Недавно вышедшая игра Atomic Heart от разработчиков из России Mundfish набрала большую популярность не только благодаря захватывающему геймплею и хорошей графике. Главная стилистическая и сюжетная фишка заключается в том, что мир игры сделан в стиле советского «атомпанка» (ретрофутуристическое направление, часто основанное на мотивах «холодной войны» - Ред.). Действие происходит в 1955-м году в Советском Союзе, но вместо страны, измученной войной и сталинскими репрессиями, перед нами настоящая утопия: летающие города, говорящие человекоподобные роботы, автоматические фабрики и технологии искусственного интеллекта, готовые вот-вот объединить людей и роботов в единую сеть, позволяющую общаться, получать знания и управлять роботами силой мысли. Тем более, что многие роботы «середины XX века» превосходят лучшие образцы Boston Dynamics начала XXI-го.
В чем же секрет этой техноутопии? Поскольку игра сделана в стиле «атомпанк», можно заключить, что все вышеупомянутые роботы работают на атомной энергии. Но обычной атомной энергетики там явно недостаточно (в нашем мире тоже есть атомные электростанции, но это не превращает его в роботизированную утопию). И действительно, уже в прологе игры мы узнаем, что энергия в этом дивном мире добывается путем ядерного синтеза — причем не обычного термоядерного, разработкой которого сегодня занимаются разные научно-инженерные проекты, такие, например, как ITER, SPARC или NIF, а холодного ядерного синтеза.
Но что это такое — холодный синтез? Чем он отличается от технологий термоядерной энергетики? Чем ядерная энергетика в принципе отличается от других типов энергетики? И почему именно холодный ядерный синтез мог бы иметь наибольший потенциал для перехода человечества в техноутопию? Постараемся ответить на эти вопросы.
Откуда берется энергия?
Энергия нужна нам для всего: завтрак — это химическая энергия для работы организма, лампочка, микроволновка и поезд метро используют электроэнергию, а автомобили и самолеты — энергию сгорания топлива, как и большинство электростанций, работающих на газе или нефти. Все эти виды энергии объединяет их фундаментальная природа — это всё виды электромагнитной энергии. Поток электронов в проводах, свет и химические связи в молекулах еды, бензина или газа — все они обеспечиваются электромагнитным взаимодействием. И эта же электромагнитная энергия превращается при работе в тепло или движение поршней, турбин и осей электродвигателей.
Ядерная энергия принципиально от них отличается. Тепло и работа в ядерной энергетике получаются из другого фундаментального взаимодействия — сильного ядерного, которым связаны протоны с нейтронами в ядрах атомов. Самое стабильное — ядро железа, поэтому при распаде ядер тяжелее железа и при слиянии ядер легче железа выделяется энергия. А так как сильное ядерное взаимодействие на много порядков сильнее электромагнитного, то и энергии оно выделяет больше. Из килограмма ядерного топлива можно получить в миллионы раз больше энергии, чем из килограмма угля или нефти.
На распаде тяжелых ядер работает обычная ядерная энергетика — при достаточной концентрации нестабильных ядер урана цепная реакция распада запускается сама. Слияние (то есть ядерный синтез) так просто не запустишь. Из-за того, что протоны в разных ядрах заряжены одинаково, ядра атомов отталкиваются друг от друга электромагнитной силой, действующей на большом расстоянии. Чтобы начать сливаться, ядрам нужно преодолеть это отталкивание и оказаться на расстоянии в сотни или даже тысячи раз ближе, чем размер атома, где ядерная сила преодолевает электромагнитную.
Единственное место в природе с подходящими для этого условиями — это недра звезд. Гравитация огромного количества вещества звезды сжимает водород в центре с такой силой, что ядра начинают сливаться, а выделяющаяся при этом энергия не дает звезде коллапсировать и выделяется с ее поверхности в виде света и потоков частиц. Вообще-то почти любая энергия на Земле — это косвенно энергия Солнца. Ветер дует, потому что Солнце нагревает воздух. Вода испаряется, а потом, сконденсировавшись, стекает реками, потому что ее нагревает Солнце. Да и уголь, нефть и газ — это переработанные бактериями древние растения, которые выросли питаясь солнечной энергией.
И ядерный синтез хорош не только тем, что производит энергию в миллионы раз эффективнее. Его топливо — изотопы водорода — не радиоактивно, не оставляет после себя вредных отходов, а его запасы на Земле практически безграничны. Именно поэтому ученые еще с середины XX века стараются создать установку для термоядерного синтеза, которая сможет воспроизвести на Земле те же условия, что в недрах Солнца. К сожалению, пока безуспешно. Технологии термоядерного синтеза требуют мощных магнитных полей, высоких температур, сложных технологий и больших энергетических затрат, и все равно получить с их помощью больше энергии, чем тратится на работу установки, все еще не получается.
Однако, еще в первой половине XX века, вскоре после открытия атомных ядер, у ученых появилась идея, что атомные реакции можно было бы облегчить так же, как это можно сделать с обычными химическими реакциями. В химии существуют катализаторы —вещества, которые связываются с химическими реагентами, и, изменяя их геометрию или просто облегчая их сближение, позволяет химической реакции происходить быстрее и в более мягких условиях. Что, если то же самое можно было бы сделать и с ядерными реакциями?
Скриншот игры Atomic Heart. Фото для прессы atomic.mundfish.com
Святее святого
Холодный ядерный синтез — это обобщенное название любых технологий, которые позволяют получать энергию из слияния атомных ядер в более-менее «комнатных» условиях, то есть в отсутствие сверхвысоких температур, давлений и сверхсильных магнитных полей. Можно сказать, что холодный синтез — это святой Грааль энергетики, за которым не нужно идти в крестовый поход, а просто взять его из посудного шкафа.
По сюжету Atomic Heart советские ученые создают реактор холодного ядерного синтеза в 1939-м году. Неудивительно, что с таким неиссякаемым источником дармовой энергии воображаемый СССР добился за 20 лет большего прогресса, чем все человечество за целый век.
Но как работает технология холодного синтеза в Atomic Heart? Вот как об этом рассказывается в самой игре: «Руководствуясь идеей создания жидких носителей информации, сочетая свойства тяжелой воды и кремния, Дмитрий Сергеевич Сеченов совершает открытие Полимера - пластичного электронакопителя, доселе неизвестного мировой науке. … Сеченов и Филимоненко, благодаря электрохимическим свойствам Полимера, создают компактный реактор холодного синтеза, что открывает глобальные перспективы в робототехнике».
Вот, в общем-то, и все. Холодный синтез в игре работает с помощью некоего волшебного «Полимера», который по описанию и внешнему виду больше всего похож на гель из силикона — полимера, в основе которого лежат цепочки из чередующихся атомов кремния и кислорода с торчащими вбок группами углерода и водорода. Наиболее известное применение такого геля — наполнитель для грудных имплантов.
Скриншот игры Atomic Heart. Фото для прессы atomic.mundfish.com
Понятно, что в реальности силиконовый гель никак не поможет ядерному синтезу, но вещество, которое способствовало бы ядерным реакциям — это реальная идея, предложенная еще в 1920-е годы австрийскими учеными Фридрихом Панетом и Куртом Петерсом, которые изучали взаимодействие водорода с палладием.
Даже при обычных давлении и температуре водород при взаимодействии с палладием начинает в нем растворяться, образуя гидрид палладия, в котором на один атом металла приходится около ¾ атома водорода. Внутри палладия атомы водорода находятся намного ближе друг к другу, чем в газе, и австрийцы предположили, что одного этого может быть достаточно для запуска ядерных реакций. Когда же они обнаружили в ёмкости с гидридом палладия гелий — продукт слияния ядер водорода — то даже опубликовали об этом статью. Правда, потом сами же ее и отозвали, потому что поняли, что гелий попал в емкость из воздуха.
Но других ученых это не остановило. И здесь мы приходим к тому свойству Полимера, которое, скорее всего, было взято разработчиками игры из реальной истории попыток создания систем холодного ядерного синтеза — его «электрохимическим свойствам». В 1927-м году шведский ученый Джон Тандберг попробовал повторить опыт Панета и Петерса, поместив палладий в электролитическую ячейку. Используя палладий в качестве одного из электродов, он пытался с помощью электромагнетизма поместить внутрь палладия еще больше атомов водорода и тем самым «сблизить» их еще сильнее. После открытия дейтерия в 1932-м году, он продолжил свои опыты уже с тяжелой водой, и даже подавал на патент, но не получил его, так как не смог объяснить механизм реакции. После этого идея холодного синтеза была заброшена больше чем на полвека.
Месяц славы
Наиболее известной историей связанной с холодным синтезом стало сенсационное заявление электрохимиков Флейшмана и Понса в 1989-м году. Они фактически повторили эксперимент Тандберга, пытаясь создать высокое «давление» дейтерия в палладиевых электродах электрохимической ячейки. Но, в отличие от Тандберга, они сделали громкое заявление, что температура их ячейки необъяснимо повышалась на 20 градусов, а также, что они обнаружили исходящие из нее нейтроны.
Из-за нефтяного кризиса 1970-х в Америке, а также первых сообщений о глобальном потеплении и неожиданного открытия высокотемпературных сверхпроводников, существование которых не предсказывала ни одна теория, научное сообщество и медиа сперва отнеслись к этим заявлениям с надеждой и интересом. На пресс-конференции Флейшман и Понс утверждали, что их эксперименты были воспроизведены много раз и что остается только внедрить технологию в промышленность и энергетику. После этого многие уважаемые институты Европы и Америки взялись воспроизводить их опыт, несмотря на то, что подробное описание их методики и точные результаты экспериментов еще не были опубликованы.
Но за исключением нескольких подтверждений, которые были впоследствии объяснены случайными отклонениями в показаниях приборов или неточностями в методике, эксперимент никто воспроизвести не смог. Позднее выяснилось, что повышение температуры в ячейке было не на 20 градусов, а только на 1, что можно объяснить использованием дейтерия вместо водорода, а показания, которые Флейшман и Понс приняли за излучение нейтронов, были всего лишь неверной интерпретацией данных, полученных с приборов. Уже через полтора месяца после первой пресс-конференции «Нью-Йорк таймс» объявила, что «холодный термояд» мертв, а «Таймс» назвала всю эту историю цирком. Сами Флейшман и Понс не признали своих ошибок, однако через некоторое время уехали из Америки в Европу.
С тех пор идея «холодного термояда» прозябает на окраинах научного сообщества, и большинство ученых отбрасывают эту идею просто на основании того, что бесплатная энергия, как и бесплатный сыр, бывает только в мышеловке.
В теории мы не можем утверждать наверняка, что вещества, которое катализировало бы ядерные реакции, в принципе не может быть. Поэтому какие-то исследования в этой области продолжаются, но получать на них финансирование энтузиастам холодного синтеза становится все сложнее. Даже сами энтузиасты соглашаются, что результаты их исследований в области холодного синтеза не воспроизводятся, когда их пытаются проверить независимые ученые. Они пытаются объяснить это «сложностью процессов», но ввиду отсутствия теоретического понимания этих процессов в принципе, большинство ученых считают изучение холодного синтеза, в лучшем случае, бесперспективным, а в худшем — просто лженаукой.
Тем не менее, мы можем задаться вопросом, как холодный синтез мог бы работать на самом деле? Понс, Флейшман и их предшественники пытались использовать химические вещества для ускорения ядерных реакций, но ядерный синтез работает на субатомном уровне, а ядерная энергия, как уже было сказано, это энергия сильного ядерного взаимодействия, работающего на расстояниях в десятки тысяч раз меньше атомов. По этой логике и катализатор ядерного синтеза надо искать на субатомном уровне.
Мюонный катализ
Если бы разработчики игры подробнее изучили суть и историю ядерного катализа, то намного больший смысл имел бы сюжет, в котором этот процесс работал бы с помощью субатомных частиц, а именно мюонов. Тем более, что впервые эту идею выдвинули как раз советские ученые — Андрей Сахаров и Яков Зельдович в начале 1950-х годов.
Мюоны — это элементарные частицы, которые по своим свойствам очень похожи на электроны, но весят в 207 раз больше. Из-за своей массы мюоны при связывании с ядрами образуют атомы, радиус которых в те же 207 раз меньше. Поэтому если создать молекулу водорода, в которой электроны будут заменены на мюоны, то расстояние между ядрами в такой молекуле окажется значительно меньше, чем в обычном водороде даже при очень высоком давлении.
Ядра атомов — квантовые объекты, и вероятность найти ядро в каком-то конкретном месте несколько «размазана» по пространству. Из-за этого при их сближении появляется вероятность, что одно ядро просто случайно окажется внутри другого, свяжется с ним сильным ядерным взаимодействием, и они превратятся в новое ядро. В молекулах, где связь образована мюонами, слияние ядер происходит за доли наносекунды даже при комнатной температуре. При слиянии высвобождается энергия, а мюон отрывается и получает возможность катализировать слияние других ядер.
Поэтому мюоны — вполне себе работающие катализаторы для холодного синтеза. Но почему же мы все тогда не живем в роботизированной техноутопии? Тут есть несколько проблем, которые еще в 1957-м году описал физик из Беркли Луис Альварез:
- В физике элементарных частиц работает правило, которое гласит, что чем больше масса частицы, тем выше вероятность того, что она распадется на более легкие. Поэтому мюоны нестабильны, их среднее время жизни – две микросекунды. Впрочем, это не такая большая проблема, ведь время жизни мюона оказывается в тысячи раз больше времени ядерной реакции.
- На создание таких массивных частиц как мюоны нужно много энергии, и если мюоны в реакциях синтеза будут неэффективны, то на создание самих мюонов будет уходить больше энергии, чем получится при синтезе.
- А неэффективными такие реакции оказываются из-за того, что мюоны связываются с получившимися в синтезе ядрами гелия и выходят из реакции с вероятностью около 1%. Казалось бы, 1% — это очень мало, но расчеты показывают: для того, чтобы восполнить энергию, затрачиваемую на создание мюонов и выйти в плюс, каждый из них должен катализировать 300-400 реакций синтеза. А для этого степень связывания с гелием должна быть в несколько раз ниже.
Одним словом, если бы я был научным консультантом игры Atomic Heart, я бы предложил разработчикам слегка скорректировать их идею, а именно: упомянутый чудо-«Полимер» мог бы быть веществом, которое за счет своих квантово-химических свойств стабилизирует мюоны и не дает им связываться с ядрами гелия. В таком виде холодный синтез выглядел бы намного реалистичнее.
Если же думать о не об играх, а о реальности, то вряд ли стоит всерьез относиться к историям об электролитических ячейках, воплощающих алхимическую мечту о трансмутации элементов. С другой стороны, не стоит и полностью отбрасывать возможность того, что мы найдем что-то — вещество ли, частицу или какой-то процесс — которые смогут облегчить условия реакций термоядерного синтеза и упростят технологическую задачу строительства термоядерных реакторов. Конечно, до техноутопии нам еще очень далеко, но даже в самых фантастических идеях может быть зерно правды.
Скриншот игры Atomic Heart. Фото для прессы atomic.mundfish.com