Журнал "Домашняя лаборатория", 2006 №12

Холодный термояд

_{(по материалам www.cnews.ni)}

Комментарий: Сам термин "холодный термояд" был изобретен, чтобы подчеркнуть, что термоядерная реакция может происходить чуть ли не при комнатных температурах. Напомню, что для термоядерной реакции перехода тяжелого водорода (дейтерия) в гелий требуется как минимум температура 10 млн градусов. Такую температуру в больших объемах можно, например, достичь при взрыве атомной бомбы. На установках типа Токамак пытаются выжать и большую температуру в плазме электрического разряда, сконцентрированной магнитным полем. В последнее время возникло интересное направление в термоядерных исследованиях, связанное с попыткой получения нужной температуры в очень небольших объемах с помощью сверхмощного лазера.

История сообщений насчет "холодного термояда" берет свое начало в 1989 году. Тогда два экспериментатора, Мартин Флейшман и Стэнли Понс, объявили о возможности протекания управляемой реакции термоядерного синтеза при комнатной температуре в тяжелой воде при электролизе с использованием палладиевых электродов.

Говорилось, что при этом выделялась энергия, были зарегистрированы нейтроны и гамма-кванты.

Комментарий: За прошедшие годы так никому и не удалось воспроизвести результаты Флешмана и Понса. Даже если в тех экспериментах действительно что-то удалось зарегистрировать (при плохой постановке опытов и наличии достаточного числа ошибок — чудеса все-таки бывают) значимость тех результатов равна нулю. Значение имеют только воспроизводимые результаты, пусть даже с какой-то долей вероятности. Научный сотрудник является всего лишь первым, кто должен научиться делать что-то новое и он должен научить делать то же самое других.

Следующий виток истории о "холодном термояде" был уже связан с явлением сонолюминесценции. Давно известно, что при прохождении звуковых волн сквозь жидкость образуются крошечные пузырьки газа. В определенных условиях при схлопывании они излучают свет, называемый сонолюминесценцией, и нагреваются до тысяч градусов. Для того, чтобы запустить реакцию синтеза, необходимо добраться до заветного значения, равного 10 млн. градусов.

Группа Рузи Талейархана (Окриджская национальная лаборатория) утверждала, что ей удалось этого добиться. В их экспериментальной установке для образования микроскопических пузырьков газа в ацетоне использовался нейтронный пучок. При этом в ацетоне атомы обычного водорода были заменены атомами дейтерия — его более тяжелого изотопа. Утверждалось, что удалось зарегистрировать как излучение света и ударные волны схлопывающихся пузырьков, так и сопутствующее им излучение высокоэнергетичных нейтронов с энергией 2,5 МэВ. Нейтроны именно такой энергии должны сопровождать превращение дейтерия в гелий. При этом даже регистрировалось повышение уровня трития — еще одного продукта реакции синтеза. Однако хотя теоретически возможно достижение астрономических температур при схлопывании пузырьков, это возможно только лишь в том случае, если они сохраняют правильную сферическую форму. Любая нестабильность, ведет к тому, что процесс этот протекает при температурах от 10.000 до 20.000 градусов.

Рузи Талейархан со своей экспериментальной установкой.

Комментарий: Нет, и эти эксперименты воспроизвести никому не удалось. Печальное невезение. Тем более что математические модели вроде бы подтверждают возможность достижения нужных температур в схлопывающихся пузырьках. Но модели — они и есть модели. Модели имеют смысл только когда построены на экспериментальных данных, любая их экстраполяция за пределы этих данных может дать совершенно фантастический результат. Критерий правильности расчетов только один — практика. Заключительная фраза приведенного сообщения совершенно правильно подчеркивает, что на практике не удасться выдержать допущения модели. Настораживает также то, что для инициации пузырьков использовался нейтронный пучок. А ведь именно нейтроны и ожидались для регистрации термоядерной реакции. Ошибки регистрации потока нейтронов могли дать какой угодно результат. И все-таки посмотрите еще раз внимательно на снимок. Явление сонолюминесценции красиво и интересно само по себе. Воссоздать его по-видимому совершенно нетрудно в вашей домашней лаборатории. Потребуется только сделать ультразвуковой или низкочастотный генератор, а это под силу даже неопытному в электронике. Направление же исследований совершенно очевидно — протекание различных химических реакций в объемах с сонолюминесценцией. Не исключено, что для некоторых реакций это явление может оказаться эффективным катализаторов. В общем, учитывая огромное количество доступных химических реакций, вполне можно надеяться найти какой-нибудь полезный эффект.

