Как сделать реактор железного человека
Обновлено: 04.07.2024
Учёные уже 60 лет пытаются освоить термоядерный синтез — чистый и неисчерпаемый источник энергии. Несмотря на все прорывы, особых успехов нет (возможно, и не будет вовсе).
В последний день 2021 года китайские учёные сообщили, что их опытный термоядерный реактор EAST нагрел плазму до 70 миллионов градусов и удерживал её 1056 секунд. По мнению руководителя эксперимента, физика-академика Гуна Сяньцзу, это достижение — надёжная основа для запуска рабочего термоядерного реактора, который будет вырабатывать энергию.
Покорение ядерного синтеза приведёт к революции в энергетике — электростанции станут в разы мощнее, при этом будут работать на экологически чистом и практически неисчерпаемом топливе. Однако учёные уже более 60 лет не могут взять термоядерные реакции под контроль, и даже последние достижения несильно приближают человечество к этой цели.
Химическое топливо работает безотказно, но неэффективно: его приходится тратить в больших количествах. Каждые сутки люди сжигают по 20 миллионов тонн угля и 25 миллионов бочек бензина, чтобы электростанции давали ток, котельные — тепло, а транспорт возил грузы и пассажиров. Миру нужно всё больше энергии, но запасы химического топлива на Земле ограничены и не восстанавливаются (на формирование угля и нефти уходят миллионы лет).
Предполагаемое количество ежегодных смертей от загрязнений, если бы уголь, нефть, газ или АЭС были единственными в мире источниками энергии, изображение Wikimedia
Главный же минус химического топлива — оно при горении выделяет в воздух массу опасных для здоровья частиц и углекислого газа, который создаёт на Земле парниковый эффект и приводит к глобальному потеплению. Замена чадящего угля на более чистые нефть и газ не решает проблемы полностью — парниковые выбросы при этом уменьшаются лишь наполовину. К тому же, природный газ сам по себе создаёт в 20-80 раз более сильный парниковый эффект, чем CO2, а полностью перекрыть его утечки при добыче, хранении и передаче вряд ли возможно.
Кардинальное решение этих проблем учёные предложили ещё в 1930-х годах — перейти с химического топлива на ядерное, которое выделяет энергию не из молекул, а из атомов. В 1954 году в Обнинске заработала первая атомная электростанция (АЭС), доказав расчёты и предположения физиков о высокой эффективности ядерного топлива. Хотя, например, Эйнштейн не верил, что при его жизни (он умер в 1955 году) люди освоят энергию атома.
Обнинская АЭС имела мощность всего пять мегаватт и с 2002 года используется только как музей, фото Росатома
Раскалывая на куски ядра атомов урана или плутония в управляемой цепной реакции, можно получить в полтора миллиона раз больше энергии, чем при сжигании природного газа той же массы. Один килограмм урана для АЭС заменяет три тысячи тонн угля для тепловой электростанции, это 40-50 железнодорожных вагонов. При этом — никакого горения, дыма, копоти и парниковых выбросов.
Ядерное топливо могло бы полностью покончить с нефтью и газом, если бы не один большой минус: радиоактивность. Ядра атомов урана сами по себе не очень стабильны и понемногу распадаются, излучая радиацию — квантовые частицы, заряженные большой энергией. Они разбивают встречные атомы на отдельные ядра и электроны (ионизируют вещество), что для живых существ убийственно: ткани и целые органы превращаются в кашу, а из-за поломок ДНК начинают расти раковые опухоли.
Учёные точно знают, что реакции синтеза работают — хотя бы потому, что за счёт них горят и светятся все звёзды во Вселенной, включая Солнце. Но это знание не слишком помогает зажечь термоядерный синтез на Земле. Точнее, зажечь можно без особого труда, как показали испытания термоядерных бомб, а вот с контролем над реакцией до сих пор большие проблемы.
Два атома должны очень сильно сблизиться, практически врезаться друг в друга, чтобы слиться в новый атом. Однако ядра атомов любого вещества имеют одинаковый электрический заряд (положительный), из-за чего они отталкиваются друг от друга кулоновской силой, которая растёт квадратично по мере сближения зарядов. Поэтому искусственный ядерный синтез становится крайне энергозатратным делом.
Звёзды комбинируют оба способа, но главную роль играет огромное давление — например, в центре Солнца оно превышает 11 миллиардов тонн на квадратный сантиметр. В таких условиях водород становится в 150 раз плотнее воды, и его атомы начинают соединяться в атомы гелия, выделяя энергию. Однако синтез в недрах звёзд неэффективен: реакция охватывает очень мало вещества в каждый момент времени, так что звёзды по сути не горят, а едва тлеют.
Второе отличие — плотность рабочей плазмы. Если в центре Солнца водород синтезируется в гелий при плотности в 10 раз больше, чем у золота, то плазма в типичном термоядерном реакторе имеет плотность в миллион раз меньше, чем у воздуха. Это приводит к парадоксальному эффекту: несмотря на огромные температуры, любое соприкосновение плазмы со стенкой реактора приводит к тому, что она мгновенно гаснет, не причиняя стенке серьёзного вреда (хотя порой всё-таки портит её).
Рабочая камера реактора должна выдерживать не только касания плазмы, но и мощную радиацию, из-за чего приходится подбирать особо прочные и стойкие материалы, фото Wikimedia
Такая особенность делает термоядерные реакторы очень безопасными, но эта же особенность — нескончаемая головная боль учёных и главное препятствие на пути к освоению энергии ядерного синтеза. Разреженную раскалённую плазму крайне сложно удержать под контролем. Физики пытаются добиться этого разными способами.
Самый распространённый тип термоядерных реакторов — токамак, придуманный советскими физиками Сахаровым и Таммом в 1951 году. Именно к этому типу относится международный реактор ITER, который строится сейчас во Франции силами двух десятков стран, а также китайский термоядерный реактор EAST.
Результаты, достигнутые советскими физиками на токамаке Т-3 в 1968 году, были такими впечатляющими, что в США их проигнорировали, посчитав ошибкой. Тогда советские учёные пригласили английских физиков и повторили эксперименты в их присутствии. После этого в мире начался бум строительства токамаков, который сошёл на нет только к середине 1980-х годов, когда учёные начали сталкиваться с ограничениями этого подхода.
Некоторые физики не согласились, что воссоздавать Солнце на Земле — провальная идея. Испытания термоядерных бомб, где реакция запускается благодаря сжатию заряда с помощью направленных взрывов, показали: высокое давление может снизить требования к температуре плазмы. Из этого наблюдения немецкий учёный фон Вайцзеккер и советский физик Аскарян в 1950-1960-х годах развили концепцию инерциального термоядерного синтеза.
Реакторы инерциального синтеза получают энергию из нескончаемой череды термоядерных микровзрывов. В рабочую камеру поступают топливные капсулы — шарики с дейтерием и тритием, которые со всех сторон накаляются лазерными лучами и взрываются. Ударная волна сходится к центру капсулы со скоростью 300 километров в секунду и сдавливает топливо до плотности в тысячу раз больше, чем у воды, что запускает реакцию синтеза.
Согласно расчётам, такой подход может в сто раз сократить затраты энергии по сравнению с нагревом плазмы в токамаках и стеллараторах. На практике всё не так радужно из-за ощутимых потерь энергии при работе реактора. Есть и куда больший недостаток: диаметр топливной капсулы не должен превышать двух миллиметров, иначе взрыв и сжатие будут неравномерными, и нужного давления просто не получится. А с такими маленькими капсулами не получается добиться выработки большого количества энергии.
Топливная капсула для инерциального реактора NIF, фото Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса
За прошедшие десятилетия учёные добились серьёзных успехов в контроле над реакцией ядерного синтеза. Если в 1960-х годах физики нагревали плазму в токамаках и стеллараторах до 40-50 миллионов градусов и мечтали удержать её хотя бы несколько секунд, то к настоящему времени эти показатели выросли в разы или даже на порядки.
В конце 2020 года учёные впервые преодолели барьер в 100 миллионов градусов — корейский токамак KSTAR нагрел плазму до такой температуры и удерживал её 20 секунд. Спустя полгода этот рекорд побил китайский термоядерный реактор EAST — физики смогли достичь температуры плазмы в 120 миллионов градусов и удерживать её 101 секунду. А на 20-секундном промежутке температуру удалось повысить до 160 миллионов градусов. И вот теперь EAST обеспечил 17 минут удержания плазмы, пусть и всего при 70 миллионах градусов.
Выглядит впечатляюще, если только не учитывать, что это весь прогресс за 50 лет. При этом цель — достичь температуры как минимум в 100-150 миллионов градусов и потенциально бесконечной продолжительности удержания плазмы. Только тогда реакция станет поддерживать сама себя, а реактор начнёт давать энергию вместо того, чтобы только поглощать её, как сейчас. Когда это случится — вряд ли возможно предсказать даже простой экстраполяцией.
Если вспомнить, что британский токамак JET ещё в 1997 году выдал 67% потраченной энергии — такой прогресс выглядит как топтание на месте. Впрочем, сравнивать между собой реакторы разных типов не совсем корректно. В 2013 году NIF мог выдать лишь 0,73% потраченной энергии — и вот этот почти стократный рост уже впечатляет и даёт повод для оптимизма. Возможно, именно инерциальные реакторы наиболее перспективны.
Однако у термоядерных реакторов всех типов есть ещё одна проблема: им для работы нужен тритий (это тоже разновидность водорода), потому что реакция с использованием одного лишь дейтерия требует вдвое большей температуры плазмы и в 10 раз больших затрат энергии, что на данный момент выглядит совсем неподъёмной задачей.
Тритий радиоактивен, но это полбеды. Главное, что сам по себе этот изотоп практически не встречается на Земле, так что его приходится делать искусственно, облучая нейтронами литий в ядерных реакторах. Килограмм трития обходится в 30 миллионов долларов и во всём мире его производят по нескольку килограммов в год, при этом каждый гигаватт выработанной термоядерной энергии потребует 56 килограммов этого вещества ежегодно.
Реактору ITER нужен целый криокомбинат для охлаждения сверхпроводящих электромагнитов — это ещё одна сложность, которой нет у обычных АЭС, фото ITER
Все эти проблемы приводят некоторых людей к мнению, что управляемый термоядерный синтез — химера, за которой можно гнаться бесконечно. Как иронизируют физики, до его покорения всегда остаётся 20 лет. Настроения критиков выразил Илон Маск во время обсуждения экологичности майнинга: он сказал, что термоядерный синтез не нужен, вместо него разумнее совершенствовать атомные электростанции и строить их как можно больше.
Реактор-размножитель на быстрых нейтронах БН-800, запущенный на Белоярской АЭС в 2015 году, фото Росатома
Реакторы-размножители на быстрых нейтронах производят больше ядерного топлива, чем потребляют во время работы и выработки энергии, так что при текущих потребностях в энергии можно даже не добывать новый уран. Они реализуют весь потенциал урана (обычные реакторы — только 3%) и позволяют уже сейчас повторно пустить в дело 99% накопленных отходов. Можно также использовать уран, добытый из морской воды — это обеспечит человечество энергией на миллиарды лет.
При добыче урана образуются радиоактивные отвалы, но их тоже можно превращать в дополнительное топливо, выдерживая в серной кислоте. Учёные Уральского федерального университета довели эту технологию до эффективности в 99,98% — в отвалах остаётся мизерное количество урана, которое незаметно на природном радиационном фоне.
Однако это не избавляет атомную энергетику от риска аварий с выбросом радиации и не делает её удобной для будущей космической экспансии — в дальние полёты с целью колонизации придётся брать тонны, а то и десятки тонн урана. На фоне всех проблем ядерного топлива термоядерные электростанции выглядят как источник энергии будущего: мощный, экологически чистый, безопасный, практически неисчерпаемый.
Подпишитесь на автора, если вам нравятся его публикации. Тогда вы будете получать уведомления о его новых статьях.
Отписаться от уведомлений вы всегда сможете в профиле автора.
Мы уже не раз видели, как художники и дизайнеры используют технологию 3D-печати для изготовления костюмов и реквизита. Ей все нипочем, будь то костюм для Хэллоуина или косплея. А как насчет дугового реактора Железного человека? Именно эта идея однажды вечером осенила голландского студента Тимо Малуче.
Малуче спроектировал все детали в программе Autodesk Inventor 2014, а потом напечатал их на 3D-принтере CartesioM. Однако и этого ему было мало. Он хотел добиться максимальной реалистичности, а это означало, что реактору должен был светиться.
Сейчас дуговой реактор служит Малуче ночником на прикроватной тумбочке. В будущем он планирует выложить файлы с чертежами реактора в открытый доступ, но прежде хочет немного доработать их.
С повышающим прочность экзоскелетом и реактивными лучами, а также роботом-помощником, стать настоящим Тони Старком будет достаточно сложно — и уж точно недешево — но не невозможно, во всяком случае.
Дуговой реактор
Несмотря на то, какие классные у Тони игрушки, без источника энергии они останутся только красивыми латами. Нужно подключить маленький дуговой реактор на основе холодного термоядерного синтеза.
Токамак гораздо крупнее, чем дуговой реактор — даже крупнее макета в Stark Industries — и до сих пор не вышел за рамки эксперимента. Но учитывая гениальность Тони в миниатюризации сложных конструкций, скорее всего, основа фантастического термоядерного реактора — именно токамак.
По словам Нила ДеГрасс Тайсона, проблема проектирования источника энергии размером с кулак не столько в генерации, сколько в хранении и потенциальных побочных эффектах. Для лучшей отдачи и минимизации ожогов, ДеГрасс Тайсон рекомендует источники питания другого типа: один из них может быть основан на контролируемой аннигиляции вещества и антивещества. Как в варп-двигателе, например.
Реактивные перчатки
Джетпак
Персональные джетпаки появились уже давно. Первый образец появился в 1919 году в России, его создателем стал изобретатель Александр Федорович Андреев, но только в 1960 году первый джетпак был представлен публике. К сожалению, высокая стоимость и небольшое время в полете означало, что ажиотаж вокруг изобретения быстро исчезнет.
Но мечта живет. Новозеландская компания Martin Aircraft разработала Martin Jetpack, персональный реактивный ранец с бензиновым двигателем, который может находиться в воздухе до 30 минут за 1 раз. Он предназначен для потребительского рынка. По некоторым оценкам, цена его составляет около 1 миллиона долларов, и это минимум. Но никто не спорит с тем, что все инициативы дорого обходятся настоящему Тони Старку.
Военный экзоскелет
DARPA (Американское оборонное агентство передовых исследовательских проектов) работает над экзоскелетами, которые смогут улучшить физическую боеспособность американских солдат, более десяти лет. В 2010 году оборонный подрядчик Raytheon представил один из результатов наработок впервые: экзоскелет XOS 2.
Костюм предназначен для работы в области материально-технического обеспечения, то есть логистики, значительно повышает силу носителя, позволяя ему с легкостью пробить трехдюймовый слой дерева. Встроенная гидравлика работает независимо от мышц владельца костюма, тем самым давая ему возможность работать за троих. Легкие материалы и конструкция оставляют маневренность, чем не может похвастать массивная военная техника.
Есть, конечно, и проблема. Каждый костюм должен быть подключен к розетке, а также связан с центральной панелью управления. Выпуск костюмов с привязкой намечен на 2015 год, а пока Raytheon разрабатывает непривязанные костюмы для использования в будущем.
Медицинский экзоскелет
Экзоскелеты используются не только в военной среде, конечно. За пределами театра военных действий те же технологии могут помочь людям заново учится ходить и обрести дополнительные мышцы. На самом деле, это Ekso Bionics, один из лидеров в сфере разработки медицинских экзоскелетов, поделилась своими технологиями с Lockheed Martin для военных целей, а не наоборот.
Как и военный экзоскелет, медицинские устройства призваны помочь телу с целью добавочной силы, кроме этого, они помогут мышцам переучиться и укрепят их в процессе. Возможно, с их помощью и нельзя поднять ряд деревянных балок или ракеты, например, но благодаря экзоскелетам люди, не умеющие ходить или не имеющие такой драгоценной возможности, получат ее.
Компьютеры, управляемые силой мысли
Если факт того, что Тони Старк контролирует весь костюм высокотехнологичной брони силой мысли, кажется вам совершенно невозможным, как же вас удивит то, что уже сейчас существуют технологии, с помощью которых можно контролировать компьютерную систему одной лишь силой мысли.
В лаборатории по разработке перспективных технологий совместно с Рузбехом Джафари, доцентом кафедры электротехники в Техасском университете, разработана экспериментальная система, которая позволяет управлять, к примеру, планшетом Samsung Galaxy без сенсорных или голосовых команд. Все построено на том, куда вы смотрите и на чем сосредоточились.
Голографический дисплей
J.A.R.V.I.S.
Умные дома всегда были заманчивой идеей для любителей фантастики. Однако с достижениями в области беспроводных сетей, а также анализа данных и искусственного интеллекта, системы вроде J.A.R.V.I.S. скорым ходом приближаются к научной реальности.
По словам Даяны Кук из Вашингтонской университетской школы компьютерных наук и электротехники, ключом к разумному жилищу будет вездесущий интеллект, способный искать и интерпретировать информацию, а также автономно действовать согласно алгоритмам. Некоторые из подобных систем уже работают в вашем доме. Кондиционеры могут автоматически настраивать температуру, холодильники — автоматически размораживаться. И так далее.
Ролики
Возникает закономерный вопрос: хотя толчок к развитию технологий в фильме привел к созданию элементов непомерной мощности, почему бы не взять и не оснастить свой железный костюм роликами?
Пеппер Потс
К сожалению, на вопрос, как найти разумную и симпатичную секретаршу, которая будет безгранично предана своему боссу, наука так и не дает однозначного ответа.
Скажите пожалуйста (либо поделитесь ссылкой, только не англоязычной) , как сделать реактор для ношения на груди, как у Тони Старка из фильма "Железный Человек"? Только не надо выставлять себя глупцами, говоря, что это невозможно - я же не прошу инструкцию по созданию работающей модели по оттягиванию кусков железа от сердца. Мне лишь нужно, чтобы эта чушь светилась и сквозь футболку выглядела правдоподобно.
Увеличить
У меня уже есть инструкция на английском, но я ее не понимаю: ссылка.
Буду очень благодарен, если поможете. Просто хочу впечатлить свою девушку, которая без ума от Роберта Дауни Мл. и его роли в этом фильме :)
Это замечательная подсказка, честно, но в итоге (по видео), получается не так похоже на первоисточник, как в скриншоте, прикрепленном мной.
Есть еще линки?
Это Вы выставляете себя глупцом, называя светодиодную панель "реактором". Жаль человека, который путает сложное техническое устройство для получения энергии из химических или ядерных реакций с елочной гирляндой.
И все же ты глупец. Учи матчасть - у Тони Старка был термоядерный реактор, с помощью которого он генерировал энергию для различных нужд. Себе же я, ясен пень, пытаюсь сделать не реактор, а его имитатор. Чтобы он ЛИШЬ ВЫГЛЯДЕЛ, как устройство, а не функционировал как оно.
Ты че тупиш то кто блять будет делать дома настоящий термоядерный реактор. Нужно лишь его подобие без выработки энергии.(хотя не отказался бы и от настоящего)
Гастарбайтер Мыслитель (7305) Извините молодой человек, но тупите Вы. Еще раз внимательно прочитайте мой ответ, там все предельно ясно написано. И потом, Ваше нехорошее слово бл. ть на самом деле пишется как "бл. дь". Грамотность повышайте. Удачи.
До чего же люди мелочны.
Читай книги, парень -- там все написано, и перестань маяться дурью.
Читать книги по созданию подобных вещей? Смысл, если мне нужно соорудить лишь одно устройство? Лучше бы помог с решением, чем меня в чем-то упрекать)
киношный инвентарь это а не реактор это светодиоды и прямые руки с паяльником Вам в помощь.
а настоящий реактор низкотемпературного ядерного синтеза излучает гамма радиацию. человек бы возле него сгорел как порох за минуты.
Учите физику и хорошо учитесь в школе с девушкой познакомьтесь. а не заморачивайтесь на дурь
Берешь яркие светодиоды, закрепляешь на куске фанеры или пластика, параллельно припаиваешь, тянешь провода к карману с батарейкой. Вот и вся инструкция.
Только зачем тебе это?
я моуг поделится опытом и чертежами как сделать низкотемпературный реактор, но из-за вытекающих проблем описанных Алой, нужно будет при размерах как у Тони, его сажать в кожух, ставить охлаждение и кучу всего.
в итоге от него можно питать твою игрушку, которуюб сделаешь на галогенных лампах и они будут просвечивать даже со спины у тебя
Источник: только вот вес реактора будет небольшой, да, всего около 4 - 4,5тонн, да и размером он будет как большая дорожная сумка и рюкзак за спиной, поэтому думай, какой реактор ты хоешь
Читайте также: