Всюдисуща плазма

Що таке четвертий стан речовини, чим вона відрізняється від трьох інших і як змусити її служити людині.

Півтораста років тому майже всі хіміки і багато фізиків вважали, що матерія складається лише з атомів і молекул, які об’єднуються в більш-менш впорядковані або ж зовсім неупорядковані комбінації. Мало хто сумнівався, що всі або майже всі речовини здатні існувати в трьох різних фазах — твердій, рідкій і газоподібній, які вони приймають залежно від зовнішніх умов. Але гіпотези про можливість інших станів речовини вже висловлювалися.

Припущення про існування першої зі станів речовини, що виходять за рамки класичної тріади, було висловлено на початку XIX століття, а в 1920-х вона отримала свою назву — плазма. Зображення: «Популярна механіка»

Цю універсальну модель підтверджували і наукові спостереження, і тисячоліття досвіду буденного життя. Зрештою, кожен знає, що вода при охолодженні перетворюється на лід, а при нагріванні закипає і випаровується. Свинець і залізо теж можна перевести і в рідину, і в газ, їх треба лише нагріти сильніше. З кінця XVIII століття дослідники заморожували гази в рідині, і виглядало цілком правдоподібним, що будь-який зріджений газ в принципі можна змусити затвердіти. Загалом, проста і зрозуміла картина трьох станів речовини начебто не вимагала ні поправок, ні доповнень.

Вчені того часу чимало здивувалися б, дізнавшись, що твердий, рідкий і газоподібний стан атомно-молекулярної речовини зберігаються лише при відносно низьких температурах, що не перевищують 10000 °, та й у цій зоні не вичерпують всіх можливих структур (приклад — рідкі кристали). Нелегко було б і повірити, що на їх частку припадає не більше 0,01% від загальної маси нинішнього Всесвіту. Зараз ми знаємо, що матерія реалізує себе в безлічі екзотичних форм. Деякі з них (наприклад, вироджений електронний газ і нейтронна речовина) існують лише всередині надщільних космічних тіл (білих карликів і нейтронних зірок), а деякі (такі як кварк-глюонна рідина) народилися і зникли в коротку мить незабаром після Великого вибуху. Однак цікаво, що припущення про існування першого зі станів, що виходять за рамки класичної тріади, було висловлено все в тому ж XIX столітті, причому на самому його початку. На предмет наукового дослідження воно перетворилося багато пізніше, в 1920-х. Тоді ж і отримало свою назву — плазма.

У другій половині 70-х років XIX століття член Лондонського королівського товариства Вільям Крукс, вельми успішний мете.2006 і хімік (він відкрив таллій і надзвичайно точно визначив його атомну вагу), зацікавився газовими розрядами у вакуумних трубках. На той час було відомо, що негативний електрод випускає еманацію невідомої природи, яку німецький фізик Ойген Голдштейн в 1876 році назвав катодними променями. Після безлічі дослідів Крукс вирішив, що ці промені є не що інше, як частинки газу, які після зіткнення з катодом придбали негативний заряд і стали рухатися в напрямку аноду. Ці заряджені частинки він назвав «лучистою матерією», radiant matter.

Слід визнати, що в такому поясненні природи катодних променів Крукс не був оригінальний. Ще в 1871 році подібну гіпотезу висловив великий британський інженер-електротехнік Кромвелл Флітвуд Варлі, один з керівників робіт з прокладання першого трансатлантичного телеграфного кабелю. Однак результати експериментів з катодними променями привели Крукса до дуже глибокої думки: середовище, в якому вони поширюються, — це вже не газ, а щось зовсім інше. 22 серпня 1879 року на сесії Британської асоціації на підтримку науки Крукс заявив, що розряди в розріджених газах «так несхожі на все, що відбувається в повітрі або будь-якому газі при звичайному тиску, що в цьому випадку ми маємо справу з речовиною в четвертому стані, яка за властивостями відрізняється від звичайного газу в такій же мірі, що і газ від рідини».

