Помоги проекту - поделись книгой:
Компьютерра
11.04.2011 - 17.04.2011
Статьи
Космический лифт и космические сложности
Традиционный способ доставки грузов на орбиту очень дорог. Например, перевозка одного килограмма на шаттле, по оценке НАСА, стоит примерно 22 тысячи долларов. На российской одноразовой ракете-носителе «Протон» стоимость ниже: по некоторым оценкам, она составляет от одной до четырёх с половиной тысяч за килограмм. Но и это тоже недёшево.
Освоение космоса тормозит именно дороговизна ракетных стартов. Позволить их себе могут лишь крупные государства и считанные мегакорпорации, нашедшие способ извлекать из присутствия на орбите прибыль. Появление другого, более доступного способа поменяло бы всё. Но есть ли такой способ?
Одна из самых любопытных идей, отвечающих на этот вопрос, — космический лифт. Она проста: конструкция, как и у обычного лифта, состоит из основания, троса, подъёмника и противовеса. Разница лишь в масштабах. Основание космического лифта находится на поверхности Земли, от него вверх тянется трос, по которому движется подъёмник с грузами или пассажирами, а на орбитальной станции расположен противовес, благодаря которому центр масс лифта находится над уровнем геостационарной орбиты.
Главное преимущество космического лифта в том, что он экономичен. По расчётам специалистов из НАСА, доставка килограмма груза на космическом лифте обойдётся всего в несколько долларов.
Откуда такая экономия? Более 90 процентов веса ракет составляют топливо, расходуемые компоненты и сама «оболочка» ракеты. Лифт позволяет избежать львиной доли ненужных расходов. Если кроме перевозки грузов лифт можно будет использовать и для перемещения людей, билет на орбиту будет стоить не дороже билета на авиаперелёт.
Впрочем, не всё так просто. Рассуждать об экономике рано — сначала нужно решить инженерные проблемы. Впрочем, судя по тому, что идея привлекает не только фантастов, но и серьёзные организации, вроде NASA, за этим дело не станет.
Считается, что первым к идее космического лифта обратился советский учёный Константин Циолковский. В 1895 году он предположил, что можно построить «Небесный замок» на геостационарной земной орбите, присоединённый к опоре на земле. Вдохновила же http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2000/ast07sep_1/ учёного Эйфелева башня. Ему пришло в голову, что если вытянуть башню до орбиты, то получится что-то вроде лестницы в небо.
Первый подробный проект космического лифта принадлежит ленинградскому инженеру Юрию Арцупанову. В 1960 году он написал статью "В Космос — на электровозе": "Возьмите кусочек шпагата и привяжите к нему камень. Начните вращать его. Под влиянием центробежной силы камень будет стремиться оторваться и туго натянет верёвку. Ну, а что будет, если такую «верёвку» укрепить на земном экваторе и, протянув далеко в Космос, «подвесить» на ней соответствующий груз?"
Арцупанов предположил, что если трос сделать достаточно длинным, то на определённом расстоянии центробежная сила станет растягивать его, не давая грузу упасть на землю. Так будет происходить потому, что сила притяжения Земли уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а центробежная сила растёт с увеличением расстояния.
Как инженер он понимал, что главная проблема — это невероятно длинный трос, требующийся для космического лифта. Арцупанов предложил изготовить его из нескольких нитей, связанных между собой поперечными жгутами. Он считал, что это поможет защитить трос от внешних воздействий, например метеоров.
Верёвки, из которых будет состоять трос, должны быть разной толщины: снизу, у Земли, тоньше, а чем выше, тем толще. Максимальная толщина должна быть в точке, где центробежная сила уравновешивает силу тяжести. Это нужно для того, чтобы растягивающее напряжение по всей длине было одинаковым. А в верёвки, из которых будет состоять трос, нужно вплести металлические провода, чтобы осуществлять электроснабжение.
Даже самые прочные из известных материалов, такие, как сталь, или алмазная нить, не подходят для троса космического лифта. Главная надежда в этом смысле на углеродные нанотрубки. За счёт своей структуры (они могут быть однослойные и многослойные, прямые и спиральные) нанотрубки имеют необычные свойства, и самое примечательное из них — это прочность. Помимо того что они обладают невероятно большой прочностью на растяжение и изгиб, это ещё и неплотный материал, а значит, весит он совсем немного, что является его явным преимуществом. Отношение предела прочности к весу у нанотрубок достигает 74000 кНм/кг. По этому показателю они превосходят сталь в 117 раз, а кевлар — в 30 раз (подробнее об этом можно прочитать в статье «A New Lower Limit for the Ultimate Breaking Strain of Carbon Nanotubes»).
Но промышленное применение нанотрубок пока невозможно из-за ряда проблем. Первая причина — наука пока не нашла экономически приемлемого способа выращивать нанотрубки в нужных количествах. Также пока невозможно создавать углеродные нанотрубки неограниченной длины с однородными физическими свойствами, то есть без структурных дефектов (хотя успешные попытки и делаются).
Несмотря на огромные перспективы этого материала, пока оценки специалистов относительно применения нанотрубок в проекте космического лифта пессимистичные. Итальянский учёный Никола Пуньо сделал вычисления, согласно которым неизбежные дефекты нанотрубок сделают их недостаточно прочными для космического лифта (за подробностями стоит обратиться к его докладу.)
Учёный рассчитал, что предел прочности троса должен составлять 62 гигапаскаля. Для сравнения: 1 ГПа — это 10 тонн на 1 см2. Предел прочности отдельной нанотрубки, по некоторым данным, составляет 100 гигапаскалей. Но если сплести из них трос, то за счёт дефектов он существенно снизится. Если это действительно так, то выходит, что современный уровень развития материаловедения не позволяет построить космический лифт.
Существует множество проектов космического лифта, и все они мало отличаются от того, что предлагал Арцупанов, но теперь учёные исходят из того, что материалы из нанотрубок станут доступны. Вот, например, рецепт космического лифта по-индийски. Заместитель начальника индийского космического центра VSSC Сентхил Кумар на одном из научных конгрессов рассказал о проекте лифта, в основании которого будет высотное здание. К нему прикрепят трос из композитного волокна на основе углеродных нанотрубок. На втором конце будет расположен противовес, уходящий за пределы геостационарной орбиты. Кабину лифта разделят на две части: отсек для грузов и помещение для людей. Индийцы уже даже рассчитали скорость подъёмника — 200 км в час. Достигнет своей цели кабина за восемь дней. Правда, господин Кумар не пояснил, как его соотечественники предлагают решать проблему радиации, молний, ветров, метеоров и космического мусора.
Смелее всех фантазии оказались, пожалуй, у канадцев. Из всех предложенных проектов у них получился самый необычный вариант. Они решили, что можно сделать лифт в виде огромной надувной башни. Башню канадцы предлагают собирать из модулей. Модуль в данном случае означает три скреплённые между собой трубы двухметрового диаметра, надутые гелием или другим лёгким газом. Между трубами предполагается вертикальный «проход», по которому будет двигаться кабина. Чтобы не быть голословными, канадцы спроектировали модель лифта.
Пока им удалось построить башню высотой 15 километров, но как «дотянуть» её до низкой околоземной орбиты, остаётся открытым вопросом. Проблему углеродных нанотрубок учёные вообще обошли стороной и предложили плести трос из уже имеющихся материалов. Статью об этом можно прочитать в журнале Acta Astronautica.
Но больше всех идея космического лифта интересует американцев. Например, Лос-Аламосская национальная лаборатория (та самая, где была сделана первая атомная бомба) активно занимается этим вопросом. Её сотрудники предложили свой вариант космического лифта, правда, принципиально он ничем не отличается от большинства других. На экваторе предлагается расположить океанскую платформу. Трос сделают в виде ленты из углеродных нанотрубок. Подавать энергию к лифтовой кабине планируется с помощью мощных лазеров, которые с Земли будут «подсвечивать» панели, преобразующие энергию обратно в электрический ток.