Как сообщил журнал Nature, эстафету по "холодному" термояду приняли сотрудники иллинойского университета (г. Урбана-Шампэйн) Кен Суслик (Ken Suslik) и Дэвид Флэнниган (David Flannigan). Они сумели достичь сонолюминисценции с необычно яркими вспышками света — настолько яркими, что они хорошо видны невооруженным глазом. Измерения, проведенные американскими химиками, показали, что температура в пузырьках достигает 15 тыс. градусов Цельсия — что в несколько раз выше, чем на поверхности Солнца (? — прим. ред.).

«Наши результаты не являются ни подтверждением, ни опровержением заявлений Талейархана о протекании реакции синтеза, — отметил он, подчеркнув при этом, что обязательным условием протекания реакции ядерного синтеза является наличие плазмы. — В нашей статье впервые со всей определенностью показано, что в данном процессе образование плазмы возможно».

Ученые воздействовали ультразвуковыми волнами частотой от 20 кГц до 40 кГц, находящимися за пределами чувствительности слуха человека, на концентрированную серную кислоту, содержащую газ аргон. Звуковые волны приводили к образованию в жидкости областей, в которых давление менялось с высокого на низкое с высокой частотой.

В результате этого микроскопические пузырьки газа то увеличивались в размерах, то «схлопывались». При этом скорость изменения давления была столь высока, что пузырьки буквально «взрывались» под воздействием так называемой акустической кавитации, в результате чего вещество в микроскопической области нагревалось до сверхвысоких температур. Вещество ионизировалось, а при возвращении в исходное состояние накопленная энергия высвобождалась в виде вспышки

Признаком наличия плазмы стало бы обнаружение наличия ионизированных молекул кислорода. Простой нагрев вещества привел бы сначала к разрыву связей между атомами в молекуле, и лишь затем — к их ионизации. Именно такие ионы и были обнаружены — Суслик и Фланниган утверждают, что образоваться они могли лишь при соударении с высокоэнергетичными электронами или другими ионами в горячем плазменном ядре.

Неудача предыдущих экспериментов с измерениями сонолюминисценции, вызванной акустической кавитацией, была связана с тем, что они проводились в воде, и львиная доля энергии поглощалась молекулами водяных паров. Серная кислота, использованная Сусликом и Фланниганом, намного менее летуча, чем вода, вследствие чего газовые пузырьки состояли практически из одного аргона с малой примесью молекул кислоты. А поскольку аргон существует в атомарном состоянии, энергия не расходовалась на разрыв этих связей либо возбуждение колебаний.

Излучение света пузырьками под воздействием ультразвука

В результате оказалось, что пузырьки газа в серной кислоте под воздействием сонолюминисценции вызывают свечение в 2700 раз более интенсивное, чем пузырьки в воде. Это позволило провести измерения температуры в пузырьках с намного более высокой точностью, чем прежде.

С важным достижением американских ученых проблема промышленного производства дешевой и чистой энергии, смутно маячившая вдалеке, начинает обретать реальные очертания. Сама задача из чисто физической приобрела внезапно «химическое» измерение — так, ученые из группы Суслика уже сегодня используют акустическую кавитацию для того, чтобы инициировать определенные химические реакции. Они полагают, что им удастся увеличить выделяемую пузырьками энергию за счет подбора наиболее подходящих для этой цели газов и жидкостей.

Комментарий: Пожалуй тут даже нечего комментировать. Нет, "проблема промышленного производства дешевой и чистой энергии", вместо приобретения "реальных очертаний", вообще перестала маячить. Сами исследователи уже осторожно говорят только о наличии плазмы в пузырьках. Но дело то ведь не в плазме, плазму мы имеем, например в люминесцентных лампах, горящих над нашими головами. Дело в температуре плазмы. Есть некоторая разница между необходимыми 10 млн. градусов и достигнутыми 15 тыс. тех же градусов. А вот использование группой Суслика акустической кавитации для инициации химических реакций уже представляет вполне практический интерес.

Внесла свою лепту и группа из университета Пердю (штат Индиана) под руководством Йибан Сюй (Yiban Xu) и Адама Батта (Adam Butt). Они утверждали, что механизм сонолюминисценции действительно приводит к протеканию ядерной реакции синтеза. Об этом свидетельствовали образующиеся в ходе реакции нейтроны.

Как сообщал сайт Optics.org, Сюй и Батт поставили лабораторный эксперимент с использованием той же самой тестовой ячейки, которую использовал Талейархан, однако в качестве источника нейтронов применили Калифорний-252. Его преимущество заключается в том, что он является непрерывным, а не импульсным, источником нейтронов.

Ацетон, в котором водород был заменен его тяжелым изотопом дейтерием, подвергался воздействию нейтронного потока и ультразвуковых волн. Были зарегистрированы нейтроны энергии 2,5 МэВ — характерного признака протекания реакции синтеза двух ядер дейтерия, а также образование в жидкости еще более тяжелого радиоактивного изотопа водорода — трития. При использовании обычного ацетона ни того, ни другого признака не наблюдалось.

Скептиков переубедить пока не удается — так, Аарон Еалонски (Aaron Galonsky) из университета штата Мичиган полагает, что нейтронные импульсы, наблюдавшиеся группой ученых из университета Пердю, вызываются гамма-излучением энергией 2,2 МэВ, возникающим при торможении нейтронов источника до тепловых энергий и их захватом парафиновыми стенками камеры.

Комментарий: Итак, вместо импульсного источника нейтронов, был применен непрерывный. Интересно, а вообще без источника нейтронов нельзя обойтись?

И снова Рузи Талейархан (Rusi Taleyarkhan), но уже из университета Пердью (штат Индиана), куда переместилась его группа (см. выше — прим. ред.). На этот раз ученые обошлись без использования внешних источников нейтронов вообще — пузырьки образовывались в среде, состоящей из смеси бензола с урановой солью и жидкого ацетона, в котором нормальные атомы водорода были заменены дейтерием. В процессе спонтанного деления ядер урана образуются альфа-частицы, которые также могут инициировать образование пузырьков. Тем не менее, их легко отличить от нейтронов.

«В этом эксперименте используются три независимых нейтронных детектора и детектор гамма-лучей», — сообщает Талейархан и добавляет, что результаты, полученные с помощью этих четырех инструментов, доказывают, что в эксперименте происходит реакция синтеза. Хотя уран также может испускать нейтроны в ходе реакций расщепления, Талейархан утверждает, что они характеризуются иными энергиями, что позволяет без труда отделить эти нейтроны от тех, что выделяются при слиянии двух ядер дейтерия, сообщает Nature.

Экспериментальный реактор пока выдает энергии меньше, чем потребляет на поддержание реакции синтеза, и поэтому пока не может использоваться для генерации мощности. Но между тем, уже сейчас такой реактор способен стать дешевым источником нейтронов, необходимых для анализа структуры материалов. Результаты проведенных исследований будут опубликованы в журнале Physical Review Letters в ближайшее время.

Комментарий: Похоже, что без какого-то источника нейтронов все-таки не обойтись, в этом случае их излучала какая-то соль урана. Не совсем понятно в отношении последнего абзаца: на входе источник нейтронов и на выходе их же получают. А в чем достижение? Но пусть с этим разбираются физики.

И, наконец самое свежее сообщение на тему "холодного термояда". На этот раз нет никаких пузырьков и акцент перенесен с возможности термоядерного синтеза на возможность легкой генерации нейтронов: "Новый реактор пока еще не позволяет вырабатывать энергию, однако является чрезвычайно удобным, компактным и неэнергоемким управляемым источником нейтронов". Фактически устройство, разработанное исследовательской группой под руководством Сета Паттермана (Seth Putterman), представляет собой настольный ускоритель элементарных частиц оригинальной конструкции. В его основе — два пироэлектрических кристалла, создающих электрическое поле высокой напряженности при нагревании либо охлаждении. Рабочая камера с кристаллами заполнена газом дейтерия — тяжелого изотопа водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона.

На поверхности одного из электродов — катода — находится дейтериевое мишенное устройство.

Электрическое поле «срывает» электроны, образуя ионы — дейтерия, которые ускоряются в направлении к кристаллу.

При их взаимодействии с веществом мишени выделяются нейтроны — неопровержимый признак протекания реакции синтеза ядер (так называемой термоядерной реакции).

Первый вариант пироэлектрической установки термоядерного синтеза был испытан еще в прошлом году. Теперь в него внесено два важных усовершенствования. Во-первых, вместо одного пироэлектрического кристалла используются два, что позволяет в два раза повысить «ускоряющий потенциал» установки. Во-вторых, термоядерный синтез протекает при нормальной температуре, что позволило отказаться от криогенных систем.

Комментарий: С точки зрения неспециалиста и тем более не физика, данное устройство не более, чем игрушка. Вряд ли с помощью каких-либо кристаллов можно создать более сильное электрическое поле, нежели другими методами. Если это так, то это уже само по себе тянет на открытие. Если нет, то нет и ничего принципиально нового. И излучения нейтронов, по крайней мере достаточного для регистрации, там тоже не должно быть. В эти игрушки физики играли еще в начале прошлого века. Нет мы далеки от критики данного эксперимента, не хотелось бы "с грязной водой выплеснуть и ребенка". Тем более по приведенной информации вообще трудно что-либо оценить, например понять что-такое есть загадочное "дейтериевое мишенное устройство". Наш интерес к этой установке совсем в другом. В целом подобное устройство не выглядит сложным и вполне доступно для воспроизведения в условиях домашней лаборатории. Дейтерия конечно в магазинах купить не удасться, но можно поэкспериментировать с другими газами, получить их совсем несложно химическими методами. С какой-то долей вероятности при этом можно наткнуться на эффект, который просмотрели другие (хотя конечно к области термоядерного синтеза он не будет иметь какого-либо отношения). Такое случается довольно часто. Иногда первыми новый эффект замечают вовсе не научные сотрудники, а просто наблюдательные люди, любители-экспериментаторы, лаборанты. Так было например при открытии сварки взрывом, колебательных химических реакций и т. д., примеров я думаю можно привести множество.

Поиск внеземных цивилизаций: новая стратегия

_{(по материалам www.cnews.ru)}

В научной среде уже давно существует мнение, что при поиске внеземных форм жизни не стоит ограничиваться «земным вариантом» и руководствоваться сходством с живыми организмами, населяющими нашу планету.

Профессор философии Кэрол Клиланд (Carol Cleland) и профессор молекулярной, клеточной и эволюционной биологии Шелли Копли (Shelley Copley) из университета Колорадо в Боулдере разработали новую «Общую теорию живых систем», которая, как полагают авторы, поможет ученым пересмотреть основные положения современной астробиологии и выработать новый подход к поиску внеземных цивилизаций, сообщает SpaceDaily.

По мнению проф. Клиланд, нельзя формулировать определение живых систем, основываясь исключительно на примерах земных форм жизни. Правильнее будет создать общую теорию живых организмов, частным случаем которой является жизнь в тех формах, в каких она существует на нашей планете.

«Необходимо искать физические системы, которые противоречат существующей концепции живых организмов, — полагает проф. Клиланд. — Эти системы должны напоминать известные нам формы жизни и в то же время резко отличаться по характеристикам».

В качестве примера можно привести известный факт. В 1976 году космический аппарат NASA Viking 1 проводил на Марсе эксперимент по поиску жизни. Образцы почвы смешивались с помеченными радиоактивными изотопами питательными веществами для обнаружения продуктов жизнедеятельности марсианских бактерий. Хотя по результатам этого эксперимента ученые сделали вывод о наличии живых микроорганизмов на планете, исследование опытных образцов с помощью других приборов аппарата Viking 1 не выявило присутствия органических молекул.

Поскольку исследования привели к довольно странным результатам, которые не укладывались в общепринятое метаболическое определение жизни, специалисты NASA заключили, что эксперимент не подтвердил присутствие на Марсе живых организмов. Эксперимент до сих пор вызывает бурные споры среди ученых, а его результаты, как считает проф. Клиланд, являются классическим примером существования биологических аномалий.

Комментарий: Проблема заключается в том, что до сих пор нет четкого понимания жизни и ее движущей силы. Нет взгляда, как бы со стороны. Есть такая индийская притча о семи слепых пытающихся на ощупь понять что такой слон. Один из них ощупывал хобот и сказал, что слон похож канат, другой ухо и его вывод был, что слон похож на лист пальмы, третий… да все они были правы, только никто из них не видел слона как такового. Можно изучать бактерию, можно крокодила, можно изучать процессы метаболизма и можно изучать процессы передачи генетической информации. Вот только не походим ли мы при этом на слепых из притчи. Разобравшись с эволюцией, мы уже считаем что это и есть движущая сила жизни. Не путаем ли мы при этом само движение с тем, что его вызывает? Возможно поняв, что собственно такое жизнь, как феномен, мы сможем предсказать какие еще ее формы могут существовать во вселенной. Чтобы не выходить за рамки темы домашней лаборатории, мне бы хотелось, в этом плане, обратить внимание исследователей-любителей на такой объект, как замкнутые экологические системы. Г оды назад их делали запаивая в пробирке смесь бактерий, микроскопических грибов и водорослей в растворе питательных веществ. В запаяной пробирке жизнь была как таковая, нуждающаяся только в одном внешнем источнике энергии — в свете. Его утилизировали водоросли, продуктами распада и метаболитами водорослей пользовались бактерии и грибы, давая в свою очередь необходимое водорослям. Не правда ли такая пробирка в чем-то похожа на нашу Землю, при взгляде из космоса. И в ней, как и на Земле, тоже могла бы происходить эволюция, если она попадет под действие гипотетической движущей силы жизни (термодинамика?), тем более что теоретически такая замкнутая система могла существовать ровно столько сколько и сама Земля, пока есть свет от Солнца. Сейчас уже делают и даже продают более сложные замкнутые системы, включающие в себя и рыб. Вполне возможно, что могут существовать системы и более примитивные, из одних биологически активных веществ. Что же является общим для всех этих замкнутых экосистем, включая Землю? Не окажется ли, что бактерия существует не сама по себе, это просто часть чего-то более общего и это общее может иметь разные формы. Ну а в космосе до сих пор искали именно ее — бактерию.

Хотя в природе существует более 100 комбинаций нуклеиновых кислот, белки земных организмов состоят из 20 видов кислот. Но делать общие предположения относительно внеземных форм жизни на основании одного-единственного «земного» примера не совсем правомерно, считает проф. Клиланд.

Одним из положений новой общей теории живых организмов, разработанной проф. Клиланд и Копли, является идея о присутствии «альтернативных форм живых микроорганизмов» на Земле. Представители этой так называемой «теневой биосферы» имеют отличную от известных форм жизни молекулярную структуру и биохимические свойства, и с помощью современных методик обнаружить их невозможно — тут не помогут ни микроскопы, ни другие самые современные приборы.

Комментарии: Ну скажем увидеть то подобного рода структуры с помощью микроскопа (фазово-контрастного, поляризационного, электронного или еще какого) наверное все-таки удасться. Не удастся понять, что это такое. Возможно, что и многие их видели, поскольку в исследуемых образцах зачастую присутствует "черт знает что". Просто бактерии мы научились распознавать сразу, а как узнать неизвестно что?

Такой вывод невольно напрашивается, если попытаться проанализировать недавние исследования в этой области. Несмотря на самые совершенные и высокоточные приборы, созданные в последнее время, ученым до сих пор не удается обнаружить биологических аналогов земных форм жизни на Марсе и других планетах — и, как считают авторы новой теории, вряд ли удастся. «Если ДНК инопланетных живых организмов хотя бы немного отличаются по структуре и составу от земных, мы не сможем их идентифицировать с помощью современных приборов», — полагает проф. Клиланд.

Комментарии: Структуру генома в других формах жизни правда может и не удасться выявить, вследствие "наличия отсутствия таковой" (авторы "теории" похоже склонны ожидать, что какая-то все-таки будет). Анализаторы ДНК тут явно не помогут. Тут скорее потребуются хорошо известные, но другие приборы, если будет хоть какое-то понимание, что собственно надо искать. Возможно придется вести исследования по старинке, без дорогостоящих приборов, от чего американцы давно отвыкли.

Авторы альтернативной теории живых систем предлагают вместо поиска уже известных форм жизни заняться изучением биологических аномалий. Эти исследования могут привести к открытию до сих пор не известных науке живых организмов. Одним из примеров можно считать так называемых бактерий-экстремофилов, способных существовать в крайне непригодных для жизни условиях.

Комментарии: Кто знает, может авторы "теории" в чем-то и правы. Может действительно стоит взглянуть по иному, например, на так называемых "черных курильщиков", найденных в сильно горячих водах, в глубине океана, вблизи подводных вулканов. Не удалось доказать, что это бактерии, но ведь ожидались именно бактерии, а не другая форма жизни. В целом же, инерционность этих взглядов заключается в том, что они не могут выйти за рамки привычных представлений. Все равно предлагается искать что-то похожее на бактерии. Биологические аномалии все-таки являются биологическими, очень привычными для исследователей. Все это не ново. Нечто подобное пытаются искать те, кто занимается вопросами возникновения жизни на Земле. Пока найти ничего не удается (знать бы только, что искать). Обычно это объясняют конкуренцией со стороны современных видов микроорганизмов. Если есть какое-то химическое соединение, из которого можно получить энергию, необходимую для жизни, то это вещество скорее всего будет утилизировано современными, отобранными в процессе эволюции, видами, не оставив таким образом никаких шансов древним, биологически подобным и неподобным, структурам. Если и есть на Земле другие формы жизни, то скорее всего они действительно могут находится там, где нет места современным формам, например, вблизи тех же подводных вулканов, в толще горных пород. Или даже в подземных месторождениях воды. Процессы выпадания солей железа, при выходе такой воды на поверхность (через скважины, на станциях водоподготовки) порой могут сильно озадачить как химиков, так и микробиологов.