Mobili versija | Apie | Visos naujienos | RSS | Kontaktai | Paslaugos
 
Jūs esate čia: Pradžia » Visos temos » Mokslas » Fizika

Trys didžiausi neįgyvendinti XX a. moksliniai projektai. 1 dalis: dirbtinė Saulė Žemėje.

2012-06-06 (10) Rekomenduoja   (2) Perskaitymai (220)
    Share

XX amžius buvo mokslo ir technikos triumfo amžius. Buvo sukurta daug naujų neregėtų daiktų ir technologijų, kurie pakeitė iš esmės visų žmonių, pradedant turtuoliais ir baigiant paskutiniais vargšais, gyvenimą. Kartais yra gerokai įdomiau ne girtis dideliais pasiekimais, o bandyti paanalizuoti nesėkmių priežastis ir pasimokyti iš tų nesėkmių. Čia ir apžvelgsime tris nuo XX a. antros pusės puoselėtas svajones, kurių įgyvendinimui ir moksliniams tyrimams buvo metami dideli pinigai, bet kurios taip ir liko neįgyvendintos. Tai valdoma termobranduolinė sintezė, kosminės kelionės ir dirbtinis intelektas.

Šįkart – plačiau apie valdomą termobranduolinę sintezę, arba dirbtinę Saulę Žemėje.

Kaip žinome, branduolio vidinė energija gali būti išgaunama dviem būdais: sunkiųjų elementų (uranas, plutonis, toris ir kt.) atveju tai yra branduolių skilimas, o lengvųjų elementų atveju (vandenilis, helis) – sintezė (susijungimas). Nuo pirmosios atominės bombos sprogimo, kai buvo panaudojama skilimo energija, iki pirmosios atominės elektrinės praėjo vos 9 metai (nuo 1945-ųjų iki 1954-ųjų).

Kai 1952-aisiais buvo išbandyta pirmoji termobranduolinė bomba, kurioje pagrindinį indėlį sudarė lengvųjų elementų sintezė, atrodė, kad po kokių 10–15 metų bus sukurta ir pradės gaminti elektrą termobranduolinė elektrinė. Tačiau praėjo jau beveik 60 metų nuo pirmo termobranduolinio sprogimo, kai Enivetoko atole (Enewetak Atoll) buvo išbandyta netransportabili konstrukcija, sverianti apie 70 tonų, kurioje buvo patalpinta apie 18 tonų skysto vandenilio izotopo deuterio, atšaldyto iki temperatūros, tik keliolika laipsnių aukštesnės už absoliutų nulį. Vėliau termobranduolinės bombos konstrukcija buvo gerokai patobulinta, ji tapo gerokai lengvesnė bei patogesnė. Tačiau termobranduolinės elektrinės kaip nebuvo po 15 metų taip jos nėra ir dabar. Galima drąsiai sakyti, kad tai yra vienas iš nedaugelio pasaulyje projektų, kuris iš pradžių kėlė tokių gražių vilčių, bet tikrovėje pasirodė beveik neįkandamu uždaviniu.

Atominių elektrinių eksploatacija visą laiką kėlė daug problemų dėl jų saugumo ir susidarančių atliekų. Įprasta manyti, kad branduolinė sunkiųjų elementų skilimo energija yra švari, o klimato kaitos atžvilgiu yra esminis žingsnis į priekį, mažinant anglies dvideginio emisiją. Tačiau beveik niekas neanalizuoja, kiek reikia energijos, norint užtikrinti atominių elektrinių darbą. Pirmiausia – tai kalnakasybos procesas, kurio metu išgaunamas, smulkinamas ir sodrinamas uranas bei gaminamos kuro kasetės. Šiems procesams reikia labai daug energijos, ir jos gavimui paprastai naudojamos šiluminės elektrinės, kurios išmeta didelį kiekį anglies dvideginio, o perdirbimo ir sodrinimo metu yra išmetami didžiuliai kiekiai chloro ir fluoro angliavandenilių, kurių poveikis tūkstančius kartų didesnis klimato kaitai negu CO₂. Antra didžiulė problema yra atominių elektrinių atliekų utilizavimas, nes atliekos išlieka radioaktyvios šimtus ir tūkstančius metų. Praktiškai šių atliekų patikimo laidojimo problema neišspręsta iki šiol. Be to, urano atsargos senka, kasama vis blogesnė rūda, o tai dar labiau didina energijos sąnaudas gaminant kurą.

Šiuo požiūriu termobranduolinės elektrinės yra tikras stebuklas: atliekų beveik nesusidaro, o ir tos išlieka radioaktyvios daug trumpiau. Kaip kuras naudojami vandenilio izotopai deuteris ir tritis, kurių atsargos tikrai neišsemiamos, kadangi jie gali būti gaunami iš vandens. Tiesa, praktiškai geriau nenaudoti tričio, kuris yra radioaktyvus, o gauti jį tiesiogiai reaktoriuje veikiant neutronais litį. Išžvalgytos ličio atsargos yra gana didelės, o dar įvertinant jūros vandenyje ištirpusį litį, tai jo atsargos praktiškai neišsenkamos. Be to, termobranduolinėje jėgainėje nėra jokios rimtos avarijos galimybės: bet kurio incidento atveju reakcija sustoja, o bendras radioaktyvių dujinių medžiagų kiekis, kuris gali būti išmestas į aplinką, yra labai nedidelis.

Termobranduolinės sintezės efektyvumas tiesiog grandiozinis: jos metu išsiskirianti energija 10 milijonų kartų svorio vienetui viršija benzino išskiriamą energiją, todėl stiklinėje paprasto vandens jos yra tiek pat, kiek ir barelyje (159 litrai) naftos.

Taigi, atidžiau pažvelgus į problemą kyla pagrįstas klausimas, ką fizikai tuos 60 metų veikė, kad nieko doro nesugebėjo pasiekti? Galima prisiminti, kaip Kongrese, svarstant JAV dalyvavimą tarptautinės termobranduolinės jėgainės (ITER) projekte, vienas įtakingas kongresmenas pareiškė, kad šiam projektui jokiu būdu negalima skirti lėšų, nes jau beveik 40 metų šie fizikai vis prašo pinigų ir žada greitus rezultatus, bet tikrovėje paskirti pinigai dingsta tarsi juodojoje skylėje, nes išsprendus vieną problemą, iškyla trys naujos.

Viena iš skepticizmo priežasčių yra ir nesveikas ažiotažas, kuris lydėjo šios rūšies tyrimus. Štai du pavyzdžiai. 1951 metais, Šaltojo karo įkarštyje, Argentinos prezidentas Ch. Peronas (Juan Peron) netikėtai pareiškė, kad jo šalis aplenkė visų valstybių mokslininkus ir įsisavino Saulės energiją. Iki tol mažai žinomas vokiečių kilmės mokslininkas R. Richteris (Ronald Richter) įtikino prezidentą skirti finansavimą jo įtaisui „termotronui“ už tai pažadėjęs neišsenkantį energijos šaltinį ir amžiną šlovę Argentinai. Vėliau paaiškėjo, kad visi tyrimų rezultatai buvo suklastoti, o pats R. Richteris buvo areštuotas. Dar didesnį triukšmą sukėlė „šaltoji branduolinė sintezė“, kurią pasiskelbė 1989 m. atradę Jutos universiteto (JAV) mokslininkai S. Ponsas (Stanley Pons) ir M. Fleišmanas (Martin Fleischmann). Mokslininkai teigė, kad patalpinus paladį vandenyje ir pridėjus elektrinį lauką tam tikru paslaptingu būdu galima tiek suspausti vandenilio atomus paladyje, kad prasideda branduolinė sintezė ir išsiskiria neutronai, kuriuos mokslininkai ir užfiksavo. Skirtingai nuo R. Richterio, šie du mokslininkai viešai demonstravo savo įrenginį ir gautus rezultatus. Deja, bandymai pakartoti jų eksperimentus kitose laboratorijose buvo dažniausiai nesėkmingi. Bet ir dabar dar pasigirsta sensacingų pranešimų apie „šaltąją branduolinę sintezę“, ir sklando legendos, kad abu „atradėjai“ ir toliau intensyviai dirba šioje srityje, bet jų darbų rezultatai yra įslaptinti.

Matyt, vis dėlto atsakymas dėl fizikų nesėkmės yra paprastas: kol kas nebuvo labai didelio poreikio trūks plyš sukurti termobranduolinę jėgainę. Privatus verslas kol kas nemato realios galimybės šioje veikloje uždirbti, o bet kuri viena valstybė kol kas nedrįsta skirti kelias dešimtis milijardų dolerių tokiam projektui. O tarptautinis bendradarbiavimas visada vyksta sunkiai ir buksuodamas, nes suderinti skirtingų valstybių interesus gana keblu.

Lengvųjų elementų sintezė yra pagrindinis energijos šaltinis visatoje. Susidarant žvaigždei, vandenilio dujų rutulys veikiamas gravitacijos palaipsniui susispaudžia, kartu labai smarkiai įkaisdamas. Kai temperatūra pasiekia 50 milijonų laipsnių, vandenilio branduoliai įgauna tiek energijos, kad, susidurdami vienas su kitu, įveikia elektrinio atostūmio jėgą ir pradeda susilieti vienas su kitu, sudarydami helio branduolius. Tuo metu išsiskiria didelis kiekis energijos, ir dujos tiesiog užsidega. Moksliškai kalbant, tai įvyksta tada, kai užtikrinamas vadinamasis Lousono (John D. Lawson) kriterijus: dujos turi būti suspaustos iki tam tikro tankio per tam tikrą laiką, esant tam tikrai temperatūrai.

Šiuo metu vykdomi du stambūs valdomos termobranduolinės sintezės projektai. Vienas iš jų yra inercinė lazeriu generuojama sintezė, kurią bando įgyvendinti Lourenso vardo Livermoro nacionalinėje laboratorijoje (Lawrence Livermore National laboratory) JAV mokslininkai. Šiame projekte energija gaunama 192 ultravioletinių lazerių vienalaikiu šūviu į nedidelį rutulinį taikinį, kuriame yra termobranduolins kuras – deuterio ir tričio mišinys. Šiuo metu (2012 m. kovo 21 d.) yra pasiekta rekordinė suminė šūvio energija – 1,875 MJ (megadžaulių) (žr. https://lasers.llnl.gov/newsroom/press_releases/). Įrenginys NIF (National ignition facility – Nacionalinis uždegimo įrenginys) pradėtas kurti prieš daugiau kaip 12 metų ir yra vienas iš galimų valdomos termobranduolinės sintezės reaktorių variantų.

Kitas įrenginys – tokamakas – statomas Prancūzijoje, netoli Kadarašo (Cadarache) miesto. Projektą vykdo tarptautinis susivienijimas ITER (International thermonuclear experimental reactor – Tarptautinis termobranduolinis eksperimentinis reaktorius), kurį įsteigė Europos Sąjunga, Indija, Japonija, JAV, Kinija, Pietų Korėja ir Rusija.

Abiem atvejais kuras yra vandenilio izotopų deuterio ir tričio mišinys. Įkaitinus šį mišinį iki 110 milijonų laipsnių, prasideda termobranduolinės sintezės reakcija, kurios metu susijungus deuterio ir tričio branduoliui atsiranda vienas He-3 izotopo branduolys, vienas neutronas ir 17,6 megaelektronvoltų energijos (1 MeV=1,6·10-13 J).

Tokioje temperatūroje egzistuoja tik jonų ir elektronų plazma, kurią kiek ilgiau išlaikyti yra nepaprastai sunku. Pirmu atveju, kai lazerio spindulys, veikdamas taikinį, jį išgarina, dėl susidariusių reaktyvinių jėgų didžiulė temperatūra ir slėgis jame atsiranda tik per milijardines sekundės dalis, kurių metu ir išsiskiria visa energija. Toks įrenginys turėtų veikti periodiškai įvedant į kamerą kelių miligramų kapsulę su deuterio ir tričio mišiniu ir ją apšaudant iš visų pusių lazerio spinduliais. Antruoju atveju įkaitinta plazma turi būti palaikoma bent kelis šimtus sekundžių (kad būtų pasiektas Lousono kriterijus). Tam ji turi būti izoliuojama nuo kameros sienelių. Tai padaroma panaudojus labai stiprų magnetinį lauką, kuris veikia kartu su kitu magnetiniu lauku, sukurtu srovės, tekančios plazmoje. Šiuo atveju mišinys yra įkaitinamas elektriniais impulsais ir aukšto dažnio elektromagnetinėmis bangomis.

ITER projektas šiuo metu tampa pačiu brangiausiu istorijoje eksperimentiniu įrenginiu, aplenkdamas garsųjį Didįjį hadronų kolaiderį, kuris jau kelerius metus veikia netoli Ženevos. Pradiniame projekto variante buvo numatoma pradėti eksperimentus jau 2011 m., o dabar kalbama geriausiu atveju tik apie 2020-uosius. Į projekto finansavimą didžiausią indėlį įneša Europos Sąjunga – 45 %, likusią dalį po lygiai (šiek tiek daugiau kaip po 9 %) sudaro likusių šešių šalių finansinės lėšos.

ITER įrenginio eksploatavimui palaikyti reikia deuterio ir ličio, kurių gamybai taip pat reikia nemažai energetinių išteklių. Paprastame vandenyje deuteris sudaro tik 0,0147 %, todėl gryno deuterio gavimas yra nemenka technologinė problema. Šiuo metu pasaulyje veikia kelios gamyklos, kurios gamina deuterį. Apytikriai vieno kilogramo deuterio gamybai reikia maždaug 37000 kilovatvalandžių elektros energijos, o rinkoje jis kainuoja apie 3500 JAV dolerių. Kilogramo ličio gamybai reikia apie 1100 kilovatvalandžių elektros energijos, o jo kilogramo kaina – apie 100 dolerių. Susumavę gauname, kad dviem kilogramams termobranduolinio kuro (deuteris plius litis) pagaminimui reikia apie 38 megavatvalandžių elektros energijos, arba jo gavybos energetinės sąnaudos sudaro 137 gigadžaulius kilogramui. Tuo tarpu tokio kiekio mišinio energetinis efektyvumas yra 337000 gigadžaulių.

Taigi, galų gale išeina, kad energetinės sąnaudos medžiagoms tikrai yra menkos, palyginti su reaktoriaus efektyvumu. Tačiau esminis klausimas – kiek generuotos energijos paverčiama elektra ir kiek reikia energijos reakcijai palaikyti. O į šiuos klausimus gali atsakyti tik eksperimentai Kadaraše statomame ITER įrenginyje. Iš karto reikia pabrėžti, kad tai nėra jėgainė, o tik tyrimų įrenginys. Praėjus maždaug 10 metų po ITER funkcionavimo pradžios, numatoma pradėti statyti termobranduolinės jėgainės prototipą Japonijoje. Tik tokiomis sąlygomis japonai sutiko, kad ITER įrenginys būtų statomas Prancūzijoje, nes Japonija taip pat rimtai į tai pretendavo.

Drąsiai galima teigti, kad apie 2025–2030 metus įvyks savotiškas „tiesos momentas“: arba bus patvirtinta galimybė vykdyti valdomą termobranduolinę sintezę, arba bus įsitikinta, kad Žemėje to pasiekti beveik neįmanoma, arba per daug brangu. Šis laikas beveik sutampa su dar vienu kritiniu tašku: apie 2040 metus laukiama neregėtos išteklių (tiek kuro, tiek kitų žaliavų) pasaulinės krizės.

Šiuo metu mūsų civilizacija beveik visiškai priklauso nuo iškastinio kuro: naftos, gamtinių dujų ir anglies. 2010 metais pasaulis vidutiniškai naudojo 14 trilijonų vatų energijos (čia įeina elektros energija, transportas, apšildymas, gamyba ir t. t.), iš kurių 33 % buvo gaunama iš naftos, 25 % – iš anglies, 20 % – iš gamtinių dujų, 15 % – iš biokuro ir hidroenergijos, 6,5 % – iš branduolinio kuro ir tik apie 0,5 % – iš saulės, vėjo ir kitų atsinaujinančių energijos šaltinių (žr. Michio Kaku. Physics of the future; Doubleday; 2011 ). Akivaizdu, kad šiandien be iškastinio kuro viso pasaulio ekonomikos smagratis iš karto sustotų. Dabartinis naftos ir dujų kainų kilimas rodo, kad pasaulis tikrai artėja prie sunkios energijos šaltinių krizės. Net jei saulės ir vėjo energijos gamyba didėtų 25 % per metus, reikėtų daugiau kaip 15 metų, kad šie energijos šaltiniai sudarytų bent trečdalį visos naudojamos energijos. Be to, nereikia pamiršti, kad, pvz., fotoelementų, tiesiogiai verčiančių saulės šviesą elektra, gamyba yra labai daug energijos ir deficitinių žaliavų sunaudojantis procesas.

Garsus rašytojas fantastas Dž. Purnelis (Jerry E. Pournelle) rašė, kad maistas ir aplinkos tarša yra antrinės problemos, pirminė problema – energija. Jei turėtume pakankamai energijos, galėtume pasigaminti kiek tik reikia maisto, pvz., naudodami hidroponiką arba šiltnamius. Tas pat ir su aplinkos tarša: jei turime pakankamai energijos, teršalus galime paversti naudingais daiktais arba tiesiog suskaidyti į nekenksmingus komponentus.

Kaip ir bet kuris didžiulis mokslinis projektas, ITER turi daug priešininkų, kurie abejoja jo reikalingumu. Atseit be reikalo yra atitraukiamos lėšos nuo atsinaujinančių energijos šaltinių technologijų vystymo. Bet panašu, kad šiuo atveju nereikėtų laikytis senovinio principo – in dubio abstine (abejodamas susilaikyk). Geriau išleisti keliolika milijardų dolerių, negu pasitraukti nepabandžius pateikti ateities kartoms kardinalų energetinės problemos sprendimą. Tikėkimės, kad mums pasiseks, ir viskas baigsis gerai.

Verta skaityti! Verta skaityti!
(4)
Neverta skaityti!
(0)
Reitingas
(2)
Komentarai (10)
Komentuoti gali tik registruoti vartotojai
Kiti tekstai, kuriuos parašė Česlovas Šimkevičius
Naujausi įrašai

Įdomiausi

Paros
22(0)
17(4)
16(7)
13(0)
11(3)
11(1)
Savaitės
115(0)
114(0)
104(32)
Mėnesio
179(16)
136(21)
129(2)
94(0)
91(0)