2022 хэппи дэй
Дальше больше
Обнуляться, так по полной. согласны? следующий вк, инстаграм. что еще есть интересного?
CTAKAN
Награды:
8132 рейтинг
80 подписчиков
14 подписок
41 пост
21 в горячем
Российские физики уплотнили энергию ядерной батарейки в десять раз
Ученые из МФТИ, ФГБНУ ТИСНУМ и МИСиС оптимизировали толщину слоев «ядерной батарейки», использующей для генерации электрической энергии бета-распад изотопа никеля-63. В одном грамме созданной ими батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что является лучшим результатом среди «ядерных батареек» на основе никеля-63 и в десять раз превосходит плотность энергии, запасенной в обычных химических элементах. Статья опубликована в журнале Diamond and Related Materials
Как работает батарейка
Обычные батарейки, которые используют для питания часов, карманных фонариков, игрушек и других сравнительно небольших автономных электрических приборов, получают электрическую энергию с помощью химических реакций. В ходе этих реакций, которые называют окислительно-восстановительными, электроны «перетекают» через электролит с одного электрода на другой, и на электродах возникает разность потенциалов. Если соединить концы батарейки проводом, электроны придут в движение так, чтобы разность потенциалов исчезла — по проводу потечет ток. Химические батарейки, которые также называют гальваническими элементами, обладают высокой удельной мощностью, то есть отношением мощности создаваемого тока к объему батарейки, но сравнительно быстро разряжаются — и это заметно ограничивает их автономную работу. Конечно, при определенной конструкции химических элементов их можно перезаряжать (тогда их называют аккумуляторами). Однако даже в этом случае батарейку нужно вынимать из прибора, что может быть опасно или невозможно: например, если она обеспечивает питание кардиостимулятора или космического аппарата.
Немного истории
К счастью, электрическую энергию можно получать не только в химических реакциях. Более ста лет назад, в 1913 году, Генри Мозли представил первый радиоизотопный источник электрической энергии, представлявший собой посеребренную изнутри стеклянную сферу, в центре которой, на изолированном электроде, располагался радиевый источник. Электроны бета-распада радия создавали разность потенциалов между серебряным слоем стеклянной сферы и центральным электродом. Такой источник обладает чрезвычайно высоким напряжением холостого хода — в десятки киловольт — и малым током, поэтому на практике его использование почти невозможно.
В 1953 году Пол Раппапорт предложил использовать полупроводниковую структуру для преобразования энергии бета-распада радиоактивных элементов. Бета-частицы (электроны или позитроны) ионизируют атомы полупроводника и создают неравновесные носители зарядов, которые при наличии статического поля барьерной p-n-структуры упорядоченно движутся, создавая электрический ток. Основанные на этом принципе элементы назвали бета-вольтическими. Главным преимуществом таких элементов перед гальваническими выступает их долговечность: период полураспада некоторых радиоактивных изотопов составляет десятки или сотни лет, следовательно, мощность элемента будет оставаться почти постоянной в течение всего периода. К сожалению, удельная мощность бета-вольтических генераторов сильно уступает химическим батареям. Тем не менее радиоактивные генераторы все-таки использовали в 1970-х годах для питания кардиостимуляторов, однако впоследствии их вытеснили литий-ионные аккумуляторы, дешевизна изготовления которых перевесила долговечность бета-вольтических элементов.
Заметим, что бета-вольтические батарейки не следует путать с радиоизотопными термоэлектрическими генераторами (сокращенно — РИТЭГ), которые тоже иногда называют ядерными батареями. В этих устройствах энергия радиоактивных распадов используется для нагрева и создания потока тепла, который потом конвертируется в электрический ток с помощью термоэлектрических элементов. Эффективность РИТЭГов составляет всего несколько процентов и зависит от температуры. Тем не менее из-за своей долговечности и относительно простого устройства радиоизотопные генераторы широко используются для питания космических аппаратов — например, зонда New Horizons или марсохода Curiosity. Ранее РИТЭГи также устанавливали на радиомаяках и метеостанциях, расположенных в труднодоступных областях, однако сейчас эту практику приостановили из-за трудностей утилизации и риска утечки радиоактивных веществ.
