Фотонный двигатель своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

Первое место в ряду перспективных источников энергии занимает управляемый термоядерный синтез (УТС). Перспективы, которые обещает осуществление УТС, беспрецедентны по своим масштабам, и это заставляет ученых всего мира упорно штурмовать термоядерную крепость. Этот штурм продолжается более 50 лет, но, к сожалению, несмотря и на беспрецедентные финансовые затраты по этим проектам, человечество не получило еще ни одного ватта обещанной энергии.

Если гипотетически представить, что все трудности в каждом способе УТС (магнитном удержании плазмы, инерциальном синтезе, холодном ядерном синтезе) успешно преодолены и одна из глобальных задач человечества решена, то мы не достигнем главного. Мечта о межзвездных полетах и освоении ближнего и дальнего космоса останется мечтой. Кроме того, без фотонных ракетных двигателей, как средства доставки, наша планета останется слишком уязвимой для космических "странников" типа комет, астероидов.
О высокой эффективности УТС свидетельствует положительный баланс в извлечении энергии.

При ядерных реакциях деления можно получить 0,1 % от всей энергии вещества, при ядерном синтезе - примерно 0,6 %. Но теорией не запрещено получение 100 % энергии, что становится возможным при аннигиляции вещества. Безусловно, получить 100 % энергии вещества на современном уровне технологий - не столь близкая перспектива, но о получении энергии в 2. 3 % в земных условиях следует задуматься уже в ближайшем будущем.

С появлением квантовых генераторов возникли новые направления в физике, были открыты ранее неизвестные эффекты. На основе некоторых из них можно создать устройство, позволяющее получить мощное локальное магнитное поле с индукцией 10 12 …10 13 Гс. Такие поля достигаются на стадиях эволюции звезд при быстром сжатии (коллапсе) их ядра с последующим образованием нейтронной звезды.

Создание магнитного поля с индукцией 10 13 Гс

Начиная с 70-х годов прошлого века группа ученых в составе А. Борисова, А. Боровского, В. Коробкина, А. Прохорова и других изучала явление самоканалирования мощных ультракоротких лазерных импульсов в веществе. Этот режим волноводного распространения света в веществе предсказал Г. Аскарьян в 1962 г. Критическая мощность, необходимая для релятивистско-скрикционного самоканалирования ультракороткого импульса, составляет величину Р ~ 3·10 11 Вт. Как установлено, обнаруженный нелинейный режим, приводящий к сильной самоконцентрации оптической энергии в малой области, перемещающейся в веществе, открывает интересные перспективы. Одним из возможных приложений является генерация сверхсильных магнитных полей. В ходе экспериментов с конденсированными средами был обнаружен эффект возникновения лазерной ЭДС в металлах. Лазерная ЭДС проявлялась, когда один из торцов металлического кольца (аналог биттеровского) освещали ультракоротким импульсом лазера с мощностью 1…10 МДж. Выбитые лучом лазера с торца электроны переходили на противоположный торец, отчего возникал импульс тока в 50 кА. Возникающее магнитное поле было порядка 10 7 Гс. Диаметр металлического кольца был на уровне нескольких миллиметров (для уменьшения реактивного сопротивления), а длительность лазерного импульса - примерно t =10 -6 с. При большей длительности импульса кольцо расплавится или его разорвет магнитное поле. Но при импульсе в одну микросекунду в нем не возникали даже механические напряжения.

При экспериментальной работе была получена оценка величины магнитного поля в веществе в самоканалированном режиме: индукция составляет ~ 60 МГс.

Для получения более высоких показателей магнитного поля необходимо увеличить плотность электронов в среде (для металлов ~ 10 23 см -3 ) или увеличить диаметр лазерного луча, сохранив интенсивность излучения. В связи с тем, что повышение интенсивности излучения связано с отдаленной перспективой развития лазерных технологий, целесообразно попытаться увеличить плотность электронов. Для этого необходимо разместить соленоиды, подобные биттеровскому, один за другим. При такой компоновке, если лазерный луч или два луча от разных лазеров будут иметь возможность последовательно и кратковременно освещать эмиссионные торцы соленоидов, то при освещении торца первого соленоида в нем возникнет мощный импульс магнитного поля, который по закону электромагнитной индукции произведет разделение зарядов в соседнем соленоиде. Разделение зарядов означает, что электронная компонента (валентные электроны) под действием пандеромоторной силы выталкиваются из объема металла соленоида на эмиссионный торец. Следовательно, на нем произойдет возрастание электронной плотности. Если в этот момент лазерный луч осветит эмиссионный торец соленоида, то значение лазерной ЭДС возрастет. Как следствие, возрастет и возникающее магнитное поле.
Численные расчеты пандеромоторной силы, действующей на свободные электроны во втором соленоиде вследствие влияния магнитного поля В = 10 7 Гс первого соленоида свидетельствуют о возрастании плотности электронной компоненты на эмиссионной поверхности второго соленоида на семь порядков, т.е. показатель плотности близок к значению 10 30 см -3 . Возросшая плотность будет наблюдаться в слое меньшем, чем глубина скин-эффекта для лазерного излучения. Повышение плотности электронной компоненты позволит подойти к значениям магнитного поля с индукцией порядка ~ 10 12 …10 13 Гс.

Достижению таких значений магнитного поля будет способствовать и оптическое явление, связанное с перестройкой структуры конденсированной среды под воздействием мощного лазерного излучения.

Согласно теории, заряженные частицы при движении в магнитном поле могут изменять направление своего движения. Так, они могут вращаться по ларморовской окружности с определенной скоростью (поперечной скоростью), либо, в более сложном случае, центры ларморовских окружностей могут двигаться вдоль силовых линий.

В общем случае магнитные поля неоднородны, но в микромасштабах напряженность поля меняется очень мало.

Вакуумное рождение частиц

На основе фундаментальных соотношений неопределенности Гейзенберга построены современные квантово-полевые представления о физическом вакууме (ФВ), который не является пустым пространством. В квантовой электродинамике вакуум "мигает" появляющимися полями, "кипит" рождающимися на короткое время электрон-позитронными парами. Такие поля и частицы называются виртуальными. Прямым экспериментальным подтверждением существования ФВ являются такие тонкие физические эффекты, как поляризация вакуума, лэмбовский сдвиг энергетических уровней в атоме водорода, аномальный магнитный момент электрона, эффект Казимира и ускоренное космологическое расширение Вселенной. В ведущих лабораториях мира ученые пытаются вызвать вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях, основываясь на эффекте, качественно предсказанном еще в 30-х годах ХХ века.
Квантовая электродинамика описывает механизм рождения из вакуума электрон-позитронных пар следующим образом. В силу соотношения неопределенностей возможно кратковременное нарушение закона сохранения энергии и из вакуума может появиться виртуальная электрон-позитронная пара. Если внешнее электрическое поле способно произвести работу, то рождение пары из вакуума становится реальным процессом. Для этого поле должно быть порядка критического: Екр ~ 3·10 16 В/см. В этих условиях вакуум становится неустойчивым и из него могут рождаться электрон-позитронные пары.

Для получения электрических полей с релятивистскими напряженностями используются мощные лазеры до 10 21 Вт/см 2 с высокой фокусировкой лучей и длительностью импульса порядка фемтосекунд, но пока не удается достичь Е_кр.

В соответствии с кинетическим уравнением (КУ), описывающим нестационарное вакуумное рождение частиц, которое было теоретически обосновано в 1997 г. физиками-теоретиками из разных стран, процессы соударения частиц и их ускорение зависит как от собственного электромагнитного поля, создаваемого частицами, так и внешнего создаваемого сильными полями. В результате КУ и уравнение Максвелла образуют замкнутую нелинейную систему интегродифференциальных уравнений, описывающих совместную эволюцию поля и частиц.

Это означает, что при некоторой плотности рожденных из вакуума частиц необходимо учитывать собственное внутреннее поле. Частицы из виртуального состояния перешли в реальный спектр времени, а это значит, реальным стало их общее электрон-позитронное поле. Это поле может стать равным или больше Е_кр. Поэтому после короткого импульса внешнего поля, вызвавшего рождение вакуумных частиц, система начнет эволюционировать самосогласованным образом даже после снятия этого поля.
Для достижения той же цели рождение из вакуума электрон-позитронных пар частиц предлагается использовать критическое магнитное поле. Оно было рассчитано А.А. Соколовым, Н.П. Клепиковым и И.М. Терновым в 1953 г., Ю. Швингером в 1954 г. которые получили следующий результат для потребной магнитной индукции так называемого Швингеровского поля ~ 4,41·10 13 Гс.