В качестве троса американцы тоже предполагают использовать углеродные нанотрубки: «С открытием углеродных нанотрубок и их поразительных свойств время космического лифта не за горами. Можно провести аналогию с Трансконтинентальной железной дорогой. Её строительство началось сразу же, как только был разведан последний маршрут через горы Калифорнии. И я надеюсь, что космический лифт начнёт свою работу, как только будет создана лента из нанотрубок длиной в сто тысяч километров», — сказал учёный лаборатории Брайан Лобшер (Bryan Laubscher).
Ещё одна из предполагаемых проблем — это радиация. Как известно, у Земли, как и у других крупных планет, есть радиационный пояс. Самая опасная часть лучевых поясов приходится на высоту от 1 до 20 тысяч километров над Землей; соответственно, поднимаясь со скоростью 200 км в час, космический лифт проведёт в опасной зоне примерно три с половиной дня.
Если содержимое кабины теоретически возможно защитить от облучения, так как протоны высоких энергий обладают не очень высокой проникающей способностью, то сам трос и внешняя сторона устройства всё же облучатся. Опять же на утолщение конструкции кабины для защиты от радиации уйдёт дополнительный материал, что скажется на её весе и соответственно толщине троса. Это, конечно же, отразится и на стоимости лифта. Радиация представляет немалую опасность для пассажиров, однако некоторые грузы вполне могут обойтись и без защиты.
Эффект Кориолиса тоже может помешать строительству космического лифта. При подъёме сила Кориолиса будет тянуть его вместе с тросом в направлении, обратном направлению вращения Земли. Это изменит положение лифта и заставит его колебаться, подобно маятнику. Раскачивание троса скажется на скорости. Данный эффект проявляется тем сильнее, чем выше поднимается лифт. Как вариант решения этой проблемы инженер-механик Арун Мисра из Университета Макгилла предлагает снизить скорость подъёма лифта. Во-первых, пока не совсем ясно, действительно ли это поможет, а во-вторых, это увеличит срок путешествия до пятнадцати дней. Также непонятно, как учёные предполагают преодолеть деформацию и растяжение троса, которые будут происходить за счёт данного физического явления.
Конечно, ищутся и пути преодоления препятствий. Более других активность проявляет НАСА. Во-первых, сотрудники исследовательских центров американского агентства пишут теоретические работы. В целом их разработки почти не отличаются от того, что уже описано выше. Некоторые из них есть в открытом доступе, так что при желании их можно прочитать: The Space Elevator NIAC Phase II Final Report, The Space Elevator.
Во-вторых, существует интересный проект, Space Elevator Games, который сотрудники НАСА придумали для развития этой области. Space Elevator Games — это ежегодное соревнование, участникам которого предлагается сделать уменьшённую модель космического лифта. Лучшая работа оценивается сотрудниками НАСА и вознаграждается денежным призом.
Ролик НАСА о соревнованиях
За историю существования проекта особо примечательных результатов было не так много. Тем не менее встречались и интересные. Например, продуктивными оказались соревнования 2009 года. Требования были такими. Роботам, поднимающимся по тросу, разрешено использовать энергию, посылаемую лучом с поверхности земли, ведь в настоящем космическом лифте возможна только такая модель энергопитания, так как ни одного аккумулятора не хватит на весь подъём кабины. Поэтому всем участникам пришлось использовать солнечные батареи, питаемые наземным лазером. Также неотъемлемой частью стал и электромотор с роликами, обхватывающими трос. Приз за работу составил 900 тысяч долларов, если скорость робота будет не ниже 2 метров в секунду, и 1,1 миллиона, если его скорость будет 5 м/с. Требования высокие, тем более что до 2009 года лучшим результатом было преодоление 100 метров со скоростью 1,8 м/с. Но, несмотря на сложную задачу, победители всё же нашлись. Ими стала команда LaserMotive промышленной фирмы из Сиэттла. Они сделали робота, который за три минуты и 48 секунд со скоростью 3,95 метра в секунду преодолел нужное расстояние. Так команда из Сиэттла получила свои 900 тысяч долларов, немного не дотянув до главного приза — 1,1 миллиона.
