Как свидетельствует история, энергопереходы ранее случались неожиданно и каждый раз приносили человечеству те или иные новые удобства, а потому даже выглядели как подарки судьбы. Достаточно вспомнить замену дров на более технологичный уголь, позднее – перевод транспорта с твёрдого топлива на жидкое, далее – широкое внедрение электричества, которое само идёт по проводам… И если человечество вновь получит подарок судьбы, что это может быть? Некоторые специалисты предвещают распространение дешёвой генерации на основе энергии квантового вакуума. В этом направлении действительно есть интересные подвижки. Спешим поделиться ими с читателем.
Знаменитый инженер-электротехник Никола Тесла говорил: «Наш мир погружён в огромный океан энергии, мы летим в бесконечном пространстве с непостижимой скоростью. Всё вокруг вращается, движется, всё – энергия. Перед нами грандиозная задача – найти способы добычи этой энергии. Тогда, извлекая её из этого неисчерпаемого источника, человечество будет продвигаться вперёд гигантскими шагами». Во времена Теслы этот источник называли эфиром, а сегодня его называют квантовым вакуумом. Также часто используется термин «энергия нулевой точки». Подразумевается точка нулевой температуры по Кельвину (примерно –273°C) – абсолютный ноль. На этой отметке теплового движения молекул нет (термодинамика «обнулена»), остаются только квантовые флуктуации, поскольку они существуют при любых температурах.
Квантовый вакуум наполнен флуктуирующими полями, электромагнитными волнами и виртуальными частицами. Он постоянно взаимодействует с реальными квантовыми частицами, то отдавая им энергию, то забирая обратно. Известный из квантовой механики принцип неопределённости Гейзенберга объясняется именно такими обменами. Поскольку частица может получить энергию в любой момент, одновременно точно определить её координаты и импульс не представляется возможным.
Иногда приходится слышать заявления, что законы термодинамики запрещают построить генератор энергии нулевой точки. В общем случае такие заявления некорректны: квантовые флуктуации энергии проявляются на микроуровне, а законы термодинамики определены для макроуровня (термодинамические параметры макросистемы получаются усреднением по времени и по большому количеству частиц, то есть объёму вещества).
Исследованием проявлений квантового вакуума занимаются многие научные коллективы. Стоит отметить недавний проект, проведённый в Институте ядерной физики Франкфуртского университета имени Гёте и Института ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге. Группа физиков использовала Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах (XFEL) в Гамбурге. Ультракороткие рентгеновские импульсы высокой интенсивности направляли на охлаждённый почти до 0 K образец – молекулу иодопиридина, которая состоит из одиннадцати атомов. Вспышки лазера выбивали электроны из иодопиридина, ионизируя составляющие его атомы (они приобретали положительный заряд и начинали отталкиваться друг от друга) настолько быстро, что молекула фактически взрывалась. Современное оборудование позволяет визуализировать молекулярные фрагменты, образовавшиеся в результате взрыва. Исследователи использовали модифицированный реакционный микроскоп COLTRIMS и по его снимкам реконструировали исходное состояние холодной молекулы.
Немецкие учёные перед микроскопом COLTRIMS (фото: European XFEL)
По результатам многочисленных реконструкций выяснилось, что при нулевой температуре атомы вибрируют не по отдельности, а коррелированным образом. «Это явление, конечно же, известно из квантовой химии, но до сих пор не было экспериментально исследовано для молекулы, состоящей из такого количества атомов», – объяснил руководитель проекта Тиль Янке. Отчёт об исследовании опубликован в журнале Science (см. здесь: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2637).
Почему мы привели именно этот пример? Перевести энергию квантовых флуктуаций с микроуровня на макроуровень, то есть построить генератор энергии нулевой точки, должно быть легче с веществами, состоящими из крупных молекул. Или с двумерными наноматериалами, такими, как графен.
Генератор Пола Тибадо
В позапрошлом веке был придуман Демон Максвелла – умозрительный персонаж, который нарушает второй закон термодинамики, сортируя быстрые и медленные молекулы газа. В результате газ в одной камере становится горячее, в другой – холоднее, энтропия уменьшается.
В этом веке профессор физики из Университета Арканзаса Пол Тибадо построил аналог демона Максвелла для флуктуаций квантового вакуума. Электрический генератор Пола Тибадо работает на эффекте колебаний, раскачивающих графеновый листок – закреплённый по периметру электрод конденсатора. Под воздействием флуктуаций квантового вакуума середина графенового электрода прогибается то в одну, то в другую сторону, отчего ёмкость конденсатора постоянно меняется.
Генератор энергии нулевой точки Пола Тибадо устроен очень просто (источник: Пол Тибадо)
На графеновый конденсатор подано постоянное напряжение V от батареи. Поскольку ёмкость колеблется, в цепи возникают токи. Несложная схема выпрямляет эти токи и подзаряжает накопительные конденсаторы C1 и C2. Батарея не разряжается, поскольку по постоянному току её цепь разорвана. «Колебания ёмкости заряженного графенового конденсатора создают токи, которые поступают на полумостовой выпрямитель. Для работы генератора не нужна разница температур», – объяснил Пол Тибадо в своём докладе «Зарядка конденсаторов с помощью флуктуаций графена» на конференции по разработке двигателей и энергетических систем 22 января 2022 года. Смотрите его доклад в YouTube, щёлкнув здесь: https://www.youtube.com/watch?v=eonAa29qp70.
Устройство генератора Пола Тибадо описано в научных статьях, для публикации которых автору пришлось немного схитрить. Чтобы у рецензентов не возникли возражения, в тексте упоминается броуновское тепловое движение молекул. Это движение, конечно, может добавить энергии на выходе, но генератор Тибадо работает при любых температурах, включая абсолютный ноль. И он не требует перетока тепла от горячего тела к холодному.
Графеновая генерирующая ячейка у Пола Тибадо имеет крошечные размеры (10×10 мкм) и даёт весьма малый ток, но таких ячеек можно разместить огромное количество на кремниевой пластине, изготовленной с помощью современных полупроводниковых технологий. Согласно расчётам учёного, общая мощность составит около ватта на квадратный метр поверхности. В сравнении с киловаттом у солнечной панели это ничто, но солнечные панели нельзя сложить в стопку или использовать в полной темноте. Изобретатель надеется, что придуманный им генератор энергии нулевой точки сможет питать экономичные промышленные датчики и, возможно, даже устройства интернета вещей.
Генератор Сонни Уайта
Стартап Casimir Space, учреждённый физиком-изобретателем Сонни Уайтом, разрабатывает генератор энергии нулевой точки, основанный на эффекте Казимира.
Квантово-механический эффект Казимира объясняется тем, что квантовый вакуум, как мы уже отметили, заполнен флуктуирующими полями, виртуальными частицами и электромагнитными излучениями с разными длинами волн. Если две параллельные металлические пластины в вакууме расположены очень близко друг к другу (например, на расстоянии 100 нм), они экранируют волны, длина которых превышает это расстояние. Результат – возникает давление, прижимающее пластины друг к другу. Эффект был теоретически предсказан нидерландским физиком Хендриком Казимиром в 1948 году. Экспериментально он был подтверждён в 1996–1997 годах.
Компания Casimir Space создаёт наноструктуры, используя стандартные полупроводниковые технологии. На кремниевых подложках сформированы полости, в центре которых расположены антенноподобные столбики. Квантовые флуктуации действуют асимметрично: они стимулируют электроны в стенках к квантовому туннелированию к столбикам, но электрическое экранирование столбиков снижает вероятность обратного туннелирования. Возникает однонаправленный поток электронов, а с ним – и мощность при подключении нагрузки.
Хитрая асимметричная структура вызывает направленный туннельный поток электронов (слайд: Casimir Space)
Прототипы чипов уже генерируют энергию, и текущая цель компании – выпустить кристаллы размерами 5×5 мм, которые вырабатывают напряжение 1,5 В и ток 25 мкА. Этого уже будет достаточно для питания радиочастотных меток, датчиков содержания глюкозы в крови, простейших калькуляторов, часов реального времени (наподобие тех, что идут в выключенном компьютере) и других устройств с мизерным энергопотреблением. Для случаев, когда нужна большая мощность, генератор можно наращивать, подключая микросхемы параллельно и последовательно в требуем количестве.
В планы компании входит разработка и выпуск многослойных планарных структур, где будут упакованы миллиарды элементарных квантовых генераторов. Здесь цель – дополнить основную батарею смартфона источником энергии мощностью порядка 3 Вт. Во время активного использования, когда типичный смартфон потребляет 10–20 ватт, будет задействоваться традиционный ионолитиевый аккумулятор, а во время простоя он будет подзаряжаться энергией квантового вакуума.
В долгосрочной перспективе (после 2030-го) компания надеется выпустить «кирпичи» киловаттной мощности. Примечательно, что среди трудностей, которые предстоит преодолеть на пути к их внедрению, Сонни Уайт называет неверие регуляторов. Производство может быть организовано на полупроводниковых фабриках с устаревшим технологическим процессом, рассчитанным на проектные нормы 60–90 нм.
«Взболтать» вакуум
Возможно, читатель спросит: а как получить более практичный источник энергии, способный заместить традиционную топливную генерацию? Здесь трудно придумать что-либо лучшее, чем реакция ядерного синтеза – наиболее мощная из всех известных науке.
Когда американские и советские учёные-физики взорвали первые водородные бомбы, выяснилось, что выделившаяся энергия более чем в два раза превышает расчётную. Академик Андрей Сахаров быстро сообразил, что термоядерные бомбы зачерпнули энергию нулевой точки.
Представьте квантовый вакуум как спокойное море, где по воде идёт рябь. Именно эта рябь служит донором энергии для отдельных квантовых частиц. Чтобы получить из вакуума сразу большую мощность, нужно тем или иным способом взволновать море. В водородных бомбах это делается с помощью инициаторов реакции – «поджигающих» зарядов.
Прохладный ядерный синтез
В случае ядерного синтеза энергия нулевой точки используется для преодоления силы кулоновского отталкивания между ядрами. Другими словами, квантовый вакуум помогает запустить реакцию. Идея проста: сократив собственное энергопотребление установки, мы увеличим итоговый выход энергии.
На практике это выливается в различные способы воздействия на плазму, чтобы упорядочить движение ионов и умножить момент их импульса. Например, под влиянием СВЧ-излучения ионизированный газ начинает колебаться. Частицы движутся согласованно вдоль одного направления, следовательно, вероятность сближения атомных ядер друг с другом увеличивается. Как следствие, увеличивается и вероятность того, что два сблизившихся ядра, получив добавку энергии от квантового вакуума, преодолеют взаимное кулоновское отталкивание и сольются. Собственно, зачем тратить огромную энергию на преодоление кулоновского отталкивания ядер, если существует квантовый туннельный эффект?
Дополнительный выигрыш даёт резонансный режим, в котором энергия колебаний атомов увеличится в Q раз, где Q – добротность резонансной системы. Поскольку плазма – отличный проводник электричества, добротность может быть очень высокой. В общем, главное – правильно «взболтать» квантовый вакуум.
Подобные ухищрения позволяют кардинально (на порядки) снизить температуру плазмы в реакторе, условно говоря, организовать прохладный ядерный синтез. Но поскольку выделяющиеся нейтроны вносят в упорядоченное движение ядер ненужный хаос, реакция должна быть безнейтронной. Для этого подходит топливная пара дейтерий плюс гелий-3 либо бор-11.
Прототип реактора Helion Energy (источник: Helion Energy)
Электростанцию, работающую на принципе прохладного ядерного синтеза, по заказу корпорации Microsoft строит американская компания Helion Energy. Название компании не случайно содержит слово «гелий». Недавно она поделилась информацией об устройстве накопительно-распределительной подсистемы (смотрите статью, щёлкнув здесь: https://dzen.ru/a/aO7G7amPHWBVq7d_).
Почему прохладный ядерный синтез не был реализован ранее? Во-первых, не были готовы технологии. Во-вторых, руководство США и СССР (позднее – России), опасаясь неконтролируемого распространения оружия массового поражения, придержало развитие генераторов энергии нулевой точки.
Холодный ядерный синтез
Первооткрыватели холодного ядерного синтеза (ХЯС) американцы Мартин Флейшман и Стенли Понс в 1989-м демонстрировали свои опыты при большом скоплении народа и в результате попали под трибунал за разглашение сведений, способных помочь террористам и недружественным странам создать водородную бомбу. Незадачливые химики не знали, под каким цензурным гнётом работают физики-ядерщики. Трёхбуквенные агентства устроили сокрушительный публичный разгром концепции ХЯС на конференции Американского физического общества и пустили серию фальшивых разоблачительных статей в широкой и научной прессе.
Почти тридцать лет понадобилась американским воякам, чтобы понять, что ХЯС не представляет угрозы для национальной безопасности. В мае 2019-го запрет был снят: престижный научный журнал Nature опубликовал подробную статью по исследованию холодного ядерного синтеза, написанную учёными из Массачусетского технологического института, Университета Мэриленда, Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, Университета Британской Колумбии, Канадского института перспективных исследований и специалистов компании Google. Научные фонды выделили деньги. Поскольку с 1990-х выражение «холодный ядерный синтез» у широкой публики считается ругательным, сегодняшние научные исследования идут под названиями «низкоэнергетические ядерные реакции» (Low Energy Nuclear Reactions – LENR) и «ядерный синтез внутри кристаллической решётки» (Lattice Confinement Fusion – LCF).
Багаж знаний по низкоэнергетическим ядерным реакциям множится, пора переходить к внедрению (фото: chamblinbookmine.com)
Холодный ядерный синтез протекает внутри электродов из палладия, насыщенного дейтронами (ядрами дейтерия). Если количество атомов палладия примерно равно количеству дейтронов, последние выстраиваются внутри кристаллической решётки ровными цепочками. При пропускании электрического тока в металле возникает не только электронный, но и дейтронный поток. По мере движения цепочка дейтронов взаимодействует с узлами кристаллической решётки, отчего возникают упорядоченные колебания ядер дейтерия. Можно подобрать такую силу тока, при которой возникнет резонанс и амплитуда выйдет на максимум. Энергия колебаний компенсирует львиную долю кулоновского отталкивания, а дальше в игру вступает квантовый вакуум. Небольшая флуктуация и ядра соединились, реакция пошла.
Подробнее о механизме ХЯС вы можете прочесть в статье Роберта Басса «Доказательство, что флуктуации нулевой точки для ядер дейтерия, перенасыщающих кристаллическую решётку палладия, обеспечивают достаточное расширение спектральных линий, чтобы преодолеть кулоновский барьер в низкоэнергетическом резонансном режиме для запуска холодного безнейтронного ядерного синтеза». Эту статью вы найдёте на с. 425 сборника трудов научной конференции, который доступен здесь: https://lenr-canr.org/acrobat/EPRIproceedingc.pdf#page=425
Горячий ядерный недосинтез
Широкая пресса воспевает прямолинейный подход – разогревать дейтеривую плазму до десятков и сотен тысяч градусов в надежде вывести реакцию на самоподдерживающийся режим. Несмотря на потребление неимоверной мощности на собственные нужды установки, термоядерный синтез в ней будет идти вяло. Из-за разнонаправленного несинхронизированного теплового движения ядер вероятность их слияния останется мизерной. Что-то знакомое, читатель? Да, это международный проект ITER.
Квантовый гравинак
В 1967 году Андрей Сахаров выдвинул теорию индуцированной гравитации, где предполагается, что она является не отдельной фундаментальной силой, а результатом флуктуаций энергии квантового вакуума.
Гравитация может быть эмерджентным явлением (источник: Википедия)
Представьте, что найден ключ к управлению гравитацией. Тогда можно взять тяжёлый груз и подвесить его на лебёдке, находящейся на валу генератора. Получится гравитационный накопитель энергии – гравинак.
Опускаясь в шахту под воздействием силы земного тяготения, груз будет раскручивать ротор электрогенератора. В нагрузку потечёт ток. Когда груз достигнет дна шахты, мы «отключаем» гравитацию и поднимаем потерявший вес груз на поверхность. После этого цикл повторяется.
Квантовый гравинак на сегодня не реализован. Пока это лишь красивая идея.
Теги: методы извлечения энергии из квантового вакуума, генераторы нулевой точки для энергетики, эфирная электроэнергия в XXI веке, ключи к дешёвому киловатт-часу, как «взболтать» квантовый вакуум.
Статья была первоначально опубликована в отраслевом журнале Энергознание, https://dzen.ru/a/aPP3XbgT1ij3-yaN
