Среда, 30 ноября, 2022

Энергетика на грани фантастики

Время на чтение 6 мин.

Альтернативные источники энергии шагают по планете: развитые страны массово внедряют солнечные, ветряные, приливные и многие другие электростанции, отказываясь от сжигания нефти и угля. Но сегодня мы постараемся заглянуть еще чуть дальше в будущее и расскажем о способах получения энергии, которые пока что существуют только на страницах фантастических романов и в смелых мечтах ученых и инженеров.

Вечное слияние чистого дейтерия

Управляемый термоядерный синтез часто указывается как альтернатива существующим АЭС. Если в ядерной реакции энергия высвобождается за счет расщепления ядер тяжелых элементов с образование более легких, то в термоядерной все наоборот: более легкие элементы сливаются и образуют более тяжелые.

Сторонники термоядерной энергии указывают на несколько преимуществ таких реакторов:

  • принципиальная невозможность неконтролируемой реакции и, следовательно, аварии;
  • отсутствие долгоживущих ядерных отходов;
  • почти неограниченный ресурс топлива — дейтерия и трития — и большая выработка энергии.

Однако у термоядерной энергетики есть существенный недостаток: термоядерный реактор о-о-о-очень сложный и дорогой. Дело в том, что для создания простейшего ядерного реактора достаточно поднести друг к другу куски делящегося материала (кстати, примерно так и был устроен первый ядерный реактор в мире — «чикагская поленница»). Для термоядерного синтеза нужны танцы с бубном.

Энергетика на грани фантастики
«Чикагская поленница» представляла собой уложенные друг на друга графитовые блоки, укрепленные деревянным каркасом. В каждом втором слое графита имелись полости с ядерным топливом — оксидами урана. Изображение: Википедия

Во-первых, он протекает при высоких температурах и давлении. В недрах звезд (а наше Солнце, по сути, термоядерный реактор) это обычное состояние, а вот на Земле для этого нужно разогреть вещество до состояния высокотемпературной плазмы — сотни миллионов градусов Цельсия. Поскольку ни один материал не может выдержать такого жара, плазму удерживает мощное магнитное поле. Оно создается сверхпроводниковыми магнитами, работающими на жидком гелии, что требует сложной установки для создания сверхнизких температур и дополнительных энергетических затрат. Примерно так устроен токамак — вид термоядерного реактора, который считается наиболее перспективным для коммерческого использования.

Иными словами, стоимость строительства термоядерной электростанции неподъемна для большинства стран мира. Кроме того, у нас все еще нет отработанных технологий. Наиболее близкий к воплощению проект коммерческого реактора — ИТЕР — разрабатывается с конца 1980-х годов при участии более 30 стран. Сроки его запуска не раз переносились, а стоимость проекта оценивается в 19 миллиардов евро.

Энергетика на грани фантастики
Схема реактора ИТЕР (увеличивается по клику). Изображение: Википедия

Пока термоядерная энергетика героически решает трудности, ядерная преодолела почти все свои недостатки. Например, в новых реакторах на быстрых нейтронах (типа БН) также невозможна самоподдерживающаяся реакция, а следовательно, и серьезная авария. Кроме того, есть технологии, которые позволяют вторично использовать отработанное ядерное топливо, тот же БН может работать даже на оружейном плутонии. Наконец, запасов традиционного ядерного топлива — урана — вполне достаточно для многих сотен лет работы.

Еще одним важным и непонятным пока моментов является стоимость произведенной энергии. В исследовании Офиса науки и технологий парламента Великобритании указывается, что она может быть на верхней границе цены существующих источников энергии, а значит, экономическая целесообразность термоядерных реакторов под большим вопросом.

Engage!..

Звездолеты во вселенной «Звездного пути» используют реакторы на антиматерии. Подобные устройства выделяют гигантское количество энергии, что позволяет звездолетам сворачивать пространство для варп-прыжков и автономно путешествовать по космосу в течение нескольких лет.

Энергетика на грани фантастики
Звездолет «Энтерпрайз». Изображение: memory-alpha.fandom.com

Работа такого реактора основана на аннигиляции: когда частица и античастица встречаются, они уничтожают друг друга, выделяя огромное количество энергии. Аннигиляция одного килограмма антиматерии дает столько же энергии, сколько сжигание 30 миллионов баррелей нефти (во всем мире за день добывается порядка 90 миллионов баррелей).

Проблема в том, что антиматерия — ни разу не нефть и не встречается в природе. Ее приходится добывать, и сейчас она является самым дорогим веществом на планете. По оценке NASA, один миллиграмм позитронов стоит 25 миллионов долларов. Кроме того, энергетические затраты на его производство колоссальны.

Даже если нам удастся получать или найти где-то неподалеку залежи антиматерии, у нас нет материалов для удержания такого количества энергии и направления ее в мирное русло. Взорвать полпланеты мы сможем, а дать ей электричество — пока нет.

Дырявый реактор

Одним из величайших достижений Стивена Хокинга было доказательство того, что черные дыры могут «испаряться». Они теряют массу благодаря излучению Хокинга, и чем меньше черная дыра, тем более заметен этот эффект.

Фантасты тут же поставили излучение Хокинга на службу народному хозяйству и сочинили сингулярный реактор. Интересно, что в отличие от многих описанных в фантастике проектов, такой реактор как раз не противоречит известным нам законам физики.

В центре его находится очень маленькая — квантовых размеров — черная дыра. За счет излучения частиц она теряет массу, которая превращается в необходимую нам энергию. Дело осталось за малым: понять, как создать черную дыру, как ее удержать и как использовать полученную энергию.

Сферический дом в вакууме

В 1960 году британский физик Фриман Дайсон опубликовал статью, в которой предположил, что высокоразвитая цивилизация могла возвести вокруг своей звезды некую сферу. Такой объект позволил бы собирать всю энергию звезды и обеспечил бы дополнительное жизненной пространство.

Сфера Дайсона изначально фигурировала в контексте поиска внеземных цивилизаций: акцент в работе делался на то, как такая структура будет выглядеть для стороннего наблюдателя, например земного астронома.

Энергетика на грани фантастики
Визуализация сферы Дайсона. Изображение: aboutspacejornal.net

Однако идею подхватили и стали прилаживать к практическому выполнению. Критики указывают на то, что монолитной такая конструкция быть не может и вообще, целесообразность строительства такой огромной ерунды вызывает большие сомнения. Очевидно, что человечество и близко не имеет ни материалов, ни технологий, ни потребности в таком объекте.

Впрочем, сфера Дайсона действительно дает доступ к огромному количеству энергии. А уж высокоразвитая цивилизация явно придумает, куда ее приложить.

Другие статьи

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь

Enter Captcha Here : *

Reload Image