Мощность повысили на порядок
Группа ученых под руководством Владимира Бланка, директора ФГБНУ ТИСНУМ и заведующего кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, придумала способ почти на порядок повысить удельную мощность «ядерной батарейки». В разработанном и изготовленном ими элементе бета-частицы испускались радиоактивным изотопом никеля-63 и попадали в алмазные преобразователи на основе барьера Шоттки (потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода). Полная электрическая мощность батарейки составила около одного мкВт, а удельная мощность достигла десяти микроватт на кубический сантиметр — этого достаточно, чтобы питать современный кардиостимулятор. Период полураспада никеля-63 — около ста лет. Таким образом, в одном грамме батарейки запасено около 3300 милливатт-часов, что в десять раз больше, чем в химических батарейках.
Схема устройства «ядерной батарейки»: красным отмечены слои никеля-63, светло-серым — алмазная ячейка, темно-серым — контакт Шоттки, желтым — омический контакт, а зеленым — электрические соединители
Образец «ядерной батарейки» состоял из двухсот алмазных преобразователей, чередуемых слоями фольги никеля-63 и стабильного никеля (рисунок 1). Мощность, генерируемая преобразователем, зависит от толщины никелевой фольги и самого преобразователя, который поглощает бета-частицы. Все известные на данный момент прототипы ядерных батарей плохо оптимизированы, так как имеют лишний объем. Если толщина бета-источника слишком велика, электроны, рождающиеся внутри него, не смогут покинуть его. Этот эффект называется самопоглощением. С другой стороны, сильно уменьшать толщину источника тоже невыгодно, поскольку вместе с ней уменьшается число бета-распадов в единицу времени. Аналогичные рассуждения применимы и к толщине преобразователя.
Ядерная батарейка, образец
Сначала расчеты
Перед учеными стояла цель: создать батарею на никеле-63 с максимальной удельной мощностью, то есть без лишнего объема. Для этого они численно смоделировали движение электронов в бета-источнике и прилегающих преобразователях и нашли их оптимальные толщины: оказалось, что эффективнее всего бета-источник на основе никеля-63 «работает» при толщине около двух микрометров, а алмазный преобразователь на основе барьера Шоттки — при толщине около 10 микрометров.
(а) зависимость потока энергии из никелевой фольги от ее толщины; (b) эффективность поглощения алмазным преобразователем в зависимости от его толщины. Видно, что в случае (a) насыщение происходит при толщине около двух микрометров, а в случае (b) — при толщине около десяти микрометров
Технология изготовления
Наиболее затруднительной задачей было изготовление большого количества алмазных преобразователей со сложной внутренней структурой толщиной всего в несколько десятков микрон (как полиэтиленовый пакет из супермаркета). Традиционные механические и ионные методы уменьшения толщины алмаза не подходили для ее решения. Сотрудники ФГБНУ ТИСНУМ и МФТИ разработали уникальную технологию синтеза и отщепления тонких алмазных пластин от многоразовых алмазных подложек для массового создания сверхтонких преобразователей.
В качестве исходного материала были использованы 20 толстых подложек из легированного бором алмаза, выращенного методом температурного градиента. При помощи ионной имплантации в подложках создавался дефектный слой толщиной около 100 нанометров на глубине около 700 нанометров. Поверх этого слоя методом осаждения из газовой фазы синтезировался гомоэпитаксиальный (наследующий кристаллическую структуру подложки) слой слабо легированного бором алмаза толщиной 15 мкм. Затем методом высокотемпературного отжига дефектный слой подвергали графитизации, после чего удаляли методом электрохимического травления. После удаления дефектного слоя заготовку преобразователя снимали с подложки и покрывали контактами: омическим и Шоттки.
В ходе всего описанного процесса подложка теряла менее 1 мкм толщины, после чего операции повторялись. Таким образом на 20 подложках были выращены 200 преобразователей. Разработанная технология чрезвычайно важна с экономической точки зрения: высококачественные алмазные подложки стоят очень дорого, поэтому не подходят для массового производства преобразователей методом уменьшения толщины.
Все преобразователи были объединены параллельно, согласно схеме, показанной на рисунке 1. Технология изготовления фольги никеля-63 толщиной в 2 микрона была разработана в НПО «Луч». Батарею залили эпоксидным клеем для герметичности.
Батарея обладает характерной вольт-амперной характеристикой (рисунок 3). Напряжение короткого замыкания составило около 1 вольта, а ток короткого замыкания — около 1 мкА. Наибольшая электрическая мощность W ≈ 0,93 микроватт достигалась при напряжении V ≈ 0,93 вольт. Такая мощность отвечает плотности энергии около 3300 милливатт-часов на грамм, что в десять раз превышает плотность энергии созданной ранее в ФГБНУ ТИСНУМ «ядерной батарейки» на основе никеля-63 и во столько же раз превосходит обычные химические батарейки.
(a) зависимость силы тока и выходной мощности, выдаваемой батареей, от напряжения; (b) зависимость выходной мощности от сопротивления подключенной к батарее нагрузки
В 2016 году ученые уже сообщали о разработке прототипа ядерной батарейки на основе никеля-63. В июне 2017-го работающий образец ядерной батарейки мощностью в 1 микроватт с полезным объемом 1,5 кубического сантиметра был показан ФГБНУ ТИСНУМ и НПО «Луч» на форуме «Атомэкспо-2017».
Основным фактором, ограничивающим изготовление ядерных батареек в России, является отсутствие промышленного производства и обогащения изотопа никеля-63. К середине 2020-х годов планируется поставить такое производство на поток.
Альтернативный способ создания ядерной батарейки на основе алмаза — изготовление алмазных преобразователей из радиоактивного углерода-14, обладающего чрезвычайно большим периодом полураспада: 5700 лет. О разработке таких генераторов сообщали физики из Университета Бристоля.
Будущее ядерных батареек
Полученный результат открывает новые перспективы для медицинских применений. Современные кардиостимуляторы имеют размер более 10 кубических сантиметров и потребляют мощность около 10 микроватт. Разработанная батарея может быть использована в качестве источника питания такого кардиостимулятора практически без серьезных изменений его конструкции и объема. «Вечный» кардиостимулятор значительно повысит качество жизни пациентов, так как исчезнет потребность в его обслуживании и замене батарей.
Также в разработке компактных ядерных батарей заинтересована космическая промышленность. В частности, в настоящее время существует потребность в автономных беспроводных внешних датчиках и микросхемах памяти со встроенной системой питания для космических аппаратов. Алмаз — один из наиболее радиационно стойких полупроводников и за счет большой ширины запрещенной зоны может функционировать в широком диапазоне температур, что делает его идеальным материалом для создания ядерных батарей космических аппаратов.
Ученые планируют продолжить свои исследования в области ядерных батарей и предлагают основные направления развития данной тематики. Во-первых, это повышение обогащения никеля-63 в батарее, что приведет к линейному росту мощности. Во-вторых, разработка алмазной p-i-n-структуры с контролируемым профилем легирования, которая позволит увеличить напряжение, а значит, и полезную мощность батареи — в три и более раза. В-третьих, увеличение площади поверхности преобразователя, что позволит разместить больше атомов никеля-63 на одном преобразователе.
Владимир Бланк, директор ФГБНУ ТИСНУМ и заведующий кафедрой «Физика и химия наноструктур» МФТИ, говорит: «Мы уже достигли выдающегося результата, который может быть применен в медицине и космической технике, но не собираемся останавливаться на этом. За последние годы наш институт достиг значительных успехов в создании высококачественных легированных алмазов, в частности алмазов с проводимостью n-типа. Это позволит нам перейти от барьера Шоттки к p-i-n-структуре и повысить удельную мощность батареи в три раза. А чем больше удельная мощность, тем большее количество применений может найти наша разработка. Мы имеем хороший задел в области синтеза алмазов высокого качества и планируем использовать сочетание уникальных свойств этого материала для расширения компонентной базы радиационно-стойкой электроники и создания инновационных электронных и оптических устройств на его основе».
P.S. не ленитесь переходить по ссылкам в тексте, за ними много интересного материала
Показать полностью
4
История Земли
15 минут – примерно столько вы потратите на прочтение этого текста. Для вас пройдет всего четверть часа, а для планеты Земля – это миллиарды лет.
Рождение Земли
Начнем с самого начала: 5 млрд лет назад. Но где же прекрасная голубая планета? Нашему взору предстает лишь только что родившееся Солнце, окруженное протопланетарной пылью. Промотав ленту времени немного вперед, мы заметим миллиарды кружащихся вокруг Солнца камней, которые путем аккреции стягивает вместе. Пройдут миллионы лет – и эти камни станут, по меньшей мере, сотней планет, вращающихся вокруг Солнца.
4 млрд 540 млн лет назад – Земля появляется на свет. Удивительно, но на заре времен «жизнь» на нашей планете больше похожа на ее конец – тот, каким видит его религия. Твердой «суши» почти нет. Вместо нее – огненное море расплавленной породы. Вместо воздуха – углекислый газ, азот, сера и водяной пар.
В свое время религиозные схоласты рассчитали, что возраст Земли – не менее 6 тыс. лет. Только к началу XIX века геологи начали догадываться, что наша планета – настоящая «старушка». В этом им помогла Южная Африка – в одном из ее районов сохранились останки древнейшей континентальной плиты. Ученые поняли – породы в этой местности очень древние.
Вооружившись данными о скорости остывания материалов, идеей о том, что Земля изначально была расплавленным шаром, и многими годами, потраченными на расчеты, британский физик и механик лорд Кельвин в XIX веке сделал вывод о том, что Земле, скорее всего, от 20 до 40 млн лет.
Это был большой прогресс. Но для геологов-практиков даже эта цифра показалась слишком маленькой. Неизвестно, как долго бы наука пребывала в сомнениях, если бы к молодому ученому Эрнесту Резерфорду не пришло понимание того, что внутри нашей планеты находятся радиоактивные элементы. Все они создают большое количество тепла. Это в корне подрывало расчеты Кельвина, ведь выяснилось, что Земля не остывала постепенно – наоборот, в ней сокрыты постоянные источники тепла. Но главное – распад радиоактивных элементов позволил рассчитать точный возраст Земли.
Рождение Луны
Прошло несколько миллионов лет (младенческий возраст по меркам планеты) после рождения Земли, а ее уже ждали совсем «не детские» испытания. Молодая планета под названием Тейя размером с Марс несется прямо на нас. Считается, что Тейя хоть и столкнулась с Землей, но, по счастью, прошла по касательной. Тем не менее, этого хватило, чтобы обе планеты стали напоминать жидкие шары: по Земле прокатывались настоящие волны породы, а в космос выбросило триллионы тонн обломков. В этой космической катастрофе Земля уцелела. И не только уцелела, но и обрела «украшение»: очень быстро сила тяжести нашей планеты превратила обломки, оставшиеся от катастрофы, в кольцо.
Из этого кольца постепенно формируется шар – Луна. Она гораздо ближе, чем та Луна, которую знаем мы. Сейчас она находится примерно в 400 тыс. км от нас, тогда же она была всего в 22 тыс. км. Можно только представить какой вид открывался с Земли по ночам! Увы, этими красотами не суждено было насладиться никому.
Метеориты атакуют
У Земли воистину было «трудное» детство. 3 млрд 900 млн лет назад ее бомбардируют обломки, оставшиеся от формирования Солнечной системы. Именно они, по мнению многих ученых, и принесут на планету воду. В каждом из них заключено крошечное количество воды, но они атакуют нашу планету более 20 млн лет. Поэтому Земля постепенно покрывается океанами. Когда в следующий раз вы будете утолять жажду прохладной живительной минералкой – вспомните, что каждой капле воды, каждой луже на Земле – миллиарды лет.
Ядро планеты остается расплавленным, а поверхность остыла до 70-80° C. Из-за очень быстрого вращения Земли (Солнце садится спустя всего 3 часа после рассвета!), на ней дуют страшные ветры. Их скорость превышает скорость самого разрушительного современного урагана. Гигантское притяжение близко расположенной Луны поднимает огромные волны, которые прокатываются по планете. Но со временем спутник отдаляется, волны успокаиваются, и Земля начинает вращаться медленнее.
Бактерии
3 млрд 800 млн лет назад – Земля полностью покрыта водой. Но если приглядеться – можно увидеть крошечные острова – это расплавленная горная порода, вулканами прорывающаяся через океан. Со временем такая лава остынет, образуя вулканические острова. Позже они соединятся, сформировав первые континенты. Впрочем, атмосфера по-прежнему токсична, стоит невыносимая жара – вряд ли нам понравилось бы проводить здесь отпуск.
Метеориты бомбят Землю с момента ее появления на свет, но 3 млрд 800 млн лет назад наступила еще более ожесточенная стадия. Видимо, что-то повредило орбиты этих метеоритов – они градом посыпались на Землю.
И все-таки наша планета страдала не зря – метеориты уже принесли сюда воду, но ученые считают, что в них было и еще кое-что – минералы, простейшие белки и аминокислоты. Сейчас, когда стихли ураганы, а Земля остыла, вероятно, пришло их время.
Одна из популярных гипотез гласит, что жизнь на нашей планете появилась вблизи подводных горячих источников. На глубине, куда почти не проникают солнечные лучи, а температура опускается до отметки чуть выше ноля, подводные трубы извергают нечто похожее на сизый дым. На самом деле это не дым, а горячая жидкость. Морская вода даже на дне океана способна просачиваться еще дальше – через трещины в коре, по пути собирая газы и минералы. Вся эта подогретая смесь и выбрасывается назад в океан. Там ее уже поджидает «бульон» из минералов и химических веществ, оставленных метеоритами.
Из этой биохимии, по мнению многих исследователей, и появилась жизнь. Каким-то образом все эти вещества соединились и образовали одноклеточные бактерии – самые ранние формы жизни на Земле. Есть, впрочем, предположения, что жизнь на нашей планете зарождалась бесчисленное количество раз, пока, наконец, не приобрела привычные для нас формы. Жизнь появилась. И что же? Проходят миллионы лет, но кардинально ничего не меняется – эволюция, похоже, не спешит порождать более сложные организмы.
Строматолиты
3 млрд 500 млн лет назад. Если мы посмотрим на мелководную зону океана, то увидим под водой нечто напоминающее камни. На самом деле это цианобактериальные сообщества, представляющие собой конгломераты живых бактерий. Останки этих матов называют строматолитами. Их питание происходит с помощью фотосинтеза, превращающего солнечный свет и воду в глюкозу – простую форму сахара. В ходе этого превращения высвобождается побочный продукт – кислород. Миллионы лет эти невзрачные «камни» творили чудеса, наполняя кислородом океаны и атмосферу. Если бы не они, то на Земле, вероятно, не существовало бы почти ничего живого, включая и нас с вами.
Родиния
1 млрд 500 млн лет назад – сутки длятся не менее 16 часов. И все же, прошло 3 млрд лет с момента появления планеты, а еще нет ни одного сложного организма.
Но земное ядро по-прежнему активно, оно горячее поверхности Солнца. Это тепло раскалывает земную кору, и она разделяется на огромные литосферные плиты. Они двигаются и тянут по всему миру океаны и острова, сталкивая их между собой. Так, 1 млрд 100 млн лет назад появляется суперконтинент – Родиния. Этот гигантский материк широко известен, но по мнению ученых, до него существовал также и самый первый гипотетический континент – Ваальбара, просуществовавший с 3,6 до 2,8 млрд лет назад, и сформировавшийся еще в Архее. Вторым гипотетическим единым материком был континент под названием Ур, образовавшийся 3 млрд лет назад. На нашей планете, возможно, существовало не менее шести суперконтинентов, но мы расскажем лишь о самых известных из них. Кстати, по многим прогнозам, в будущем – через 200-300 млн лет – все материки Земли вновь соединятся для того, чтобы снова образовать единый суперконтинент. Для него даже придумано название – Пангея Ультима («Последняя Пангея»).
«Земля-снежок»
Из-за большой геологической активности родилось огромное количество вулканов. Углекислый газ, который они выбрасывают, смешивается с водой и превращается в кислотный дождь. Горные породы впитывают его в себя, не давая ему накапливаться в атмосфере, сохраняя тепло. Сейчас этих горных пород намного больше, чем раньше: они обнажились из-за столкновения континентов. В то же время из-за естественных климатических флуктуаций и изменений в солнечной радиации Земля охлаждается. Количество парникового газа, попадаемого в атмосферу, не в состоянии удерживать тепло Солнца.
Возможно и то, что образование суперконтинента Родиния привело к блокированию экваториальных вод, несших теплые течения. Полярные регионы оледенели и стали отражать все больше солнечного света, что, в свою очередь, повлекло «расползание» льда на другие участки. Температура на поверхности Земли упала до -40 градусов. Лед сковал океаны на глубину более 1 км
Наступил, возможно, один из самых длительных и холодных ледниковых периодов в истории Земли. Приверженцы этой теории называют его эпохой «Земли-снежка». Предполагается, что наша планета была полностью покрыта льдом в части криогенийского и эдиакарского периодов неопротерозойской эры, а, возможно, и в другие геологические эпохи.
Теория о существовании этого грандиозного ледниковья была создана для того, чтобы объяснить отложения ледниковых осадков в тропиках в период криогения (850-630 млн лет назад), а также другие странные черты геологии того же периода. Не все ученые, однако, принимают эту гипотезу, говоря о том, что столь грандиозное оледенение едва ли могло быть возможным, если учесть энергетический баланс и климатические модели глобальной циркуляции.
Кембрийский взрыв
Несмотря ни на что, подо льдом планета остается горячей. Под одеялом льда продолжают жить вулканы. Накопившееся тепло приводит к тому, что со временем они начинают просыпаться один за другим. Но пока горные породы, впитывающие углекислый газ от вулканических извержений, все еще скрыты подо льдом, поэтому ничто не мешает ему накапливаться в атмосфере, удерживая солнечное тепло и постепенно плавя ледник. Таяние льда порождает трещины, изломы и неровности в земной коре, а значит, еще больше вулканов. Серией химических реакций таяние также высвобождает огромное количество кислорода, который был заключен во льду многие миллионы лет. А еще накопившееся тепло приводит к расколу Родинии. Это произошло около 750 млн лет назад.
Продолжительность суток уже равна примерно 22 часам. Концентрация кислорода в атмосфере достигла невиданных до того показателей. В этот момент, примерно 540 млн лет назад, происходит так называемый Кембрийский взрыв: словно ниоткуда в океане появляется великое множество видов сложных живых организмов.
Теория Кембрийского взрыва призвана объяснить внезапное появление окаменелостей животных на нижней границе кембрия и их отсутствие в более древних отложениях. Более поздние исследования, однако, показали, что многие сложные животные, сходные с современными видами, возникли задолго до начала кембрия. Тем не менее, подавляющая часть современных типов впервые появилась, похоже, именно в кембрии. Причем произошло это, видимо, действительно быстро. Увеличение размера живых существ и появление большого их разнообразия в числе прочего связано, вероятно, с повышением уровня кислорода.
Жизнь на суше
750 млн лет назад сдвиг литосферных плит произошел снова. Родиния раскололась, образовав Гондвану и Лавразию. Температура – около 30° С, уровень кислорода приближается к современному. Но суша по-прежнему безжизненна, на ней почти ничего нет, кроме отдельных участков с водорослями.
Солнце продолжает разрушать поверхность Земли смертельно опасной радиацией. Однако примерно в 50 км над Землей, там, где лучи проникают в земную атмосферу, происходит нечто интересное: встречаясь с солнечной радиацией, кислород превращается в другой газ – озон. Постепенно он обволакивает всю планету, поглощая смертельную радиацию. Если бы не он, жизнь на суше просто не существовала бы. Спустя миллионы лет, озоновый слой становится толще, и суша покрывается зелеными комочками, напоминающими мох. Эта крошечная зелень, тем не менее, делает важную работу – она выбрасывает еще больше кислорода, уровень которого резко растет. Привлекательную для жизни сушу мало-помалу начинают обживать земноводные.
Болота
Суша становится миром тропических болот. Болота Окефеноки (штат Джорджия, США), что в переводе с индейского означает «колышущаяся земля», считаются современным аналогом болот, которые существовали на Земле в ту эпоху.
Профессор Фредерик Рич (Fredrick Rich) из университета южной Джорджии – специалист по доисторическим болотам, как и его коллеги, верит, что это болото очень похоже на те, которые существовали повсюду около 300 млн лет назад – в каменноугольный период или карбон. По его словам, именно в это время впервые за всю историю нашей планеты на ее поверхности развивается обширный растительный покров. Растения достигали 20-30 м в высоту, росли плотными массивами, создавая влажный тропический климат. Здесь летают гигантские насекомые – меганевры (гигантские стрекозоподобные насекомые, жившие в каменноугольном периоде), ползают метровые многоножки. Гигантизм насекомых и животных в ту древнюю эпоху связывают с высокой концентрацией кислорода в атмосфере.
Тропические болота занимали большую часть материковой поверхности Земли в течение десятков миллионов лет. Свидетельства тому можно найти сегодня на всех современных континентах – в месторождениях угля. На суше останки растений превращались в уголь, а на мелководье в течение миллионов лет накапливались останки живых организмов. Они станут другим видом ископаемого топлива – нефтью и газом.
Пермское вымирание
Примерно 250 млн лет назад. К тому моменту сушу уже населяют предки динозавров – горгонопсы и их добыча – скутозавры. Но участь их, как и 96% морских видов и 70% видов наземных позвоночных, предрешена. Около 252 млн лет назад начинается пермское вымирание – самое массовое вымирание всех времен, одно из пяти массовых вымираний, когда-либо происходивших на нашей планете.
Причины его доподлинно неизвестны до сих пор. Однако наиболее вероятной версией и одной из основных причин считается извержение сибирских траппов, происходившее именно в этот период. До сих пор неизвестно, что именно спровоцировало эти извержения. По всему миру воздух наполнен пеплом, который закрывает солнечный свет. Атмосфера наполняется токсинами и углекислым газом. Время от времени потоки горячей магмы выходят на поверхность. Это продолжается от 500 тыс. до 1 млн лет. Количество базальта, извергнувшегося из недр Земли за это время, хватило бы для того, чтобы похоронить США под почти 6-километровой толщей.
Пангея
Около 250 млн назад – суша вновь почти безжизненна. Прошло 50 млн лет, и материки опять соединяются, образовав единый континент – Пангею. Во время пермского вымирания погибло 70% всех видов наземных позвоночных, а это значит, что есть место для нового вида, который будет править на планете как никто другой – ни до, ни после него – динозавры. Считается, что эти «ужасные ящеры» произошли от небольшого количества рептилий, переживших пермское вымирание.
Пока они крепнут и развиваются, беспокойные плиты вновь разрывают Землю на части: 190 млн лет назад Пангея распадается. А 180 млн лет назад мир обретает привычные для нас формы, образуется Атлантический океан.
Конец динозавров
65 млн лет назад. Кажется, что правящая династия под названием «динозавры» будет господствовать на планете вечно. Но если на Земле нет силы, способной разрушить эту монополию, она есть в космосе – к нам уже несется огромный астероид. Он летит к побережью полуострова Юкатан. Сегодняшний Мексиканский залив – не что иное, как кратер, образовавшийся от удара этого гиганта.
Это настоящий Апокалипсис для динозавров. Астероид разрушает все на многие тысячи километров, даже сам он мгновенно испаряется. Энергия, высвободившаяся при ударе, равна энергии взрыва миллионов атомных бомб. Осколки астероида и земной коры разлетаются за тысячи километров. Идут метеоритные дожди, от землетрясений земля ходит ходуном, на побережья обрушиваются цунами. Поверхность Земли нагревается, растительность самовоспламеняется. Дым и пепел в течение нескольких месяцев окутывают планету мощной пеленой, не пропуская солнечные лучи. Господство динозавров, длившееся 165 млн лет, подходит к концу. К счастью, это шанс для непритязательных в еде мелких зверьков, похожих на землеройку, – млекопитающих.
Млекопитающие
50 млн лет назад. Планету все уверенней заселяют млекопитающие. На самом деле они появились еще во времена динозавров, но массовое их расселение по понятным причинам могло произойти только после исчезновения гигантских плотоядных. 47 млн лет назад – эволюция млекопитающих набирает обороты.
Продолжительность суток, между тем, уже почти равна 24 часам, температура около 24° С, уровень кислорода практически такой же, как сегодня.
Наши предки
При столкновении Индийской и Азиатской плит образуется огромная горная гряда – Гималаи. Раньше на этом месте бушевал океан.
4 млн лет назад. Вдоль Восточного побережья Африки между плитами, образующими земную кору, появляется огромная расселина. Она тянется почти на 6 тыс. км. По ее краю вырастают горы, которые не дают влаге из Индийского океана течь по земле. Становится жарче и суше – плодородный влажный лес Африки превращается в засушливую саванну. Одна из самых популярных версий гласит, что именно в связи с этим нашим предкам пришлось слезть с деревьев и, выпрямив спину, отправиться на поиски пропитания на двух ногах. Впрочем, есть и другие гипотезы о происхождении прямохождения, как правило, дополняющие ее множеством удивительных фактов.
Например, не так давно в Африке обнаружены останки очень древних гоминид, которые жили как раз тогда, когда произошло разделение линий, ведущих к шимпанзе и человеку. И что же? Выяснилось, что эти гоминиды, возможно, уже ходили на двух ногах – то есть до того, как их потомки слезли с деревьев.
Ходили они, конечно, не так уверенно, как мы, но факт остается фактом. А вот резкий скачок развития разумной деятельности человека начался всего примерно 10-12 тыс. лет назад – былинка, невероятно малая толика «секунды» на шкале времени, которая прошла с момента рождения нашей планеты. А ведь Земля, по оценкам многих специалистов, прошла лишь около половины своего жизненного пути. То ли еще будет.
Источник naked-science
Показать полностью
7
Предложена новая теория происхождения Солнечной системы
Исследователи из Чикагского университета и Университета Клемсона сформулировали теорию происхождения Солнечной системы из отнесенного космическим ветром вещества, сброшенного звездой-гигантом.
Согласно общепринятой на сегодняшний день теории происхождения Солнечной системы, Солнце и окружающий его диск материи, из которого сформировались планеты, их спутники и астероиды, возникли из вещества, выброшенного взрывом сверхновой. Новый сценарий, описанный в статье исследователей из Чикагского университета и Университета Клемсона, предполагает, что материя, из которой сформировались Солнце и окружающие его небесные тела, была выброшена звездой Вольфа — Райе. Звезды Вольфа — Райе — класс очень больших, ярких и горячих звезд.
По расчетам авторов теории, диаметр звезды, породившей Солнечную систему, превышал диаметр Солнца в 40–50 раз. Ядерный синтез в ее недрах породил все тяжелые элементы, которые встречаются в Солнечной системе. По мере выгорания термоядерного топлива звезда сбрасывала верхние слои; их вещество растекалось равномено во все стороны от звезды и в результате сформировало вокруг нее полую сферу — эмиссионную туманность Вольфа — Райе. Поверхность таких сфер часто становится регионом активного звездообразования из-за высокой плотности вещества.
Авторы исследования рассчитали, что от 1% до 16% всех солнцеподобных звезд формируются на поверхности таких сферических образований.
Этот сценарий, в отличие от гипотезы о происхождении Солнечной системы из газа и пыли, выброшенных взрывом сверхновой, объясняет диспропорцию элементного состава вещества в молодой Солнечной системе и остальной Галактике. Метеориты, сформировавшиеся в первые несколько тысяч миллионов лет существования Солнечной системы, содержат необычно много изотопа алюминия-26 и необычно мало изотопа железа-60. Взрывы сверхновых дают оба эти изотопа, а в сброшенных оболочках умирающих звезд Вольфа — Райе содержится много алюминия-26 и почти нет железа-60.
По мнению авторов работы, события развивались так: под действием собственной гравитации часть туманности коллапсировала и образовала диск, плотность вещества в центре которого была такой большой, что запустила термоядерную реакцию превращения водорода в гелий — так зажглось Солнце. Звезда Вольфа — Райе окончательно исчерпала запас топлива и прекратила существовать — взорвалась сверхновой либо сразу превратилась в черную дыру. Последний сценарий не предполагает высвобождения железа-60; если же имела место сверхновая, изотоп железа-60 образовался в значительных количествах; в этом случае его низкий процент в веществе молодой Солнечной системы объясняется тем, что распределение изотопа было неравномерным, или же он не проник во внутренние слои туманности.
Показать полностью
Какие проблемы нужно решить, чтобы межзвездные полеты стали реальностью?
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных — слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад NASA запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.
Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.
Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?
Время и скорость относительны
Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.
Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с Пионером уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.
Пионер-10
Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.
«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, — писал К. Феоктистов, — время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».
Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.
Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) — наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.
Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.
По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад — столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?
Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.
Корабль размером с планету
Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию — как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите — тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.
Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.
Аннигиляция — это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.
Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.
Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).
Порвали парус!
Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.
Солнечный (световой, фотонный) парус — это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.
На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».
Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...
Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.
Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.
В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.
Знамя-2
Итак, преимущество солнечного парусника — отсутствие топлива на борту, недостатки — уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?
Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).
Сюрпризы в межзвездном пространстве
Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.
Вояджер-1
Другой аппарат, «Вояджер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:
рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
резкий рост уровня галактических космических лучей — высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
И это только капля в море! Впрочем, и того, что сегодня известно о межзвездном океане, достаточно, чтобы поставить под сомнение саму возможность бороздить просторы Вселенной.
Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.
А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).
Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит — слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.
Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.
Кротовая нора
Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.
Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.
Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.
Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.
Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде — конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.
Пузырь искривления
Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.
Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.
Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.
Источник канал в телеграмме kosmostime (не даёт вставить ссылку на канал, т.к. телеграмм здесь оказывается запрещён)
Показать полностью
7