Первое место в ряду перспективных источников энергии занимает управляемый термоядерный синтез (УТС). Перспективы, которые обещают после осущестление УТС, беспрецедентны по своим масштабам, и это заставляет ученых всего мира упорно штурмовать термоядерную крепость. Этот штурм продолжается более 70 лет, но, к сожалению, несмотря и на беспрецедентные финансовые затраты по этим проектам, человечество не получило еще ни одного ватта обещанной энергии.
Если гипотетически представить, что все трудности в каждом способе УТС (магнитном удержании плазмы, инерциальном синтезе, холодном ядерном синтезе) успешно преодолены и одна из глобальных задач человечества решена, то мы не достигнем главного. Мечта о межзвездных полетах и освоении ближнего и дальнего космоса останется мечтой. Кроме этого без фотонных ракетных двигателей, как средства доставки, наша планета останется слишком уязвимой для космических «странников» типа комет, астероидов. На это указывает положительный баланс в извлечении энергии. При ядерных реакциях деления можно получить 0,1% от всей энергии вещества, при ядерном синтезе примерно 0,6%. Но теорией не запрещено получение 100% энергии - это аннигиляция вещества. Безусловно, получить 100% энергии вещества на современном уровне технологий не столь близкая перспектива, но получение энергии в 2÷3% в земных условиях реально достижима в ближайшем будущем.
С появлением квантовых генераторов возникли новые направления в физике, в которых были открыты ранее неизвестные эффекты. На основе некоторых из них можно создать устройство, позволяющее получить мощное локальное магнитное поле с индукцией 1012 – 1013 Гс. Такие поля достигаются на стадии эволюции звезд при быстром сжатии (коллапсе) их ядра с последующим образованием нейтронной звезды.
Создание магнитного поля по порядку 1013 Гс
Начиная с 70-х годов прошлого века, группа ученых А.Борисов, А.Боровский, В.Коробкин, А.Прохоров и др. изучали явление самоканалирования в веществе мощных ультракоротких лазерных импульсов. Этот режим волноводного распространения света в веществе предсказал Г.Аскарьян в 1962 году. Критическая мощность, необходимая для релятивистско-скрикционного самоканалирования ультракороткого импульса составляет величину Р≈3·1011 Вт. Как установлено обнаруженный нелинейный режим, приводящий к сильной самоконцентрации оптической энергии в малой области, перемещающейся в веществе, открывает интересные перспективы. Одним из возможных приложений является генерация сверхсильных магнитных полей. Экспериментируя с конденсированными средами обнаружен эффект лазерной ЭДС в металлах. Лазерная ЭДС возникала, когда один из торцов металлического кольца (аналог биттеровского рис.1) освещали ультракоротким импульсом лазера с мощностью 1÷10 Мдж. Выбитые лучом лазера с торца электроны переходили на противоположный торец, от чего возникал импульс тока в 50 КА. Возникающее магнитное поле было порядка 107Гс. Диаметр металлического кольца был на уровне нескольких миллиметров (для уменьшения реактивного сопротивления), а длительность лазерного импульса примерно τ=10-6 сек. При большей длительности импульса кольцо расплавится или его разорвет магнитное поле. Но при τ=10-6÷10-12 сек, в нем не возникали даже механические напряжения.
При экспериментальной работе была получена оценка величины магнитного поля в веществе в самоканалированном режиме:
B ~ 2 πeneL1 (1), где при значениях L1=2 λ=2·10-4 см (диаметр лазерного луча) Nd лазера, ne ≈1020см,-3 B ≈ 60 МГс
Проведенное численное моделирование воздействия на твёрдотельную мишень лазерного импульса длительностью 100фс с интенсивностью 1019 Вт/см² дало значение величины магнитного поля: B ≈ 2,5·108 Гс.
Согласно (1), для получения более высоких показателей магнитного поля необходимо увеличить ne - плотность электронов в среде (для металлов ne ~1023 см-3) или увеличить диаметр лазерного луча, сохранив интенсивность излучения. Значительное повышение интенсивности излучения связано с отдаленной перспективой развития лазерных технологий. Более целесообразно увеличить плотность электронов в конденсированной среде ne. Для этого необходимо разместить соленоиды, подобные биттеровским, один за другим (см. рис.1). При такой компоновке, если лазерный луч или два луча от разных лазеров будут иметь возможность последовательно и кратковременно освещать эмиссионные торцы соленоидов. То при освещении торца первого соленоида в нем возникнет мощный импульс магнитного поля, который по закону электромагнитной индукции произведет разделение зарядов в соседнем соленоиде. Разделение зарядов означает, что электронная компонента (валентные электроны) под действием пандеромоторной силы выталкиваются из объема металла соленоида на эмиссионный торец, т.е. на его торце произойдет возрастание электронной плотности. Если в этот момент лазерный луч осветит эмиссионный торец соленоида, то значение лазерной ЭДС возрастет. Как следствие, возрастет и возникающее магнитное поле. Численные расчеты пандеромоторной силы, действующей на свободные электроны во втором соленоиде, под действием магнитного поля В = 107Гс первого соленоида, показывают возрастание плотности электронной компоненты на эмиссионной поверхности второго соленоида на семь порядков, т.е. показатель плотности близок к значению ne = 1030 см.-3 Возросшая плотность будет наблюдаться в слое меньшем, чем глубина скин-эффекта для лазерного излучения. На основании (1) повышение плотности электронной компоненты neв пределах 1030см-3 позволит подойти к значениям магнитного поля по порядку 1012 ÷1013Гс. Достижению таких значений магнитного поля будет способствовать и оптическое явление, связанное с перестройкой структуры конденсированной среды под воздействием мощного лазерного излучения. Экспериментально установлено, что в результате серии силовых воздействий лазерным излучением на поверхности металлов и полупроводников образуются поверхностные периодические структуры (ППС). ППС представляют собой систему упорядоченных линейных выступов и впадин рельефа поверхности. С ростом ППС возникает специфическое оптическое явление - заметное уменьшение коэффициента зеркального отражения. Вследствие этого увеличивается поглощательная способность поверхности материала почти до 1. Увеличение поглощательной способности поверхности объясняется ростом коэффициента преобразования объемного лазерного излучения в поверхностно электромагнитные волны (ПЭВ), что характеризуется возрастанием плотности потока преобразованной энергии. Кроме увеличения преобразования энергии, периодические структуры (ППС) на поверхности в виде острий с большой кривизной, позволяют модифицировать внешнее поле в котором силовые линии концентрируются на остриях. Как следствие напряженность поля возрастает, а по теории Фаулера-Нордгейма это приводит к увеличению эмиссионного тока. Поскольку в лазерной ЭДС предполагаются рекордно высокие плотности тока, ППС играют существенную роль в снижении влияния взрывной эмиссии и сводят к минимуму разогрев поверхности (эмиттеров). Если радиус закругления на структурах ППС формировать на уровне десятков Ǻ (ангстрем), то из -за малости закругления острия (эмиттера) выбитые электроны проходят сквозь тело острий практически не выделяя энергии, поскольку длина свободного пробега электронов много больше размера эмиттера. Это реально достижимо, при использовании лазерного излучения с малой длиной волны.
Роль адиабатического инварианта движения в торможении заряженных частиц.
Согласно теории, подтвержденной практикой, заряженные частицы при движении в магнитном поле изменяют геометрию своего движения.
1. Вращаются по ларморовской окружности со скоростью V1 (V1- поперечная скорость).
2. Центры ларморовских окружностей движутся вдоль силовых линий со скоростью V2 (V2- скорость продольного движения).
В общем случае магнитные поля неоднородны, но в микромасштабах оно меняется очень медленно. Для таких полей установлено, что в них заряженные частицы сохраняют адиабатический инвариант движения, т.е. Е1/Н-const (приблизительно сохраняется постоянным значение), где Е1- кинетическая энергия поперечного движения, Н – напряженность магнитного поля.
Из этого следует, что при увеличении напряженности магнитного поля Н до критического значения Нкр произойдет переход полной энергии частицы Е в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности, т.е. Е=Е1.
Это соответствует полностью "замагниченному" состоянию, при котором продольная скорость движения частицы V2=0.
Вакуумное рождение частиц.
На основе фундаментальных соотношений неопределенности Гейзенберга построены современные квантовополевые представления о вакууме, который не является пустым пространством. В квантовой электродинамике вакуум мигает появляющимися полями, кипит рождающимися на короткое время электрон-позитронными парами. Такие поля и частицы называются виртуальными. Прямым экспериментальным подтверждением существования ФВ являются такие тонкие физические эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, аномальный магнитный момент электрона, эффект Казимира и ускоренное космологическое расширение Вселенной. В ведущих лабораториях мира ученые пытаются вызвать вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях, основываясь на эффект, качественно предсказанный еще в 30-х годах ХХ века.
Квантовая электродинамика описывает механизм рождения из вакуума электрон-позитронных пар следующим образом. В силу соотношения неопределенностей возможно кратковременное нарушение закона сохранения энергии и из вакуума может появиться виртуальная электрон позитронная пара (е+ е-), которая просуществует в течение τ = ħ/ΔЕ=ħ/(mс²). За это время пара разойдется на расстояние не больше чем δr= сτ=ħ/(mс), то есть на расстояние порядка комптоновской длины волны λ= ħ/(mс) ~ 10-11 см. Это так называемый квантовый радиус электрона, характеризующий область возможной пространственной локализации электрона в квантовой теории. Если теперь внешнее электрическое поле способно произвести над электроном работу ~ mс² на расстоянии δr, то рождение пары из вакуума становится реальным процессом. Для этого поле должно быть порядка критического: Е кр = m²c³/ eoħ ~3·1016 В/см. В этих условиях вакуум становится неустойчивым и из него могут рождаться электрон-позитронные пары.
Для получения электрических полей с релятивистскими напряженностями используются мощные лазеры до 1021вт/см2 с высокой фокусировкой лучей и длительностью импульса порядка фемтосекунд, но пока не удается достичь Екр.
Согласно кинетического уравнения (КУ), описывающих не стационарное вакуумное рождение частиц, точно теоретически обоснованного в 1997 году физиками-теоретиками из разных стран. Процессы соударения частиц и их ускорение зависит как от собственного электромагнитного поля, создаваемого частицами, так и внешнего создаваемого сильными полями. Оба механизма воздействия являются важными и влияют на плотность частиц и античастиц рождаемых в вакууме. Если плотность рожденных частиц становится достаточно большой, возникает необходимость в учете собственного внутреннего электромагнитного поля, генерируемого этими частицами. Поле может оказаться достаточно сильным, чтобы, в свою очередь, повлиять на интенсивность вакуумного рождения частиц. В этом случае КУ должно дополняется уравнением Максвелла для плотности тока вызванного изменением структуры ФВ под действием поля. В результате КУ и уравнение Максвелла образуют замкнутую нелинейную систему интеградифференциальных уравнений, описывающих совместную эволюцию поля и частиц.
Это означает, что при некоторой плотности рожденных из вакуума частиц необходимо учитывать собственное внутренне поле. Частицы из виртуального состояния перешли в реальный спектр времени, значит, реальным стало их общее электрон-позитронное поле. Это поле может стать равным или больше Екр. Поэтому после короткого импульса внешнего поля, вызвавшего рождение вакуумных частиц, система начнет эволюционировать самосогласованным образом даже после снятия этого поля.
Для достижения той же цели рождение из вакуума электрон-позитронных пар частиц предлагается использовать критическое магнитное поле. Оно было рассчитано (А.А.Соколов, Н.П.Клепиков, И.М. Тернов, 1953г.; Ю.Швингером 1954г.) и дало следующий результат: B0– Швинреговское поле (4.41·1013 Гс).
Из физики известно, что затормозить или разогнать частицу гораздо труднее, чем заставить свернуть с пути не меняя ее скорости. Магнитная сила (Лоренца) не совершает работы, она направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, т.е. использовать пороговый эффект по частоте для виртуальных частиц рождаемых в вакууме. Под пороговым эффектом по частоте понимается, что при критическом значении магнитной индукции энергия кратковременно появляющихся вакуумных электрон-позитронных пар Е=mс2 перейдет в энергию вращения по ларморовской окружности. ( Роль адиабатического инварианта движения Е1/Н, где Е1 - кинетическая энергия вращения по ларморовской окружности.)
Установка на основе лазерной ЭДС создает локальное магнитное поле по порядку Вкр = 1013Гс, следовательно, в таком поле энергия кратковременно родившихся из вакуума пар частиц с энергией mc2 перейдет в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности. Находясь в режиме "замагничевания" движение виртуальных частиц навстречу друг другу с целью дальнейшей аннигиляции станет не возможным. Поскольку время действия магнитного поля на много порядков превышает время кратковременного появления виртуальных вакуумных пар, то режим "замагничивания" позволяет перевести частицы в реальный спектр времени, т.е. стать наблюдаемыми частицами. В свою очередь наблюдаемые частицы вызовут эффекты поляризации вакуума, характеризуемые множественным процессом рождением из вакуума виртуальных электрон - позитронных пар, которые также подвергнутся "замагничеванию". Такой множественный и последовательный процесс рождения и "замагничевания" будет развиваться далее неудержимо и лавинообразно, что приведет к образованию плазменного сгустка.
Как предсказывает кинетическая теория при определенной плотности рожденных из вакуума частиц их внутреннее электрон-позитронного поля превысит Е кр, следовательно из вакуума возникнет мощная плазменная осцилляция. На находящуюся плазму в магнитном поле действует выталкивающая (пандеромоторная) сила. Качественный расчет выталкивающей силы, действующую на каждую частицу рожденной электрон -позитронной плазмы в магнитном поле по порядку равному Швингеровскому, составляет примерно 3ּ104 кг. На основе третьего закона Ньютона равная по значению, но противоположно направленная сила будет создавать реактивную тягу. Роль прохода для выброса плазмы из магнитного поля осуществляют разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из разреза в соленоидах произойдет аннигиляция частиц с образованием гамма квантов.
Устройство фотонного двигателя
Ракетный фотонный двигатель показан в разрезе на рис.2. Основой двигательной установки является вращающееся колесо (13) установленное в горизонтальной плоскости и имеющее жёсткое крепление (3), (12) с валом (2) эл.двигателя (10). По периметру колеса (13) установлены жёстко наборы биттеровских соленоидов. Каждый набор (1), (9) имеет тысячи биттеровских соленоидов , объединенных в сегменты -(маркерный соленоид и несколько усиливающих). Соленоиды в наборах (1), (9) ориентированы с возможностью освещения их торцов лазерными лучами (4), (6) от установленных по периметру двигателя лазерных пушек (5), (7). Работа лазерных пушек (5), (7) синхронизирована с маркерными кольцами в наборах (1), (9). Набор соленоидов (1) в котором зазоры (8) ориентированы вниз, предназначен для создания подъемной силы, а набор соленоидов (9) с прорезью наружу для создания горизонтальной тяги. С целью увеличения подъемной силы на двигателе можно разместить несколько дополнительных наборов соленоидов по такому же принципу.
Работа: Аккумуляторы подают питание на электродвигатель. Происходит разгон колеса до заданных оборотов с последующей их стабилизацией. Через преобразователи, накачиваются лазерные пушки, которые работают в импульсном режиме. За счет синхронизации оборотов колеса обеспечивается подача первых импульсов на маркерные соленоиды, которые инициируют начальное магнитное поле, затем на следующие за ним. Возникает мощное магнитное поле по рассмотренному ранее механизму. Магнитное поле "замагничевает" виртуальные вакуумные частицы, которые в виде плазменного образования под действием пандеромоторной силы выбрасываются из магнитного поля соленоидов. Роль прохода для частиц плазмы служат разрезы в соленоидах. При выходе плазмы из магнитного поля соленоидов происходит аннигиляция частиц, т.е. выделяются гамма кванты. При работе установки накачка лазеров осуществляется от образующихся гамма -квантов. За счет вращения наборов соленоидов и импульсной работы лазеров обеспечивается смена сегментов, попадающих под лазерные лучи, т. е. обеспечивается режим охлаждения.
Такой способ получения энергии имеет огромные преимущества:
1. Отпадает необходимость в топливе.
2. Выделяемая энергия, как минимум, на порядок больше термоядерной.
3. Экологическая безопасность.
4. Обеспечивается процесс регулирования в выделении энергии.
Процесс регулирования достигается различными путями:
1. Изменением плотности энергии в лазерных лучах.
2. Изменением продолжительности подачи лазерного импульса на торцы соленоидов.
3. Количеством точек возбуждения магнитного поля.
