассматриваемого случая нужно было бы MJT с 24 болтами-вставками, натяжение в 20 шагов и всего ~120000 операций докручивания болтов-вставок, что заняло бы 1,5 месяца работы нескольких бригад. Такая вот мелочь.
Опытный MJT для ЦС ИТЭР устанавливается в устройство для измерения создаваемого натяжения.
Можно еще отметить хитрые опоры ЦС, на которых он снизу прикрепляется к тороидальным катушкам таким образом, чтобы радиальные движения ТК не смещали ось ЦС. Еще этому будет способствовать комплект преднапряженных стеклопластиковых колец, которые будут распирать ТК снизу и сверху. Эти кольца были изготовлены во Франции в 2019-2020 году и совсем скоро пойдут в шахту реактора.
Парочка производственных новостей касаются внутренних устройств вакуумной камеры. Устройства эти понадобяться не скоро, но это одна из самых сложных частей ИТЭР - высокий вакуум, радиация, мощнейшие тепловые нагрузки от плазмы, сложная геометрия. К этим устройствам можно отнести "первую стенкку" - активно охлаждаемые панели, облицованные берилием, которые будут обращены непосредственно к плазме...
Прототип одной из 440 панелей первой стенки
... защитные блоки, представляющие собой ~5 тонные стальные изделия, наполненные водой, задача которых принять в себя нейтронное и частично - гамма-излучение от термоядерной реакции. Именно на них будут крепиться панели первой стенки.
Первый серийный корейский защитный блок (корея отвечает за производство 220 блоков)
И, наконец, дивертор, устройство, на которое будет стекать термоядерная плазма (после чего она охлаждается и откачиватся, тем самым обеспечивая циркуляционную очистку плазмы). Дивертор будет устанавливаться в вакуумную камеру ~2030 году, но производство его главных рабочих поверхностей, облицованных вольфрамом, индустрия пробудет уже сейчас, пытаясь понять глубину технологической пропасти, в которую придется опуститься.
Европейский элемент дивертора
И российский элемент дивертора
Еще из “реакторной” части проекта в 2020 году была закончена крышка криостата, конечно, поражающая своим абсурдным размером (напомню - ее диаметр 30 метров).
Среди “внешних” систем можно отметить продолжающееся производство гиротронов Японского и Российского производства. Удивительно, конечно, как неровно выходит производство компонент в таком проекте. Сложнейшие высокотехнологичные радиолампы, которые способны производить 3 фирмы в мире, сделаны уже с запасом к первоначальным планам, а “простые” опоры для тороидальных магнитов отстают от сроков на 2 года.
Японские гиротроны скучают в ожидании монтажа. Кстати, белые фланцы, обращенные к нам - это выход микроволнового излучения, и окно в нем сделано из алмаза.
Индия продолжала поставки сегментов криолиний, представляющих из себя вакуумируемые трубы приличного диаметра, внутри которых проложены трубы с криожидкостями и газами, а также установлены криоэкраны.
Сварка трубопроводов криолиний в глубине подвального этажа B1 здания токамака.
В заключение раздела “производство” хочу показать еще один момент, скорее про монтаж, но тем не менее - радиационно-защитные двери ИТЭР. В силу того, что в “бублике” вакуумной камеры организовано аж 45 больших проходок - портов, шахту реактора окружает 45 порт-камер - помещений, в которых расположено продолжение оборудования, заходящего в данный порт. Для организации биозащиты в этих проемах от нейтронного и гамма-излучения реактора, мощность дозы которого на стенке реактора будет достигать ~100000 рентген в час, организутся пробки нейтронной защиты из карбида бора, стали и воды и биозащиты от гамма-излучения в виде бетонной пробки. Однако чтобы погасить все, что прошло вдоль элементов оборудования и защитить окружающие здания в конце каждой порт-камеры установлена 100-тонная дверь с заполнением тяжелым бетоном. В целом в здании реактора нужно было установить 60 таких дверей, что и было завершено осенью 2020 года.
Исследования и разработка
ИТЭР в целом потребовал и требует невероятного объема работы ученых, исследователей, разработчиков и инженеров - даже без индустриальных партнеров эти затраты превышают 10000 человеко-лет. Однако немаленький кусок все еще остается. В 2020 году был опубликован план поддерживающих R&D (в 120 пунктов), в физической части которой будут задействованы все современные токамаки мира и множество специализированных установок и стендов.
Стенд SPIDER представляет из себя радиочастотный ионизатор газа низкого давления с вытягивающей отрицательные ионы электростатитческой системой. Все это сложновато разглядеть за сплетением труб охлаждения, медных шин и прочих штанг.
Самым большим блоком остается создание инжекторов нейтралов, под которые в Германии создан крупный стенд ELISE, в Италии построена сразу большая лаборатория с двумя большими установками SPIDER и MITICA. Наукоемкость и сложность этой системы, пожалуй, самая высокая во всем ИТЭР, и несмотря на уже 10 лет разработки, нужные удельные показатели по току ионов и доле электронов в этом токе пока не достигнуты.
MITICA - это не просто стенд, это целый комплекс установок.
Важной частью исследований является подавление срывов плазмы с помощью ввдувов газов и стрельбы замороженными льдинками (льдинки на скорости 200-400 м/с лучше всего доносят холодное вещество до центра плазменного шнура). Эти исследования ведутся на американском токамаке DIII-D и корейском KSTAR.
Интересная развертка стенки токамака DIII-D где подписаны порты всех систем диагностики, нагрева и т.п.
Громадный объем R&D касается диагностических систем ИТЭР - т.е. его научных приборов. Чтобы не множить общие слова, предлагаю заглянуть внутрь разработки российских систем диагностики - например первых зеркал прибора спектроскопии водородных линий или нейтронного коллиматора анализатора нейтральных частиц плазмы. Можно посмотреть на инженерию и вроде бы более приземленных вещей, например, роботосовместимых болтов крепления первой стенки к защитным блокам или посмотреть как тестируют вакуумно-плотных разъемов для ИТЭР на термоциклы.
Надо отметить, что вложения в людей и технологии, которые происходят в рамках этой масштабной разработки термоядерного реактора, безусловно дают и дадут положительный эффект в других, не связанных с ИТЭР полях. Знания, технологии, инженерные решения, квалификация кадров - можно считать все эти расходы инвестициями в длинном ряду отраслей и направлений.
Заключение
Еще один год принес для проекта международного термоядерного экспериментального реактора множество положительных сдвигов в части монтажа систем и элементов. Более того, робко стартовавшие в 2019 году первые функциональные тесты начали шириться и разрастаться и можно ожидать в 2021 готовности первых больших сервисных систем. Мы постепенно подходим к моменту, когда идеи, заложенные в машину, качество исполнения и организация проекта будут проходить суровый экзамен сдачи в эксплуатацию, и именно он будет определять кто же прав - критики проекта или его поклонники. Но, как мне кажется, успехи 2020 года позволяют поддерживать умеренный оптимизм по поводу будущего ИТЭР.
]]>
Сразу объединения зданий началось испытания крановой системы и реакции металлоконструкций зданий (на фото выше краны как раз стоят на перемычке). Напомню, что спарка мостовых кранов обладает грузоподъемностью 1500 тонн, а испытания проводились с нагрузкой 820 тонн на переднем кране и 150 на заднем.
Бетонные тестовые нагрузки по размерам и весу повторяют тороидальные катушки ИТЭР и на фото выше они находятся чуть ближе крышки, которая накрывала последние пару лет шахту реактора.
Кстати, похоже, что мостовые краны в ИТЭР рекордные: во всяком случае примеров кранов бОльшей грузоподъемности для этой конфигурации я не нашел. С одной стороны, опережение всех сталелитейных заводов мира разом впечатляет, с другой стороны это и некоторое проклятие со стороны физики. Если бы мостовые краны с грузоподъемностью 7500 тонн (вместо имеющихся 750) были бы обыденностью, то энергетический термоядерный реактор было бы сделать гораздо проще.
После проверки крановой системы и металлоконструкций зданий была выполнена разборка крышки шахты реактора. В этом процессе мы получили фотографию, как бы иллюистрирующую, как будет выглядеть сборка реактора.
Здесь спарка уже знакомых кранов тащит 100 тонную половинку крышки шахты. В течении ближайших 1,5 месяцев, если не помешает COViD, мы увидим, как в обратном направлении понесут 1250 тонное основание криостата, а летом - различные внутрикриостатные элементы - нижние катушки PF5 и PF6 (которые в ближайшие 2-3 месяца должны испытать на криогенном стенде), фидеры для сверхпроводящих катушек, башню-опору для сборки тороида токамака, композитные силовые элементы и т.п.
Впрочем шахта реактора еще не совсем подготовлена к началу монтажа, но будем надеятся, что в ближайшие недели различные работы по монтажу креплений криостата удаться довести до конца.
Ну и напоследок - фото выгрузки японской тороидальной катушки TF12 (одной из 18) в начале апреля в порту рядом с Марселем, откуда к концу апреля ее должны доставить на площадку ИТЭР. Вместе с тоже недавно изготовленой итальянской, корейскими тепловыми экранами (уже на площадке) и корейским сектором вакуумной камеры (все еще не отправлен) они должны составить первый готовый сектор тороида.
]]>
Основная задача этой системы - охлаждение и реконденсация пара, который может появится в случае разрыва каких-то труб первого или второго контура. В самом худшем случае это главный циркуляционный трубопровод связывающий реактор и парогенераторы. Благодаря спринклерам давление пара не будет повышаться драматично, а останется в пределах того, что выдерживает герметичное отделение. ]]>
Брайан Мэй
НЕОБХОДИМЫЕ РАБОТЫ
Для превращения Венеры в нечто землеобразное нужно куда-то убрать 90 бар углекислого газа из атмосферы (1 гигатонна CO2 над 1 квадратным км площади), охладить ее поверхность на 460С, и добавить очень много воды (сейчас там количество водяного пара таково, что при конденсации получится слой со средней толщиной всего 5 см).
После всех этих процедур – как-то предотвратить обратный катастрофический разогрев с полным выкипанием океанов из-за петли положительной обратной связи. Увеличение количества пара в атмосфере усиливает парниковый эффект, от него увеличивается температура, вследствие чего увеличивается количество пара. Предполагается, что именно этот эффект когда-то и привел Венеру в нынешнее печальное состояние.
ПОЛЕЗНЫЕ ФАКТЫ
1) При температуре ниже 10С и давлении выше 40 атмосфер углекислый газ с водой образуют твердые клатраты. При температуре 4С клатраты стабильны при давлении 20 атмосфер. Для связывания одного килограмма CO2 требуется 2.35 кг воды. Клатраты плотнее воды, так что скапливаются на дне океана. Реакция образования клатратов экзотермическая, с выделением энергии, приблизительно равной энергии плавления льда.
2) Оптическая толщина комы кометы 17P/Holmes (диаметр 3 км) на линии взгляда в 2000 км от ядра составила 0.04 (во время крупного выброса газов и пыли мощностью 3.5e5 кг/с). Оптическая толщина ее комы по нормали к ядру (рассчитанная) была около единицы (т.е. интенсивность света ослаблялась в несколько раз). У непериодической кометы Bowell (1980b) (диаметр несколько км) оптическая толщина комы на расстоянии 540 км от ядра была 0.03.
3) Приливно-захваченные планеты могут выдерживать вдвое большую солнечную постоянную без катастрофического разогрева, чем планеты со сменой дня и ночи. Это следствие сильной асимметрии распределения облаков по полушариям на такой планете. На дневном полушарии будет вечный циклон с плотной облачностью, а на ночной – вечный антициклон с абсолютно ясной погодой и очень сухим воздухом. Облака отлично отражают солнечный свет в космос, но столь же прекрасно отражают и инфракрасное излучение от поверхности планеты обратно на поверхность (современная Венера из-за плотной облачности имеет альбедо 0.7 и формально поглощает меньшее количество солнечного излучения, чем Земля, но это не помогает ей охладиться). Отсутствие облаков и непрозрачного для инфракрасного излучения водяного пара на ночном полушарии позволяет инфракрасному излучению уходить.
ПЛАН
ЭТАП 1: Спутник
Добываем в поясе Койпера или облаке Оорта ледяное тело диаметром около 1800км. Серией гравитационных маневров выводим его на орбиту вокруг Солнца, близкую к орбите Венеры. В момент, когда койпероид проходит рядом с Венерой на расстоянии примерно 3 радиуса Венеры RV (в 1.5 раза больше, чем предел Роша для твердого ледокаменного тела), сталкиваем его с другим, меньшим телом, так чтобы он потерял скорость и оказался на вытянутой эллиптической орбите с перивенерием rp=3RV и аповенерием … ну, например, в половину радиуса сферы Хилла Венеры, т.е. ra=500000км. Период обращения будет TA = 17 дней.
Чтобы осуществить захват, нужно в момент прохода перивенерия уменьшить его скорость на 100 м/с в случае если скорость тела относительно Венеры на большом расстоянии от нее была близка к 0. А изменение скорости в перивенерии на 200 м/с позволит захватить тело, скорость которого на большом расстоянии была до 400 м/с. Такое изменение скорости мы можем обеспечить традиционным способом – ударом другим телом. Заметим, что около Венеры в качестве ударника можно использовать гораздо меньшее тело, чем при выбивании койпероида с его первичной орбиты в поясе Койпера, поскольку характерные скорости движение тел на близком расстоянии до Солнца гораздо больше, и соответственно движущиеся по орбитам тела несут больше энергии. Максимально доступная скорость ударника – 86 км/с, когда ударник на орбите близкой к параболической на встречном курсе встречается с Венерой (в нашем случае – с пролетающим в этот момент рядом с Венерой койпероидом).
Типичное тело пояса Койпера имеет среднюю плотность около 1.7 г/см3 и содержит около 40% воды по массе. Именно эти параметры будем предполагать ниже.
Так как изначальное имя койперода нам не важно, далее будем называть новоявленный спутник Венеры Адонисом.
Может возникнуть вопрос о устойчивости такой вытянутой орбиты. К счастью, орбита самой Венеры вокруг Солнца очень круглая, и гравитационное поле Венеры близко к сферически симметричное (несферичность Венеры примерно в 100 меньше, чем у Земли). Так что система Венера-Адонис-Солнце почти идеально удовлетворяет условиям ограниченной задачи Хилла.
Слева - орбита Адониса в течении 120 оборотов вокруг Венеры или 9 венерианских лет (координаты даны в радиусах Венеры); справа - величина перивенерия Адониса в единицах начального перивенерия в зависимости от времени (в венерианских годах).
Из-за влияния гравитационного поля Солнца, происходит прецессия перивенерия Адониса. Кроме того, при прецессии меняется угловой момент Адониса и, соответственно, осциллирует величина перивенерия (при сохранении величины большой полуоси). Минимальный перивенерий достигается, когда главная полуось орбиты направлена на Солнце, а максимальный - когда поперек этого направления. Соответственно, период осцилляции равен приблизительно половине венерианского года. Из результатов моделирования видно, что максимальное значение превышает минимальное примерно в 3 раза.
ЭТАП 2: Диск
Из-за вытянутой орбиты Адонис будет испытывать со стороны Венеры мощные переменные приливные силы. Выделяющееся за счет трения смещающихся под действием приливов пород тепло будет разогревать его недра. Так как объект ледяной, тепло будет тратиться на плавление и испарение льда.
Гравитационное поле Адониса слишком слабо, чтобы удерживать пар и уносимую его потоками пыль, так что Адонис превратится в огромную комету. А так как эта комета находится в потенциальной яме планеты, пар и пыль не будут утекать в межпланетное пространство мгновенно, и вокруг Венеры сформируется газопылевой аккреционный диск. Часть вещества из него будет утекать через верхнюю границу, унося момент импульса, а часть – тормозиться внутренним трением газа и падать на поверхность Венеры.
Таким образом, мы обеспечиваем плавную переправку воды с койпероида на планету. Плавная переправка лучше, чем традиционные схемы терраформирования, предполагающие перенос воды путем прямого обрушения койпероида на планету. От удара тела таких размеров, поверхность пережила бы полное расплавление, а большая часть воды улетела бы обратно в космос.
Кроме того, так как газопылевой диск будет иметь форму, аналогичному протопланетному, т.е. утолщаться с расстоянием до Венеры, то в случае, если его плоскость близка к плоскости экватора планеты, он полностью закроет Венеру от солнечного света.
Темпы испарения льда на Адонисе
Так как Адонис движется по очень вытянутой эллиптической орбите, в оценках мощности выделяющейся из-за приливного воздействия планеты энергии лучше исходить из формулы для приливной энергии, выделяющейся за один проход тела рядом с планетой
E1 = (3/5) hA/QA GMV2 * (RA5/rp6)
Здесь RA – радиус Адониса, rp – радиус перивенерия Адониса, MV – масса Венеры, hA – число Лава Адониса (одно из трех чисел, описывающих способность тела к деформации, названных в честь ученого по фамилии Love), QA – коэффициент диссипации приливной энергии.
Даже для хорошо изученных тел вроде Земли и Луны коэффициенты h и Q известны довольно неточно. Для тел с глубокими океанами, типа Европы, их значения оцениваются как h=1.2 и Q=100 (круглость числа как бы намекает на точность этих оценок). Будем полагать hA/QA=0.012, понимая, что оценки мощности и продолжительности для Этапа 2 могут отличаться от реальных в разы, а для Этапа 3 - могут быть подогнаны под желаемые выбором другого значения нового перивенерия (см. ниже).
Еще учтем, что из-за осцилляций перивенерия выделяемая приливная мощность меняется почти в тысячу раз с периодом около венерианского полугода, из-за чего средняя мощность приблизительно в 6 раз меньше максимальной.
Предположим, что масса льда составляет 40% от массы Адониса (типичное значение для койпероидов). Тогда можно подсчитать, что при предположении неизменности параметров Адониса в ходе испарения, лед полностью выпарится приблизительно за 6000 лет. Это оценка продолжительности Этапа 2.
В конце испарения льда, rp увеличится в 1.06 раз от первоначального, а RA – уменьшится в 1.25 раза. Из-за этого энергия приливного нагрева за один проход уменьшится на порядок. Но период обращения Адониса уменьшится до TA=5 дней. Амплитуда осцилляций перивенерия тоже уменьшится. В итоге эти разнонаправленные факторы компенсируют друг друга, так что средняя мощность нагрева останется приблизительно той же.
Размеры аккреционного диска и доля упавшего вещества
Сложнее всего точно оценить радиус диска rmax (т.е. его верхнюю границу). Сделаем прикидку из таких соображений – диск заканчивается на расстоянии, где средняя тепловая скорость молекул превышает разность второй и первой космических скоростей. «Обод» диска освещается солнечным светом, так что температуру можно положить равной равновесной температуре площадки перпендикулярной солнечным лучам на орбите Венеры T=460К. Тогда rmax=17RV.
Оценим долю вещества диска, которая упадет на Венеру, и долю, которая улетучится через верхнюю границу в межпланетное пространство. Это можно сделать, исходя из закона сохранения момента импульса и предположения, что средний удельный момент импульса вещества диска совпадает с удельным моментом импульса Адониса (т.е. вещество в среднем сохраняет угловой момент начиная от покидания Адониса и кончая покиданием диска), а также того, что и на верхней, и на нижней границе диска (т.е. на границе атмосферы Венеры) скорость вещества диска равна локальной первой космической. Если предположить, что интенсивность выбросов Адониса меняется синхронно с энерговыделением (меняющимся из-за осцилляций перивенерия), то основная часть вещества будет выбрасываться во время, когда угловой момент Адониса минимален. Отсюда, доля упавшего оказывается около 55%.
При падении вещества на Венеру будет выделяться тепло. Мощность энерговыделения на единицу площади Венеры будет порядка среднего потока солнечного излучения для Земли.
ЭТАП 3: Холод
Наша цель – охладить Венеру до такой температуры, при которой весь CO2 свяжется в клатраты.
Для этого нам нужно снизить темпы выпадения вещества. Дождемся момента, когда на Адонисе останется небольшая доля от первичного количества льда (обозначим η отношение этой доли к начальной массе), и устроим в аповенерии столкновение с еще одним ударником, чтобы увеличить перивенерий. Изменения скорости в аповенерии на 100м/с достаточно, чтобы поднять перивенерий в 1.5 раза. Это снизит темп выпаривания на порядок, а количество упавшего на Венеру в единицу времени вещества - раз в 15 (поскольку из-за увеличения углового момента Адониса уменьшится доля падающего на Венеру вещества). Средний поток энергии от падающего вещества уменьшится до величины порядка среднего потока солнечного излучения для Цереры.
Время выпаривания остаточной доли η воды будет около 60η тысяч лет. Исходя из теплоемкости водяного пара и углекислого газа, а также теплоты фазовых переходов, остывание и конденсация атмосферы займет около 1 тысячи лет. Так что минимально необходимое значение η около 2%, но, как мы увидим ниже, лучше сделать его побольше. Кроме η, введем еще ηупав, долю вещества, упавшего на Венеру в течении Этапа 3 по отношению к общему количеству выпавшего вещества. ηупав меньше η, так как доля вещества, улетающего в космос через верхнюю границу диска, на Этапе 3 больше, чем на Этапе 2.
После окончательного выпаривания на орбите Венеры останется каменное ядро Адониса. Если с ним ничего более не делать, то за счет продолжающейся приливной диссипации его орбита скруглится, после чего приливная диссипация на самом Адонисе прекратится. Дальнейшая эволюция его орбиты будет связана уже с приливами, которые Адонис вызывает на Венере. За счет взаимодействия с вызванной им приливной волной на Венере он будет терять угловой момент и уменьшать радиус своей орбиты. В итоге он войдет в область Роша и развалится. Вокруг Венеры образуется кольцо, материал из которого начнет интенсивно выпадать на ее поверхность (художественное описание похожего процесса, но для Земли, дано в романе Нила Стивенсона «Семиевие»). В общем, Венера разтерраформируется обратно.
Полагая, что число Лава терраформированной Венеры (Love number of Venus, да) и ее диссипационный фактор равны оным для Земли, можно подсчитать, что Адонис войдет в область Роша спустя всего несколько сот тысяч лет после вывода на орбиту.
Так что сразу после полного выпаривания надо избавится от каменного ядра. Разумеется, с помощью очередного, уже третьего по счету столкновения с ударником. Как говорится, «если у тебя в руках микроскоп – все вокруг кажется гвоздями». Для выбивания Адониса с орбиты Венеры потребуется изменить его скорость в перивенерии на 300 м/с.
Параметры аккреционного диска
Аккреционный диск, вообще говоря, греется и сам по себе, из-за трения между кольцами с разной скоростью. Температура нагрева зависит от количества вещества, дрейфующего сквозь диск к Венере, и расстояния до центра (формулы для расчетов параметров протопланетных и аккреционных дисков, использовашиеся здесь и ниже, см. напр. в pdf тут).
Распределение температур в диске в случае, если единственный источник тепловыделения – дрейф вещества к Венере.
Как видно из рисунка выше, температура диска вблизи Венеры равна 180К (т.е. минус 90С), и с удалением падает как r-3/4. Так что нагревом Венеры от излучения ближайшей к ней части диска можно пренебречь.
Другой источник нагрева Венеры - инфракрасное излучение "обода" диска, нагреваемого Солнцем. Равновесная температура "обода" приблизительно равна 290К. Но так как "обод" займет на небе Венеры не слишком большой телесный угол, средняя температура Венера при нагреве только от его инфракрасного излучения составит максимум минус 100С.
Толщина диска вблизи поверхности Венеры будет около h=500 км. Она растет с расстоянием от центра. Чтобы диск закрывал Венеру от Солнца, его толщина должна быть порядка радиуса Венеры. Для диска, нагревающегося только от дрейфа вещества, толщина растет с расстоянием как r9/8, так что нужная толщина достигается на расстоянии около 10 радиусов Венеры от центра. Но края диска греются еще и от Солнца. У изотермического диска толщина растет быстрее, как r3/2, и при температуре равной 290К нужная толщина будет на расстоянии всего 4 радиусов Венеры. Реальное значение будет где-то между этими двумя оценками.
Кроме толщины диска, степень экранирования зависит от оптической толщины диска в его плоскости, т.е. степени его прозрачности при взгляде с Венеры в сторону Солнца. Оптическая толщина связана с общим количеством вещества в диске. Количество вещества, которое может накопится в диске, пропорционально времени, которое вещество проводит в диске до падения на центр. Оно по порядку величины равно r2/ν, где r – радиус диска, ν – эффективная вязкость газа.
И вот тут мы внезапно оказываемся за границами не только моих личных вычислительных возможностей, но и возможностей науки вообще. Известная в узких кругах загадка: диффузионная вязкость газа протопланетных дисков слишком мала для того, чтобы объяснить наблюдаемую скорость их разрушения. Кроме диффузионной вязкости (т.е. трения ламинарных потоков газа) существует еще турбулентная вязкость (т.е. связанная с образованием вихрей), которая гораздо больше. Но тут вторая часть загадки: согласно гидродинамике, в диске с кеплеровским распределением скоростей вихри самопроизвольно образовываться не могут. Для протопланетных дисков данный парадокс чаще всего разрешают привлечением магнитной гидродинамики: достаточно, чтобы вещество имело некоторую небольшую ионизацию (за счет космических лучей) и наличествовало небольшое магнитное поле, чтобы вызвать нестабильность ламинарного течения и образование вихрей. Но для экзотического диска, который мы рассматриваем здесь, данный механизм не факт, что будет работать. Возможно, турбулентность будет вызываться чем-то другим, например, ударными волнами от прохождения Адониса сквозь диск.
Тем не менее, мы можем сделать некоторые прикидки по заветам создателей теории аккреционных дисков (Шакуры и Синяева), то есть применить альфа-модель. В этой модели предполагается, что вязкость ν = α сs h, где h – толщина диска, сs – скорость звука в газе, и α – безразмерный параметр, в который прячутся все непонятки с механизмом возникновения турбулентности. По данным наблюдений, типичное для протопланетных дисков значение α порядка 0.01. Для нашего диска, это значение дает время пребывания вещества в диске порядка нескольких месяцев или десятка оборотов Адониса по орбите.
Взяв рассчитанное значение массы, выбрасываемой Адонисом за 1 оборот после операции снижения темпов выпаривания, и оценку времени пребывания вещества в диске, получим, что массовая толщина вещества на луче Венера-Солнце будет порядка 10 кг/м2. Для сравнения, для помянутой в начале кометы на пике выброса толщина комы по нормали к ядру была около 0.05 кг/м2, чего хватило для ослабления света в несколько раз. В десятки раз большая массовая толщина обеспечит практически полное поглощение света.
Так что диск сможет полностью закрыть Венеру от Солнца.
Образование клатратов
Нам нужно связать углекислый газ из атмосферы в твердые соединения. При температуре ниже 10С и давлении вода и углекислый газ образуют клатраты (гидраты) CO2 · 5.75H2O и CO2 · 7.67H2O. Клатраты – это просто водяной лед, в пустотах кристаллической решетки которого (из-за которых чистый лед легче жидкой воды) заперты молекулы газов. Плотность клатрата больше плотности воды (в зависимости от состава и условий – от 1.05 до 1.2 г/см3), потому клатраты будут лежать на дне океана.
Для связывания в клатрате 1 кг CO2 требуется как минимум 2.35 кг воды. Кроме воды, нужной для связывания, нужен еще покрывающий слой воды для создания давления, стабилизирующего клатраты. Температура воды у дна океана обычно 4С. При температуре 4С клатраты стабильны при давлении 20 атмосфер. При венерианской гравитации, для создания такого давления нужен столб в 220 м воды. Общее количество воды, потребное для связывания всего венерианского CO2 и стабилизации клатратов давлением, по массе равно капле воды диаметром 1300км. Обозначим это количество Mводы.
Стадии процесса замораживания и связывания атмосферы будут выглядеть примерно так: сначала, после падения температуры ниже 374С образуется горячий водяной океан, насыщенный CO2. На дне океана будут идти интенсивные процессы образования карбонатов. Если горячий океан образуется еще на Этапе 2, то эта стадия продлится несколько тысяч лет. Так что некоторый процент CO2 успеет связаться в карбонаты (более точная оценка выходит за пределы моих возможностей).
После остывания океана ниже 10С начнется процесс образования клатратов. Чтобы в клатраты связалась вся вода, сброшенная на Этапе 2, нужно чтобы в атмосфере осталось 12 бар CO2 (при таком давлении клатраты стабильны при 0С). Для этого надо положить ηупав=20% (то есть η=30%). При продолжении остывания, оставшийся в атмосфере CO2 начнет сжижаться. Но так как жидкий CO2 существует только при давлениях выше 5 бар, полное удаление CO2 из атмосферы возможно только после обращения его в твердое состояние, т.е. поверхность Венеры должна остыть до температуры ниже -80С. Получится слой «сухого льда» толщиной около 100 м. Поверх этого слоя будет накапливаться снег из продолжающей падать с Адониса воды. После окончания выпаривания Адониса, толщина вернего покрывающего слоя водяного льда достигнет примерно 500 метров. В атмосфере останется азот с давлением 3 бар.
После рассеяния экранирующего газопылевого диска, начнется обратный нагрев. Слой CO2 растает, смешается с надстилающим его водяным льдом и тоже превратится в клатраты. Средняя суммарная толщина слоя клатратов и покрывающей его воды (или льда) будет около 3 км.
Перевод Венеры в состояние солнечного приливного захвата
Падающее на Венеру вещество будет передавать ей момент импульса и менять скорость вращения. В настоящее время она медленно вращается в направлении, противоположном направлению ее обращения по орбите, так что из-за сложения этих двух движений солнечные сутки на ней длятся 117 земных дней. Если изменить линейную скорость вращения на экваторе на 3.8 м/с, Венера перейдет в состояние приливного захвата, т.е. она будет вечно смотреть на Солнце одной стороной, как сейчас Луна на Землю.
И вот забавный факт – вещество с массой равной Mводы при падении с первой космической скоростью (как это происходит в случае падения из аккреционного диска) в плоскости экватора, передаст Венере угловой момент, близкий к тому, который нужен для приведения ее в состояние приливного захвата. Точнее, он всего на 30% превышает необходимый. Так что во время Этапа 2 нужно ограничится сбросом только 70% процентов от Mводы, а остальное досбросить во время Этапа 3, положив ηупав=30% (для чего нужно η=40%).
Аллегорическое изображение изменения момента импульса Венеры
После перехода к приливному захвату, приливные силы от Солнца «зацепятся» за несимметричность распределения вещества в Венере, и будут препятствовать дальнейшему раскручиванию, если ускорение из-за продолжающего падать вещества не превышает некоего предельного значения. Венера очень круглая, ее динамическое сплющивание составляет всего 1.31e-5, а трехосность - 1.66e-6 (для Земли эти параметры составляют 3.27e-3 и 5.34e-6, соответственно). Зная трехосность, можно оценить максимальное линейное ускорение на экваторе, при котором приливные силы Солнца еще могут препятствовать раскручиванию – около 1 м/с в 15000 лет. Отсюда получаем, что продолжительность Этапа 3 должна быть более 24 тысяч лет. Но такой длительный период хорош и с другой точки зрения - кора успеет охладится на большую глубину, а вулканические явления, вызванные сильным изменением давления и сжатием пород из-за холода - поутихнуть.
Устойчивое состояние соответствует случаю, когда главная ось инерции Венеры с наименьшим моментом инерции направлена на Солнце. Направление этой оси - 0.35 градусов северной широты и 3.2 градуса западной долготы.
«Дневная» сторона приливно-захваченной Венеры
Центр подсолнечной стороны будет находится рядом с областью Атли, на 18 градусов западнее горы Маат. Ну или наоборот, там будет находится центр ночной стороны (оба эти состояния соответствуют энергетическому минимуму). Но из соображений максимизации количества суши на подсолнечной стороне, надо постараться, чтобы Венера застряла именно в первом положении. То есть вдарить ударником по Адонису и закончить интенсивный сброс воды нужно к тому моменту времени, когда Венера повернута горой Маат к Солнцу.
ЭТАП 4: Облака
После рассеивания аккреционного диска и выбивания каменного ядра Адониса климат Венеры станет типичным для приливно-захваченной планеты.
Климат приливно-захваченной планеты – интересный пример того, как результат «правдоподобного рассуждения» радикально отличается от того, который получается из климатических моделей. «Правдоподобное рассуждение»: на подсолнечной стороне планеты будет очень жарко, а на ночной – очень холодно, что вся вода с подсолнечной стороны испарится и сконцентрируется в леднике на ночной стороне, а дальше возможно на ночной стороне сконденсируются и замерзнут и все атмосферные газы.
На самом деле вымерзание атмосферы при земной инсоляции невозможно, если атмосферное давление больше 0.03 бар, из-за переноса тепла ветрами. На Венере 3 бара азота и инсоляция в два раза выше земной.
Совсем контринтуитивный результат получается для воды – на приливно-захваченном аналоге Земли (т.е. планеты размером с Землю, земной инсоляцией и составом атмосферы) вода будет пытаться собраться в подсолнечной точке!
При подробном рассмотрении физики процесса видно, что никакого парадокса здесь нет. На солнечной стороне приливно-захваченной планеты будет вечный циклон (область восходящего воздушного потока), а на ночной – вечный антициклон. Вода в подсолнечной точке испаряется с поверхности, и вместе с нагретым воздухом поднимается вверх. При подъеме воздух расширяется и адиабатически остывает. Относительная влажность становится больше 100%, пар конденсируется и проливается дождем. В результате, в подсолнечной области будет идти вечный дождь. Осушенный воздух в верхних слоях атмосфере течет на ночную сторону, достигает центра антициклона, там опускается и адиабатичски нагревается. Из-за нагрева и без того уже сухого воздуха его относительная влажность становится совсем низкой, так что если на поверхности есть лед, то он будет сублимировать. Дальше воздух уже по низу идет на дневную сторону, и цикл замыкается.
Важным следствием такого климата является то, что приливно-захваченные планеты могут выдержать заметно большую инсоляцию, чем быстро вращающиеся, без перехода к катастрофическому испарению океанов.
Конкретно для Венеры нашлись только расчеты для инсоляции 700-миллионолетней давности, когда солнечная постоянная была на 10% меньше, с предположением современной скорости вращения и азотной атмосферы с давлением 1 бар.
Результаты расчетов Венеры с азотной атмосферой с давлением 1 бар при разных параметров: А - при инсоляции на 25% меньше современной и 117-дневными солнечными сутками; B - тоже же что (A), но с иносоляцией на 10% меньше современной, С - то же что (A), но с распределением суши и моря как у современной Земли, D - то же что (A), но с в 7 раз меньшим периодом вращения.
Видно, что без плотной углекислотной атмосферы Венера была бы вполне приятным местом, со средней температурой +15С, и температурами самой холодной и горячей точек -17С и +35С. Венера же с продолжительностью суток 16 земных (т.е. в 8 раз меньше современной) даже при солнечной постоянной на 25% меньше современной и без углекислого газа начинает превращаться в парилку с температурой самой горячей точки +84С.
После удаления углекислого газа в атмосфере будет 3 бара азота, а не 1 бар, как рассмотрено в вышеописанных работах. Из общих соображений – разность температур между дневным и ночным полушариями будет меньше. А вот средняя температура будет несколько ниже. Это связано с тем, что азот прозрачен для инфракрасного излучения, но частично отражает видимое из-за релеевского рассеяния. Из-за этого альбедо планеты с 3 барами азота на 6% больше, чем альбедо атмосферы в 1 бар.
Поначалу после рассеивания экранирующего диска Венера будет представлять из себя "Землю-снежок", полностью покрытый льдом. Альбедо тела, покрытого льдом, достигает 80%. Если пренебречь влиянием атмосферы, можно прикинуть, что при альбедо поверхности, равном альбедо льда, на дневной стороне в регионе дальше 50 угловых градусов от подсолнечной точкиравновесная радиационная температура будет ниже 0C. То есть лед останется на 40% площади дневной стороны. Пренебрежение атмосферой - это мягко говоря неточное приближение в данном случае. Но ввиду того, что вблизи поверхности будет дуть холодный ветер с ночной стороны, можно ожидать сохранения льда на значительной доле дневной стороны, и соответственно более высокого среднего альбедо, чем обеспечивают одни только облака в подсолнечной точке.
Жизнь на Венере
Известно, что некоторые бактерии растут даже в суперфлюиде CO2, так что бактериальную жизнь можно заселять уже в конце стадии горячего океана. Стадию глубокого замораживания живность может пережить в областях, нагретых вулканическим теплом. Ввиду того, что резкое охлаждение вызовет растрескивание коры, вулканических областей скорее всего будет немало. Бактерий можно заставить производить поверхностно-активные вещества, чтобы океан оказался покрыт слоем пены с высоким альбедо. Альбедо океанской воды - около 0.05, пены - около 0.5. Это дополнительная мера для предотвращения катастрофического разогрева ("... из пены морской", да).
После окончания эпохи заморозки можно заселять фитопланктон. Экстраполируя данные о земном обороте кислорода, можно предположить, что парциальное давление кислорода достигнет примерно земного уровня за время порядка 10 тысяч лет. После этого можно заселять консументов. А редуцентов, способных разложить лигнин - не заселять, чтобы высвобождающийся из слоев клатратов и при вулканической деятельности углерод тут же перезахоранивался в отложениях, типа как в каменноугольном периоде на Земле.
Решив вопрос с приспособленностью для жизни в целом, рассмотрим вопросы комфорта.
Распределения суши и океана на терраформированной Венере в представлении некоего энтузиаста. Но слой воды энтузиаст предполагает гораздо меньший, чем нужно.
Венера очень плоская, так что после покрытия 3 км слоем клатратов и воды площадь оставшейся суши будет всего около 1%. Выше уровня океана будут только участки, закрашенные сиреневым и белым цветом на карте выше. Будут два архипелага – регион Атли вблизи экватора, и горы Максвелла на северном полюсе. Центр дневной стороны будет в "заливе Русалки" к западу от горы Маат, а центр ночной стороны - в "море Гвиневры".
Вообще говоря, 1% площади Венеры – это больше площади европейской части России и примерно равно половине территории США. Так что всех недовольных недостатком жизненного пространства молодая венерианская республика может просто отправить копать теллур в горах Максвелла.
Но можно и более гуманно ответить на вызов недостатка суши. Океан как таковой будет довольно мелкий, всего несколько сот метров глубины. Ниже слой твердого клатрата, возможно покрытый слоем грязи.
Клатрат метана на дне Карибского моря на глубине 95 м. Поросший ракушками, прошу заметить. Углекислотный выглядит примерно так же.
Так что что задачу расширения площади суши можно возложить на рифообразующие живые организмы. Правда, обычные кораллы не подойдут, у них слишком большая плотность, так что большой риф в буквальном смысле пробьет дно и просядет сквозь слой клатратов до каменного дна. Нужны генномодифицированные кораллообразные организмы с плотностью меньше, чем у клатратов. В принципе, черные кораллы, строящие свой скелет из белков, имеют плотность лишь немного выше необходимой. Но лучшее решение видится в выведении колониальных организмов с минеральными панцирями с газонаполненными внутренними камерами, типа как у наутилусов (но, в отличии от наутилусов, перед гибелью затыкающих сифон, ведущий в камеру).
В заключение замечу, что климат в подсолнечной точке будет сильно напоминать венерианский климат из рассказов Бредбери. Так что можно сказать, что эти рассказы не устарели в связи с получением новых научных данных, просто они описывают отдаленное будущее. Венера станет отличным местом для планеров, благодаря двум слоям в атмосфере с противоположным направлением ветра. А благодаря стабильности и силе ветров, хорошим источником энергии для жителей околотерминаторных областей и ночной стороны будут ветряки.
Из-за релеевского рассеяния, небо терраформированной Венеры будет оранжевым.
Тем не менее, если астероид вытянут и более-менее симметричен вокруг длинной геометрической оси, можно приблизить его поле полем двух гравитирующих точек, обращающихся вокруг общего центра масс. Если при этом тело вращается вокруг оси, перпендикулярной его длинной геометрической оси (*), к движению тела вокруг астероида можно применить математические наработки для ограниченной задачи трех тел.
(*) Замечание: ось, перпендикулярная длинной - главная ось инерции, которой соответствует наибольший момент инерции (ГОИНМИ). При вращении вокруг этой оси тело имеет минимально возможную вращательную кинетическую энергию при фиксированном моменте импульса. Поэтому любое деформируемое тело при отсутствии внешних воздействий при наличии достаточного времени придет к вращению вокруг ГОИНМИ. Динамически этот процесс выглядит так: при вращении вокруг оси, отличной от ГОИНМИ, внутри тела будут возникать переменные механические напряжения, которые приводят к деформации тела, трению между его слоями и преобразовании вращательной кинетической энергии в тепло. Чем крупнее тело – тем быстрее процесс диссипации энергии и тем быстрее оно придет к вращению вокруг ГОИНМИ.
Из ограниченной задачи трех тел известно, что для пробного тела пренебрежимо малой массы, на которое действует поле двух массивных тел, будут существовать пять точек равновесия, называемых точками Лагранжа. В случае астероида, точка L1 будет находится в его глубинах. А все остальные точки будут находится на астеороидостационарной орбите, т.е. вращаться вокруг астероида с периодом, равным периоду обращения астероида. На всякий случай подчеркну – речь в данном случае идет не о точках Лагранжа системы астероид-Солнце, а о точках Лагранжа, возникающих рядом с самим астероидом из-за его несферичности.
Задача об определении условий устойчивости равновесия в точках либрации в окрестностях вытянутого астероида, приближенного парой точечных тел, называется задачей Черных (Chermnykh problem).
Равновесие в коллинеарных точках (L2 и L3) неустойчиво всегда. А вот устойчивость равновесия в троянских точках (L4 и L5) зависит от скорости вращения астероида. Естественным масштабом тут является угловая скорость вращения Ω0, которая равна скорости обращения двух массивных точечных тел, полем которых мы приближаем поле астероида, если бы они удерживались на круговой орбите вокруг друг друга только гравитацией.
Если угловая скорость больше Ω0, то центробежные силы, раздирающие астероид, больше гравитационных, и астероид развалится на два куска от первой же трещины. Поэтому у подавляющего числа астероидов угловая скорость меньше, чем Ω0.
В случае Ω= Ω0, равновесие в троянских точках устойчиво, если отношение масс тел, имитирующих поле астероида, больше 25. Астероид, идеально соответствующий такой модели, будет выглядеть как два слепленных вместе шара, диаметр одного из которых меньше диаметра второго приблизительно в три раза.
Если скорость вращения астероида меньше Ω0, условия устойчивости становятся менее жесткими. Если скорость вращения меньше Ω0 более чем в 5.08… раз, равновесие в троянских точках устойчиво вне зависимости от отношения масс. Пробное тело, помещенное вблизи одной из троянских точек, будет двигаться по орбите вокруг точки и никогда не покинет ее окрестностей без внешнего воздействия.
Поскольку периоды колебаний в плоскости «экватора» и вдоль вертикальной оси разные, траектория пробного тела будет трехмерной кривой Лиссажу. Период колебаний по вертикальной оси (т.е. направленной вдоль оси вращения астероида) будет равен периоду вращения астероида. Периоды колебаний у нормальных мод в плоскости «экватора» астероида больше, чем у вертикальной, и зависят от отношения масс «составляющих» астероида и его скорости вращения. Отношение периодов в общем случае не равно отношению целых чисел, так что траектория не замкнута.
Литература: T.Prieto-Llanos and M.A.Gomez-Tierno, Stationkeeping at Libration Points of Natural Elongated Bodies, JOURNAL OF GUIDANCE, CONTROL, AND DYNAMICS, Vol.17, No.4, 1994
После этого длинного и строго академического введения, перейдем к изобретательству и рационализаторству. Ничто так не закрепляет знания, как попытка их как-то использовать.
В троянских точках астероида можно разместить зеркала, и концентрировать ими солнечный свет на базу на астероиде.
Обычно, когда речь заходит о размещении зеркал в космосе, людям представляется что-то монолитно-огромное. Однако, если мы сравним энергию, которая нужна для придания одной и той угловой скорости одному 100метровому зеркалу и нарезанным из него ста 10метровым зеркалам, окажется, что во втором случае ее потребуется в сто раз меньше (потому, что линейная скорость краев зеркала во втором случае в 10 меньше). А несущие конструкции подвержены закону, отрытому еще Галилеем – при линейном росте с сохранением пропорций прочность растет квадратично, а масса – кубически.
Так что оптимальный вариант – облако мелких зеркал. В троянской точке облако будет удерживаться от расползания. Для ориентации зеркал каждое можно оснастить гиродином, например.
Некоторой проблемой является предотвращение столкновений зеркал. Для этого нужно разместить их на непересекающихся орбитах. Простейший вариант, который приходит мне в голову: размещение зеркал на орбитах, соответствующих одной и той же нормальной моде, но с разной амплитудой. Тогда они будут двигаться в плоскости «экватора» астероида по эллипсам разных размеров вокруг троянской точки. Если зеркал нужно много, их можно разместить цепочкой на одной и той же орбите. Правда, если зеркал реально много, а плоскость «экватора» астероида совпадает с плоскостью его орбиты вокруг Солнца, они будут заслонять друг друга. Но можно придать им колебания вдоль «вертикальной» оси с разной амплитудой. Большую часть времени зеркала будут проводить вблизи «вертикальной» точки поворота.
Такая «конструкция» не очень стабильна. Из-за ангармонических членов в эффективном потенциале, зеркала будут постепенно сползать с орбит, соответствующих нормальным модам, что в итоге приведет к столкновениям. Так что понадобятся еще активно маневрирующие «пастухи», поправляющие орбиты зеркал. Впрочем, они и так понадобятся, хотя бы для периодической разгрузки гиродинов зеркал.
С другой стороны, учитывая, что первая космическая скорость для 10км астероида всего несколько метров в секунду, а скорость столкновений в облаке зеркал будет еще на пару порядков меньше, столкновения можно просто игнорировать. Хаотически движущиеся зеркала собьются в два вытянутых облака вокруг троянских точек, напоминающие разрезанное на два куска кольцо. ]]>
Чуть раньше, в ожидании запуска, на «Элементах», при всемерной поддержке редакции сайта, был запущен раздел, целиком посвященный этому коллайдеру. Я к тому времени уже давно писал научпоп новости, но было ясно, что коллайдер — это глыба, про него надо будет писать много и регулярно. Это научный проект длительностью в целое поколение, и рассказывать про него тоже придется всю мою активную жизнь.
Мемуары мне писать рановато, но кое-что про коллайдер и вокруг него мне все же хочется рассказать. И дело даже не столько в юбилее. Просто коллайдер в моей жизни присутствует в четырех обличьях: я с ним взаимодействую как ученый (пусть и опосредованно, через теоретические расчеты), как «широкая публика» (когда читаю про его устройство и восхищаюсь техническими ухищрениями), как популяризатор (и чувствую при этом ответственность за то, какой образ возникает у читателей), и как корректор чужого неправильного впечатления (это тоже грань популяризации, но обособленная). Из этих четырех форм взаимодействия сложился калейдоскоп впечатлений, которыми я хочу поделиться.
Большой адронный коллайдер — это не просто научный прибор. Это полноценное социальное явление. Это грандиозный научный проект, беспрецедентный по степени открытости для широкой публики. Это, фактически, новая форма взаимодействия общества с конкретным научным исследованием.
Вы можете погрузиться в любую часть работы в любое время: смотреть на вебкамеры, следить в реальном времени через десятки онлайн-мониторов за состоянием коллайдера и показаниями приборов, читать новости и впечатления в твиттере, фейсбуке, блогах, новостных лентах, публичных интервью и докладах, изучать в слайдах сотен (или уже тысяч?) конференций и рабочих встреч отдельные аспекты исследования — начиная с совершенно технических, которые не понимаю я сам, и заканчивая общепонятными социальными. Все статьи с научными результатами, полученными на коллайдере, всегда публикуются в открытом доступе — даже если журнал обычно платный и дорогой.
Объем опубликованной научной и технической информации об LHC настолько велик, что каждый конкретный человек, любитель или специалист, способен прочитать и осознать лишь крошечную его долю. Тем не менее, заинтересованные люди в этом потоке не захлебываются благодаря многоуровневой систематизации информации. Это я, кстати, говорю как «посторонний читатель», без какого-то особенного церновского аккаунта и спецдоступа. Мне регулярно приходится самому искать и перерабатывать новую для меня информацию, в том числе и техническую, для новостей на Элементах или ради любопытства. И проблема тут не в том, где найти информацию, а, скорее, с какого обзора или доклада начинать изучение вопроса и когда стоит остановиться.
Такая открытость — это целенаправленная политика ЦЕРНа, которая стала особенно подчеркнутой в бытность Рольфа-Дитера Хойера его генеральным директором. И между прочим, она требует определенной смелости, ответственности, и терпения. Разношерстная публика видит не только ваши достижения, но и ошибки; она готова вас обсуждать у себя в блогах или требовать от вас публичных разъяснений, и к ним надо быть готовым. Это как жить в стеклянном доме, быть всегда гостеприимным хозяином, но при этом сосредоточенно работать над серьезным делом.
Ничего даже близкого в других науках я не видел.
Вторая совершенно уникальная сторона LHC — это беспрецедентная длительность проекта (полистайте интерактивную хронологию LHC). Это неизбежное следствие масштаба и стоимости установки. Все подобные проекты теперь начинают обсуждаться за 20-30 лет до запуска, и еще столько же будет длиться их работа. Большой адронный коллайдер будет работать до 2037 года, это уже одобренный ЦЕРНом план. То, что обсуждается сейчас, это какие новые проекты придут ему на смену в 2040-е годы.
Такие временные масштабы приводят к любопытным последствиям. Планировать проекты приходится не в годах или даже не в шестилетних программах, а в поколениях физиков и техников. Более того, даже сама научная программа исследований может не раз поменяться по ходу реализации проекта. И это не только простая смена конкретных целей: открыли одно, переходим ко второму; откроем его — перейдем к третьему. Благодаря развитию технологий, материалов, электроники, благодаря росту компьютерных мощностей, физики вдруг осознают, что могут сделать то, о чем сначала и не задумывались.
Исследования на LHC — это живой проект, с эволюционирующей научной программой, с обновляющимися приоритетами и методами. Это живая, дышащая, бурная наука.
Вы удивитесь, но я сам был в ЦЕРНе всего один раз, в 2005 году. И не разу не спускался в туннель, не видел собранный коллайдер. Все эти фотки и видео из детекторных залов для меня овеяны ореолом научной романтики. В своей работе я с коллайдером взаимодействую исключительно теоретически, да и то, отдельными эпизодами.
Честно говоря, я не помню, когда в первый раз узнал про LHC. Про Тэватрон знал еще со школы, из книжки «В поисках первоначал», с которой вообще начался мой серьезный интерес к ФЭЧ, а LHC я как-то не отследил. Первая моя статья, в которой мы с научным руководителем что-то сосчитали для LHC, вышла в 1999 году. Я хорошо помню свое ощущение: LHC, проект из далекого будущего, полуреальный, полуфантастический, для которого, однако, нужно вычислять сечение каждый раз, когда изучается какой-то процесс с высокими энергиями. Потому что рано или поздно он заработает и, как утюг, разгладит все сомнения, которые могут остаться от Тэватрона. По-моему, это очень характерное впечатление для студента: когда сам погрузился в науку только пару лет назад, то проекты из следующего десятилетия кажутся полумифическими.
Три года спустя, когда завершился LEP, и туннель начали освобождать для нового коллайдера, LHC стал для меня чем-то конкретным, ожидаемым, хотя по-прежнему лишь теоретическим, не вполне материальным. В 2004 году я смотрел, как в лаборатории на юге Италии тестировали элементы прототипа мюонной системы детектора CMS — и все равно тогда все это выглядело игрушечным. Никакой единой установки тогда не существовало; в сотне лабораторий по всему миру люди собирали и проверяли отдельные компоненты будущих детекторов. Ощущение реальности окончательно пришло в районе 2005-2006 годов, когда косяком пошли технические новости: в ЦЕРН доставили магниты, первый магнит спустили в туннель, на поверхности начали собирать сектор детектора CMS, в 2007 году во время испытаний сломался один из магнитов, доставленный из Фермилаба, и многое другое.
В 2007 году я отошел от той области, которой занимался еще в аспирантуре, и перешел к другим вопросам, касавшимся, в том числе, и LHC. Тематические конференции, семинары, собственные расчеты — и коллайдер стал уже чем-то родным. У всего научного сообщества было приподнятое настроение, которое передавалось и мне. На конференциях с горящими глазами обсуждали сценарии, когда открытия на LHC пойдут косяком в первые же недели работы. Запала в душу фраза одного докладчика: «We must be ready for Day 1 discoveries!»
2008 год: фальстарт коллайдера, заноза в душе, ожидание, когда же починят. В 2008-2009 годах я работал над полуматематическими темами, которые прямо к LHC не относились, но предчувствие больших открытий было универсальным.
2010 год: физики, уставшие от постоянного ожидания, готовы были накинуться хоть на что-то необычное, найденное в самых первых сеансах работы. На конференциях обсуждали этот результат с энтузиазмом, но, наверно, многие ощущали, что это всего лишь психологическая реакция физиков, истосковавшихся по давно ожидаемым серьезным результатам.
Ну а потом, в 2011 году и позже, результаты наконец-то пошли — а с ними пришли и эмоции физиков: радость и воодушевление, неразбериха, сомнения и обеспокоенность, приятные сюрпризы по итогам сеанса Run 1, острые ощущения в 2015-2016 годах, понурое принятие ситуации, и новые, пусть и сдержанные ожидания. Мой краткий англоязычный рассказ о том, как менялись впечатления теоретиков в эти годы, см. на страницах 12–15 выпуска 14 журнала LIP News.
Как всякого ученого, активно занимающегося популяризацией, меня порой спрашивают: как вы умудряетесь успевать и то, и то? Ответ у меня, увы, стандартный: а я и не успеваю! На популяризацию и, в частности, на проект про LHC у меня уходит примерно четверть моего рабочего времени, включая вечера. Я занимаюсь ею в ущерб чему-то другому, в частности, своей собственной науке, что сказывается и на количестве моих собственных результатов, и на моей научной карьере.
Занимаюсь я популяризацией потому, что без этого не могу. Мне физически необходимо кому-то рассказывать обо всем том удивительном, что я сам узнаю об окружающем мире или о методах его постижения. Меня восхищают и чисто математические вещи, и неочевидные физические явления, и технические достижения — и мне хочется это в структурированном виде передавать другим. Считайте это наивной романтикой, но мне кажется, что если я способен делать объективный физический мир интереснее и понятнее другим людям, то этим обязательно надо заниматься.
Проект про LHC на Элементах — это для меня особенная грань популяризации. Это не разрозненные рассказы об отдельных громких открытиях, которые и так будут во всех СМИ. В этом проекте я хочу передать всем желающим ощущение вовлеченности в этот длительный проект по распутыванию того, как устроен и работает микромир. Громкие фундаментальные открытия на LHC — они столь же редки, как и важные, драматические события в жизни человека. Знакомиться с коллайдером только через такие сообщения — это как приходить к человеку в гости только по большим праздникам. А обычная жизнь — она насыщена повседневными радостями и проблемами, целями, задачами, и промежуточными достижениями. И я хочу, чтобы читатели погрузились в эту коллайдерную жизнь, сопереживали физикам, следили за взлетами и упадками настроения, за техническими достижениями и авариями, за мелкими забавными происшествиями и за крупными образовательными проектами и планами на будущее.
LHC — это совместное путешествие в тайны микромира для всего человечества, и я предлагаю свое посильное сопровождение всем заинтересованным.
Отдельная сторона работы по образованию и популяризации — это исправлять чужое неправильное представление. У людей, самостоятельно интересующихся какой-то темой, складывается порой какое-то совершенно свое понимание результатов, методов, целей, и вообще самого процесса получения научного знания. Складывающаяся в результате картина мира может сильно различаться по степени недопонимания. Отдельными статьями тут идет откровенная лженаука, пусть и добросовестная, а также прямое шарлатанство, паразитирующее на психологии людей.
Я тут скажу вот что. В аспирантуре у меня было время и задор, и я готов был часами объяснять на форумах те или иные моменты. Но в какой-то момент я понял, что у меня ограниченные ресурсы на популяризацию — как времени, так и сил, и нервов. Если я потрачу несколько часов на разъяснение, почему кто-то неправ, то я НЕ использую это время, для того, чтобы написать новость, которую прочитают тысячи (исключение — отдельные подробные новости такого вида). По этой причине я давно перестал отвечать на запросы по поводу разных альтернативных теорий, приходящие на почту или в комментарии к новостям. Я также не трачу время на развенчание лженауки и тому подобных заблуждений, этим есть кому заняться. Я лучше сфокусируюсь на производстве своих материалов и постараюсь еще четче настроить картину мира у тех читателей, которые сами этого хотят.
Впрочем, одну вещь я все же иногда делаю. Когда на пустом месте в СМИ поднимается вихрь информационного мусора, я считаю необходимым это разъяснить (примеры раз, два, три).
А вот отвечать на комментарии к своим новостям — это совершенно другое дело. Я считаю это обязательным элементом качественной, ответственной работы популяризатора; комментарии к новостям — это свое рода постпродукционное сопровождение новости. Это и обратная связь для меня самого, и шанс дообъяснить то, что не было возможности объяснить в тексте, и, наконец, возможность настроить правильное понимание вопроса у тех читателей, у которых оно было сбито либо слишком поверхностными новостями на других площадках, либо сумбурным курсом физики в школе или в институте.
Эта часть особенно важна, когда речь идет не про одну изолированную новость, а про регулярное освещение длительного проекта. Иногда приходится повторяться, иногда приходится самому листать свои новости в поисках готового текста с хорошими формулировками — но отвечать на такие запросы надо. Если уж я приглашаю читателя провести пару десятилетий вместе с коллайдером, не надо бросать его в одиночестве.
Интересно, что будет еще через десять лет. К 2028 году Большой адронный коллайдер, кардинально модернизированный, начнет работу на повышенной светимости и называться он уже будет HL-LHC. Коллайдерная драма к тому моменту точно обострится: либо имеющиеся сейчас намеки на отклонения подтвердятся, породив новый ажиотаж (а вот Нобеля — вряд ли), либо физическое сообщество будет искать надежду в чем-то другом. К тому времени будет точно определено, что делать после LHC, и, скорее всего, начнется стройка следующего большого коллайдера (а может, и не одного).
Буду ли я вести проект про LHC тогда, я предсказать не могу. Все-таки чем дальше, чем больше времени уходит на другие дела и проекты. Но вторую свою бумажную книжку про коллайдер я обещаю к тому времени написать :), и постараюсь вложить в эти книги весь свой популяризаторский опыт. ]]>
Skyhook (англ. расов. «небесный крюк») – это космический лифт на минималках. Большой спутник на низкой околоземной слабоэллиптической орбите с прикрепленным длинным тросом (с зацепом на конце).
Предельная линейная скорость вращения конца троса определяется его способностью противостоять центробежной силе и зависит исключительно от плотности и прочности материала троса (толщина троса в оптимальном случае должна быть переменной). Для самых прочных и легких промышленно выпускаемых материалов (некоторые марки высокомолекулярного полиэтилена) эта скорость составляет около 3 км/сек.
То есть с поверхности Луны такая штука может поднять груз напрямую и разогнать до скорости больше лунной второй космической. Эта идея была использована в одном современном НФ романе про освоение Луны, откуда я про нее и узнал.
Для Земли, рассчитанный авторами отчета вариант системы выглядит так:
общая масса системы (трос + спутник-противовес) – 380 тонн;
длина троса – 630 км;
высота перигея центра масс – 580 км;
полезная нагрузка, которую система может закинуть за раз – 5 тонн;
скорость кончика троса – 2.5 км/с (меньше предельно возможной, для того, чтобы обеспечить трехкратный резерв по прочности троса);
горизонтальная скорость, до которой должен быть разогнан груз до подхвата – 5 км/с (при старте с экватора);
высота, на которой происходит подхват – 150 км;
наивысшая орбита, на которую может быть выведен груз после сброса – высокоэллиптическая с высотой апогея 144 тыс.км (а также орбиты с любым меньшим апогеем, поскольку конечная скорость груза регулируется углом поворота троса в момент сброса).
Высота подхвата ограничивается снизу тем, что на малой высоте трос начинает перегреваться из-за трения о земную атмосферу (и даже на высоте 150км будет серьезная проблема из-за коррозии атомарным кислородом). Длина троса определяется тем, какое ускорение будет испытывать груз, закрепленный на конце троса. При вышеописанных параметрах, это ускорение будет равно 1.5g.
Разгонять груз до 5 км/с и поднимать его на 150 км вверх авторы предполагали (в 2001г) с помощью гипотетического гиперзвукового самолета с прямоточным двигателем. Сейчас ясно, что реалистичней использовать для этого одноступенчатую многоразовую ракету. Перевешивание груза с ракеты на зацеп требует точного выравнивания координат, скоростей и ускорений ракеты с концом троса (собственно, время на операцию перевешивания определяется временем, в течении которого ракета сможет поддерживать ускорение 1.5g). Но это не сильно сложнее, чем посадка ракеты на плот (а возможно даже и проще – ветер не дует, волны не качают).
У этой системы есть множество серьезных преимуществ перед космическим лифтом: много меньшие масштабы и масса, возможность постройки из промышленно выпускаемых материалов. Но есть и серьезный недостаток. Космический лифт черпает энергию и импульс для разгона полезной нагрузки фактически из вращения Земли (энергия нужна только для подъема груза вверх). Ротоватор же разгоняет груз, передавая ему энергию и импульс своего орбитального обращения. В результате, после каждого запуска груза апогей орбиты центра масс ротаватора будет понижаться.
В промежутках между запусками апогей придеться поднимать с помощью каких-нибудь движителей. Авторы предлагают использовать для создания тяги электродинамический метод: взаимодействие тока, пропускаемого сквозь трос, с магнитным полем Земли.
При этом, электродинамический метод, даже при наличии неограниченной энергии, имеет принципиальное ограничение по мощности тяги: из-за низкой плотности зарядов в ионосфере большой ток создать невозможно (авторы в своих оценках закладывались на ток в 5 ампер).
Поэтому для случая больших грузопотоков авторы предлагают, кхм, интересную альтернативу: поддерживать орбиту ротаватора, замедляя им груз, оправляемый с Луны.
Работа системы в целом будет выглядеть так: после запуска полезного груза ротоватором с околоземной орбиты, с Луны к Земле отправляется лунный грунт. Он захватывается зацепом ротоватора в наивысшей точке поворота. В низшей точке он отцепляется от троса, падает в земную атмосферу и сгорает где-нибудь над Тихим Океаном.
Таким образом, мы внезапно возвращаемся к теме предыдущего поста. У Луны есть реально ценный экспортный ресурс – это просто булыжники. Если человечеству вздумается, например, строить солнечные электростанции на геостационарной орбите – это ресурс понадобится в объемах десятков тысяч тонн. Учитывая, что использование ротоватора позволяет раза в два снизить характеристическую скорость, требующуюся для достижения геопереходной орбиты, а размеры и стоимость ракеты зависят от характеристической скорости экспоненциально – лунные булыжники реально ценнее золота (в смысле, что каждый отправленный с Луны булыжник позволит сэкономить средства, соизмеримые со стоимостью золотого слитка того же веса).
Авторы скромно обходят молчанием вопрос, как поднимать грунт с Луны. Кажется логичным использование для этой цели воспетого в фантастических романах окололунного ротаватора, который, как уже было сказано выше, может забрать груз напрямую с поверхности Луны. Однако, для поддержания ротоватора на орбите Луны нельзя использовать электродинамический метод, так как у Луны нет магнитного поля. Можно для этого использовать ионные двигатели (вот тут то и может пригодиться ртуть). По сути, такой ротаватор будет работать как аккумулятор, накапливающий энергию и импульс от маломощных ионников. Но ионники будут жрать энергию в количествах, в десятки/сотни раз превышающих затраты на собственно разгон грузов. Так что, по моему мнению, наиболее бюджетным вариантом является использование для перевозки грунта ракеты, заправляемой водородом и кислородом из воды на полюсах Луны.
*) Есть такая апокрифическая народная мудрость, якобы ходящая среди коренных научных сотрудников Заокраинного Запада: «Любую интересную идею еще 50 лет назад предложил какой-то русский математик». В пандан можно сформулировать мудрость: «По поводу любой безумной идеи обязательно существует отчет 30 летней давности на сайте какого-нибудь американского правительственного ведомства». Подтверждения: 1, 2
P.S. Пост про реальные эксперименты с тросовыми системами на орбите. Рекорд на сегодняшний момент - два спутника, связанные тросом длиной 32 км (эксперимент YES2) . Электродинамический метод тоже пытались испытывать, но эксперимент HTV-KITE провалился по не зависящим от электродинамического метода причинам.
Про то, какие там вещества, мы знаем благодаря самопожертвованию зонда LCROSS, который в 2009г. раздолбался о дно кратера Кабео в 100 км от южного полюса Луны, перед этим успев проанализировать состав облака, образовавшегося при падении его собственного разгонного блока за несколько минут до этого.
Так вот, в выброшенном материале обнаружилось около 150 кг воды и … 12 кг ртути. Содержание воды в грунте кратера – около 5 процентов по весу, а ртути – около 0.3%, то есть всего на порядок меньше. Результат несколько неожиданный, хотя и предсказывавшийся некоторыми теоретиками. Дело в том, что легкая молекула воды, попавшая на Луну, с большой долей вероятности улетучится в космос. Тяжелый атом ртути такой возможности не имеет, у него слишком маленькая скорость даже при дневных температурах, так что вся ртуть, выпарившаяся из поверхности Луны при излияниях лавы и падениях метеоритов, в конечном итоге оседает в холодных полярных кратерах.
По оценкам, суммарное количество воды в полярных кратерах – порядка миллиарда тонн. Ртути, соответственно, там должно быть десятки миллионов тонн. Для сравнения, выявленные ресурсы ртути на Земле – около 700 тысяч тонн, а годовая добыча – порядка тысячи тонн. Возникает, однако, вопрос– зачем вообще кому-то может понадобиться ртуть в таких неимоверных количествах?!
Прежде чем предаться размышлениям по этому поводу, можно помедитировать на то, какие еще летучие вещества обнаружил LCROSS в выбросе (в молярных процентах от количества водяного пара, водяного пара было выброшено около 50 кг, остальное – в форме льда):
Сероводород 16.75%
Аммиак 6.03%
Двуокись серы 3.19%
Этан 3.12%
Углекислый газ 2.17%
Метиловый спирт 1.55%
Метан 0.65%
В грунте эти вещества вовсе не обязательно содержатся в той же пропорции, поскольку в газовую часть облака внесло вклад не только то вещество, что было выброшено ударом (около трех тонн), но и то, что выпарилось из передвинутого и нагретого ударом грунта, оставшегося на поверхности (несколько сот тонн). Помимо всего вышеперечисленного, в газовом облаке обнаружилось 120 кг молекулярного водорода и 40 кг угарного газа. Оба этих вещества крайне летучие, и их содержание в грунте не может превышать несколько десятитысячных по массе. Так что скорее всего они высвободились из большой массы нагретого грунта.
Если судить по температурам кипения веществ, наиболее надежные данные по содержанию в грунте таблица дает для метанола. Похоже на то, что среди лунных колонистов алкоголизм будет считаться не болезнью, а точным следованием инструкции по технике безопасности… Ведь этиловый спирт лучшее средство от отравления метанолом. А симптомы похмелья позволят не обращать внимания на запах сероводорода и аммиака, и меньше тревожиться из-за симптомов отравления тяжелыми металлами...
Плавно перейдя таким образом от научно-популярной к научно-фантастической части поста, зададимся вопросом – можно ли собрать из этих четырех букв слово «вечность»? есть ли возможность использования каких-либо из этих материалов для производства чего-то полезного на месте или для экспорта?
В качестве потенциально ценного экспортного товара обычно называется вода. Характеристическая скорость доставки груза на низкую околоземную орбиту с Луны гораздо меньше, чем для доставки с Земли (да, мы в глубокой гравитационной яме). На НОО воду можно превратить электролизом в топливо для дозаправки ракет на орбите или крупных спутников, переправляемых на геостационарную орбиту (например, орбитальных солнечных электростанций).
Если использовать торможение о земную атмосферу, перелет «поверхность Луны –> НОО» требует Δv=2.3 км/с. Сравните с 9.3 км/с для «поверхность Земли –> НОО». А масса топлива зависит от Δv экспоненциально…
Из попутных летучих материалов (см. таблицу выше) можно синтезировать высококипящее ракетное топливо - пару НДМГ/АТ. Из аммиака и кислорода (полученного электролизом воды) можно синтезировать AT (тетраоксид диазота), а из аммиака и метанола – диметиламин, из которого синтезируют НДМГ.
Но конечно самый волнительный вопрос – для чего можно использовать ртуть. Все таки есть в этом что-то обидное – огромный, уникальный, легко извлекаемый ресурс, который как бы и не нужен. Первое что приходит в голову – построить огромный зенитный телескоп с параболическим зеркалом из жидкой ртути в медленно вращающейся тарелке.
Большой зенитный телескоп. Диаметр 6 метров. Кликабельно.
Еще припоминается, что ртуть используется в качестве рабочего тела во многих моделях ионных двигателей. Собственно, ртуть второе по популярности рабочее тело ионника после ксенона.
Восставшие космические колонии просто обязаны будут назвать свой флагманский ртутный ионолет «We are the champions». И тогда земному правительству придется проводить ДЕМЕРКУРИЗАЦИЮ …
- Вас посетила полиция каламбуров. Пока без штрафа, но впредь будьте аккуратнее. -
Извините, но оскорбление чувств поклонников группы «Квин» законом не запрещено. И прошу внести в протокол, что древнеримского бога Меркурия я не упоминал.
При 4К ртуть становится сверхпроводником. Температура в самых холодных местах кратеров на южном полюсе – 35К, на северном – вообще 26К. Охлаждение до 4К в таких условиях не является задачей грандиозной сложности. Но не очень понятно, как эту самую сверхпроводимость можно использовать. Сверхпроводящее кольцо можно применять для хранения энергии. Но удобнее для этой цели накапливать жидкие водород и кислород, которые при таких температурах можно хранить неограниченно долго без потерь.
Самый … механистический вариант применения ртути - утяжелитель/герметик/припой. Вообще, процесс крупнотоннажной добычи летучих я вижу так: по дну кратера раскатывается несколько гектаров прозрачного пластика. По краям листов прокладываются трубы с хладагентом, а сверху края заливаются ртутью. Ртуть застывает и герметизирует подлистовое пространство. Дальше, система зеркал, установленная на вале кратера, где вечный свет, пускает зайчика на эту площадку. Летучие выпариваются из грунта. Самые летучие отводятся в газообразном виде, менее летучие намерзают по краям на трубы с хладагентом. По исчерпанию площадки, пластик сворачивается, намёрзший лед обдирается с труб. ПРОФИТ.
Возьмем, например, кратер Шеклтона, расположенный прямо на южном полюсе. Расстояние между вершиной вала и холодным дном по прямой (в смысле, по наклонной диагонали) составляет всего около десяти километров. Так что область вечного света и область вечной тьмы можно соединить канатной дорогой без промежуточных опор. Для этого потребуется всего десяток тонн троса… Ладно, что-то я отошел от главной темы, так что на этом закончу.