Космические технологии: как добывают алмазы из пластиковой бутылки

В этом году в пирамиде Хеопса хотят установить огромные телескопы. Но не для того, чтобы любоваться звездами. Французские археологи планируют заглянуть внутрь одного из чудес света, а если повезет, найти погребальную комнату фараона. Но при чем здесь телескоп? Дело в том, что он не обычный, а мюонный. И может как сканер видеть все, что находится за толстыми каменными стенами.

"Мюоны – это частицы космических лучей. Они образуются в верхних слоях атмосферы и пронизывают Землю. Причем они могут проникать гораздо глубже, чем рентгеновское излучение. Телескоп улавливает лучи и как сканер просвечивает пирамиду. Мы протестировали систему в 2017 году и узнали, что внутри сооружения есть пустоты", – говорит инженер центра исследований Сакле Себастьен Прокурье.

Теперь с помощью мюонной томографии археологи хотят изучить все комнаты и коридоры египетских пирамид. Для этого собирают телескопы помощнее.

Если космические лучи – это лучший сканер на Земле, то на что еще способны технологии "извне"? Об этом рассказывает программа "Наука и техника" с Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.

Космическая метеотехнология

В декабре 2023 года пять провинций Таиланда ушли под воду. От наводнения пострадали 50 тысяч человек. Причина – непрекращающиеся ливни.

Ученые Токийского университета предлагают прогнозировать подобные природные катаклизмы с помощью тех же мюонов – частиц космических лучей. Для этого хотят использовать так называемые сцинтилляционные детекторы. Эти датчики улавливают из атмосферы потоки мюонов разной плотности. А затем компьютерная программа создает в реальном времени 3D-модель циклона.

"Эти датчики образуют сетку, похожую на привычные пиксели в камере. Но они видят не оптический свет, а мюоны. По тому, как они проходят через материю, мы видим их перемещения через атмосферу и получаем изображение вертикального профиля циклона. Здесь показаны его поперечные сечения. По этой картинке можно предсказать движение циклона и его размеры. Получить подобные данные с помощью спутника было бы просто невозможно", – объяснил физик Токийского университета Дайсуке Икеда.

Ученые предполагают, что датчики увидят надвигающуюся стихию на расстоянии до 300 километров. Пока космическую метеотехнологию только тестируют, но в будущем на всем побережье Японии могут появиться мюонные наблюдательные станции.

Наноалмазы из пластиковой бутылки

Одно из самых красивых космических явлений – алмазный дождь. Он идет в атмосферах Урана и Нептуна, где молекулы метана при экстремально высоких температурах и давлении распадаются на углерод и водород. Затем атомы углерода соединяются в цепочки кристаллов, которые как раз и напоминают алмазные струи.

Самый мощный в мире рентгеновский лазер из Гамбурга способен повторить те самые алмазные дожди, но на Земле. Причем эти кристаллы размером в несколько нанометров образуются из обычной пластиковой бутылки.

"Мы обстреляли тонкий лист полистирола, который содержит углерод, водород и кислород, интенсивными лазерными вспышками. Мощные импульсы нагрели пластик до шести тысяч градусов по Цельсию и создали ударную волну. Она за несколько наносекунд сжала вещество до давления, в миллионы раз выше атмосферного. Так мы увидели образование наноалмазов", – рассказал физик института исследований полимеров имени Лейбница Тобиас Косуб.

Наноалмазы, такие же, как на Нептуне и Уране, нужны для того, чтобы запустить квантовые компьютеры. Из крохотных кристаллов инженеры делают сенсоры для техники, которая работает в миллиарды раз быстрее обычной.

Алмаз, прилетевший из космоса

Интересно, что алмазы для сверхмощной электроники даже необязательно создавать в лабораториях. Они сами прилетают к нам из космоса. В районе каньона Дьябло в Аризоне нашли метеорит, который упал на Землю десятки тысяч лет назад после взрыва астероида. Британские ученые обратили внимание на состав космического пришельца. В метеорите нашли алмазы, которые отличались от земных. Атомы углерода были выстроены не в форме привычной кубической решетки, а в виде шестиугольника. Такие кристаллы называют лонсдейлитами. Они образуются только при очень высоком давлении и температуре – как раз в результате столкновения астероида с Землей.

"Но больше всего нас удивило то, что на алмазах мы обнаружили наросты графена. То есть он был сцеплен с кристаллами. Графен очень легкий, прозрачный, но при этом твердый и проводит ток. В сочетании с алмазом этот материал мог стать основой для производства скоростной электроники и мощных зарядок. Мы надеемся добывать его уже самостоятельно в вакууме под лазером", – отметил биохимик, профессор Кембриджского университета Грегори Пол Уинтер.

Энергия звезд, полученная в токамаках

Космос способен обеспечить Землю не только скоростной электроникой, но и практически нескончаемым запасом энергии, и помогут в этом звезды. Это самые мощные генераторы энергии во Вселенной. В недрах небесных тел постоянно протекают термоядерные реакции, и каждую секунду они вырабатывают секстиллионы мегаватт. На Земле энергию звезд ученые пытаются получить в специальных реакторах – токамаках. Так называют вакуумную камеру в форме бублика с магнитными катушками.

Чтобы запустить термоядерный синтез, физики нагревают изотопы водорода до состояния плазмы и затем удерживают ее в магнитном поле. Температура такой реакции запредельная – несколько миллионов градусов. Единственный минус – удержание и нагрев создаются за счет увеличения тока, а он не может повышаться бесконечно. Поэтому и плазма в стабильном состоянии существует всего несколько секунд. По этой причине все еще невозможно использовать энергию токамаков и забыть об оплате счетов за электричество. Но ученые из Колорадо считают, что можно получить плазму, которая будет отдавать значительно больше энергии.

"Эта плазма практически твердая, она в тысячи раз плотнее той, что получают в токамаках. Чтобы добиться такого состояния, мы выстреливали лазерами сверхвысокой интенсивности по тонким титановым пластинам. Оказалось, что в этой плазме температура ионов и электронов разная, а не одинаковая, как думали раньше. В лазерной плазме все функционирует по-другому. И нам только предстоит изучить, как именно", – подчеркнул директор Принстонской лаборатории физики плазмы Стивен Коули.

Почему звезды затухают

В 2023 году в соседней галактике произошел взрыв сверхновой звезды SN 2023, во время которого выделилось огромное количество энергии. Это заметил японец Коичи Итагаки. Ученые заинтересовались открытием астронома-любителя и выяснили, что сверхновая звезда в несколько раз больше Солнца. Во время взрыва SN стала ярче в сотни миллионов раз. Правда, астрофизики уже заявили, что она все равно погаснет.

Почему звезды затухают и как эволюционируют планеты, смогут рассказать ученые из Москвы. Для этого они собирают огромную лазерную установку. Оказалось, что именно лазеры, которые применяют для получения плазмы, идеально подходят, чтобы изучать космос на Земле.

"Излучение лазера вводится через оптическое окно. Перед этим окном будет располагаться объектив, который фокусирует излучение начальным размером в 200 мм в конечный размер в доли миллиметра. И вот именно за счет этого создаются очень высокие плотности энергии на самом объекте, который мы называем мишенью", – поделился подробностями доктор физико-математических наук, директор Института лазерных и плазменных технологий МИФИ Андрей Кузнецов.

В вакуумной камере сымитируют условия глубокого космоса. Ученые будут направлять на капсулу с плазмой мощный лазерный пучок в течение одной миллиардной доли секунды. И этого времени хватит, чтобы проследить эволюцию небесных тел.

"Мы представляем масштаб тех явлений, которые проходят в космосе. Это тысячи миллионов километров и десятки световых лет. Оказывается, что эти колоссальные по масштабам и времени процессы можно моделировать в лазерных экспериментах. Это возможность создания ударных волн в лазерной плазме, которая аналогична по масштабированию плазме звезды, потому что до сих пор не совсем понятно, когда происходит взрыв сверхновой, как будет перемешиваться вещество", – отметил Кузнецов.

В вакуумной камере с лазером ученые планируют исследовать магнитное поле и гравитацию Земли. По полученным данным они хотят отследить эволюцию и других небесных тел. И, возможно, смогут дать ответ на главный вопрос человечества: а возможна ли жизнь на других планетах?

О самых невероятных достижениях прогресса, открытиях ученых, инновациях, способных изменить будущее человечества, смотрите в программе "Наука и техника" с ведущим Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.