Цивилизация Пружин, 4-5

Часть 4. Дороги и перекрёстки.

Предыдущая часть и её краткое содержание.

Читая этот раздел, следует понимать: всё, здесь перечисленное, либо не работает, либо… потенциально опасно. Ибо всякая возможность направлять и концентрировать энергию находит в первую очередь военное применение. Чингисхан подчинил полконтинента, направив энергию растущей травы (через лошадей) на военные нужды. Англия колонизировала половину планеты, оседлав энергию ветра. Первые быстрые концентраторы химической энергии — нефтяные зажигательные снаряды и пороховые бомбы. Двигатель внутреннего сгорания таскал на себе броню двух мировых войн по полям и болотам, и продолжает обслуживать бесчисленные столкновения по всему миру. А атомная энергия сначала принесла миру бомбу, и лишь затем — мирный реактор. Любая возможность обуздать новые потоки энергии, сконцентрировать её, либо быстро высвободить наверняка отслеживается военными.

Но если каждый пункт в разделе — фантазия или война, то зачем писать? Не лучше ли промолчать?

Мда… «Хотелось бы побыть страусом, да пол бетонный.» Я верю, что писать надо. Если что-то работает, пусть об этом знают все. Если нет — что ж, пусть задумаются тоже все.

Как-то так.

Приступим.

4.1. А полностью ли выжата пружина?

В общем, нет. Есть ещё резервы. Местами серьёзные.

Во-первых, в прочности материалов. Современные ракеты делаются из металлических сплавов. Предел их удельной прочности — в районе 0.3 МДж/кг. Даже кевлар и углепластик уже дают вдесятеро большую прочность при том же весе, и это ещё далеко не теоретический предел. Если извернуться и изготовить ту же первую ступень «Протона» из подобных материалов, то весить она будет существенно меньше, и разницу (как минимум) можно пустить в полезную нагрузку. В теории. Кхм… В теории, теория и практика едины. На практике, увы, эти чудесные материалы к строительству ракет пока едва ли готовы. Тут и сложности изготовления крупных конструкций нетривиальных форм, и недобрые рабочие температуры, и ещё проблем на инженерный учебник. Но пространство, куда копать, есть. А первые ласточки^[670] из композитов уже полетели.

Далее, наноматериалы и, в частности, графен^[95]. Сама по себе энергия связи между атомами углерода в нём — те же скромные 2-3 эВ на атом. Но: а) связей на атом три, и это в сумме даёт^[98] уже до 7.8 эВ/атом; б) углерод — элемент лёгкий, на килограмм делить выгодно, и: в) решётка у графена абсолютно правильная, без дефектов и «слабых звеньев», готовых преждевременно подвести под нагрузкой. Итог^[355]: 62-65 МДж/кг, вдвое выше «химического» пружинного предела. Я думаю, что если мы научимся конструировать подобные правильные решётки из бора, который ещё легче, мы и до 100 МДж/кг допрыгнем. И кто знает, не будут ли тогда ракеты будущего запитываться бешено раскрученными маховиками из графена или похожих материалов?

[А в комментариях мне вот какую интересную работу по теме подсказали [352]]

Лимон химической энергии тоже ещё выдавлен не до шкурки. И это я не про двигатель на смеси лития, фтора и водорода [405], [410] (удельный импульс-то у него приличный, но работать с такими смесями я и врагам не пожелаю). Нет, речь пойдёт про экзотические соединения, существующие пока лишь в лабораториях да теориях, но обещающие многое.

Первый пример^[420] («извините, я не могу этого сказать», если меня попросят вслух выговорить его название):

_{[Credit: By Albris — Own work, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=47523411]}

Взрывается самостоятельно, «без видимой причины», выделяя энергию в количестве 6.8 МДж/кг. Цифра не слишком внушительная, и для запихивания в ракеты это вещество уж больно нестабильно. Но заметьте: оно состоит преимущественно из азота. Похоже, что азот-азотные цепочки, если правильно их «взвести», запасают немало энергии?

Химики это поняли и уже с десяток лет конструируют^[265] всё более хитрые структуры чуть менее чем полностью из азота. Вот ещё^[430]:

_{[Credit: By Meodipt — Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=13243875]}

Теплота сгорания или образования, к сожалению, не указана. Но это неважно, потому что абсолютный рекордсмен, похоже, уже найден^[440].

Оказывается, под давлением свыше 1.1 миллиона атмосфер и температуре в 2000 К азот переходит в кристаллическую модификацию под названием cubic gauche (по-русски, как мне подсказали, это называется «кубическая гош-модификация»). И эта модификация, если только не врут на радостях^[450], оказывается стабильна при возврате в нормальные условия. И может быть синтезирована при них. Ну, метастабильна, точнее. Поэтому при превращении в обычный азот она выделяет массу энергии. Конкретные цифры разнятся: по [450] выходит 15.8 МДж/кг, по википедии^[440] — 27 и 33 МДж/кг. Если верна последняя величина, то, теоретически, скорость истечения такого двигателя может достигать ≈6700 м/с. Если первая — 4700 м/с, но и это недурно.

Разумеется, 33 МДж/кг — это не триста и не три тысячи. Существенно больше из химии всё равно вряд ли получишь. Но даже полтора раза по скорости истечения сокращают стартовую массу ракеты в разы, резко удешевляя запуск. Есть за что бодаться. И кто знает, какие ещё состояния материи удастся получить при высоких давлениях и благополучно «вывести» оттуда в наши нормальные условия?

Из более экзотической химии стоит упомянуть:

4.1.1. Фиксацию атомов (не молекул!) водорода в плёнке твёрдого замороженного водорода [460]. При достигнутых плотностях в 2*10¹⁹ см^-3 это пересчитывается в запас энергии в 2.6 МДж/кг. Хотя по сравнению с традиционными топливами цифра выглядит неярко, сам подход необычен. И кто знает, сколько ещё удастся из него получить? Википедия утверждает^[470], что аналогичное «растворение» штучных атомов других веществ в жидком гелии позволяет запасать до 5 МДж/кг (правда, по ссылке на работу я пройти не могу).

К этой же группе я бы отнёс попытки^[480] создать бозе-конденсат метастабильного гелия ⁴He^* в триплетном состоянии 1s2s³S₁. Если его период полураспада действительно составляет более двух часов (а оснований не верить я не вижу^[490]) при энергии на атом аж в 19.8 электроновольт, то подобная материя, в принципе, способна запасти 475 Мегаджоулей на килограмм! С «выхлопом» в виде чистейшего безвредного гелия. Конечно, при условии, что эти сугубо лабораторные криогенные исследования удастся довести до пригодности к «переезду» на ракету.

4.1.2 Смутные указания ([500], [510]) на трёх- и более высокие валентности цезия и бария намекают, что хотя бы иногда, при каких-то условиях, для образования химических связей можно использовать не только валентные, но и внутренние электроны атомов. От самого этого понимания до «абсолютного топлива» ещё как до Луны пешком (pun intended), но обоснованно помечтать есть о чём.

4.1.3 Расплавленная соль бесперспективна, а вот как насчёт испарённой? Теплоты испарения некоторых веществ бывают очень высоки^[680]. Так, газообразный бериллий, конденсируясь, выделяет энергию в количестве 32 МДж/кг, бор — 45. Правда, человек, предлагающий запустить летающий баллон с 2500-градусным газообразным бериллием, в ответ рискует нарваться на шутку про урановые ломы в ртути, тут уж ничего не поделаешь…

На этом закруглимся с химией и перейдём к другим формам хранения.

^{Статья написана для сайта https://habr.com. При копировании просьба ссылаться на исходник. Автор статьи Евгений Бобух.}

4.2. Другие поля

До сих пор мы фокусировались преимущественно на электромагнитном взаимодействии. Но в природе есть как минимум ещё три поля: гравитационное, сильное и слабое. Можно ли создать аккумулятор, запасающий энергию в них?

С гравитационным полем проще всего. Поднял груз на башню — энергия запаслась. Опустил — выделилась. На этом принципе основаны гидравлические системы хранения^[520] энергии. К сожалению, есть непреодолимая проблема. Поскольку потенциальная энергия — это mgh, то энергия на килограмм — это gh. А h, то бишь высота, в земных условиях — максимум километры. Это единицы килоджоулей на килограмм, даже не мега. Вот если бы на нейтронной звезде, где g легко может составлять 10¹² м/с²… Право слово, иногда я подозреваю, что нейтронные звёзды и чёрные дыры — не что иное, как гигантские электростанции супер-цивилизаций. Ну и в любом случае вряд ли удастся летать в космос на таком «аккумуляторе» — ведь для движения вверх его придётся заряжать, а не разряжать.

Так что про гравитационное поле достаточно. Какие у нас есть «более другие» поля?

Сильное^[690] — отвечает за взаимное притяжение протонов и нейтронов в атомном ядре. И слабое^[700], отвечает за превращение кварков друг в друга, проявляющееся в распаде нейтрона и бета-распаде ядер. С нашей повседневной точки зрения всё это — атомная энергия, так что вместе их здесь и рассмотрим, на примере типовых реакций:

• Радиоактивный распад. Бывает нескольких видов:
• — Альфа-распад. Было ядро урана-238, стало ядро тория-234 да альфа-цастица, плюс 4.27 мегаэлектронвольт энергии ([530]). Это порядков на шесть больше, чем в химии. Хоть у урана ядра и тяжёлые, всё равно получается 1.7 Гигаджоуля на грамм.
• — Бета-распад. Был кобальт-60, стал никель-60, плюс электрон, плюс антинейтрино, плюс гамма-лучи, плюс 1.35 МэВ на атом. Отметим, что за (почти любым) бета-распадом на самом деле «сидит» реакция распада нейтрона через слабое взаимодействие, в незамутнённом виде описываемая уравнением n⁰ → p⁺ + e⁻ + ν_e (+ 0.782343 MeV).
• — И с десяток других, более редких, видов распада [705]
• Деление ядер. Было ядро урана-235, стукнули нейтроном, получилось два ядра каких-нибудь криптона и бария, плюс нейтроны, плюс примерно 180 MeV на ядро ([540]). Грамм 70 такого делящегося материала по энергии эквивалентны содержимому всех топливных баков «Протона».
• Термоядерный синтез. Столкнулись два ядра лёгких элементов, слились в более тяжёлое. Выделилась энергия, плюс побочные частицы. Наиболее прокачанный на сегодня вариант — реакция дейтерия и трития: D + T -> ⁴He + n + 17.6 MeV. Но есть и менее «грязные» и более удобные для сбора энергии реакции.

В виде оружия всё вышеперечисленное освоено уже давно. В мирном виде тоже, кроме термоядерного синтеза. До него с 1950-х годов постоянно остаётся «лет 15-20». Правда, я всё равно верю в этот синтез, как в главное направление решения энергетических проблем человечества.

Радиоактивный распад (как плутония, так и более лёгких изотопов вроде кобальта-60, цезия-137) давно уже активно трудится в радиоизотопных генераторах^[710] и атомных батарейках на бета-распаде^[720]. Малые ядерные реакторы для (полу)гражданского использования начали успешно делать ещё в 1950-е годы [555].

Известны и ракетные двигатели на реакции деления ядер.

Вот испытания американской «Нервы» [570], 1966-1972:

_{[Image credit: William R. Corliss, Francis C. Schwenk — Nuclear Propulsion for Space (pamphlet from United States Atomic Energy Commission, Division of Technical Information) Test of NERVA nuclear rocket engine.]}

Вот^{[580][583][586]} советский РД-0410, 1965-1980:

_{[Image credit [730]]}

Тяга к массе у них не очень хорошие, так что для первых ступеней они не слишком пригодны. Над этим можно работать, идеи различной степени внятности есть, только… только не в этом проблема.

Ведь не столько инженерные, сколько медицинские и политические причины препятствуют сегодня использованию ядерной энергии для освоения космоса. Все боятся (и вполне справедливо) радиоактивного заражения при авариях, ошибках, терроризме. Лечить радиоактивное поражение мы толком не умеем, обеззараживать биосферу — тоже. Микрограмма кой-каких долгоживущих изотопов достаточно, чтобы отправить человека на тот свет. Это раз. Два — от ядерной бомбы до ядерного двигателя дистанция не столь уж велика. Что там на самом деле запускает в стратосферу потенциальный противник партнёр по освоению космоса, поди разбери издалека?

Пока эти проблемы не будут решены, я не думаю, что мы увидим серьёзное применение атомной энергии в космонавтике. Так, батареечки для марсохода, может, ЭРД на изотопном генераторе, это максимум. До отведения Антарктиды под совместный атомный ракетодром, увы, ещё очень далеко. На расстоянии фантастики.

4.2.1. Однако в рамках этого раздела стоит упомянуть такой забавный эффект, как влияние неядерных сил на периоды полураспада. Мы привыкли думать, что скорость естественного распада атомов — величина постоянная, ни от чего не зависящая, и полагаемся на этот факт для радиоизотопного датирования^[740]. Но это не совсем так. Судя по [750], на период полураспада могут влиять химическое состояние вещества (в том числе ионизация), давление, переход в сверхпроводимость, электрические и магнитные поля, температура. К сожалению, большинство работ по этой теме перекрыты требованиями об оплате, так что, не выкинув на ветер пару сотен долларов, я не могу привести первоисточники и вынужден ограничиться вторичным цитированием или абстрактами. Среди показавшихся мне любопытными следует назвать:

• Изменение скорости распада радиоактивных ¹¹¹In и ³²P из-за вращения в центрифуге — причём существенное, с уменьшением/увеличением периода на единицы процентов в зависимости от направления и скорости вращения [760]. Выглядит даже слишком хорошо, чтобы быть правдой, неплохо бы перепроверить этот результат.
• Уменьшение периода полураспада ²¹⁰Po на 6.3% просто благодаря заключению его в медную оболочку и охлаждению до 12K [770]. Тоже под вопросом.
• Рений-187, практически стабильный изотоп с периодом полураспада в 42 миллиарда лет, будучи полностью ионизирован (т.е. до состояния ¹⁷⁸Re⁷⁵⁺), сокращает время жизни до 33 лет, т.е. становится чертовски нестабильным [780]. И вот эта работа вполне надёжна.
• Нейтральный диспрозий ¹⁶³Dy стабилен. Но, будучи полностью ионизирован до ¹⁶³Dy⁶⁶⁺, превращается в радиоактивный с периодом полураспада в… 50 дней! [790]

Чем это потенциально перспективно, понятно. Добыча энергии из слишком медленно распадающихся изотопов. Управление мощностью изотопных батарей и реакторов. Стабилизация далёких трансурановых элементов для хранения и изучения. И кто знает, может, даже [убрано от греха подальше]? Правда, любое инженерно разумное воздействие сегодня сдвигает параметры распада максимум на проценты, и физика вроде нигде не предсказывает эдакого «магического пика», но кто знает, кто знает…

4.2.2. Возбуждённые и вращающиеся ядра

Если энергозапас маховика из обычной материи ограничен её прочностью на разрыв, то не улучшатся ли результаты, если «закрутить» материю ядерную? Она-то попрочнее будет?

В целом ответ положительный, хотя за ним прячется столько тонкостей, что я вынужден промчаться лишь по самым верхам. Заранее приношу извинения за безмерные упущения и упрощения, с помощью которых эту диссертационную по объёму тему пришлось впихнуть в пару абзацев.

Во-первых, атомное ядро может вращаться более-менее как единое целое. Как эдакая капелька ядерной жидкости ([800], [810], [820]). Типичные спины, до которых удаётся «раскрутить» такие ядра — это 30-100 ħ, дальше они «рвутся». Но перед этим запасают по 10-200 МэВ энергии на атом. Подобной «закруткой» можно также инициировать или ускорять распад (даже стабильных) ядер. Правда, методы раскрутки у нас сегодня варварские, для энергетики непригодные: «бомбить» ядра вслепую тяжёлыми частицами в ускорителе, зная, что некоторые удары придутся «вскользь». Ну и время жизни таких ядер обычно невелико, насколько я в курсе (впрочем, тут я не эксперт, буду рад, если знающию люди дополнят).

Во-вторых, ядро может вращаться «по частям». Когда лишь несколько нуклонов в нём переходят на более высокий уровень энергии ([830], [840]), примерно как и электроны в возбуждённом атоме. Характерные спины таких состояний — до нескольких десятков ħ, запасы энергии на ядро — от десятков эВ до десятков МэВ, а вот времена жизни… времена жизни иногда соблазнительно велики. Так, изомер гафния ^178m2Hf «живёт» 31 год^[832], гольмия ^166m1Ho — 1200 лет^[832], рения ^186mRe — 200 тысяч лет^[835]. Переходя из возбуждённого в базовое состояние, такие ядра испускают только гамма-кванты. Нет ни наводящих радиацию нейтронов, ни чрезвычайно грязных осколков, ни альфа или бета-частиц. Всё очень чисто и хотя бы по этой причине соблазнительно.

Однако до сих пор непонятно, как же закачивать энергию в такие изомеры и потом доставать её обратно. Научные работы по этой теме года с 2000-го стали очень противоречивы^[850]. Кто-то заявляет об успехе, другие публикуют опровержения. Выглядит всё это крайне подозрительно.

Стоит упомянуть, что и протон тоже можно «завращать», переведя его в возбуждённое состояние со спином 3/2 и выше ([860], [865]). Уже первое такое состояние обладает энергией на 479 МэВ выше базового. К сожалению, времена жизни этих образований не превышают 1.5*10^-16 секунды.

^{Статья написана для сайта https://habr.com. При копировании просьба ссылаться на исходник. Автор статьи Евгений Бобух.}

4.2.3 Экзотические атомы^[870]

Ну и на закуску — в принципе материю можно конструировать не только из протонов, нейтронов и электронов, но и из других частиц. Многие «экзотические» ядра синтезированы экспериментально и иногда обладают громадными запасами энергии. К сожалению, все они живут не дольше 10 микросекунд, а обычно гораздо меньше.

4.3. А не уволить ли нам брокера?

Чтобы запасать энергию в напряжённости электромагнитного поля в обход «жадного брокера» обычной материи, требуется вывести электромагнитное поле из межатомных пространств. Сам путь не нов. Прошедшие лет 200 мы именно по нему и двигались, собрав по дороге немало полезных достижений.

Одним из первых начал Вольта (в честь которого вольт и вошёл в язык) со своим столбом в 1800-м году:

Нехитрая стопка чередующихся металлов развивала напряжения в десятки, сотни и тысячи вольт, то есть куда выше валентных, и с приличными токами. Электролиз, запитанный подобным столбом, дал возможность выделить в чистом виде десятки легкоокисляемых металлов вроде магния, натрия и алюминия.

Дальше больше. Передача электричества по проводам. Электродвигатели. Радио и радары, в том числе с мегаваттными мощностями. Лазеры. Ионные и электронные пучки, рентгеновские аппараты. Сварка, плавление и резка электронными пучками, ускорители и искусственно полученные изотопы и новые элементы. Да, признаем честно: большая часть этих изобретений в качестве аккумуляторов энергии малоприменима. Но они показывают: плоды вывода электромагнитного поля на макроскопический уровень вкусны и многообещающи. Почему бы не попытаться и дальше думать в этом направлении? Лично мне это кажется наиболее перспективным.

Легко сказать «двигаться в этом направлении», но что конкретно под этим имеется в виду?

Ниже я решил привести пример. Disclaimer. Я не утверждаю, что описанная ниже штуковина будет точно работать. Я не бор, не Вольта, и даже не Персов и не слишком силён в конструировании экспериментальных установок. Я хорошо понимаю, что на практике для хранения энергии данная конструкция вряд ли пригодна. Но, теоретически, пружинный предел она всё-таки преодолевает. Поэтому делюсь. Исключительно как иллюстрацией возможного хода мысли в данном направлении, и не более того.

В целом, получилась… «пустышка», она же «гидромагнитная ловушка, как ее… объект семьдесят семь-бэ». Но хоть поразвлечься без нарушения законов физики вроде бы удалось.

4.4. А зачем вообще таскать энергию ракету себя с собой?

В принципе, низачем. Если сделать ракету незамкнутой системой, можно многого добиться. Часть этих идей уже работает, другие от практической реализации бесконечно (и, возможно, перманентно) далеки. Я собрал их здесь, чтобы показать: альтернативы есть. Пусть и разной степени достоверности.

4.4.1. «Дышащие» двигатели, которые не везут кислород с собой.

В авиации трудятся уже давно, но на скоростях до 3-4 Маха. Уверенный прорыв за этот потолок случился только в этом столетии. США, Китай и Индия успешно испытывали^[910] скрэмджеты^[905] на скоростях в 5-6 Маха (Россия, вроде, даже в 95-м году, но там как-то всё непонятно). Китайский WU-14^[915] способен разгоняться, предположительно, до 10 М. Правда, все эти вкусности делаются не ради освоения космоса, а с целью создать маневрирующую, трудноперехватываемую баллистическую ракету.

4.4.2. Запитка ракеты лазером^[920].

Ракета тащит с собой только рабочее тело. На Земле стоит электростанция Какой Угодно Мощности, которая лазером или мазером передаёт энергию на ракету. Может, чтобы прямо испарять рабочее тело. Может, опосредованно, через ЭРД. Выглядит очень перспективно. На практике затруднено: и поток энергии такой силы через воздух фокусируется плохо, да и сам по себе такой лазер сделать непросто.

4.4.3. Запитка ракеты… по проводам!

Безумно? Безусловно. Но ПТУРы на 4 километра по проводам летают^[930]. Можно ли сделать хотя бы на 10, и передать по ним хотя бы гигаватт мощности? Я тут прикинул и получил, что по стально-алюминиевому «проводу» радиусом 5 сантиметров можно передавать 1 гигаватт в течение 100 секунд на 10 километров до того, как этот провод потеряет прочность из-за перегрева. Правда, 400 тонн такой «провод» весить будет. И гибкости никакой. И что обидно, параметры материала провода (плотность, удельное сопротивление, теплоёмкость, допустимый нагрев) входят в выражение для радиуса лишь в степени 1/6. То есть, никакими разумными заменами материала эти 5 сантиметров в 2 миллиметра не превращаются. Но! 5 сантиметров — это же почти… рельсы. Получается рельсотрон [940]. Причём, если выбрать материал попрочнее, то его километров в 10 длиной сделать можно. А это, считай, почти замена первой ступени.

4.4.4. Я уже слышу, как скандируют "космический лифт".

К сожалению, у этой идеи, помимо очевидных трудностей (например, куда девать уже шастающие по орбитам спутники?), есть одна фундаментальная слабость. Если подсчитать давление на разрыв, возникающее у основания такого троса, то по порядку величины получится p = ρgR, где R — радиус планеты. Приравняв его к пределу прочности материала σ, и найдя отношение σ/ρ, потребное, чтобы этот трос не порвался, получим σ/ρ ≈ gR = 60 МДж/кг. То есть, если космический лифт и возможен, то на самой грани Пружинного Предела нашей материи. Так что сомнительно, очень сомнительно.

4.4.5. “Полёт с сегодняшними телами дальше Луны — это пешая экспедиция медуз по Сахаре”

Ибо слишком много надо брать с собой систем жизнеобеспечения и защиты, чтобы таскать эти тела по космосу. Если бы мы весили 1 грамм, то не заселили ли бы уже Солнечную Систему? Если бы мы жили 1 миллиард лет, то могли бы летать к соседним звёздам на солнечном парусе. Если бы мы были роботами, то не нуждались бы в терраформировании Марса для его заселения и вполне могли бы гулять по Плутону. Желающие могут продолжить — тема для фантазии благодарная.

Завершение следует.

Автор: eugeneb0

Источник