Нерідко пишуть, що саме Крукс першим додумався до четвертого стану речовини. Насправді ця думка набагато раніше осінила Майкла Фарадея. У 1819 році, за 60 років до Крукса, Фарадей припустив, що речовина може перебувати в твердому, рідкому, газоподібному і променістому станах, radiant state of matter. У своїй доповіді Крукс прямо сказав, що користується термінами, запозиченими у Фарадея, але нащадки про це чомусь забули. Однак фарадіївська ідея була все-таки умоглядною гіпотезою, а Крукс обґрунтував її експериментальними даними.

Катодні промені інтенсивно вивчали і після Крукса. У 1895 році ці експерименти привели Вільяма Рентгена до відкриття нового виду електромагнітного випромінювання, а на початку ХХ століття обернулися винаходом перших радіоламп. Але круксівська гіпотеза четвертого стану речовини не викликала інтересу у фізиків — швидше за все тому, що в 1897 році Джозеф Джон Томсон довів, що катодні промені являють собою не заряджені атоми газу, а дуже легкі частинки, які він назвав електронами. Це відкриття, здавалося, зробило гіпотезу Крукса непотрібною.

Однак вона відродилася, як фенікс з попелу. У другій половині 1920-х майбутній нобелівський лауреат з хімії Ірвінг Ленгмюр, який працював у лабораторії корпорації General Electric, впритул зайнявся дослідженням газових розрядів. Тоді вже знали, що в просторі між анодом і катодом атоми газу втрачають електрони і перетворюються на позитивно заряджені іони. Усвідомивши, що подібний газ має безліч особливих властивостей, Ленгмюр вирішив наділити його власним ім’ям. За якоюсь дивною асоціацією він вибрав слово «плазма», яке до цього використовували лише в мінералогії (це ще одна назва зеленого халцедону) і в біології (рідка основа крові, а також молочна сироватка). У своїй новій якості термін «плазма» вперше з’явився в статті Ленгмюра «Коливання в іонізованих газах», опублікованій в 1928 році. Років тридцять цим терміном мало хто користувався, але потім він міцно увійшов у науковий ужиток.

Четвертий стан реч

Плазма в навколишньому світі майже всюдисуща — її можна знайти не тільки в газових розрядах, але і в іоносфері планет, у поверхневих і глибинних шарах активних зірок. Це і середовище для здійснення керованих термоядерних реакцій, і робоче тіло для космічних електрореактивних двигунів, і багато чого, багато іншого. Зображення: «Популярна механіка»

Класична плазма — це іонно-електронний газ, можливо, розбавлений нейтральними частинками (строго кажучи, там завжди присутні фотони, але при помірних температурах їх можна не враховувати). Якщо ступінь іонізації не дуже малий (як правило, цілком достатньо одного відсотка), цей газ демонструє безліч специфічних якостей, якими не володіють звичайні гази. Втім, можна виготовити плазму, в якій вільних електронів не буде зовсім, а їхні обов’язки візьмуть на себе негативні іони.

Для простоти розглянемо лише електронно-іонну плазму. Її частинки притягуються або відштовхуються відповідно до закону Кулона, причому ця взаємодія проявляється на великих відстанях. Саме цим вони відрізняються від атомів і молекул нейтрального газу, які відчувають один одного лише на дуже малих дистанціях. Оскільки плазмові частинки перебувають у вільному польоті, вони легко зміщуються під дією електричних сил. Для того щоб плазма перебувала в стані рівноваги, необхідно, щоб просторові заряди електронів та іонів повністю компенсували один одного. Якщо ця умова не виконується, в плазмі виникають електричні струми, які відновлюють рівновагу (наприклад, якщо в якійсь області утворюється надлишок позитивних іонів, туди миттєво кинуться електрони). Тому в рівноважній плазмі щільності частинок різних знаків практично однакові. Ця найважливіша властивість називається квазінейтральністю.

Практично завжди атоми або молекули звичайного газу беруть участь тільки в парних взаємодіях — стикаються один з одним і розлітаються в сторони. Інша справа плазма. Оскільки її частинки пов’язані далекодіючими кулонівськими силами, кожна з них знаходиться в полі ближніх і далеких сусідів. Це означає, що взаємодія між частинками плазми не парна, а множина — як кажуть фізики, колективна. Звідси слідує стандартне визначення плазми — квазінейтральна система великої кількості різноіменних заряджених частинок, що демонструють колективну поведінку.

Плазма відрізняється від нейтрального газу і реакцією на зовнішні електричні та магнітні поля (звичайний газ їх практично не помічає). Частинки плазми, навпаки, відчувають наскільки завгодно слабкі поля і негайно приходять у рух, породжуючи об’ємні заряди та електричні струми. Ще одна найважливіша особливість рівноважної плазми — зарядове екранування. Візьмемо частинку плазми, скажімо, позитивний іон. Він притягує електрони, які формують хмару негативного заряду. Поле такого іона веде себе відповідно до закону Кулона лише в його околиці, а на відстанях, що перевищують певну критичну величину, дуже швидко прагне до нуля. Цей параметр називається дебаєвським радіусом екранування — на честь голландського фізика Пітера Дебая, який описав цей механізм у 1923 році.

Легко зрозуміти, що плазма зберігає квазінейтральність, лише якщо її лінійні розміри за всіма вимірами сильно перевищують дебаєвський радіус. Варто зазначити, що цей параметр зростає при нагріванні плазми і падає в міру збільшення її щільності. У плазмі газових розрядів по порядку величини він дорівнює 0,1 мм, в земній іоносфері — 1 мм, в сонячному ядрі — 0,01 нм.

У наші дні плазма використовується у великій безлічі технологій. Одні з них відомі кожному (газосвітні лампи, плазмові дисплеї), інші становлять інтерес для вузьких фахівців (виробництво надміцних захисних плівкових покриттів, виготовлення мікрочіпів, дезінфекція). Однак найбільші надії на плазму покладають у зв’язку з роботами зі здійснення керованих термоядерних реакцій. Це і зрозуміло. Щоб ядра водню злилися в ядра гелію, їх треба зблизити на відстань порядку однієї стомільярдної частки сантиметра — а там вже запрацюють ядерні сили. Таке зближення можливе лише при температурах в десятки і сотні мільйонів градусів — у цьому випадку кінетичної енергії позитивно заряджених ядер вистачить для подолання електростатичного відштовхування. Тому для керованого термоядерного синтезу необхідна високотемп… воднева плазма.

Правда, плазма на основі звичайного водню тут не допоможе. Такі реакції відбуваються в надрах зірок, але для земної енергетики вони марні, оскільки занадто мала інтенсивність енерговиділення. Найкраще використовувати плазму з суміші важких ізотопів водню дейтерію і тритію в пропорції 1:1 (чисто дейтерієва плазма теж прийнятна, хоча дасть менше енергії і вимагатиме більш високих температур для підпалу).

Однак для запуску реакції одного нагріву замало. По-перше, плазма зобов’язана бути досить щільною; по-друге, частинки, що потрапили в зону реакції, не повинні залишати її занадто швидко — інакше втрата енергії перевищить її виділення. Ці вимоги можна представити у вигляді критерію, який у 1955 році запропонував англійський фізик Джон Лоусон. Відповідно до цієї формули витвір щільності плазми на середній час утримання частинок має бути вище деякої величини, визначеної температурою, складом термоядерного палива і очікуваним коефіцієнтом корисної дії реактора.

Плазмову електростанцію В

70 км від Марселя, в Сен-Поль-ле-Дюранс, по сусідству з французьким дослідницьким центром атомної енергії Кадараш, буде побудовано дослідницький термоядерний реактор ITER (від лат. iter — шлях). Основне офіційне завдання цього реактора — «продемонструвати наукову і технологічну можливість отримання енергії термоядерного синтезу для мирних цілей». У довготривалій перспективі (30-35 років) на основі даних, отриманих під час експериментів на реакторі ITER, можуть бути створені прототипи безпечних, екологічно чистих і економічно прибуткових електростанцій. Зображення: «Популярна механіка»

Легко побачити, що існують два шляхи виконання критерію Лоусона. Можна скоротити час утримання до наносекунд за рахунок стиснення плазми, скажімо, до 100-200 г/см³ (оскільки плазма при цьому не встигає розлетітися, цей метод утримання називають інерційним). Фізики відпрацьовують цю стратегію з середини 1960-х років; зараз її найбільш досконалою версією займається Ліверморська національна лабораторія. Цього року там почнуть експерименти з компресії мініатюрних капсул з берилію (діаметр 1,8 мм), заповнених дейтеріево-тритієвою сумішшю, за допомогою 192 ультрафіолетових лазерних пучків. Керівники проекту вважають, що не пізніше 2012 року вони зможуть не тільки підпалити термоядерну реакцію, а й отримати позитивний вихід енергії. Можливо, аналогічна програма в рамках проекту HiPER (High Power Laser Energy Research) в найближчі роки буде запущена і в Європі. Однак навіть якщо експерименти в Ліверморі повністю виправдають очікування, дистанція до створення справжнього термоядерного реактора з інерційним утриманням плазми все одно залишиться дуже великою. Справа в тому, що для створення прототипу електростанції необхідна дуже скорострільна система надпотужних лазерів. Вона повинна забезпечити таку частоту спалахів, що запалюють дейтерієво-тритієві мішені, яка в тисячі разів перевищить можливості ліверморської системи, що робить не більше 5-10 пострілів в секунду. Зараз активно обговорюються різні можливості створення таких лазерних гармат, але до їх практичної реалізації ще дуже далеко.

Перша плазма

Снимок випробувального запуску корейського токамака KSTAR (Korea Superconducting Tokamak Advanced Reactor) з отриманням «першої плазми» 15 липня 2008 р. KSTAR, науково-дослідний проект з вивчення можливості термоядерного синтезу для отримання енергії, використовує 30 надпровідних магнітів, охолоджуваних рідким гелієм. Зображення: «Популярна механіка»

Альтернативно можна працювати з розрідженою плазмою (щільністю в нанограми на кубічний сантиметр), утримуючи її в зоні реакції не менше декількох секунд. У таких експериментах ось уже понад півстоліття застосовують різні магнітні пастки, які утримують плазму в заданому обсязі за рахунок накладення декількох магнітних полів. Найперспективнішими вважають токамаки — замкнуті магнітні пастки у формі тора, вперше запропоновані А.Д. Сахаровим та І.Є. Таммом у 1950 році. В даний час в різних країнах працює з дюжину таких установок, найбільші з яких дозволили наблизитися до виконання критерію Лоусона. Міжнародний експериментальний термоядерний реактор, знаменитий ITER, який побудують у селищі Кадараш неподалік від французького міста Екс-ан-Прованс, — теж токамак. Якщо все піде за планом, ITER дозволить вперше отримати плазму, що задовольняє лоусонівський критерій, і підпалити в ній термоядерну реакцію.

Як влаштований токамак

Токамак — встановлення тороїдальної форми для утримання плазми за допомогою магнітного поля. Плазма, розігріта до дуже високих температур, не стосується стінок камери, а утримується магнітними полями — тороїдальним, створеним котушками, і полоїдальним, яке утворюється при протіканні струму в плазмі. Сама плазма виконує роль вторинної обмотки трансформатора (первинна — котушки для створення тороїдального поля), що забезпечує попередній нагрів при протіканні електричного струму. Зображення: «Популярна механіка»

«За останні два десятки років ми домоглися величезного прогресу в розумінні процесів, які відбуваються всередині магнітних плазмових пасток, зокрема — токамаків. Загалом ми вже знаємо, як рухаються частинки плазми, як виникають нестійкі стани плазмових потоків і до якої міри збільшувати тиск плазми, щоб її все-таки можна було утримати магнітним полем. Були також створені нові високоточні методи плазмової діагностики, тобто вимірювання різних параметрів плазми, — розповів «ПМ» професор ядерної фізики і ядерних технологій Массачусетського технологічного інституту Єн Хатчінсон, який понад 30 років займається токамаками. — До теперішнього часу в найбільших токамаках досягнуті потужності виділення теплової енергії в дейтерієво-триєвій плазмі порядку 10 мегавт протягом однієї секунд-протягом однієї секунд-протягом однієї секунд-протягом. ITER перевершить ці показники на кілька порядків, якщо ми не помиляємося в розрахунках, він зможе видавати не менше 500 мегават протягом декількох хвилин. Якщо вже зовсім пощастить, енергія буде генеруватися взагалі без обмеження часу, в стабільному режимі «.

Хвилі в плазмі

Колективний характер внутрішньоплазмових явищ призводить до того, що це середовище набагато більш схильне до порушення різних хвиль, ніж нейтральний газ. Найпростіші з них вивчали ще Ленгмюр з його колегою Леві Тонксом (більш того, аналіз цих коливань сильно зміцнив Ленгмюра в думці, що він має справу з новим станом речовини). Нехай в якійсь ділянці рівноважної плазми трохи змінилася електронна щільність — інакше кажучи, група сусідніх електронів зрушила з колишнього положення. Тут же виникнуть електричні сили, які повертають удравшие електрони в початкову позицію, яку ті за інерцією трохи проскочать. У підсумку з’явиться осередок коливань, які будуть поширюватися по плазмі у вигляді поздовжніх хвиль (у дуже холодній плазмі вони можуть бути і стоячими). Ці хвилі так і називаються — ленгмюровськими.

Відкриті Ленгмюром коливання накладають обмеження на частоту електромагнітних хвиль, які можуть проходити через плазму. Вона повинна перевищувати ленгмюровську частоту, в іншому випадку електромагнітна хвиля загасне в плазмі або ж відіб’ється, як світло від дзеркала. Це і відбувається з радіохвилями з довжиною хвилі понад 20 м, які не проходять крізь земну іоносферу.

Прискорювач на столеПотужні

прискорювачі електронів мають характерну довжину в сотні метрів і навіть кілометри. Їх розміри можна значно зменшити, якщо прискорювати електрони не у вакуумі, а в плазмі — «на гребені» швидко поширюються обурення щільності плазмових зарядів, так званих кільватерних хвиль, що збуджуються за допомогою імпульсів лазерного випромінювання. Зображення: «Популярна механіка»

У спробованій плазмі можуть народжуватися і поперечні хвилі. Вперше їхнє існування 1942 року передбачив шведський астрофізик Ханнес Альфвен (в експерименті їх виявили 17 роками пізніше). Альфвенівські хвилі поширюються вздовж силових ліній зовнішнього магнітного поля, які вібрують, як натягнуті струни (плазмові частинки, іони та електрони, зміщуються перпендикулярно цим лініям). Цікаво, що швидкість таких хвиль визначається тільки щільністю плазми і напруженістю магнітного поля, проте не залежить від частоти. Хвилі Альфвена виконують чималу роль у космічних плазмових процесах — вважається, наприклад, що саме вони забезпечують аномальний нагрів сонячної корони, яка в сотні разів гарячіше сонячної атмосфери. Їм схожі й свистячі атмосферики, хвильові хвости грозових розрядів, які створюють радіопоміхи. У плазмі виникають і хвилі більш складної структури, що володіють як поздовжніми, так і поперечними компонентами.

Професор Хатчінсон також підкреслив, що вчені зараз добре розуміють характер процесів, які повинні відбуватися всередині цього величезного токамаку: «Ми навіть знаємо умови, за яких плазма пригнічує свої власні турбулентності, а це дуже важливо для управління роботою реактора. Звичайно, необхідно вирішити безліч технічних завдань — зокрема, завершити розробку матеріалів для внутрішнього облицювання камери, здатних витримати інтенсивне нейтронне бомбардування. Але з точки зору фізики плазми картина досить ясна — у всякому разі ми так вважаємо. ITER повинен підтвердити, що ми не помиляємося. Якщо все так і буде, прийде черга і токамаку наступного покоління, який стане прототипом промислових термоядерних реакторів. Але зараз про це говорити ще рано. А поки ми розраховуємо, що ITER почне працювати в кінці цього десятиліття. Швидше за все, він зможе генерувати гарячу плазму ніяк не раніше 2018 року — у всякому разі за нашими очікуваннями «. Тож з точки зору науки і техніки у проекту ITER непогані перспективи.

Плазмові дива

Де тільки не використовується плазма у фантастичних романах — від зброї і двигунів до плазмових форм життя. Реальні професії плазми, втім, виглядають не менш фантастично.

Плазмова зброя — найбільш часто зустрічається застосування плазми у фантастиці. Цивільні застосування значно скромніші: зазвичай мова йде про плазмові двигуни. Такі двигуни існують і в реальності, «ПМ» неодноразово писала про них (№ 2, 2010, № 12, 2005). Тим часом інші можливості використання плазми, про які нам розповів голова філадельфійського Дрекселівського інституту плазми Олександр Фрідман, у звичайному житті виглядають не менш, а то й більш фантастично.

Використання плазми дозволяє вирішувати завдання, які ще не так давно рішенню не піддавалися. Візьмемо, наприклад, переробку вугілля або біомаси в горючий газ, багатий воднем. Німецькі хіміки навчилися цьому ще в середині 30-х років минулого століття, що дозволило Німеччині під час Другої світової війни створити потужну індустрію з випуску синтетичного пального. Однак це надзвичайно витратна технологія, і в мирний час вона неконкурентоспроможна.

За словами Олександра Фрідмана, в даний час вже створені установки для генерації потужних розрядів холодної плазми, в якій температура іонів не перевищує сотень градусів. Вони дають можливість дешево і ефективно отримувати з вугілля і біомаси водень для синтетичного пального або ж заправки паливних елементів. Причому установки ці досить компактні, щоб їх можна було розмістити на автомобілі (на стоянці, наприклад, для роботи кондиціонера не потрібно буде включати двигун — енергію дадуть паливні елементи). Відмінно працюють і напівпромислові пілотні установки для переробки вугілля в синтез-газ за допомогою холодної плазми.

За допомогою холодної плазми вдається імітувати навіть фотосинтез. Плазмовий вплив на водний розчин вуглекислоти дозволяє отримати кисень і органічну речовину, мурашину кислоту. Ефективність цього процесу поки невелика, але якщо її вдасться збільшити, то відкриються найширші технологічні перспективи. Загалом, майбутнє за плазмою. Зображення: «Популярна механіка»

«У згаданих процесах вуглець рано чи пізно окисляється до двоокису і моноокису, — продовжує професор Фрідман. — А ось коні отримують енергію, переробляючи овес і сіно в гній і виділяючи лише невелику кількість вуглекислого газу. У їхній травній системі вуглець окисляється не повністю, а лише до субоксидів, в основному до S₃O₂. Ці речовини лежать в основі полімерів, з яких складається гній. Звичайно, в цьому процесі виділяється приблизно на 20% менше хімічної енергії, ніж при повному окисленні, але зате практично відсутні парникові гази. У нашому інституті ми зробили експериментальну установку, яка за допомогою холодної плазми якраз і здатна переробляти бензин в такий ось продукт. Це настільки вразило великого шанувальника автомобілів — принца Монако Альберта II, що він замовив нам автомобіль з такою силовою установкою. Правда, поки тільки іграшковий, якому до того ж потрібно додаткове живлення — батарейки для конвертера. Така машинка буде їздити, викидаючи щось на зразок катишків сухого посліду. Правда, для роботи конвертера потрібна батарейка, яка сама по собі ганяла б іграшку дещо швидше, але ж, як кажуть, лиха біда початок. Я можу собі уявити, що років через десять з’являться справжні автомобілі з плазмовими конверторами бензину, які будуть їздити, не забруднюючи атмосферу «.

Xtreme Alternative Defense Systems (XADS), HSV Technologies, Applied Energetics (раніше Ionatron) і німецька Rheinmetall вже давно ведуть розробки нелетального електрошокового зброї, в якому для доставки електричного розряду від зброї до жертви замість проводів використовується іазіонірований. Ця ж технологія, як виявилося, може допомогти і для підриву саморобних вибухових пристроїв з безпечної відстані, в умовах боротьби з тероризмом це завдання більш ніж актуальне. Зображення: «Популярна механіка»’)’>

Фантастика фантастикою, а ось американські компанії Xtreme Alternative Defense Systems (XADS), HSV Technologies, Applied Energetics (раніше Ionatron) і німецька Rheinmetall вже давно ведуть розробки нелетальної електрошокової зброї, в якій для доставки електричного розряду від зброї до зброї. Ця ж технологія, як виявилося, може допомогти і для підриву саморобних вибухових пристроїв з безпечног