Можем ли мы зажечь звезду на Земле?

06.04.2018

В центре нашей Солнечной системы находится огромный термоядерный реактор. Земля вращается вокруг этого массивного тела на среднем расстоянии в 150 миллионов километров. Это звезда, которую мы называем Солнцем. Солнце дает нам энергию, необходимую для жизни. Но могли ли ученые создать миниатюрный вариант солнца здесь, на Земле?

Это невозможно: это уже сделано. Если вы думаете о звезде как о машине ядерного синтеза, человечество дублирует природу звезд на Земле. Но это откровение имеет квалификаторы. Примеры слияния здесь на Земле находятся в небольшом масштабе и продолжаются всего несколько секунд.

Чтобы понять, как ученые могут создать звезду, необходимо узнать, из чего звезды сделаны и как работает синтез. Солнце содержит около 75% водорода и 24% гелия. Более тяжелые элементы составляют последний процент массы солнца. Ядро солнца интенсивно горячее - температура превышает 15 миллионов Кельвин (чуть меньше 15 миллионов градусов Цельсия).

При этих температурах атомы водорода поглощают столько энергии, что они сливаются вместе. Это не тривиальный вопрос. Ядро атома водорода представляет собой один протон. Для слияния двух протонов вместе требуется достаточно энергии для преодоления электромагнитной силы. Это потому, что протоны положительно заряжены. Если вы знакомы с магнитами, вы знаете, что подобные заряды отталкивают друг друга. Но если у вас достаточно энергии для преодоления этой силы, вы можете сплавить два ядра в одно.

То, что вы получите после этого первоначального слияния, - дейтерий, изотоп водорода. Это атом с одним протоном и одним нейтроном. Слияние дейтерия с водородом создает гелий-3. Слияние двух атомов гелия-3 вместе создает гелий-4 и два атома водорода. Если вы не вдаваться в промежуточные этапы этого процесса, по сути четыре атома водорода сливаются с образованием одного атома гелия-4.

Здесь энергия вступает в игру. Атом гелия-4 имеет меньшую массу, чем четыре атома водорода. Итак, где же эта лишняя масса? Она превращается в энергию. И, как известно, из популярного уравнения Эйнштейна, энергия равна массе объекта, умноженной на квадрат скорости света. Это означает, что масса мельчайшей частицы эквивалентна огромному количеству энергии. Итак, как ученые создают звезды?

Зажигаем звезды

Создание достаточной энергии для преодоления электромагнитной силы непросто, но ученым удалось сделать это 1 ноября 1952 года. Именно тогда на атолле Эниветок взорвалась первая в мире водородная бомба Иви Майк. Бомба имела две ступени. Первым этапом была бомба деления урана. Деление - это процесс расщепления ядра. Это тип бомбы, которую США использовали в Нагасаки и Хиросиме, чтобы показать всему миру самую крутую бомбу.

Элемент урановой бомбы Иви Майка был необходим для создания огромного количества энергии, необходимой для преодоления электромагнитной силы водорода, чтобы сплавить его в гелий. Тепло от начального взрыва, перенесенного через свинцовый корпус бомбы, в колбу, содержащую жидкий дейтерий. Плутониевый стержень внутри колбы выступал в качестве воспламенения для реакции синтеза.

В результате взрыв составлял 10,4 мегатонн. Он полностью уничтожил остров, оставив за ним кратер глубиной около 50 метров. На короткое мгновение человек использовал силу звезд, чтобы создать оружие огромной силы. Начался термоядерный век.

Апогеем таких экспериментов стало создание и испытание СССР царь-бомбы в 58 мегатонн 30 октября 1961 году в районе Новой Земли. Бомба состояла из нескольких шарообразных слоев дейтерида лития и урана 238. Взрывная волна обогнула 3 раза земной шар, огненный шар радиусом около 3 км, как искусственное Солнце, был виден на расстоянии в 1000 км, в радиусе 100 км излучение вызывало ожоги 3 степени.

Лаборатории во всем мире теперь пытаются найти способ использовать слияние как источник энергии. Если они смогут найти способ создания устойчивых и контролируемых реакций, ученые могут использовать синтез для обеспечения огромного количества энергии в течение миллионов лет. Нет недостатка в топливе - водорода много, а океаны содержат большое количество дейтерия.

Объем мощности, необходимой для инициирования плавления в сочетании с интенсивным теплом, созданным событием, затрудняет создание объекта, способного удержать реакцию. Некоторые ученые рассматривают массивные лазеры как способ создания высокой температуры, необходимой для запуска слияния. Другие изучают варианты с плазмой - четвертым состоянием материи. Но никто еще не разблокировал секрет термоядерного синтеза до конца.

Итак, мы можем создать звезду на Земле - по крайней мере, на короткое время. Но еще предстоит выяснить, можем ли мы поддерживать такое творение и использовать его поразительную энергию в мирных целях.