Известно, что затормозить или разогнать частицу гораздо труднее, чем заставить свернуть с пути, не меняя ее скорости. Сила Лоренца не совершает работы, она направлена перпендикулярно вектору скорости частицы, в связи с чем появляется возможность использования порогового эффекта по частоте для виртуальных частиц, рождаемых в вакууме, поскольку при критическом значении магнитной индукции энергия кратковременно появляющихся вакуумных электрон-позитронных пар m·с 2 перейдет в энергию вращения по ларморовской окружности.

Установка на основе лазерной ЭДС создает локальное магнитное поле по порядку В_кр = 10 13 Гс. Следовательно, в таком поле энергия кратковременно появившихся из вакуума частиц m·c 2 перейдет в кинетическую энергию вращения по ларморовской окружности. В режиме "замагничивания" движение виртуальных частиц навстречу друг другу с целью дальнейшей аннигиляции станет невозможным. Поскольку время действия магнитного поля на много порядков превышает время кратковременного появления виртуальных вакуумных пар, то режим "замагничивания" позволяет перевести частицы в реальный спектр времени, т.е. стать наблюдаемыми частицами. В свою очередь, наблюдаемые частицы вызовут эффекты поляризации вакуума, характеризуемые множественным процессом рождения из вакуума виртуальных электрон-позитронных пар, которые также подвергнутся "замагничиванию". Такой множественный и последовательный процесс рождения и "замагничивания" будет развиваться далее неудержимо и лавинообразно, что приведет к образованию плазменного сгустка.

Это первый лайнер за более чем полвека, заходя в салон которого, вы будете точно знать, что находитесь именно в МС-21, а не в Аэрбас или Боинг.

И это не шутка. Поверить в это действительно сложно, мы же привыкли думать, что в России плохой сервис, климат и вообще всё.

Вступайте в другие наши группы и добавляйте нас в друзья :)

_{Квантовый двигатель черпает энергию из новой физики}

Опытный образец квантового двигателя («Гравитации нашли работу«), создающий тягу без выброса реактивной массы, вызвал невероятный ажиотаж. Общественное мнение, как обычно, разделилось на верящих в проект и считающих его фантастикой. Что касается должностных лиц, то они, вероятно, не осознают серьезности открытия и его практического применения.

Владимир Леонов: квантовый двигатель, работающий без выброса реактивной струи, ставит под сомнение основы классической механики. Парадоксально, но нынешнему поколению вбито в головы, что реактивный способ движения в космосе является единственно возможным (кстати, Константин Циолковский так не считал), поскольку соответствует закону сохранения импульса силы и количества движения, сформулированному Ньютоном 350 лет назад.

Но еще Эйнштейн 100 лет назад показал, что в области релятивистских скоростей классическая механика уже не работает и релятивистский импульс уже не соответствует классическому импульсу.

— Какие результаты вами были получены и насколько они объективны?

В. Л.: Напомню, что удельная сила тяги определяет потребляемую двигателем мощность (в киловаттах — кВт) на создание единицы силы тяги (в ньютонах — Н, 1 кг силы = 9,8 Н). По результатам испытаний опытный образец квантового двигателя достоверно развил удельную силу тяги 115 Н/кВт. Это в 165 раз больше, чем у самого лучшего жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), удельная сила тяги которого не превышает 0,7 Н/кВт. Это означает, что космический летательный аппарат (ЛА) с квантовым двигателем будет потреблять энергии в 165 раз меньше по сравнению с современным ракетоносителем (РН) на химическом топливе. С такими параметрами космический ЛА с квантовым двигателем сможет длительно работать как в атмосфере, так и космосе. Это невозможно осуществить традиционным путем.

Борис Арбузов: Владимир Семенович кратко и четко рассказал об этой очень важной проблеме. Мне, как физику-теоретику, важно понять, как и за счет чего получены такие результаты. Я подходил к проблеме несохранения классического импульса еще в 1967 году (первая публикация в ЖЭТФ), а потом в 1974-м, когда шла речь о случаях проявления данного эффекта. Пытался понять, а нет ли в геометрии нашего пространства дополнительных вкладов не только от гравитационного, но и от других полей. В частности, электромагнитного. То, что в основе гравитационного поля лежит электромагнитное, четко показано в теории суперобъединения Леонова и подтверждает мои выводы.

