«Наука и Техника» [журнал для перспективной молодежи], 2007 № 02 (9)

Но тогда повысится концентрация остатков еще не вступившего в ядерную реакцию водорода. Он разгорится “жарче”, и центр снова расширится. В конце концов Солнце в возрасте 7,5 миллиарда лет “раздуется” и перейдет в стадию красного гиганта. Предполагается, что его диаметр превзойдет диаметр нынешнего Солнца в 160 раз. В таком состоянии светило проживет несколько миллионов лет. Оболочка этого шара будет относительно тонкой и нагретой лишь на 3000 градусов — отсюда и красный цвет звезды. Поверхностные слои сравнительно быстро рассеются. В центре же останется очень плотный шар, который станет еще разогреваться. При температуре 100 млн. градусов ядерные реакции преодолеют новый порог: ядра гелия (полученные из водорода) начнут сливаться в ядра углерода. Гелий как топливо выделяет несоизмеримо больше энергии, чем сжигаемый водород.

Солнце из красного гиганта за короткое время перейдет в состояние белого карлика. По размерам оно станет меньше нынешнего Солнца в десяток раз, но по светимости — в 40–50 раз больше. В таком виде наше светило проживет, возможно, около 100 млн. лет.

Но когда придут к концу запасы и водорода и гелия, повторится бурное расширение светила— оно снова станет красным гигантом. Зона горения гелия переместится ближе к периферии. Светило, в которое превратится Солнце, потеряет стабильность: начнутся отдельные вспышки, происходящие оттого, что в ядерную реакцию включатся не затронутые ранее остатки гелия. Светимость будет то резко возрастать, то падать, — такое показывают наблюдения за другими звездами.

В отдельных случаях светимость звезды возрастает более чем в 5000 раз. Обычно это последний яркий акт умирания малых и средних по размеру звезд. Потом начинает усиливаться “солнечный ветер”, то есть разбегание частиц звездной оболочки. Пройдут тысячи лет, — и от красного гиганта останется лишь маленькое горячее ядро.

Примерно 75 000 лет наше светило снова будет в стадии белого карлика, который излучает все слабее. Оставшаяся масса составит половину того, что Солнце имеет ныне, его диаметр уменьшится до 80 000 километров (вместо нынешних 1 391 980 километров), а плотность вещества достигнет двух миллионов тонн в каждом кубическом сантиметре. Вся история нашего ласкового, а порой и довольно жесткого Солнца, воспетого шаманами, жрецами, поэтами займет 12,4 миллиарда лет.

Последние дни умирающей жизни на планете около умирающей звезды

Можно ли остаться в семье планет?

Все упомянутые события в Солнечной системе отдалены от нас трудно вообразимыми временными расстояниями. Но масштабы предстоящих катастроф таковы, что ученые уже сейчас задумываются над тем, как спасти человечество.

Конечно, можно предположить, что до наступления этого драматического времени люди переселятся на какую-нибудь из пригодных для жизни планет в Млечном Пути. Только вряд ли человечество с легкостью покинет колыбель своего разума и бросит на неотвратимую гибель Землю. Вот почему сейчас рождаются идеи, планы, как сохранить для человечества его родную планету.

Еще задолго до того, как раздувшееся Солнце опалит земной шар, начнутся резкие изменения климата, их не вынесет большая часть живых организмов. Наша планета окажется в положении своей соседки — Венеры, какой она нам ныне представляется: безжизненная, горячая пустыня (примерно 470 °C), над которой висит мощный облачный слой, состоящий преимущественно из углекислого газа. Область, где смогут существовать белковые тела, сильно отодвинется к периферии солнечной системы.

Если светимость Солнца увеличится более чем в полтора раза, на Марсе установятся температуры, близкие к нынешним земным. Люди могли бы найти там пристанище, но только временное: не исключено, что расширившаяся внешняя оболочка Солнца чуть позднее поглотит и Марс.

В лучшем положении окажутся луны крупных планет. Толстые ледяные панцири, сковывающие сейчас спутники Юпитера, растают и образуют океаны. А вода — одно из основных условий для жизни. Правда, мы еще не знаем, насколько велики и надежны эти водные запасы.

Во всяком случае, судя по данным, полученным с автоматической межпланетной станции “Галилей”, есть основания считать, что спутники Юпитера — Европа и Каллисто — содержат под ледяной коркой воду.

Крупнейший спутник Сатурна — Титан — тоже может стать убежищем для жизни, хотя ныне там господствует холод: -180 °C. И атмосфера на Титане, состоящая сейчас из азота, образует вместе с различными углеводородами плотные облака, которые поглощают 90 % солнечного излучения. Если убрать этот колпак, создающий непрозрачность атмосферы, то поверхность Титана получит в 17 раз больше солнечной энергии, чем сегодня. А если еще добавить действие парникового эффекта, то среднюю температуру Титана можно поднять на 80 градусов.

Этот спутник Сатурна ряд ученых рассматривают как природную лабораторию, где можно увидеть, изучить, понять, какими были условия на Земле в самое раннее время ее существования. Биохимический и строительный материал на Титане несомненно есть. По расчетам ученых, у человечества впереди еще около 500 миллионов лет, отпущенных природой на то, чтобы оживить это небесное тело, как раз к тому времени, когда Земле придет время умирать.

Планету можно отодвинуть от светила

Разогрев и расширение внешней оболочки Солнца, вероятно, приведут к тому, что ближайшие к нему планеты (может быть, только один Меркурий) будут поглощены раскаленным веществом, а сфера, в которой сохранятся условия, пригодные для жизни, передвинется на значительно большее расстояние от светила.

Швейцарский физик Мечислав Таубе, предвидя подобное развитие событий, задумался, возможно ли всю нашу планету передвинуть на другую, более далекую от Солнца орбиту. И он еще в 1982 году просчитал возможность такого путешествия Земли. По его замыслу, вдоль экватора следует построить 240 башен 20-километровой высоты, на вершинах которых разместятся термоядерные реактивные двигатели. В момент, когда оси двигателей будут направлены на центр солнечного диска и совпадут с намеченной траекторией удаления от Солнца, двигатели включат, и реактивная сила начнет толкать планету прочь от светила. Столь большая высота для башен с двигателями нужна, чтобы струи уходили в космос, а не гасли в атмосфере, иначе планета не сдвинется с места.

Расчеты швейцарского физика показывают, что каждый двигатель должен развивать мощность 8,3∙1017 ватт.

Эта энергия может быть получена за счет реакции превращения 2,4 тонны дейтерия в гелий. 15 000 тонн дейтерия сообщат планете движение, которое в течение одного миллиарда лет при непрерывной попеременной работе 240 двигателей позволит Земле достичь орбиты Юпитера и стать одним из его спутников. Но для такого путешествия надо превратить в реактивные струи восемь процентов массы всей нашей планеты, то есть много больше, чем весит вода в Мировом океане. Немалую часть вещества придется еще позаимствовать у одной из ближайших планет, например, у Юпитера.

Однако и орбита Юпитера, на которой может по этому сверхфантастическому проекту оказаться Земля, все же не так далеко удалена от красного гиганта, чтобы Земля не испытывала там губительного воздействия его внешней оболочки. Правда, автор проекта полагает, что частичное испарение океанов Земли создаст облачность, способную отразить излишнее облучение.

Уходить от Солнца на еще большее расстояние, по подсчетам швейцарского астрофизика, нет смысла. Потому что в стадии красного гиганта Солнце пробудет всего несколько миллионов лет, а затем станет снова быстро сжиматься, превратится в белого карлика и начнет деградировать как источник энергии. И тогда Земле, чтобы получать достаточное количество тепла и света, понадобится орбита меньшая, чем сейчас у Меркурия. Но при таком приближении к светилу силы притяжения довольно скоро остановят вращение Земли вокруг ее оси. Планета будет повернута к Солнцу всегда одной стороной. Значит, жизнь на Земле быстро погибнет: на ночной стороне— от тьмы и холода, а на освещенной — от жары и губительного для всего живого ультрафиолетового и рентгеновского излучения, идущего от белого карлика.

Таким образом, проект М. Таубе не дает долговременной перспективы.

Есть другая идея — создать искусственное Солнце вблизи нашей планеты. Источником энергии должны служить ядерные реакции. Топливо взять у Юпитера. Искусственное Солнце не будет светить во все стороны, как нынешнее, а только направленно — на Землю. Судя по предварительным расчетам, такое рукотворное светило способно поддерживать жизнь на планете в течение 100 миллиардов лет.

Английский ученый М. Фогг развивает эту идею несколько иначе. По его мнению, Юпитер уже в наше время стоит превратить в звезду, направленно дающую Земле энергию.

Коронарные выбросы заряженных частиц. Справа внизу показана планета Земля для сравнения

Идея реконструкции Солнца

Поскольку меньше половины одной миллиардной части солнечного излучения падает на Землю, а вся остальная невообразимо огромная масса энергии бесполезно рассеивается в космосе, ученые задумались: нельзя ли эту расточительность уменьшить и направить больше солнечной энергии на Землю, к нашей пользе. Может быть, когда-нибудь земляне поищут пути реконструирования Солнца в таком направлении, которое будет более удобно людям.

Д. Крайсвелл, руководитель института при университете в Хьюстоне (США), еще в 1985 году пришел к идее вообще сократить излучение Солнца до уровня, который бы вполне достаточно обеспечивал потребности Земли. Тогда, как показывают его расчеты, Солнце сможет в 2000 раз дольше жить и работать для нас. Данные Крайсвелла опираются на зависимость, существующую между светимостью звезды, ее массой и продолжительностью ее жизни. Физический смысл здесь простой: чем больше масса небесного тела, тем выше температура и давление в его недрах. Следовательно, ядерные реакции там идут энергичнее. Светимость звезды больше — значит, ее жизнь короче, потому что при высокой температуре ядерное топливо сгорает быстрее.

Ну, а если мы хотим продлить жизнь светила? Надо каким-то образом снизить его вес, тогда светимость уменьшится, а жизнь продлится. Но каким образом облегчить вес такого огромного тела, как звезда?

Крайсвелл предлагает расположить на орбите вокруг Солнца множество ионных ускорителей, которые смогут действовать за счет его лучистой энергии. Потоки заряженных частиц, идущих от ускорителей, образуют около полюсов светила однородное постоянное магнитное поле. Оно будет захватывать частицы солнечной атмосферы и удалять их в космос. По выкладкам автора, в течение года они выбросят б пространство три миллиардных доли массы нашей звезды. Это соответствует примерно одной десятой процента массы Земли. За 300 миллионов лет Солнце потеряет восемь процентов своей нынешней массы. Оставшегося вещества хватит на поддержание ядерной реакции, которая раскаляет светило.

Солнце, существенно уменьшившееся, будет способно многие миллиарды лет непрерывно посылать свет и тепло. Крайсвелл к тому же предлагает рационально использовать материал, отнятый у Солнца. Удаленные частицы можно будет сгруппировать в шары и получить (после того, как они остынут) 12 космических островов, которые смогут дать пристанище колонистам.

Но и у этого фантастического проекта есть серьезные недостатки. Во-первых, если удалять солнечную материю только с поверхности, то изменится соотношение сил центра и периферии. Это грозит тем, что Солнце может внезапно раздуться в красного гиганта. И тогда трагическая судьба всего находящегося в окружении Солнца неизбежна. Во-вторых, небесная механика говорит: если Солнце потеряет 0,2–0,3 % своей массы, то орбиты планет приблизятся к Солнцу. И тогда Земля, как нынешний Меркурий, утратит движение вокруг собственной оси, будет постоянно обращена к Солнцу одной стороной. Такая планета для жизни непригодна — об этом речь уже шла.

Может быть, поменять Солнце?

Этот замысел выглядит еще фантастичнее: покинуть наше постаревшее Солнце и пристроиться к другой, более молодой звезде. Космос знает такие перемены хозяев, они случаются, когда две звезды, имеющие спутников, пролетают неподалеку друг от друга. В 1984 году астроном Д. Г. Хиллс из лаборатории в Нью-Мексико опубликовал результаты компьютерного моделирования подобной ситуации в космосе. Он убедился, что светило может потерять свою планету, если другая звезда пройдет на близком расстоянии от них. Астрономы наблюдали, как планета — спутник одной из звезд — была увлечена тяготением проходящей мимо звезды. При таком захвате орбита спутника может остаться почти круговой, как у Земли. И это очень важное обстоятельство, потому что планета будет получать равномерный обогрев.

М. Фогг высказал в 1989 году несколько идей, как можно провести подобную грандиозную рокировку в космосе. Если человечеству она понадобится в течение ближайших нескольких миллионов лет, то надо рассчитывать на звезды, лежащие в радиусе, не превышающем 100 световых лет. Всего в этом объеме обычно “живет” около 12 000 звезд, из них 300 по размеру подобны Солнцу и не имеют планетных систем, многие существенно моложе нашего светила.

Как заставить одну из них пролететь близко к нашей системе? Здесь могли бы пригодиться ускорители частиц. Магнитные поля, созданные струями заряженных частиц, можно так варьировать, что удаляемая ими материя звезды будет давать отдачу в желаемом направлении и таким образом изменять траекторию полета небесного тела. Вычисления показывают, что за один миллион лет избранная людьми звезда сможет отклониться от прежнего курса на четыре градуса, а за срок в одиннадцать миллионов лет ее курс можно изменить на 34 градуса.

В заключение хочется привести слова великого физика Нильса Бора: “Прогнозы трудны, особенно когда они нацелены на отдаленное будущее”. Трудны, но увлекательны, и поскольку у человечества в запасе есть еще примерно два миллиарда лет, за это время люди непременно что-либо придумают, может быть, попроще и понадежнее приведенных здесь гипотез.

• ХИМИЯ И БИОЛОГИЯ

Бионический глаз вживается в образ… электродами

Создавая внутриглазные электронные имплантаты, большинство авторов совершает ошибку — отказывается от “остатка” зрения, которое еще есть, и пробует заменить его камерой. Но интересная картина нарисуется, если создать биоэлектронный гибрид.

Дэниел Паланкер из Стэнфордского университета и его научная группа “Биомедицинской физики и офтальмологических технологий” разработали оригинальный протез сетчатки высокого разрешения или “Бионический глаз” (Bionic Eye), обладающий целым рядом преимуществ перед предыдущими проектами лечения слепоты с помощью электронных имплантатов.

Возрастная деградация сетчатки, при которой умирает значительное количество светочувствительных клеток, и такое заболевание, как пигментоз — ответственны за слепоту (или близкое к “нулю” зрение) миллионов людей во всем мире. Множество научных групп и лабораторий экспериментируют с имплантатами сетчатки. Поскольку при указанных дефектах сами нервные клетки (в основном) остаются в порядке, можно направлять в них слабые электрические импульсы с некой схемы — решетки из электродов, размещенной прямо в сетчатке. Соответственно, импульсы эти должны отражать картинку, которую снимает миниатюрная видеокамера, закрепленная на голове.

Чип на дне глаза слепого — давняя идея. Только вот найти оптимальную конструкцию оказалось сложнейшей задачей…

Блестящий замысел. Если бы не ряд “но”. Во-первых, размещение большого числа электродов на маленькой площади — это препятствие биологического плана. Схема просто перегревает глаз. Кроме того, даже имплантировав решетку в толщу сетчатки, нельзя добиться слишком близкого соприкосновения электродов и ее глубинных клеток, лежащих непосредственно под умершими фоторецепторами. И получается, что как только инженеры сближают электроды между собой (то есть увеличивают разрешение микросхемы), каждый из них начинает действовать сразу на ряд ближайших клеток — а должен, в идеале, — только на одну, иначе смысл в высоком разрешении изображения телекамеры полностью пропадает.

Чтобы это препятствие обойти, нужно “привязать” по одному электроду на одну, от силы — две клетки. Но для плотности пикселей, геометрически соответствующей остроте зрения 20/400 (это почти невидящий человек, порог “юридической слепоты”, как пишут авторы работы, а в наших единицах — это зрение 0,05) клетки должны располагаться не дальше 30 микрон от электродов. А для остроты 20/80 (0,25) это расстояние не должно превышать 7 микронов. При такой остроте зрения, кстати, уже можно пользоваться компьютером, передвигаться по городу, распознавать лица и вообще— вести самостоятельную жизнь. Нажимать же на имплантат при внедрении (чтобы плотнее прижать электроды к слою клеток) нельзя — велик риск травмы сетчатки. А ведь расстояние между каждым из электродов и его “подшефной” клеткой — далеко не все. Для такой остроты зрения (20/80) нужно иметь плотность пикселей в 2,5 тысячи на квадратный миллиметр. А тут начинает проявляться не только паразитная перекрестная связь между соседними электродами, но и перегрев (клетки нельзя нагревать больше, чем на один градус выше естественной температуры в глазу), а также— нарушение электрохимии в окружающей микросхему живой среде. Потому никому до сих пор не удавалось создать устройство с числом электродов (читай — транслируемых пикселей) больше нескольких штук, десятков, ну, может быть — сотен. А нужно их иметь — многие тысячи.

Разрез под микроскопом: клетки сетчатки крысы мигрируют через крошечное отверстие имплантата

Тут сделаем еще один мини-экскурс в биологию. Глаз имеет примерно 100 миллионов фоторецепторов (это как камера на 100 мегапикселей). Однако в составе зрительного нерва в мозг идет всего 1 млн. раздельных каналов. Информация пропадает? Нет, оказывается, в самой сетчатке уже происходит предварительная обработка, некое суммирование информации.

Сама сетчатка — это ведь не только слой фоторецепторов, но и слой нервной сети. Теперь, если возвращаться к имплантатам с электродами, необходимо сказать — есть несколько подходов к размещению такого имплантата в глазу. Он может занимать различные слои по глубине. Можно обойтись меньшим числом электродов (только тогда необходимо имитировать суммированные сигналы нервной сети сетчатки), а если возбуждать нервные клетки, лежащие ближе к фоторецепторам — можно хорошо воспроизводить систему зрения, только плотность пикселей в имплантате должна быть высокой.

В новом проекте клетки сетчатки заманиваются в полости имплантата. На его поверхности и в отверстиях создается система стимулирующих электродов

Аналогично работает схема с выступами

Чтобы разрешить это противоречие, авторы нового проекта провели ряд опытов на крысах. И обнаружили новый биологический эффект. Ученые внедряли в сетчатки животных полимерные пластинки с маленькими отверстиями — диаметром 15–40 микрон. И вот через считанные часы клетки сетчатки сами начали передвигаться в отверстия, в течение всего нескольких дней заполняя полости под ними. Аналогично клетки вели себя и по отношению к пластине, которую покрывали стройные ряды длинных выступов-башенок. Клетки быстро заполняли промежутки между этими выступами.

“Если гора не идет к Магомету, то Магомет идет к горе, — сказал Паланкер. — Мы не можем поместить электроды близко к клеткам. Но мы фактически приглашаем клетки прибыть в область электродов, и они делают это с удовольствием и очень быстро”. Таким образом, в проекте нового имплантата удалось добиться той самой плотности 2,5 тысячи электродов на квадратный миллиметр с соблюдением дистанции между каждым электродом и его личной клеткой — до 7 микрон. Электроды разместили в этих полостях и, соответственно, на выступах. Будет ли рабочий проект иметь отверстия в пластине или наоборот — “башенки” — пока неясно. В случае отверстий можно добиться едва ли не поштучного соединения электродов и клеток, но зато в случае выступов — у клеток лучше снабжение питательными веществами. Выбор будет сделан позже.

Но это — далеко не все отличия проекта от конкурирующих работ. Другие авторы предлагают транслировать на электроды сигнал прямо с камеры на лбу. A в этом есть сильный подвох.

Дело в мельчайших непроизвольных движениях глаз, сканирующих пространство даже тогда, когда нам кажется, что мы неподвижно смотрим в одну точку. Если напрямую связывать камеру на лбу с имплантатом в сетчатке, это свойство зрения пропадает, что очень негативно сказывается на восприятии. А еще — при такой схеме — зрение полностью зависит от числа электродов в имплантате. А что можно увидеть, скажем, в ста пикселях?

Паланкер предложил иную схему. Камера на лбу тут также имеется, но она направляет сигнал в носимый микрокомпьютер (размером с бумажник), который переводит видимое изображение в набор коротких импульсов инфракрасного светодиодножидкокристаллического дисплея, с числом точек в несколько тысяч. Этот поток импульсов отражается от наклонного стекла, расположенного перед глазами, проходит через хрусталик и попадает на фоточувствительные диоды имплантата в сетчатке глаза. Те усиливают сигнал, используя энергию от крошечной солнечной батареи, имплантированной в радужку. Эти инфракрасные лучи человек не видит. А вот результат воздействия электрических импульсов на клетки сетчатки — воспринимает как изображение. При этом сам имплантат имеет размер в половину рисового зерна (3 миллиметра) и покрывает 10 градусов поля зрения — его центр.

И тут главный фокус: благодаря стеклу у человека сохраняется естественное восприятие сцены перед ним (теми живыми фоторецепторами, что еще работают в глазу), особенно — периферийным зрением, наряду с наложенным “дополнением” от камеры. И мелкие быстрые движения глаз сохраняют свою важность, — ведь человек сам смотрит как на пейзаж (напрямую), так и на то электронное изображение (пусть инфракрасное). Положение этого изображения на сетчатке (и внедренной решетке электродов, соответственно) меняется вместе с движением глазного яблока. Таким образом, электронный прибор максимально использует оставшиеся естественные способности глаза по обработке зрительной информации.

Сейчас авторы проекта имплантируют устройство крысам, а вскоре должны перейти к опытам на свиньях. Про опыты на людях исследователи пока ничего не говорят.

Бионический глаз Паланкера

• ЭНЕРГЕТИКА

Газ на дне океана как альтернативный энергоноситель

Владимир ФРАДКИН

В массовом сознании альтернативными энергоносителями являются исключительно возобновляемые источники энергии — Солнце, ветер, биомасса, морской прибой и тому подобные. Есть, однако, и еще один весьма перспективный, хоть и не возобновляемый энергоноситель: метан с морского дна. Многие о его существовании и не догадываются, что, в общем-то, простительно: ведь еще совсем недавно об этом не знали и ученые. Между тем, на морском дне хранятся огромные запасы метана!

Правда, он находится там в связанном виде — в форме твердых гидратов.

Образование гидратов метана, то есть его соединений с водой, происходит под воздействием высокого давления и низкой температуры — при условиях, вполне типичных для океанских глубин. Там, где океаническая плита, сдвигаясь, уходит под континентальную, возникают зоны мощнейшего сжатия. Они-то и выдавливают наружу метан, образующийся в толще органических отложений. Одна из таких тектонических зон находится у западного побережья Северной Америки. Экспедиция, отправившаяся туда на поиски гидрата метана, действительно его нашла, однако главной сенсацией стало то, что огромные его залежи были обнаружены непосредственно на поверхности морского дна. Профессор Юрген Минерт, научный сотрудник немецкого Исследовательского центра «Geomar» со штаб-квартирой в Киле, говорит: «Мы имеем основания считать, что газовая смесь, заключенная в этой породе, на 98…99 процентов состоит из метана. Когда проба грунта с морского дна поднимается на борт, газ тут же начинает улетучиваться. Черные пятна свидетельствуют о повышенном содержании углерода в осадочных отложениях. Иначе говоря, метан, обнаруженный на морском дне, является продуктом разложения органической материи, результатом отмирания живых организмов, то есть имеет биогенное, а не термогенное происхождение».