В начале января этого года, мир облетело весьма симптоматичное известие. Экспериментальный термоядерный реактор EAST в городе Хэфэй провинции Аньхой, Китайская Народная Республика, поставил рекорд – сумел удержать разогретую до 70 миллионов градусов по Цельсию, в течении более чем 17 минут. В новости по вышеприведенной ссылке также с придыханием говорится о том что в мае прошлого года этот же реактор сумел удержать раскаленную до температуры в 120 миллионов градусов по Цельсию плазму, в течении аж 101 секунды!
Я предлагаю читающим этот текст, задуматься вот над чем. Работы по созданию управляемого термоядерного синтеза идут с середины прошлого века, то есть уже около семидесяти лет. И вот результат этих семидесяти лет разработок – поддержание необходимых для термоядерного синтеза температур, в течении считанных секунд и минут!
Это на самом деле, реальная проблема так и не состоявшейся термоядерной энергетики. Про которую уже давно шутят, что до прикладного применения термояда, осталось 20 лет – и всегда будет 20 лет. Собственно, есть даже специальный термин: критерий Лоусона, сформулированный еще в 1955 году и согласно которому, количество энергии выделенной в результате термоядерной реакции, должно превышать количество энергии, затраченной на поддержание этой самой реакции. Более того, вот в этой статье объясняется, что даже если управляемый термоядерный синтез будет достигнут, термоядерные электростанции все равно останутся нерентабельными. Просто потому что термоядерные реакторы являются слишком сложными и ресурсоемкими устройствами. Они требуют огромных дорогих магнитов, охлаждаемых жидким гелием, вакуумных камер, сами эти реакторы имеют просто монструозные размеры. Это все отмечу, еще несмотря на то, что сама управляемая термоядерная реакция работает в течении времени, измеряемого секундами и минутами. И это – результат семидесяти лет разработки!
Автор вышеприведенной статьи, предлагает уже существующую альтернативу термоядерным электростанциям – электростанции ядерные. Однако и здесь все не так безоблачно. Дело в том, что атомные реакторы, это конечно не токамаки, однако тоже являются достаточно сложными сооружения, которые нужно довольно долго строить. Как результат – у АЭС серьезные проблемы с самоокупаемостью, так что позволить их себе может только государство, которое как известно по законам рынка не живет. И действительно, если мы посмотрим на страны с наиболее развитой ядерной энергетикой, то увидим что лидерами здесь являются такие страны, как Россия, Франция, Китай. То есть, страны с давними и сильными традициями госкапитализма. Сейчас в США появилось новое поветрие – Малые Модульные Реакторы, ММР, которые рекламируются как более дешевый и доступный вариант АЭС, однако уже звучат голоса скептиков, утверждающих что ММР в результате получатся такими же дорогими и нерентабельными, как и большие ядерные реакторы. Вот здесь можно почитать об этом поподробнее.
Дальше еще интереснее. Антиматерия, а точнее ее аннигиляция с обычным веществом, могла бы дать еще больше энергии, чем и ядерная и термоядерная реакции. Так например, если верить Википедии, энергия выделяемая при аннигиляции, в 264 раза превышает количество энергии выделяемой при термоядерном синтезе. Килограмм антиматерии плюс килограмм материи обычной, соединившись, рванут как знаменитая советская Царь-бомба, известная как самое мощное взрывное устройство в истории. Проблема в получении и хранении антиматерии. Производят ее на ускорителях элементарных частиц – сложных, дорогостоящих установках километровых размеров, которые жрут колоссальное количество энергии. А количество антиматерии, которое они выдают, исчисляется элементарными частицами и атомами. Больше всего данной субстанции было получено в ЦЕРН с их Большим Адронным Коллайдером, БАК – там даже удавалось получать атомы антиводорода (напоминаю, что водород самый простой и самый легкий элемент в таблице Менделеева), в частности исследователям удалось получить за десять лет суммарно одну миллиардную часть грамма. С хранением антиматерии тоже все очень сложно. Для того чтобы поймать и сохранить античастицы, ученые использовали в свое время магнитные ловушки и охлаждение до температур от минус 73.15 до минус 233.15 градусов Цельсия. Всего так удалось поймать аж целых 38 атомов, а время удержания составило 172 миллисекунды. Недаром антиматерия считается самым дорогим веществом в мире.
Надеюсь, до читающего эти строки дошла некая тенденция. Чем дальше, тем затраты на получение энергии становятся все более колоссальными. Настолько, что превышают собственно, полученное количество энергии. Я думаю, данный феномен можно назвать «Глобальным пределом Лоусона». Суть его можно сформулировать примерно так: начиная с определенного уровня, количество затрат необходимых для получения источника энергии, начинает превышать количество энергии, получаемой из этого самого источника. И чем больше энергии способен произвести данный источник, тем большие затраты нужны для его получения.
Конечно, это не строгий закон физики, скорее популярное название, наподобие закона Мура. Тем не менее, если глобальный предел Лоусона справедлив, (а приведенные примеры не дают в этом сомневаться), то это накладывает жесткое ограничение на количество энергии пригодной для практического применения, которое доступно человечеству.
А это уже приводит к интересным выводам: получается на всех мечтах о космической экспансии можно смело ставить крест. Я не устаю повторять, что необходимым условием для какого-то освоения/колонизации космоса, является наличие в пределах досягаемости планеты с достаточно плотной, пригодной для дыхания атмосферой, с обширными водоемами заполненными жидкой водой, с плодородной, пригодной для выращивания растений почвой. Так как в Солнечной системе помимо Земли ничего подобного не наблюдается, об идее колонизации первой можно смело забыть. Пригодные для обитания планеты могли бы вращаться вокруг других звезд, однако здесь перед нами встает вопрос: как туда добраться?
Собственно, построить и запустить звездолет, мы можем уже прямо сейчас – автоматические станции «Вояджер», которые не так давно пересекли зону гелиопаузы, не дадут соврать. Проблема в том, что время полета подобного звездолета запускаемого с помощью обычной ракеты-носителя составит настолько гигантский срок, что к моменту прибытия к искомой цели наш аппарат будет отличаться от обычного метеорита разве что только формой. Лететь нужно явно побыстрее, а для этого нужно огромное количество энергии. Которую непонятно где взять, как запасать, как наиболее эффективно использовать. Так например аппарат «Дедал», представляющий из себя корабль с термоядерным импульсным двигателем, по замыслу его разработчиков, должен был бы представлять из себя махину в 200 метров длиной и без малого столько же диаметром. И почти все эти габариты отводились под топливо. Данное чудовище должно было за примерно полвека долететь до звезды Барнарда, расположенной в без малого шести световых годах от Земли и… пролететь мимо, так как все огромное количество топлива должно было уйти только на один разгон. Разрекламированная не так давно «космическая программа» Breakthrough Starshot, предполагающая запуск роя лазерных парусников в систему Проксима Центавра, также требует для запитки своей лазерной разгонной решетки, энергии эквивалентной десятку-другому Красноярских ГЭС. А результатом будет – разгон полезной нагрузки массой в один лишь грамм, до скорости всего-то в одну пятую от скорости света.
Разумеется, все эти проекты разрабатывались исключительно как зарядка для ума. Никто не станет строить подобные гигантские разгонные установки потребляющие колоссальное количество энергии, с тем чтобы получить ничтожный КПД. Для того чтобы разогнать до необходимых скоростей полезную нагрузку (а в случае, если этой полезной нагрузкой является корабль с экипажем, скорости нужны субсветовые – иначе экипаж просто загнется в пути от голода, жажды и удушья), нам нужны некие качественно новые источники энергии, превышающие то что есть сейчас. А глобальный предел Лоусона налагает запрет на подобные источники.
Исходя из всего вышесказанного, можно с уверенностью сказать, что глобальный предел Лоусона решает парадокс Ферми. Один из вариантов оного, называется сильным парадоксом Ферми и заключается в том, что если бы внеземные цивилизации существовали, они на какой-то стадии своего развития непременно начали бы межзвездную экспансию – и неизбежно добрались до Земли. Глобальный предел Лоусона однако, ставит непреодолимый барьер на пути таких экспансий. Это на самом деле, в чем-то сродни горизонту событий….
Слабый парадокс Ферми, заключающийся в отсутствии внеземных искусственных электромагнитных сигналов, глобальный предел Лоусона кстати, тоже прекрасно объясняет. Отправка радио- или лазерных сигналов конечно не требует таких мощностей как разгон массивных объектов до релятивистских скоростей, однако тем не менее, для подобного предприятия все равно необходимы большие (а значит, недешевые) энергозатраты.