Работа победителей 2009 года в действии
В околонаучной литературе любят писать, что космический лифт построят через пять лет после того, как последний человек перестанет смеяться над этим проектом. В реальности, наверное, стоит отталкиваться от продвижений в области материаловедения. Сегодня сплести канат из углеродных нанотрубок невозможно. Невозможно сказать, получится ли это через пять или через двести лет. В целом активность вокруг космического лифта, действительно, вызывает улыбку. Но ведь и сама идея полёта в космос тоже когда-то казалась весьма сомнительной.
НПП: стратегия есть, ждём тактики
В начале апреля Правительственная комиссия по информационным технологиям и инновациям одобрила создание так называемой национальной программной платформы (НПП). После публикации министерством перечня платформ и поясняющей справки к нему возникло немало вопросов. Документы критиковали за отсутствие конкретики. Кроме того, высказывались опасения, что наличие в проекте только одного координатора, ОАО "Концерн Сириус" (ГК «Ростехнологии»), может привести к очередному «распилу».
Прежде чем переходить к анализу документов, стоит изучить историю развития понятия НПП. Термин «национальная ОС» (о платформе тогда не говорили) появился в 2007 году после заявления исполняющего обязанности министра информационных технологий и связи Леонида Реймана. Речь тогда шла лишь о создании пакета свободных программ для школ.
Затем последовали встреча разработчиков свободных продуктов с Дмитрием Медведевым, который тогда был первым вице-премьером, и собственно реализация проекта. Школьный Linux — тема для отдельной беседы; прямого отношения к НПП он не имеет.
Что касается развития платформы, то процесс шёл ни шатко ни валко до осени 2010 года. Проблема обсуждалась, отраслевые ассоциации вырабатывали какие-то документы и предложения, но в прессу просачивались только разрозненные факты. Можно вспомнить подписанную РАСПО, АРПП и РУССОФТ "Маршрутную карту развития российской индустрии разработки ПО", а также документ под названием "Российская программная платформа" (РПП). Его первый вариант был подготовлен весной 2010 года силами экспертов ассоциаций РУССОФТ и АРПП, а возникшие при обсуждении разногласий проблемы и привели к появлению маршрутной карты.
Это был подготовительный этап. Окончательная расстановка сил стала понятной лишь во второй половине 2010 года, когда ГК «Ростехнологии» приобрела компанию "АЛЬТ Линукс" через ОАО "Концерн Сириус", а фонд NGI (который многие аналитики связывают с именем Леонида Реймана, экс-министра и экс-советника президента РФ) купил французскую компанию Mandriva и российскую PingWin Software. Генеральный директор последней, Дмитрий Комиссаров, вошёл в состав совета директоров Mandriva. Кроме того, на горизонте появилась компания РОСА, которая занимается адаптацией Mandriva к российским реалиям и принимает активное участие в разработке оригинального дистрибутива (многие «фишки» Mandriva 2011 beta 2 реализованы именно в ROSA Labs).
С этого момента всем было понятно, что есть как минимум два крупных игрока, готовых побороться за лидерство в проекте. Кроме них имеются различные отраслевые ассоциации, разработчики проприетарного ПО, аутсорсеры, академические заведения и т.д.
Заинтересованных сторон много, их цели различаются, поэтому борьба была нешуточной. В ноябре 2010 года появилась информация, что в начале 2011 года пройдёт тендер на почётное звание оператора НПП. Также стало известно о результатах заседания президиума Совета при Президенте РФ по развитию информационного общества в Российской Федерации. Здесь впервые был официально подтверждён тот факт, что НПП является именно технологической платформой, а не операционной системой.
Технологическая платформа — это пул инвесторов и исполнителей, созданный для решения глобальных технологических задач. Проект финансируется через госкорпорации (с возможным привлечением бюджетных ассигнований), образовательные и научно-исследовательские учреждения, а также частные компании. В конце прошлого года в России было заявлено более сотни различных платформ. В
итоговый перечень вошло только 27.Тендер так и не состоялся, и в итоге координатором платформы стала компания "Концерн «Сириус». Безоговорочная победа «Ростехнологий» стала очевидной ещё в конце ноября прошлого года. Тогда Минэкономразвития (МЭРТ) поддержало концепцию модных в Европе технологических платформ, а заявку по НПП в МЭРТ подавала именно компания «Сириус». Прочие заинтересованные участники также не остались за бортом. Для создания пула им предложили подписать меморандум. В создании НПП будут участвовать более 85 компаний, в число которых входят ГК «АйТи», ГК «Армада», «АЛЬТ Линукс», ABBYY, 1С, PingWin Software и многие другие. Их список не регламентируется государством и может расширяться, но очевидно, что первую скрипку будут играть «Ростехнологии» через «Сириус».
Как бы то ни было, договаривающимся сторонам удалось прийти к компромиссу, и термин «технологическая платформа» приобрёл не техническое значение. Конечно, были и альтернативные концепции. Например, в декабре опубликовали новую версию уже упомянутой РПП, но в серию они не пошли. "Концепция РПП была направлена на развитие индустрии разработки ПО, в то время как НПП направлена на разработку набора передовых технологий и продуктов. Похожие названия, отсюда и возникает путаница, — говорит президент НП «РУССОФТ» Валентин Макаров. — Думаю, что мы продолжим продвижение Маршрутной карты в качестве концепции развития индустрии вместе с Минкомсвязи и в то же время будем работать с Минэкономразвития в рамках консорциума участников в проектах реализации программы НПП".
Если внимательно изучить документы (в основном справку — в перечне есть только название платформы и данные компании-координатора), можно увидеть, что они определяют только общую стратегию развития НПП. Однако критики забыли, что раньше не было и того — под платформой всяк понимал что угодно. Во многом благодаря журналистам возник некий невнятный термин «Национальная ОС», и в массовом сознании НПП стала чётко ассоциироваться с созданным на народные деньги ещё одним дистрибутивом Linux.
Опубликованная Минэкономразвития справка, во-первых, определяет базовые технологические направления платформы. Говоря коротко, здесь всё — от базового системного ПО (операционные системы, компиляторы, СУБД и т.д.) до облачных технологий, высокопроизводительных вычислений или интеллектуальных поисковых систем. Не забыты и мобильные устройства, навигационные системы, информационная безопасность, а также технологии построения электронных государственных решений (электронное правительство и т.д.). Проще говоря, в список базовых направлений вошла вся отрасль, за исключением её развлекательных направлений.
Далее следует краткое описание предполагаемых задач и основных результатов создания технологической платформы. Цели благие: здесь и изменение структуры затрат на ИТ, и переориентация финансовых потоков на отечественный рынок (импортозамещение), и даже обеспечение национальной безопасности. Говорится о ликвидации отставания в объёме и уровне использования ИТ в экономике, государственном управлении и общественной жизни, развитии системы образования, исследованиях в области ИТ, развитии отечественных центров разработки мирового класса, а также о повышении конкурентоспособности российских продуктов.
Самая интересная часть — классификация результатов по срокам. Сначала определены краткосрочные результаты. Предполагается, что за этот и следующий год будет создана инфраструктура разработки и распространения ПО, а также стандарты для обеспечения совместимости программных систем и типовые решения для реализации социально значимых проектов. В законодательство внесут изменения для правовой поддержки разработанных в рамках госзаказа технологий. Изменится система обучения; в частности, тематика СПО будет включена в программы профильных вузов. Последний пункт в этом списке назван «Технологическая независимость». Он предполагает создание на основе НПП различных технологий, в том числе технологии обработки больших массивов данных и облачного хостинга.
Среднесрочные результаты мы должны увидеть в 2012-2014 гг. Здесь также идёт речь о развитии сети центров компетенции, обучении, правовой поддержке и т.д. Добавляется региональное развитие — инфраструктура поддержки НПП должна быть создана во всех регионах РФ. Кроме того, появляется облачная инфраструктура и построение «электронного правительства» федерального и регионального уровней на её основе. В части технологической независимости речь снова идёт о датацентрах, а также о мобильных решениях на основе НПП.
В долгосрочной перспективе Нью-Васюки должны стать центром Вселенной — речь идёт уже о научных исследованиях (в том числе фундаментальных), образовании, технологической независимости и, разумеется, экспорте российских продуктов и решений.
Пока известно, что на НПП выделят 490 млн рублей государственных ассигнований в течение двух лет (этап краткосрочных результатов). Возникает закономерный вопрос: почему вокруг платформы такой ажиотаж? Деньги-то совершенно смешные. Притом финансирование явно не соответствует поставленным задачам. Полагаю, что подобная методика подсчётов не совсем верна. Стоит посмотреть внимательно на классификацию результатов по сроками — тогда можно увидеть чёткую направленность НПП на весьма дорогостоящие проекты, в том числе облачные. Не стоит считать, что платформа — это только разработка неких аппаратно-программных решений, стандартов и создание соответствующей инфраструктуры.
Представьте, сколько денег будет выделено на внедрение создаваемых решений в масштабах государства. Только на программу «Информационное общество» до 2020 года потратят 88 млрд. рублей. Генеральный директор компании PingWin Software, Дмитрий Комиссаров сообщил корреспонденту «Компьютерры»: "Надо понимать, что есть платформа в очень общем виде, требующем ещё длительного периода проработки. И одновременно есть программа «Информационное общество». В программе ИО упоминается НПП, но тождественны ли они — это пока ещё вопрос". А если вопрос о тождественности программ уже возник, то возникает и вопрос тождественности финансирования. А есть ещё Сколково, «Роснано» и прочие инновации-модернизации. Там ведь тоже будут немалые затраты на проекты в области ИТ. И всё это — национальная платформа.
И всё же я не рискну делать даже самые приблизительные прогнозы — сейчас нельзя сказать, чем закончится этот масштабный проект. Противники НПП говорят о «распиле», а её сторонники — о «независимости», «изменении финансовых потоков», «импортозамещении» и прочих вкусностях, вроде развития фундаментальных исследований. Кто из них прав, судить рано.
Валентин Макаров, президент НП «РУССОФТ»:
"Вся работа по подготовке пакета документов по проекту НПП для участия в конкурсе Минэкономразвития готовилась централизованно и очень оперативно. Из-за сжатых сроков подготовки документов другой модели, что-то другое, кроме концентрации всего организационного процесса в одних руках (в руках принадлежащего государству предприятия), придумать было трудно.
С другой стороны, такая модель подготовки заявки содержала в себе опасности, о которых говорят многие частные участники рынка. Основные ассоциации разработчиков ПО, участвующие в процессе (РАСПО, АРПП и РУССОФТ), попытались провести менее формальное обсуждение подходов к НПП в рамках панельной дискуссии на ИТ-Саммите, который только что провёл АПКИТ в Суздале 6-8 апреля. Но обсуждения не получилось, поскольку координатор проекта и руководитель «Сириуса» г-н Ухлинов не смог принять в нём участия. Вполне может быть, что его отсутствие было связано с тем, что как раз накануне государством принималось решение по утверждению НПП. Так или иначе, отсутствие координатора проекта на ИТ-Саммите не позволило обсудить проект НПП широкому кругу лидеров ИТ-индустрии и не прибавило оптимизма участникам рынка.
Единственное, что сейчас понятно, — то, что договорившись с Минэкономразвития и с «Сириусом» о совместной работе над проектом, сообщество разработчиков будет следовать достигнутым договоренностям и будет ожидать такого же поведения от других участников проекта".
Дмитрий Комиссаров, генеральный директор PingWin Software:
"Если переходить к самой НПП, то мне видится, что для оценки её перспективности и полезности необходимо оценить документы, специфицирующие в деталях, что входит в платформу, какие стандарты, как и кто занимается сертификацией, каковы средства тестирования и верификации. На мой взгляд, на это уйдет ещё полгода-год.
Что с моей точки зрения принципиально и что уже неоднократно отмечалось и Президиумом совета по информационному обществу при Президенте РФ, платформа — это не ОС, а набор стандартов, определяющих, при соблюдении каких условий — репозиторий в России, полная пересборка из исходных кодов, соответствие стандартам (LSB прежде всего) и т.п. — операционная система может быть сертифицирована как входящая в платформу. Одновременно это и набор стандартов средств тестирования и анализа кодов, которые позволяют включать в платформу middleware и прикладной уровень.
Во всех частях обязательна конкурентная среда. Детализация состава платформы (middleware и прикладной уровень) — задача этого и, наверное, следующего года".
Интервью
Алексей Беклемишев (ИЯФ СО РАН) о термояде
Старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Беклемишев рассказывает о проекте новой установки по удержанию плазмы — газодинамической многопробочной ловушке (ГДМЛ). Возможно, её создание станет первым шагом к термоядерному реактору на основе открытой ловушки. Если ГДМЛ будет работать так, как это предсказывает теория, токамаки отдадут пальму первенства в области управляемого термоядерного синтеза открытым ловушкам, ведь последние, предположительно, будут в несколько раз дешевле при той же эффективности.
- В чём заключается проблема термоядерной энергетики?
- Проблема УТС, управляемого термоядерного синтеза, в принципе, решена. В начале девяностых годов на токамаках JET и TFTR была получена мощность термоядерных реакций, превышающая затраты на нагрев плазмы, и стало примерно понятно, каким может быть энергетический термоядерный реактор. Однако решение на основе существующих технологий и материалов слишком большое, дорогое и никому не нравится. Поэтому в начале девяностых годов центр тяжести был перенесён на технологии, а финансирование физических исследований резко сократили. Параллельно интерес к этой области пропал и у самих физиков, сократился приток студентов. Специалисты есть, но большинство из них предпенсионного возраста. Причём такая ситуация не только в России, но и во всём мире, кроме Китая. Так что первая проблема, с моей точки зрения, — это кадровый закат.
Токамак — установка для магнитного удержания плазмы с целью достижения условий, необходимых для протекания управляемого термоядерного синтеза. Плазма в токамаке удерживается не стенками камеры, которые способны выдержать её температуру лишь до определённого предела, а специально создаваемым магнитным полем (из "
Википедии").Физика плазмы — наука, построенная на основе классической электродинамики: все исходные уравнения известны, но решения удаётся найти только в некоторых частных случаях. Закон движения каждой частицы в плазме известен. Но как только частиц становится много и они начинают взаимодействовать — получается совсем другая задача. Уравнения, рассчитывающие их движение, не способен решить ни один суперкомпьютер мира. Рассчитать движение одной частицы можно, а когда их 1023, то и уравнений вам надо решить столько же. Поэтому многие явления мы до конца не понимаем и вынуждены применять феноменологию. Это значит, что мы сначала наблюдаем явление, а уже потом пишем уравнения и анализируем, а не наоборот. Так можно всё объяснить, но мало что предсказать. Физику плазмы можно сравнить с теорией турбулентности. Плазма обычно турбулентна, а её турбулентность ещё сложнее, чем в жидкости. Дело в том, что плазма состоит из электронной и ионной компонент, которые сложным образом взаимодействуют между собой. Так что вторая проблема в том, что объект нашего изучения оказался слишком сложным.
Ещё одна проблема — это размеры экспериментальных установок. Программа токамаков затормозилась из-за того, что они стали очень большими (и, как следствие, дорогими). JET с конца восьмидесятых годов остаётся самым большим действующим токамаком, а следующий шаг — ITER, который будет стоить 16 млрд. евро. В этом смысле больше повезло альтернативным системам — они продолжали оставаться маленькими и поэтому быстрее эволюционировали. Открытые ловушки имеют шанс догнать токамаки, несмотря на то что людей, которые занимаются токамаками, намного больше, чем нас. Просто мы имеем возможность быстрее менять установки. Что касается токамаков, у них тоже есть «мобильное» направление — это сферические системы, которые быстро развиваются за счёт малого размера. Стеллараторы почти догнали токамаки по параметрам, но затормозились по той же причине: стали слишком большими.
- Как устроены открытые ловушки?
- Любое магнитное удержание основано на том, что заряженные частицы в магнитном поле движутся по спирали из-за силы Лоренца, которая их закручивает. Ось спирали направлена вдоль силовой линии, и если мы хотим, чтобы частица оставалась в магнитном поле, самый простой способ — это сделать замкнутую магнитную конфигурацию, тогда частица просто будет бегать по кругу. На таком принципе работают тороидальные ловушки — токамаки и стеллараторы.
Открытые ловушки используют другие принципы. В магнитном поле можно сделать магнитную пробку, то есть усилить его в определённом месте. Тогда спираль, по которой движется частица, сожмётся, как пружинка. Чем сильнее магнитное поле, тем сильнее она сжимается, и в какой-то момент частица отразится — полетит в обратную сторону. Частицы между двумя магнитными пробками могут удерживаться в магнитном поле. Этот принцип называется адиабатическим удержанием, а соответствующие ловушки — зеркальными, или пробкотронами.
Исторически первыми были изобретены ловушки на адиабатическом принципе удержания. Однако оказалось, что работают они плохо. Дело в том, что удерживаются не все частицы, а только те, у которых спираль траектории достаточно крутая. Если же частицы между собой сталкиваются, направление их скорости меняется и рано или поздно они покидают ловушку. Кроме того, оказалось, что плазма всё время «гудит» из-за развития разных неустойчивостей. Это «гудение» тоже рассеивает частицы, причём намного эффективнее, чем просто столкновения. Зеркальные ловушки работали хуже, чем токамаки сравнимого размера, и их закрыли в семидесятых годах. Остались они только у нас и в Японии. Почему? Потому что это уже не простые зеркальные ловушки, а установки на новых принципах. Например, действующая в нашем институте установка ГДЛ (Газодинамическая ловушка) основана на ограничении потока газа через отверстие.
В области пробки силовые линии магнитного поля, вдоль которых частицы вылетают из ловушки, сгущаются. Это значит, что если мы сделаем очень сильную магнитную пробку, то плазма будет вытекать из основной ёмкости через очень маленькую дырочку. Тогда даже если частицы сильно рассеиваются внутри ловушки, их поток будет ограничен. Через сопло может вытечь только определённое количество газа, поскольку в самом узком месте он течёт со скоростью звука. Однако в такой схеме расчётные продольные потери гораздо больше, чем при классическом адиабатическом удержании. Поток плазмы растёт при увеличении рассеяния частиц до тех пор, пока он не будет ограничен «вытеканием через маленькую дырочку». Это удержание по принципу «хуже быть не может». Если рассчитать, какой должна быть длина ловушки, чтобы на таком принципе удержания сделать термоядерную электростанцию, то получится что-то огромное. Поэтому исходно ГДЛ была ориентирована не на энергетику, а на материаловедение, как прообраз источника нейтронов.
Вторая наша ловушка, ГОЛ-3 (Гофрированная открытая ловушка), основана на совсем другом принципе. Это многопробочная ловушка с гофрированным полем, которая состоит из последовательности маленьких пробкотронов. Плазма в ней нагревается коротким импульсом мощного электронного пучка. После нагрева плазма разлетается вдоль ловушки, но медленно, так как поток тормозится из-за рассеяния частиц в пробкотрончиках. Исходная идея состояла в том, что термоядерная реакция могла бы произойти раньше, чем плазма разлетится вдоль трубы. Так что это — принципиально импульсная установка.
Поделиться книгой: