Плазменное окно своими руками

Плазменные окна

Как уже отмечалось выше, если нагреть газ до достаточно вы­сокой температуры и получить таким образом плазму, то при помощи магнитного и электрического полей можно будет ее удерживать и придавать ей форму. К примеру, плазме можно придать форму листа или оконного стекла. Более того, такое «плазменное окно» можно использовать в качестве перегород­ки между вакуумом и обычным воздухом. В принципе, таким образом можно было бы удерживать воздух внутри космическо­го корабля, не давая ему улетучиться в пространство; плазма в этом случае образует удобную прозрачную оболочку, границу между открытым космосом и кораблем.

В сериале «Звездный путь» силовое поле используется, в частности, для того, чтобы изолировать отсек, где находится и откуда стартует небольшой космический челнок, от космиче­ского пространства. И это не просто хитрая уловка, призванная сэкономить деньги на декорациях; такая прозрачная невиди­мая пленка может быть создана.

Плазменное окно придумал в 1995 г. физик Эди Гершкович в Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк). Это устройство было разработано в процессе решения другой задачи — задачи сварки металлов при помощи электронного луча. Ацетиленовая горелка сварщика плавит ме­талл потоком раскаленного газа, а затем уже соединяет куски металла воедино. При этом известно, что пучок электронов спо­собен сваривать металлы быстрее, чище и дешевле, чем полу­чается при обычных методах сварки. Главная проблема метода электронной сварки состоит в том, что осуществлять ее необхо­димо в вакууме. Это требование создает большие неудобства, поскольку означает сооружение вакуумной камеры — разме­ром, возможно, с целую комнату.

Для решения этой проблемы д-р Гершкович изобрел плаз­менное окно. Это устройство размером всего 3 фута в высоту и 1 фут в диаметре; оно нагревает газ до температуры 6500 °С и тем самым создает плазму, которая сразу же попадает в ловуш­ку электрического и магнитного полей. Частицы плазмы, как частицы любого газа, оказывают давление, которое не дает воз­духу ворваться и заполнить собой вакуумную камеру. (Если ис­пользовать в плазменном окне аргон, он испускает голубоватое свечение, совсем как силовое поле в «Звездном пути».)

Плазменное окно, очевидно, найдет широкое применение в космической отрасли и промышленности. Даже в промыш­ленности для микрообработки и сухого травления часто необ­ходим вакуум, но применение его в производственном процес­се может оказаться очень дорогим. Но теперь, с изобретением плазменного окна, удерживать вакуум одним нажатием кнопки станет несложно и недорого.

Но можно ли использовать плазменное окно как непрони­цаемый щит? Защитит ли оно от выстрела из пушки? Можно вообразить появление в будущем плазменных окон, обладаю­щих гораздо большей энергией и температурой, достаточной для испарения попадающих в него объектов. Но для создания более реалистичного силового поля с известными по фанта­стическим произведениям характеристиками потребуется многослойная комбинация нескольких технологий. Возможно, каждый слой сам по себе не будет достаточно прочным, чтобы остановить пушечное ядро, но вместе нескольких слоев может оказаться достаточно.

Попробуем представить себе структуру такого силового поля. Внешний слой, к примеру сверхзаряженное плазменное окно, разогретое до температуры, достаточной для испарения металлов. Вторым слоем может оказаться завеса из высоко­энергетических лазерных лучей. Такая завеса из тысяч перекре­щивающихся лазерных лучей создавала бы пространственную решетку, которая нагревала бы проходящие через нее объекты и эффективно испаряла их. Более подробно мы поговорим о ла­зерах в следующей главе.

Далее, за лазерной завесой, можно вообразить себе про­странственную решетку из «углеродных нанотрубок» — кро­хотных трубочек, состоящих из отдельных атомов углерода, со стенками толщиной в один атом. Таким трубки во много раз прочнее стали. На данный момент самая длинная из получен­ных в мире углеродных нанотрубок имеет длину всего около 15 мм, но можно уже предвидеть день, когда мы сможем созда­вать углеродные нанотрубки произвольной длины. Предполо­жим, что из углеродных нанотрубок можно будет сплести про­странственную сеть; в этом случае мы получим чрезвычайно прочный экран, способный отразить большинство объектов. Экран этот будет невидим, так как каждая отдельная нанотрубка по толщине сравнима с атомом, но пространственная сеть из углеродных нанотрубок превзойдет по прочности любой другой материал.

Итак, мы имеем основания предположить, что сочетание плазменного окна, лазерной завесы и экрана из углеродных нанотрубок может послужить основой для создания почти не­проницаемой невидимой стены.

Но даже такой многослойный щит будет не в состоянии продемонстрировать все свойства, которые научная фанта­стика приписывает силовому полю. Так, он будет прозрачен, а значит, не сможет остановить лазерный луч. В битве с приме­нением лазерных пушек наши многослойные щиты окажутся бесполезными.

Чтобы остановить лазерный луч, щит должен будет кро­ме перечисленного обладать сильно выраженным свойством «фотохроматичности», или переменной прозрачности. В на­стоящее время материалы с такими характеристиками ис­пользуются при изготовлении солнечных очков, способных затемняться при воздействии УФ-излучения. Переменная прозрачность материала достигается за счет использования молекул, которые могут существовать по крайней мере в двух состояниях. При одном состоянии молекул такой матери­ал прозрачен. Но под воздействием УФ-излучения молекулы мгновенно переходят в другое состояние и материал теряет прозрачность.

Возможно, когда-нибудь мы сможем при помощи нанотехнологии получить вещество, прочное, как углеродные нанотрубки, и способное менять свои оптические свойства под воз­действием лазерного луча. Щит из такого вещества сможет останавливать не только потоки частиц или орудийные снаряды, но и лазерный удар. В настоящее время, однако, не существует материалов с переменной прозрачностью, способных остано­вить лазерный луч.

Источник

Плазменное окно своими руками

Одним из величайших достижений физики за последние два тысячелетия стало выделение и определение четырех видов взаимодействия, которые правят вселенной. Все они могут быть описаны на языке полей, которым мы обязаны Фарадею. К несчастью, однако, ни один из четырех видов не обладает в полной мере свойствами силовых полей, описанных в боль­шинстве фантастических произведений. Перечислим эти виды взаимодействия.

1. Гравитация. Безмолвная сила, не позволяющая нашим ногам оторваться от опоры. Она не дает рассы­паться Земле и звездам, помогает сохранить целост­ность Солнечной системы и Галактики. Без гравитации вращение планеты вышвырнуло бы нас с Земли в космос со скоростью 1000 миль в час. Проблема в том, что свойства гравитации в точности противо­положны свойствам фантастических силовых полей. Гравитация — сила притяжения, а не отталкивания; она чрезвычайно слаба — относительно, разумеется; она работает на громадных, астрономических расстоя­ниях. Другими словами, являет собой почти полную противоположность плоскому, тонкому, непроницае­мому барьеру, который можно встретить едва ли не в любом фантастическом романе или фильме. К приме­ру, перышко к полу притягивает целая планета — Зем­ля, но мы легко можем преодолеть притяжение Земли и поднять перышко одним пальцем. Воздействие одного нашего пальца способно преодолеть силу притяжения целой планеты, которая весит больше шести триллио­нов килограммов.

2. Электромагнетизм (ЭМ). Сила, освещающая наши города. Лазеры, радио, телевидение, современная электроника, компьютеры, Интернет, электричество, магнетизм — все это следствия проявления электро­магнитного взаимодействия. Возможно, это самая по­лезная сила, которую удалось обуздать человечеству на протяжении всей его истории. В отличие от гравитации она может работать и на притяжение, и на отталкива­ние. Однако и она не годится на роль силового поля по нескольким причинам. Во-первых, ее можно легко нейтрализовать. К примеру, пластик или любой другой непроводящий материал без труда проникнет в мощ­ное электрическое или магнитное поле. Кусок пласти­ка, брошенный в магнитное поле, свободно пролетит его насквозь. Во-вторых, электромагнетизм действует на больших расстояниях, его непросто сосредоточить в плоскости. Законы ЭМ-взаимодействия описываются уравнениями Джеймса Клерка Максвелла, и похоже, силовые поля не являются решением этих уравнений.

3 и 4. Сильные и слабые ядерные взаимодействия. Слабое взаимодействие — это сила радиоактивно­го распада, та, что разогревает радиоактивное ядро Земли. Эта сила стоит за извержениями вулканов, зем­летрясениями и дрейфом континентальных плит. Силь­ное взаимодействие не дает рассыпаться ядрам атомов; оно обеспечивает энергией солнце и звезды и отвечает за освещение Вселенной. Проблема в том, что ядерное взаимодействие работает только на очень маленьких расстояниях, в основном в пределах атомного ядра. Оно так прочно связано со свойствами самого ядра, что управлять им чрезвычайно трудно. В настоящее время нам известно только два способа влиять на это взаимо­действие: мы можем разбить субатомную частицу на части в ускорителе или взорвать атомную бомбу.

Хотя защитные поля в научной фантастике и не подчиня­ются известным законам физики, все же существуют лазейки, которые в будущем, вероятно, сделают создание силового поля возможным. Во-первых, существует, возможно, пятый вид фун­даментального взаимодействия, который никому до сих пор не удалось увидеть в лаборатории. Может оказаться, к примеру, что это взаимодействие работает только на расстояниях от не­скольких дюймов до фута — а не на астрономических расстоя­ниях. (Правда, первые попытки обнаружить пятый вид взаимо­действия дали отрицательные результаты.)

Во-вторых, нам, возможно, удастся заставить плазму ими­тировать некоторые свойства силового поля. Плазма — это «четвертое состояние вещества». Три первые, привычные нам состояния вещества, — твердое, жидкое и газообразное; тем не менее самой распространенной формой вещества во вселенной является плазма: газ, состоящий из ионизированных атомов. Атомы в плазме не связаны между собой и лишены электро­нов, а потому обладают электрическим зарядом. Ими можно без труда управлять при помощи электрического и магнитного полей.

Видимое вещество вселенной существует по большей ча­сти в форме различного рода плазмы; из нее образованы солн­це, звезды и межзвездный газ. В обычной жизни мы почти не сталкиваемся с плазмой, потому что на Земле это явление редкое; тем не менее плазму можно увидеть. Для этого доста­точно взглянуть на молнию, солнце или экран плазменного телевизора.

Как уже отмечалось выше, если нагреть газ до достаточно вы­сокой температуры и получить таким образом плазму, то при помощи магнитного и электрического полей можно будет ее удерживать и придавать ей форму. К примеру, плазме можно придать форму листа или оконного стекла. Более того, такое «плазменное окно» можно использовать в качестве перегород­ки между вакуумом и обычным воздухом. В принципе, таким образом можно было бы удерживать воздух внутри космическо­го корабля, не давая ему улетучиться в пространство; плазма в этом случае образует удобную прозрачную оболочку, границу между открытым космосом и кораблем.

В сериале «Звездный путь» силовое поле используется, в частности, для того, чтобы изолировать отсек, где находится и откуда стартует небольшой космический челнок, от космиче­ского пространства. И это не просто хитрая уловка, призванная сэкономить деньги на декорациях; такая прозрачная невиди­мая пленка может быть создана.

Плазменное окно придумал в 1995 г. физик Эди Гершкович в Брукхейвенской национальной лаборатории (Лонг-Айленд, штат Нью-Йорк). Это устройство было разработано в процессе решения другой задачи — задачи сварки металлов при помощи электронного луча. Ацетиленовая горелка сварщика плавит ме­талл потоком раскаленного газа, а затем уже соединяет куски металла воедино. При этом известно, что пучок электронов спо­собен сваривать металлы быстрее, чище и дешевле, чем полу­чается при обычных методах сварки. Главная проблема метода электронной сварки состоит в том, что осуществлять ее необхо­димо в вакууме. Это требование создает большие неудобства, поскольку означает сооружение вакуумной камеры — разме­ром, возможно, с целую комнату.

Для решения этой проблемы д-р Гершкович изобрел плаз­менное окно. Это устройство размером всего 3 фута в высоту и 1 фут в диаметре; оно нагревает газ до температуры 6500 °С и тем самым создает плазму, которая сразу же попадает в ловуш­ку электрического и магнитного полей. Частицы плазмы, как частицы любого газа, оказывают давление, которое не дает воз­духу ворваться и заполнить собой вакуумную камеру. (Если ис­пользовать в плазменном окне аргон, он испускает голубоватое свечение, совсем как силовое поле в «Звездном пути».)

Плазменное окно, очевидно, найдет широкое применение в космической отрасли и промышленности. Даже в промыш­ленности для микрообработки и сухого травления часто необ­ходим вакуум, но применение его в производственном процес­се может оказаться очень дорогим. Но теперь, с изобретением плазменного окна, удерживать вакуум одним нажатием кнопки станет несложно и недорого.

Но можно ли использовать плазменное окно как непрони­цаемый щит? Защитит ли оно от выстрела из пушки? Можно вообразить появление в будущем плазменных окон, обладаю­щих гораздо большей энергией и температурой, достаточной для испарения попадающих в него объектов. Но для создания более реалистичного силового поля с известными по фанта­стическим произведениям характеристиками потребуется многослойная комбинация нескольких технологий. Возможно, каждый слой сам по себе не будет достаточно прочным, чтобы остановить пушечное ядро, но вместе нескольких слоев может оказаться достаточно.

Источник

Плазменное окно своими руками

Если в первый момент идея не кажется абсурдной, она безнадежна.

Научимся ли мы когда-нибудь проходить сквозь стены? Строить звездные корабли, способные летать быстрее света? Читать мысли? Становиться невидимыми? Двигать предметы силой мысли? Мгновенно преодолевать космическое пространство?

Меня с детства мучили подобные вопросы. Подобно многим физикам, я вырос с мечтой о путешествиях во времени, лучевых пушках, силовых полях, параллельных вселенных и т. п. Магия, фэнтези и научная фантастика были для моего воображения гигантской игровой площадкой. С них начались моя непреходящая любовь и интерес к невозможному.

Помню, как я смотрел по телевизору повтор старого сериала «Флэш Гордон». Каждую субботу я приклеивался к экрану, наблюдая за приключениями Флэша, д-ра Заркова и Дейла Ардена. Еще большее изумление вызывала у подростка фигурировавшая в фильме чудесная техника будущего: ракетные корабли, щиты невидимости, лучевые пушки и города в небе. Я не пропустил ни одной недели. Эта программа открыла для меня совершенно новый мир. С замиранием сердца я думал, что когда-нибудь полечу на ракете на другую планету и буду исследовать ее неизведанные территории. Я был втянут в орбиту этих фантастических идей и твердо знал, что моя собственная судьба тоже будет связана с чудесами науки, о которых рассказывал сериал.

Как оказалось, я был не одинок. Многие успешные ученые признавались, что первым шагом к науке для них стало увлечение научной фантастикой. К примеру, великий астроном Эдвин Хаббл был еще в детстве очарован книгами Жюля Верна. Начитавшись французского фантаста, он отказался от многообещающей юридической карьеры и вопреки желанию отца начал заниматься наукой. Со временем Хаббл стал величайшим астрономом XX в. Воображение Карла Сагана, выдающегося астронома и автора бестселлеров, воспламенили романы Эдгара Райса Берроуза про марсианские приключения Джона Картера. Подобно герою этих романов, Саган мечтал когда-нибудь исследовать красные пески Марса.

Я был ребенком, когда умер Альберт Эйнштейн, но я помню, как люди тихо говорили о его жизни и смерти. На следующий день я увидел в газете фотографию его стола с незаконченной рукописью величайшей работы, которую он не успел завершить. Я спросил себя: «Какая же проблема может быть настолько важной, чтобы величайший ученый нашего времени не смог решить ее?»

В статье говорилось, что у Эйнштейна была невыполнимая мечта, была задача, полностью решить которую не в состоянии ни один смертный. Лишь через много лет я узнал, какому же вопросу была посвящена незаконченная рукопись: величественной и всеобъемлющей «теории всего». Мечта Эйнштейна, которой были посвящены три последних десятилетия его жизни, помогла мне сосредоточить свое воображение и усилия. Мне захотелось хоть немного поучаствовать в завершении труда Эйнштейна – объединении всех законов физики в единую теорию.

Став старше, я начал понимать, что Флэш Гордон, конечно, герой и девчонка всегда достается ему, но главное лицо, без которого этот сериал просто не мог бы существовать, – ученый. Без доктора Заркова не было бы ни ракетного корабля, ни путешествия на Монго, ни спасения Земли. Героизм героизмом, но без науки не будет и научной фантастики.

В конце концов я понял, что все эти сказки просто полет фантазии, что наука ничего подобного не допускает. Взрослея, человек отказывается от подобных фантазий. Мне не единожды говорили, что в настоящей жизни приходится отказываться от невозможного и довольствоваться реальным.

Однако я решил, что ключом к моему увлечению невозможным должна стать физика. Без прочной и надежной физической базы можно без конца рассуждать о футуристических технологиях – не понимая даже, возможны они в принципе или нет. Я понял, что мне необходимо погрузиться в мир высшей математики и изучить теоретическую физику. Так я и сделал.

В старших классах, работая над проектом для молодежной научной выставки, я собрал в мамином гараже ускоритель. Первым делом я отправился на фирму Westinghouse и добыл там 400 фунтов обрезков трансформаторной стали. За рождественские каникулы я намотал на школьном стадионе 22 мили медной проволоки. В конце концов я соорудил ускоритель частиц (бетатрон) на 2,3 МэВ; он потреблял 6 кВт электричества (т. е. все, что можно было получить в нашем доме) и создавал магнитное поле, в 20 000 раз превышающее по мощности магнитное поле Земли. Моей целью было получить пучок гамма-лучей, достаточно мощный для создания антивещества. Этот школьный проект привел меня на Национальную научную выставку и в конце концов помог исполнить мечту – получить стипендию в Гарварде. Я сумел добиться своей цели: стать физиком-теоретиком и пойти по стопам своего кумира, Альберта Эйнштейна.

Сегодня я получаю электронные письма от сценаристов и писателей-фантастов, они просят помочь им уточнить, не противоречит ли их вымысел законам физики.

Как физик я твердо усвоил, что «невозможное» очень часто относительно. С детства помню, как учительница однажды подошла к висевшей на стене карте Земли и указала на побережья Южной Америки и Африки. «Не странно ли, – спросила она, – что две береговые линии совпадают, почти как детали детской головоломки?» Еще она сказала, что некоторые ученые рассуждают о том, что когда-то эти материки были, возможно, частью одного громадного континента. Но это глупо. Никакая сила не в состоянии разорвать и растащить два гигантских материка. «Это невозможно, и даже думать об этом не надо», – сделала вывод учительница.

Позже в том же году мы изучали динозавров. «Не странно ли, – сказала учительница, что миллионы лет назад динозавры доминировали на Земле, а потом внезапно исчезли? Никто не знает, почему они вымерли. Некоторые палеонтологи считают, что их убил большой метеорит из космоса, но это невозможно, это из области научной фантастики».

Сегодня мы знаем, что тектонические плиты, а с ними и материки действительно движутся, а 65 млн лет назад гигантский метеорит 10 км в поперечнике, скорее всего, действительно погубил и динозавров, и во многом другие формы жизни на Земле. За свою короткую жизнь мне не раз приходилось видеть, как то, что прежде считалось невозможным, превращается в установленный научный факт. Так имеет ли смысл говорить, что телепортироваться из одного места в другое невозможно? Или что невозможно построить космический корабль, способный унести нас на многие световые годы от Земли к звездам?

Источник