Как термоядерный синтез решит почти все наши проблемы⁠⁠

Этот пост - не о том, какие проблемы есть у термоядерной энергетики, а фантазия на тему того, что человечеству может дать доступ к термоядерной энергии.

(Очень много букв!)

Доступ к дешёвой энергии не будет означать лишь то, что вы будете меньше платить по счётчику за электричество. По своему масштабу, это будет грандиозный скачок! По важности для истории человечества это будет сравнимо с приручением огня и изобретением письменности.

(по мотивам Youtube публикаций канала Science and Futurism пользователя Isaac Arthur)

Картинка пользователя T-McG (Deviant Art)

Термоядерный синтез получил несколько дурную репутацию. В 50-х годах прошлого века говорили, что эта технология придёт «через 20 лет», но и спустя семьдесят лет с тех пор, люди по-прежнему говорят «через 20 лет», и поэтому, когда речь заходит о термоядерной энергетике, людьми овладевают сомнения, а некоторые даже заявляют, что данная технология невозможна.

История изобретения водородной бомбы наглядно показывает, почему про термоядерную энергетику говорят, что она всегда останется «технологией будущего».

За одно поколение, человечество преодолело путь от понимания устройства атомного ядра до атомной бомбы. Спустя всего 7 лет после Хиросимы и Нагасаки мы получили водородную (термоядерную) бомбу. Многие тогда думали, что управляемый термоядерный синтез не за горами, но более, чем полвека спустя, воз и ныне там. Впрочем, в последнее время учёные начинают делать определённые успехи.

Сегодня мы перешагнём через скепсис, а так же не будет подробно рассматривать конкретные механизмы и конструкцию реакторов, в которых предполагается получить синтез. В сети есть множество материалов и дискуссий на эту тему, создавать ещё одну было бы бессмысленно.

Давайте, всё же, очень быстро коснёмся основных аспектов технологии, а так же рассмотрим конструкцию реактора, которая точно работает, и пойдём дальше.

Термоядерный синтез – это то, на чём работают звёзды в нашей вселенной. Это процесс сталкивания друг с другом множества ядер лёгких элементов, таких как водород, либо его основой изотоп – дейтерий, пока они не образуют в результате столкновения более тяжёлые элементы, такие как гелий. Ядра гелия тоже можно столкнуть друг с другом, чтобы образовать ядро углерода.

Процесс сопровождается выбросом огромной энергии – в ядре дейтерия один нейтрон и один протон, в ядре углерода 6 нейтронов и 6 протонов. Но ядро углерода весит гораздо меньше, чем 6 ядер дейтерия, поэтому вся «недостающая» масса превращается либо в нейтрино, либо в очень быстрые фотоны, энергию которых мы и можем использовать.

Это колоссальная энергия, гораздо больше, в миллионы раз большая энергия, чем энергия, которую можно получить из эквивалентной массы бензина или угля.

Может быть, мы и получим управляемый синтез в ближайшее время, а может быть и нет, однако, как уже было сказано, у нас всегда была схема работающего термоядерного реактора (и это не Солнце!).

Если упрощённо, можно построить подземный, хорошо (очень хорошо!) укреплённый бункер побольше, наполнить его водой, вывести патрубки к турбинам на поверхности. Затем просто бросить внутрь термоядерную бомбу и взорвать её. Тепло от взрыва разогреет воду, превратит её в пар, пар закрутит турбины, мы получим энергию. Когда пар иссякнет, можно повторить процесс. Если взрывать по одной бомбе в час, можно спокойно питать энергией целый промышленно-развитый континент.

Однако, данный метод не очень привлекателен, термоядерные бомбы не такие уж и дешёвые, а сооружение экспериментального реактора ITER вместе с большим адронным коллайдером покажутся конструктором Lego, по сравнению с подобным бункером.

Но это будет работать!

Давайте, всё же, не будем останавливаться на более изящных устройствах и просто предположим, что у нас имеется рабочий термоядерный реактор и заострим своё внимание на том, какой переворот данная технология совершит в нашей экономике.

В начале, следует, конечно же, оговориться, что термоядерный синтез не является неисчерпаемым источником энергии, однако, данный вид энергии производится из одного из наиболее распространённых веществ во вселенной, и удельная выработка на килограмм вещества настолько велика, что один супертанкер с термоядерным топливом мог бы снабжать энергией всю мировую экономику несколько тысячелетий.

ТРАНСПОРТ

Мы знаем, насколько дешева электроэнергия, произведённая на атомной электростанции. Термоядерная энергия будет ещё дешевле, однако это не сильно помогает нам с автомобилями (автомобили на тории – полная чушь!) Сейчас пытаются использовать батареи или солнечные панели, однако они малоэффективны, и с трудом могут заменить бензин. Но ведь у нас есть термоядерная энергия, почему бы просто не продолжить использовать бензин?

Абсурд?! Вовсе нет. Ископаемое топливо называют углеводородным потому, что в присутствии высоких температур и кислорода, они горят и распадаются на воду и диоксид углерода (углекислый газ), высвобождая запасённую химическую энергию. Этот же процесс можно запустить и в обратную сторону – соединить воду и углекислый газ, чтобы получить в итоге углеводород и воду. Первый процесс производит энергию, второй наоборот – требует потратить её, и, по правде говоря, тратится на это гораздо больше энергии, чем можно получить от повторного сжигания, потому-то сейчас делать это абсолютно бессмысленно. Но если у вас есть практически неисчерпаемый источник энергии, кого будет волновать, что на производство запасание 1 литра «ёмкостью» в ~30 млн джоулей энергии придётся затратить четверть миллиарда джоулей?

Обыкновенная «пальчиковая» батарейка ААА стоит в районе 50 рублей за штуку, примерно столько же, чуть дороже 1 литра бензина, но не содержит и одной тысячной доли энергии, чем бензин, и ещё больше энергии, чем в батарейке содержится, тратится на её зарядку. Но она всё ещё стоит своих денег из-за своей транспортабельности. Если бы у нас были батареи, которые бы по плотности энергии были бы лучше, чем ископаемое топливо, нас бы это не волновало, но у нас нет таких батарей, кроме того, со временем любая батарея теряет свой заряд, и это происходит гораздо быстрее, чем бензин теряет свои свойства.

И так, если у вас есть термоядерная энергия, у вас есть дешёвое топливо. И это  без вреда для экологии!

ЭКОЛОГИЯ И СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Вы так же можете получить и дешёвое удобрение. В качестве основного удобрения мы используем соединения азота, которые мы получаем в промышленности из аммиака, произведённого по процессу Габера-Боша из атмосферного азота и того же водорода.

Такой же трюк мы можем проделать и с фосфором – вторым по своему значению удобрению. Фосфор в естественных условиях не встречается в высоких концентрациях, во многих местах его добыча весьма дорого стоит, но если у нас есть дешёвая энергия, его можно сепарировать весьма простыми методами (хоть на центрифугах).

Всё те же принципы применимы к любому минералу, хотите – с термоядерной энергией можно разрабатывать хоть астероиды!

По этой же причине, имея много энергии, утилизация и повторная переработка любых отходов существенно удешевляется и упрощается.

То же с водой. На нашей планете во многих местах ощущается нехватка пресной воды, но с дешёвой энергией солёную воду можно опреснять даже для нужд сельского хозяйства. У вас не будет засух, у вас всегда будет вода, чтобы поливать поля.

У вас всегда будут дешёвые, углеродно-нейтральные пластики или поликарбонат для возведения теплиц, которые позволят существенно сократить затраты воды, а так же

поддерживать температуру, более благоприятную для растений.

Да что там, вы всегда сможете отапливать данные теплицы хоть за полярным кругом!

И так, под нужды сельского хозяйства в нашем распоряжении окажутся все пустыни и вся вечная мерзлота, мы сможем ставить отапливаемые теплицы, набитые дешёвыми удобрениями, которые смогут производить гораздо больше еды, чем старомодные фермы.

Но это ещё не конец, возможно, вы слышали о вертикальных фермах, где растения растут в несколько этажей. С дешёвой энергией мы можем освещать их инфракрасными светодиодами, предоставляя наилучшие условия для фотосинтеза.

Когда мы говорим о вертикальных фермах, или подземных фермах или о гидропонике, нам необходимо знать, сколько энергии требуется для производства одной калории (на самом деле килокалории) пригодной для еды пищи. Или, проще говоря, количестве еды, которое требуется человеку в год.

Немного сложно сделать точную оценку, поэтому приведённые цифры будут весьма приблизительны.

Начнём с времён охоты и собирательства – на то, чтобы прокормить одного человека, требовался примерно 1 кв. км земли. Питание – от Солнца. Это даёт нам примерно 10^16 джоулей солнечной энергии в год.

В средние века, ферма на 80 гектар могла нормально прокормить семью, и это было в 100 раз эффективнее – примерно 10^14 джоулей в год на человека.

При термоядерном синтезе проходит конверсия массы с эффективностью около 1% (старое доброе E = MC^2), что даёт 10^17 джоулей на килограмм полной конверсии или 10^15 джоулей (для 1% конверсии). Это означает, что для охотников-собирателей вам потребуется 10 кг термоядерного топлива на человека в год, для доинтустриального общества уже в 10 раз меньше – всего 1 кг.

В этом же масштабе, современный землянин в постиндустриальном государстве использует несколько сотен миллиардов джоулей энергии в год, что эквивалентно порядка 10 тыс. литров бензина, либо менее 1 грамма термоядерного топлива.

Но можно пойти и дальше, новые технологии, энергосбережение, использование только инфракрасного спектра, вертикальные фермы, всё это можно попытаться довести до приблизительно нескольких сотен миллиардов джоулей в год на человека.

Помимо растительной пищи, нам требуется и мясо (веганы негодуют!). Нужны пастбища, поэтому, следует немного увеличить годовое энергопотребление на одного человека, скажем, до круглой цифры в триллион джоулей в год, что эквивалентно одному грамму термоядерного топлива.

Я умышленно применяю термин термоядерное топливо, так как неизвестно, что именно будет использоваться в качестве такового - простой водород был бы идеален, так как он является наиболее распространённым веществом во вселенной. Однако, в настоящее время исследования направлены на различные изотопы водорода и гелия, например, дейтерий. Дейтерий тоже весьма распространён, но, разумеется, не так широко, как простой водород.

Но что важно, так это то, что, вне зависимости от типа термоядерного топлива, одного его грамма достаточно, чтобы поддерживать комфортное существование человека хоть на Луне, хоть на Плутоне. Килограмма этого топлива хватит на обеспечение роскошных условий существования всю его жизнь. Десять тонн этого топлива хватит, чтобы поддерживать в течение года естественное “солнечное” освещение на территории, сравнимой с республикой Ингушетия (3,6 тыс. кв. км).

ОСВОЕНИЕ КОСМОСА

Иными словами, вы можете построить огромный вращающийся цилиндр О’Нила с искусственным солнцем в центре, на внутренней поверхности которого можно разместить заповедник дикой природы.

Подобный цилиндр способен обеспечить комфортное проживание нескольких сотен тысяч жителей, которые будут обеспечены всем необходимым. Добывая простой водород, такая колония, теоретически не будет нуждаться более ни в чём.

Имея полную автономию, человечество может строить поселения где угодно в Солнечной системе.

И разумеется, сооружение подобной колонии будет существенно легче при наличии неограниченного количества дешевой энергии.

Наличие термоядерной энергии позволит космическим кораблям ускоряться непрерывно неделями, если не месяцами, что может сократить длительность полёта, например, к Марсу с нескольких месяцев до нескольких недель, если не дней. А топливо - топлива всегда в избытке. Запасов водорода на одном Юпитере хватит на многие многие поколения.

Перечисленное в данном посте - далеко не всё. Освоение термоядерной энергии гарантирует человечеству выживание и уверенность в завтрашнем дне. Освоение данного технологического уклада изменит жизнь людей фундаментальнейшим образом. Надеюсь, к лучшему.