Ранее мы говорили, что на падающее яблоко действует сила тяготения Земли. В основе классической механики лежат лагранжевы уравнения движения. В электромагнитном поле действует сила Лоренца. Новые физические эффекты появляются при взаимодействии электромагнитного и гравитационного полей. В результате возникают градиент энергии и дополнительная сила. Ее природу надо искать в проявлении сильных магнитных (электромагнитных) полей, которые вносят дополнительный вклад в структуру пространства-времени.

Безусловно, тут еще много неизвестного, но главное — есть экспериментальный эффект возникновения дополнительного градиента энергии и создания мощной тяги.

— В последние несколько лет появилась информация о необычных эффектах, интерпретация которых при следовании стандартным физическим принципам кажется невозможной. Имеются в виду так называемые устройства EmDrive. Утверждается, что эффект состоит в появлении силы, которая влияет на изолированный объект без внешнего воздействия, только за счет внутренних высокочастотных электромагнитных процессов. Это так?

С одной стороны, такие результаты у большинства физиков вызывают недоверие из-за возможности противоречия с сохранением импульса. Однако вполне целесообразно задаться вопросом: к каким следствиям это может привести? В общей теории относительности пробное тело движется по геодезической линии (обобщение прямой линии), которая определяется геометрией пространства. Но при использовании иного метода измерений возникает новая сила, которая оказывается связанной с электромагнитными полями. Именно она приводит к вертикальной тяге, получаемой исключительно за счет внутренних процессов в системе.

Дальнейшие работы по изучению и применению рассмотренных эффектов вполне могут привести к созданию принципиально новых перспективных двигателей. Нужно отметить несомненное научное значение этих исследований для физики и астрофизики.

Эдуард Смольяков: В подтверждение слов профессора Арбузова я утверждаю, что в квантовом двигателе с позиций классической механики мы действительно наблюдаем несохранение импульса. Дело в том, что классическая механика рассматривает динамику движения тела. А с позиций квантовой теории нарушение закона сохранения импульса в квантовом двигателе не наблюдается, поскольку она оперирует уже понятием поля и частиц. Как показано в теории суперобъединения Леонова, космическое четырехмерное пространство-время является квантованным (состоящим из квантонов) и представляет собой глобальное энергетическое поле, с которым взаимодействует двигатель. Он создает силу тяги, отталкиваясь от этого глобального поля. Так что все в порядке.

Теоретические расчеты, основанные на существенно более общих уравнениях, чем уравнения Максвелла и Ньютона, показывают возможность движения с большими ускорениями с помощью создаваемого на борту летательного аппарата мощного управляемого магнитного поля, обеспечивающего не только ускоренное движение (без использования реактивной тяги), в сотни раз превышающее ускорение свободного падения на Земле, но и комфортное для экипажа состояние без инерциальных перегрузок.

— Вы, видимо, ознакомились с теорией суперобъединения Леонова. Каково ваше мнение?

Э. С.: Когда вник в нее, тут же поздравил Владимира Семеновича. Это, на мой взгляд, самая красивая и стройная физическая теория. В ее логичности — залог того, что она окажется самой точной из всех известных моделей реального мира.

Кстати, за 10 лет после публикации теории суперобъединения в Великобритании (Кембридж) официальной критики ее в мировой научной литературе не последовало. Даже комиссия по лженауке РАН официально не отважилась подвергать ее остракизму. Теория суперобъединения — чисто российское достижение, ничего подобного на Западе не создано.

Александр Гневко: В Военной академии РВСН им. Петра Великого была создана инициативная группа по изучению нереактивного движения и скорости гравитации, которая нами измерена по действию лунных и солнечных приливов. Материалы экспериментов опубликованы. Мы живем в век покорения гравитации и антигравитации. И для того, чтобы рассчитывать параметры антигравитационного квантового двигателя, необходимо знать скорость распространения гравитации (гравитационной волны), которая никем не измерена экспериментально. Это требуется также при создании квантовых генераторов гравитационных волн (гразеров), которые по сравнению с лазерами будут представлять еще более мощные системы лучевого оружия.

Я всецело поддерживаю идею разработки и освоения квантовых двигателей для ЛА нового поколения. Это даст огромный скачок в развитии техники и новых систем вооружения. В большинстве случаев оценки мои и Леонова совпадают.

К сожалению, фундаментальная наука у нас почти не финансируется, тем более в области гравитации и антигравитации, а американцы за это уже получают Нобелевские премии. Группа Леонова, считаю, сделала важный прорыв на одном энтузиазме. Но этому направлению надо придать государственный статус. Пока наша военная промышленность держится на советском заделе, но он заканчивается. А что дальше? По идее — освоение антигравитационных квантовых двигателей для ЛА нового поколения. Не сделаем этого мы, сделают наши потенциальные противники. Будущая война начнется в космосе, и мы должны быть к этому готовы.

Есть еще один важный момент. Где сейчас в природе основной источник энергии? Все думают про атом. Но, по оценке физиков, основная энергия сосредоточена в космическом вакууме, в так называемой темной материи. Леонову удалось раскрыть квантованную структуру космического вакуума и оценить его колоссальную энергоемкость, используя квазитвердотельную модель. Нам предстоит освоить новые виды этой колоссальной космической энергии.

В. Л.: Фундаментальные исследования профессора Гневко в области измерения скорости гравитации заслуживают Нобелевской премии. Но ему нужна государственная поддержка, в противном случае эту работу перехватят американцы, как это мы неоднократно наблюдали с другими проектами в лихие 90-е.

Василий Подколзин: Когда Александр Федорович Можайский создавал свой самолет, паровые двигатели не могли обеспечить для него подъемную силу и необходимую скорость полета. Более того, никто не верил, что тело, тяжелее воздуха, сможет оторваться от земли и совершить полет. Когда появились двигатели внутреннего сгорания, мир коренным образом изменился. Но и у этих двигателей оказался свой предел возможностей. Обеспечить самолету скорость более 730 километров в час они не могли. Это оказалось по силам реактивному (турбореактивному) двигателю, которому на смену может прийти квантовый.

Что такое теория суперобъединения Леонова? В результате взаимодействия магнитных, электромагнитных, гравитационных полей рождается сила, которую называют антигравитацией. Речь — о создании активатора, который позволит изгибать пространство и взаимодействовать с электрическими, магнитными, гравитационными полями, извлекая из них энергию. Физик Владимир Леонов уже 20 лет работает над этой теорией и сейчас воплотил свои выводы на практике.

Я и раньше излагал мысли о создании двигателя, работающего на принципе реверса гравитационных сил. Они активируются из времени и пространства, выдают энергию, подтверждаю, в десятки, сотни раз больше, чем обычные ЖРД. Поэтому для продвижения этой идеи, на мой взгляд, надо создать демонстратор в виде летательного аппарата. Тем самым докажем, что это все не ерунда. Китайцы, по некоторым данным, уже запустили в космос квантовый двигатель.

В. Л.: Наши инженеры, как и чиновники, к сожалению, пока не знают природы гравитации и антигравитации, что такое релятивистский и квантовый импульсы, в чем их отличие от классического импульса силы. Это не их вина — так их учили. Но чиновники принимают решения. И наша задача — убедить их в необходимости освоения квантовых двигателей для космоса на государственном уровне. Необходимо отметить, что новые технологии, помимо военного применения, дают колоссальный коммерческий эффект. Прибыль для государства будет огромная. Так, предлагаемая нами низкоорбитальная сотовая сеть даст 200 миллиардов долларов, обеспечив надежной связью всю территорию страны и планеты. Для этого нужны спутники-ретрансляторы, которые можно удерживать на низких орбитах с помощью малых квантовых двигателей при их питании от солнечных батарей.

Группой Леонова был предложен также проект тяжелой космической платформы с четырьмя КвД с тягой по 100 тонн каждый. Стартовая масса — 380 тонн. Полезный груз, выводимый на орбиту 500 километров, — 180 тонн. Расход топлива — 25 тонн (водород — кислород). Но проект даже без обсуждения отклонен, поскольку, мол, Роскосмос уже работает над тяжелой ракетой со стартовой массой три тысячи тонн и полезным грузом 105 тонн. Сравните эти показатели и выводы сделайте сами. Есть опасность, что мы навсегда отстанем в этом направлении от США и Китая.

Нужны двигатели, работающие на новых физических принципах, которые могут активно маневрировать в воздухе и космосе. КвД в сто раз экономичнее, эффективнее обычного ЖРД. Это революционное достижение в космическом двигателестроении, что нельзя не ценить.

Задача теперь — донести наши доводы до руководства ОПК, Министерства обороны, президента Российской Федерации. Ведь это настоящий прорыв в будущее.

Со знанием дела

Фундаментальная наука проникла в природу гравитации и антигравитации, квантовую структуру пространства. Это позволяет создать двигатели, не требующие топлива.

По результатам испытаний опытный образец квантового двигателя развил удельную силу тяги в 165 раз больше, чем у самого лучшего жидкостного ракетного двигателя.

Новая сила, которая оказывается связанной с электромагнитными полями, приводит к вертикальной тяге, получаемой исключительно за счет внутренних процессов в системе.

Основная энергия сосредоточена в космическом вакууме, в так называемой темной материи. Нам предстоит освоить новые виды этой колоссальной космической энергии.

Чтобы удержать военный паритет, мы должны опираться на гравитационное оружие. Если американцы сделают его первыми, наш ядерный щит не выполнит своей защитной функции.

Надо создать демонстратор в виде летательного аппарата. Тем самым докажем, что это не ерунда. Китайцы, по некоторым данным, уже запустили в космос квантовый двигатель.

Читайте в Дзене

В Объединённой двигателестроительной корпорации Ростеха смотрят в будущее, и поэтому заговорили о создании гибридной силовой установки (ГСУ).

Эту силовую установку планируют использовать в вертолетах Ансат, VRT-500 и Ка-226Т, где сейчас используются импортные двигатели.

Сахалин даже в XXI веке был изрезан "наследием" японкой оккупации словно шрамами на теле. Эти шрамы можно было видеть на любой карте.

Тепловые двигатели преобразуют тепло в другие виды энергии. Новый квантовый тепловой двигатель может генерировать больше энергии, чем классические аналоги.

Двигатели внутреннего сгорания работают благодаря известному второму закону термодинамики. Этот закон справедлив и для сверхмалых двигателей в квантовой сфере, но с небольшими отклонениями. Исследованиями установлено, что квантовая запутанность может помочь отдельным атомам управлять тепловыми машинами.

Информация, безусловно, важна для понимания термодинамики, а также совершенно необходима для понимания странных частей квантовой механики. Крошечные кусочки материи могут существовать в двух местах одновременно, это явление называется суперпозицией. Две или более частиц могут быть разбиты в так называемое запутанное состояние, запутанно связывая свойства частиц независимо от расстояния между ними.

Хотя второй закон остается в силе, способность использовать информацию из квантовых эффектов помогает делать то, что невозможно было делать классически.

Когда французский инженер Сади Карно рассчитал максимальную эффективность теплового двигателя в 1824 году, он понятия не имел, что такое тепло. В те дни физики считали, что тепло - это жидкость, называемая калорией. Но для Карно, которого позже рассматривали как пионера в установлении второго закона термодинамики, и не нужно было знать эти детали, потому что термодинамика нечувствительна к микроскопическим деталям. Тепло всегда распространяется от горячего к холодному независимо от того, состоит ли оно из жидкости или металла. Термодинамика, законы и уравнения, управляющие энергией и ее полезностью для работы, касается только общей картины.

Это успешный классический подход. Как того требует термодинамика, энергия всегда сохраняется (первый закон), и когда она распространяется от горячего к холодному, она может выполнять работу, ограниченную генерацией беспорядка или энтропии (второй закон). Эти законы определяют все, начиная от расстояния перемещения на литре топлива, которое двигатель автомобиля может реализовать до батареи аккумулятора смартфона. Они помогают физикам лучше понять черные дыры и понять, почему время движется вперед, а не назад.

Тем не менее, общий подход, учитывающий поле, а не колоски, заставил физиков задуматься, действует ли термодинамика на всех уровнях. Будет ли это работать, если двигатель состоит из трех молекул, а не из типичного триллиона триллионов? Возможно, термодинамический код не так уж жесток в области очень малых размеров, управляемых причудливыми правилами квантовой механики.

Ученые Университета Ватерлоо в Канаде разработали первый в мире квантово-тепловой двигатель. Для создания устройства исследователи использовали систему со спином 1/2 на основе молекулы хлороформа и применили методы ядерного магнитного резонанса. С помощью радиочастотного поля они изменили магнитный момент ядерного ядра изотопа углерод-13, чтобы получить цикл Отто - термодинамический цикл, который используется в двигателях внутреннего сгорания.

За последние несколько десятилетий физики постепенно исследовали поток тепла на квантовом уровне, и были заинтригованы обнаруженными нарушениями второго закона термодинамики. Пока что второй закон остается в силе, но новые точные экспериментальные методы позволяют физикам более полно исследовать квантовые основы термодинамики и получить интересные результаты. Проверяя пределы, установленные теоретиками, исследователи строят крошечные двигатели, некоторые из которых приводятся в действие одним атомом, и измеряют слабую мощность устройств. Эксперименты, проведенные на протяжении многих лет, показали, что если второй закон термодинамики действительно нарушается в небольших масштабах, то это нарушение не очень велико.

Квантовые двигатели

Будущее практического применения этой работы будет зависеть от понимания того, как основные термодинамические принципы действуют в сверхмалых масштабах.

В проведенных исследованиях квантовый двигатель превзошел свой традиционный эквивалент, без каких-либо особых настроек в его среде. Устройство использует странную физику очень маленьких объектов для производства большей мощности, чем стандартный или классический двигатель в тех же условиях.

Устройство представляет собой тип теплового двигателя. Традиционные тепловые двигатели превращают тепло в движение. Например, двигатель внутреннего сгорания автомобиля сжигает топливо для перемещения поршней по цилиндру, в результате чего автомобиль движется вперед. Другие тепловые двигатели имеют увеличенные мощности. Но прирост мощности этих машин полагается на изменения в окружающей среде вне основной машины - например, источник тепла машины, возможно, был наделен дополнительными полезными свойствами - поэтому большая мощность не была полностью характерной особенностью самой машины.

В новом исследовании квантовый двигатель работает не путем зажигания бензина, а с помощью лазера, чтобы заставить электрон внутри крошечного дефекта кристалла алмаза перепрыгнуть между уровнями энергии. И вместо того, чтобы двигать поршни, квантовая машина выводит свою мощность в электромагнитных волнах.

Вот где появляется квантовая часть: объекты, которые ведут себя в соответствии с квантовой механикой, иногда находятся в подвешенном состоянии, известном как суперпозиция, то есть они пойманы в двух местах одновременно или в двух разных конфигурациях. Электрон в квантовом двигателе может находиться в суперпозиции двух энергетических уровней. Как будто поршень двигателя автомобиля одновременно находился в верхнем и нижнем положениях.

Квантовое увеличение мощности проявляется только в том случае, если двигатель работает чрезвычайно осторожно, как автомобильный двигатель, в котором поршни двигаются незначительно во время каждого цикла. Это означает, что квантовая машина не заменяет всех возможных конкурентов, а только тех, которые также работают в этом спокойном состоянии, а пока большинство из них работают на других режимах.

Вместо того, чтобы анализировать энтропию напрямую, команда Оппенгейма изучила, сколько энергии у системы есть для выполнения работы - количество, называемое свободной энергией. В нашем макроскопическом мире количество свободной энергии зависит только от температуры и энтропии системы. Но, приближаясь к меньшим и меньшим коллекциям частиц, исследователи обнаружили, что им нужно было учесть еще несколько разновидностей свободной энергии. Каждый из них уменьшается со временем. Другими словами, второй закон требует соблюдения еще большего количества правил на квантовом уровне.

Информационное преимущество преобразования тепла в работу

Многие физики пытаются использовать суперпозицию, квантовую запутанность и другие квантовые хитрости для выполнения информационных задач, которые невозможны по правилам классической физики. Исследователи предполагают сверхзащищенные сети связи и квантовые компьютеры, которые используют запутанные фотоны или ионы для легкого решения сложных проблем.

Но информация означает гораздо больше, чем просто обмен и обработка единиц и нулей. В результате физики, размышляющие над квантовыми вычислениями и коммуникацией, обратили свое внимание на термодинамику. Они начали решать вопрос, могут ли такие свойства, как запутанность, также дать преимущество в преобразовании тепла в работу.

Двигатель размером с атом

В ближайшее время ученые смогут в лабораториях экспериментировать с двигателями, использующими квантовые эффекты. Немецкие исследователи уже сделали шаг к этой цели, построив тепловой двигатель, состоящий из одного атома. Йоханнес Роснагель, квантовый физик из Университета Майнца, и его коллеги построили конусообразную оболочку вокруг иона кальция. После использования лазера и электрического поля для нагрева иона примерно на один градус выше абсолютного нуля, исследователи измерили работу, выполняемую ионом, когда он оказывал небольшое усилие к вершине конуса.

Типичный двигатель (слева) использует тепловую энергию для привода турбины или выполнения какой-либо другой задачи. Уменьшите размер двигателя до минимального, и он может заставить один атом (справа, зеленая точка) вибрировать и выполнять небольшую работу.

Несмотря на измеримую выходную мощность одноионного двигателя, Роснагель предупреждает, что наноразмерные двигатели для практического использования находятся в лучшем случае на расстоянии десятилетий. Вместо этого полезность квантовой термодинамики, вероятно, будет происходить при развитии других технологий.

Квантовая термодинамика и управление теплом

Некоторые исследователи следят за индустрией компьютерных чипов стоимостью в несколько миллиардов долларов. В стремлении создавать все более быстрые компьютеры инженеры продолжают уменьшать транзисторы, чтобы все больше их количество упаковывать в микросхемы. Транзисторы шириной в несколько десятков нанометров имеют тенденцию к утечке электронов и нагреванию. Это тепло разрушает энергоэффективность компьютера и повреждает компоненты. Квантовая термодинамика может помочь физикам научиться трюкам, чтобы уменьшить количество потерянного тепла или, возможно, даже собрать его с помощью небольших устройств внутри компьютера.

Управление теплом еще более важно для физиков, стремящихся создать практические квантовые компьютеры. Такое устройство должно работать при экстремально низких температурах, чтобы использовать квантовые эффекты и потенциально превосходить традиционные компьютеры.

Некоторые представители физики утверждают, что подобные эксперименты могут в конечном итоге нарушить основополагающий второй закон термодинамики.

Самородок из Жуковки, потомок князей Трубчевских-Трубецких, завершил дело Эйнштейна, создав теорию Суперобъединения. Но это пустяки. Главное, что на основе своей теории Леонов сумел изготовить опытные образцы антигравитационных и, конечно же, квантовых двигателей.

Но для начала – наш традиционный НИКС-парад из самых забористых цитат участников испытания.

Кому интересно – читайте дальше. Или хотя бы посмотрите картинки. Не пожалеете.

Без шуток

Фотографии из лаборатории Леонова дают представление о широте интересов гениального изобретателя. Слева вверху он запечатлен с деталями квантового двигателя. Справа вверху – установка для исследования холодного синтеза в режиме кавитации. Слева внизу – макет квантового генератора гравитационных волн (гразера). Справа внизу – реактор холодного синтеза на эффекте Ушеренко (ускоритель закомуфлирован трубой – так написано в оригинальной подписи на сайте). А еще Леонов занимается синтезом кластеров электронно-позитронной плазмы, созданием нового поколения ТВ в режиме 3D и формате виртуальной реальности, изготовлением невидимых электромагнитных замков и многим другим.

Следуя протоколу

Далее в протоколе описывается ход испытаний с пространными отступлениями о прошлом и будущем изобретения.

Вверху: Измерение габаритных замеров (так написано в протоколе) аппарата КвД-1-2009. Длина – 1600 мм, ширина – 1400 мм, высота – 1050 мм, масса – 125 кг. Как видно на фото, измерения проводятся с большой точностью и еще большей важностью. Внизу: члены комиссии регистрируют результаты измерений.

Примечание НИКСа. Если верить протоколу, то Министерство обороны РФ смогло уклониться от сотрудничества с изобретателем Леоновым только сославшись на неготовность промышленности. Других причин для отказа от антигравитаторов у Минобороны, видимо, нет.

Читайте также: