Равнение на космос

Уже более полувека человечество надеется с помощью термоядерного синтеза решить проблему нехватки чистой и недорогой энергии. На исследования и разработки различных термоядерных реакторов ежегодно тратится свыше трёхсот миллионов долларов, а общая смета за полвека вылилась в десятки миллиардов. Однако небесный термоядерный реактор всё время напоминает о себе ярким сиянием, так что надежда не меркнет.

Астрофизики подсчитали, что большая часть массы Солнца сосредоточена внутри ядра, радиус которого в четыре раза меньше радиуса самого светила. Именно в этом шаре идёт реакция термоядерного синтеза. Природа дала исследователям уникальную возможность «заглянуть» туда. При слиянии ядер водорода (протонов) и образовании ядра гелия образуется нейтрино. Исследуя потоки нейтрино с разными энергиями, можно многое узнать о процессах внутри Солнца. Но вот есть одна проблемка: нейтрино очень редко взаимодействует с плотной материей.

Мощность Солнца

Первая попытка обнаружить солнечные нейтрино была предпринята в 1950-е в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Там под землёй на глубине шести с половиной метров был размещён бак объёмом 3,9 кубометра с тетрахлорметаном. В его состав входил хлор-37 - изотоп, чаще других захватывающий нейтрино и превращающийся при этом в аргон-37.

Научное сообщество тот эксперимент высмеяло. Не продумав как следует экран установки, исследователи получили шум от проникавших под землю посторонних высокоэнергетических частиц (таких, как мюоны), движущихся с релятивистскими скоростями.

В конце 1960-х были проведены опыты с баком в 380 кубометров, наполненным тетрахлорэтаном. Они оказались более продуктивными. Бак, находившийся в золотой шахте компании Homestake Mining на глубине 1200 метров, уже не ловил посторонний шум. Символично, что заглянуть внутрь Солнца удалось из глубин Земли.

Расчёты указывали, что число пойманных в единицу времени нейтрино должно быть равно 7,9; но эксперимент дал только 2,1. Несовпадение теоретических и экспериментальных данных можно трактовать двояко - как несовершенство методики и как ошибка в теории. Прошло целых 35 лет, прежде чем физики заподозрили, что проблема именно во втором.

Факт недобора регистрируемых частиц означал, что реакции термоядерного синтеза идут в недрах Солнца не настолько интенсивно, как предполагали учёные исходя из количества излучаемой светилом энергии. Значит, температура солнечного ядра должна быть ниже расчётной. Однако понизить последнюю нельзя - она напрямик связана с давлением внутри ядра и с размерами звезды. Не вдаваясь в подробности, отметим, что энергетический баланс светила никак не хотел сходиться. Было непонятно относительно целых сорока процентов излучаемой Солнцем энергии: откуда оно берёт их?

Учёные выдвигали разные гипотезы. Например, что поток нейтрино «не врёт», просто интенсивность реакции резко снизилась, а поскольку тепловая энергия от ядра звезды к периферии движется медленно, мы увидим потемнение Солнца только через тысячи лет. Другая гипотеза: Солнце не столь прозрачно для нейтрино, как изначально предполагалось. Третья: сильные магнитные поля создают высокое давление внутри ядра, а температура там не так велика, как предполагалось ранее. И так далее...

Неукротимая стихия

Не будем утомлять читателя рассказами о последующих экспериментах по поиску нейтрино. Заметим, что Солнце изобилует загадками. Галилей обнаружил солнечные пятна ещё в XVII веке, но только сейчас мы начинаем понимать механизмы их образования и причины солнечных циклов. Не говоря уже о вспышках, коронарных выбросах массы и коронарных волнах. Кстати, в результате некоторых локальных взрывов в пространство излучается больше энергии, чем даёт вся остальная поверхность звезды.

К чему это? К тому, что термоядерная энергетика, на которую мы возлагаем большие надежды в дальней перспективе, может преподнести нам немало сюрпризов.

Даже если дело дойдёт-таки до строительства термоядерных электростанций, вряд ли они станут идеальным источником энергии. Большие и крайне сложные технические сооружения на основе токамака, стелларатора или реактора другой конфигурации можно использовать только в централизованных энергосистемах, имеющихся в промышленно развитых державах. Построить и эксплуатировать их в бедных странах или в малонаселённых регионах нереально. Дешёвой энергии ожидать не приходится, поскольку громадные электромагниты со сверхпроводящими обмотками стоят крайне дорого и требуют постоянного охлаждения до криогенных температур. Мощнейшие лазеры - тоже не подарок. Кроме того, термоядерные установки наверняка будут создавать слаборадиоактивные отходы. Ведь нейтроны, высвобождаемые в ядерных реакциях, магнитным или электрическим полем сдержать невозможно.

Вопросы безопасности термоядерной энергетики пока ставятся лишь теоретически. Какие непредвиденные трудности возникнут на практике, неизвестно. Тем более что мы до сих пор не разобрались, откуда Солнце берёт энергию, которую излучает в пространство.

Пропавшие джоули

Астрофизиков давно ставит в тупик тот факт, что с высотой температура растёт. Поверхность светила нагрета до 5000 °C, а в короне, как свидетельствуют спектральные измерения, присутствуют сильно ионизированные атомы неона, магния и кремния, разогретые до пяти миллионов градусов!

Здесь нет никакой логики. Солнечная атмосфера должна охлаждаться, излучая энергию в космос. Но этого не наблюдается. Более того, в спектре короны присутствуют линии, соответствующие ионизированному молекулярному водороду, которого при температурах в миллионы градусов быть никак не может. При этом ярко выражены спектральные серии Лаймана, отвечающие за переход электрона на первый уровень. Значит, солнечная корона должна иметь температуру не более 10 000 °C. Но откуда тогда в ней ионы, разогретые до миллионов градусов?

Скрытый элемент

В 2002 году американский физик Рэнделл Миллс предположил, что на Солнце идёт химическая реакция преобразования водорода в гидрино (о том, что это такое, смотрите, щёлкнув здесь) с выделением энергии в виде экстремального ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений. Идея очень интересная: тот же водород, который участвует в термоядерном синтезе, в экзотермической реакции образования гидрино восполняет недостающие 40% энергии.

Гипотеза Миллса оказалась весьма подходящей для объяснения явлений на поверхности нашей звезды. Яркие вспышки и нитевидные выбросы, по которым протекают гигантские электрические токи и идут разряды, создают мощные всплески лучистой энергии в области экстремального ультрафиолета и мягкого рентгена. А эти лучи уже «разогревают» магний, кремний и другие относительно тяжёлые элементы. Температурная загадка разрешается просто: миллионы градусов достигаются не теплопередачей, а лучевым воздействием. Отсюда и высокая степень ионизации атомов.

Огромный Юпитер (газовый гигант, состоящий в основном из водорода) недостаточно массивен, чтобы в его глубинах зажглись термоядерные реакции. А жаль, тогда мы находились бы в системе с двумя звёздами, любовались бы причудливыми закато-восходами и тратили бы меньше электроэнергии на ночное освещение. Между тем энергетический баланс Юпитера тоже не сходится - планета отдаёт намного больше энергии, чем получает от Солнца. Также известно, что она имеет очень мощное магнитное поле и излучает экстремальный ультрафиолет. Вполне вероятно, что в недрах Юпитера идут химические реакции превращения водорода в гидрино. А поскольку последние гораздо более управляемы, чем термоядерный синтез, в планировании энергетики на дальнюю перспективу нам нужно ориентироваться именно на них.