В недрах ледяных гигантов действительно идут алмазные дожди: получено первое физическое доказательство

Нептун и Уран расположены на дальних окраинах Солнечной системы. Долгое время они оставались наименее изученными планетами среди крупных тел нашей системы.

Главная физическая загадка этих объектов связана с их тепловым балансом. Телескопы и межпланетные аппараты зафиксировали, что Нептун отдает в окружающее пространство в два с половиной раза больше тепла, чем получает от Солнца.

Внутри планеты нет термоядерных реакций, как в звездах, и недостаточно радиоактивных элементов, чтобы поддерживать такой нагрев миллиарды лет. Источник этой энергии долгое время оставался неизвестным.

Основная научная гипотеза связывала выделение тепла с поведением углерода. Атмосферы Урана и Нептуна состоят из водорода, гелия и метана. На большой глубине давление увеличивается в миллионы раз, а температура достигает нескольких тысяч градусов.

Расчеты показывали, что в таких условиях молекулы метана разрушаются: водород отделяется, а чистый углерод сжимается настолько сильно, что переходит в твердую кристаллическую форму — алмаз.

Затем этот углерод опускается вглубь планеты. Сила трения между движущимися массами углерода и окружающими слоями вещества преобразует потенциальную энергию гравитации в тепло.

Физики из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса (LLNL) в США экспериментально воссоздали этот процесс. Работа, опубликованная в научном журнале Nature Physics, подтвердила правильность теоретических моделей строения планет и неожиданно решила прикладную задачу земной энергетики — показала, как в три раза повысить эффективность лазерного термоядерного синтеза.

В чем заключалась научная проблема

Алмаз представляет собой кристаллическую форму углерода, в которой каждый атом прочно связан с четырьмя соседними атомами. Это делает кристаллическую решетку исключительно устойчивой.

При нормальном атмосферном давлении нагреть и расплавить алмаз невозможно: при температуре около двух тысяч градусов он просто перестраивает свою структуру и превращается в графит, а при доступе кислорода — сгорает.

Чтобы перевести алмаз именно в жидкое состояние, нужно одновременно приложить два фактора: колоссальное давление, которое удержит атомы углерода вместе и не даст им образовать графит, и экстремально высокую температуру.

До сих пор физикам не удавалось точно измерить, при каких именно показателях давления и температуры происходит этот фазовый переход.

В течение последних двадцати лет в науке существовало серьезное противоречие:

1. Квантово-механические модели на суперкомпьютерах рассчитывали взаимодействие атомов углерода и предсказывали одну точку плавления.
2. Практические эксперименты в лабораториях показывали результаты, которые отличались от теории на двадцать процентов.

Погрешность в двадцать процентов на графике фазовых переходов означает разницу более чем в одну тысячу градусов. Это не позволяло исследователям утверждать, что они правильно понимают физику углерода при экстремальных нагрузках.

Без точных данных было невозможно достоверно описать строение планетных недр и рассчитать параметры работы установок термоядерного синтеза, где углерод используется в качестве защитных оболочек для топлива.

Эксперимент: создание сверхвысокого давления лазером

Чтобы решить эту задачу, исследователи провели серию экспериментов на лазерной установке Omega в Рочестерском университете. На этой установке можно концентрировать излучение десятков лазерных лучей на площади размером меньше миллиметра.

Физики поместили в вакуумную камеру поликристаллический образец алмаза и направили на него короткий световой импульс колоссальной мощности.

Процесс развивался в строгой физической последовательности:

1. Испарение поверхности. Лазерный луч ударил по внешнему слою алмазного образца. Этот тонкий слой вещества мгновенно испарился и превратился в плазму, начав расширяться наружу.
2. Возникновение реактивной силы. Расширяющееся во внешнюю сторону вещество создало мощное давление на оставшуюся часть кристалла, направленное внутрь.
3. Ударная волна. Вглубь алмаза пошла плоская ударная волна высокой плотности, которая начала сжимать кристаллическую решетку.
4. Достижение экстремальных параметров. Внутри образца давление поднялось до сотен гигапаскалей — это более чем в три раза превышает давление в центре ядра Земли. Одновременно температура за доли наносекунды выросла до шести тысяч градусов.

Главная сложность заключалась в регистрации параметров. Состояние сверхвысокого сжатия и температуры длилось всего одну миллиардную долю секунды, после чего образец полностью разрушался.

Чтобы зафиксировать структуру вещества в этот краткий момент, ученые применили метод сверхбыстрой рентгеновской дифракции. В тот момент, когда ударная волна проходила через алмаз, через него пропускали дополнительный импульс рентгеновского излучения.

Рентгеновские лучи отражались от атомов углерода и попадали на детекторы. По получившемуся узору дифракционных полос физики определили точное взаимное расположение атомов: кристаллическая решетка распалась, и углерод перешел в жидкое металлическое состояние.

Плотность углерода и внутреннее строение планет-гигантов

Полученные рентгеновские данные совпали с предсказаниями квантовых моделей. Эксперимент подтвердил теоретические расчеты и снял двадцатилетнее противоречие в значениях температуры плавления.

Одновременно ученые зарегистрировали физический эффект, который полностью объяснил тепловой баланс Нептуна.

При давлении в несколько миллионов атмосфер плотность твердого кристаллического алмаза оказывается ниже плотности жидкого углерода, в который он переходит при плавлении.

Это означает, что твердые углеродные структуры в таких условиях не тонут сразу, а остаются на поверхности более плотного жидкого углеродного слоя до тех пор, пока не наберут достаточную массу или пока окружающая температура не изменит их состояние.

На основе полученных данных физики восстановили полную схему процессов, происходящих внутри ледяных гигантов:

1. В верхних слоях мантии Нептуна атмосферный метан расщепляется под действием нарастающего давления.
2. Выделившийся углерод соединяется в твердые кристаллические структуры.
3. По мере того как эти структуры погружаются в более глубокие и горячие слои, они начинают плавиться на границе раздела фаз, образуя капли жидкого металлического углерода.
4. Жидкий углерод обладает высокой плотностью и под действием силы тяжести непрерывно опускается по направлению к каменисто-металлическому ядру планеты.
5. При движении огромных масс углерода сквозь слои водорода и гелия возникает механическое трение. Гравитационная энергия сжатия переходит в тепловую энергию.

Этот процесс идет миллиарды лет на огромной площади. Выделяемого тепла достаточно для того, чтобы объяснить ту разницу в энергии, которую астрономы фиксируют при наблюдении Нептуна.

Как данные об алмазе влияют на термоядерный синтез

Второе и наиболее важное практическое следствие этой работы относится к сфере земной энергетики, а именно к управляемому термоядерному синтезу.

В Ливерморской национальной лаборатории действует лазерный комплекс National Ignition Facility (NIF). На этой установке разрабатывают метод инерциального термоядерного синтеза.

Физический принцип метода заключается в следующем:

1. В центр рабочей камеры помещают полую сферическую капсулу диаметром около двух миллиметров.
2. Внутри капсулы находится термоядерное топливо — смесь тяжелых изотопов водорода: дейтерия и трития.
3. Сама оболочка капсулы изготавливается из высокоплотного синтетического алмаза.
4. На капсулу направляют излучение ста девяноста двух мощных лазеров.
5. Внешний слой алмазной оболочки испаряется под лазерным излучением и создает направленное внутрь давление, которое сжимает дейтерий и тритий до плотностей и температур, превышающих параметры в центре Солнца. В результате ядра водорода сливаются с образованием гелия и выделением огромного количества энергии.

Главная проблема лазерного термоядерного синтеза — сохранение идеальной сферической симметрии при сжатии. Если топливо сжимается неравномерно, термоядерная реакция затухает, не успев выделиться в полном объеме.

До сих пор физики строили расчеты на том, что лазерный луч должен быть предельно мощным с первой же наносекунды. Считалось, что резкий ударный импульс быстрее всего расплавит алмазную оболочку и передаст сжимающее усилие на водородное топливо.

Эксперименты на установке Omega показали, что такой подход был ошибочным.

Из-за того, что фазовый переход алмаза в жидкое состояние имеет определенную динамику, слишком резкий первоначальный лазерный удар приводил к неравномерному плавлению углерода. В оболочке возникали микроскопические перепады давления, расплавленный углерод перемешивался с топливом, и симметрия сжатия нарушалась.

Физики пересчитали параметры лазерного луча с учетом новых точных данных о температуре плавления алмаза:

• Начальный этап лазерного импульса сделали менее мощным и более плавным.
• Это позволило алмазной оболочке расплавиться равномерно по всей площади сферы, без образования турбулентных потоков.
• Равномерно расплавленный углерод сохранил правильную форму сферы и передал давление на дейтерий-тритиевую смесь с максимальной эффективностью.

Согласно расчетам исследователей, простое изменение временной формы лазерного импульса позволяет в три раза увеличить количество выделяемой термоядерной энергии при том же количестве лазерной мощности и том же объеме водородного топлива.

Технические ограничения и реальное состояние термоядерных технологий

Увеличение выхода энергии в три раза — это крупный шаг для фундаментальной физики, однако это не означает, что термоядерная электростанция готова к постройке.

В физике термоядерного синтеза разделяют два понятия безубыточности:

• Физическая безубыточность. Это состояние, когда выделившаяся в ходе термоядерной реакции энергия превышает энергию лазерного излучения, доставленного непосредственно на мишень. Установка NIF уже преодолела этот порог.
• Инженерная безубыточность. Это состояние, когда вся энергоустановка отдает в электрическую сеть больше энергии, чем потребляют все ее вспомогательные системы, включая зарядку конденсаторов для лазеров, системы охлаждения, вакуумные насосы и управляющую электронику.

Достижение инженерной безубыточности требует преодоления разрыва в десятки и сотни раз. Лазеры установки NIF потребляют сотни мегаджоулей энергии из сети, чтобы доставить на мишень импульс мощностью около двух мегаджоулей.

Чтобы превратить эту технологию в коммерческий источник электричества, инженерам предстоит решить масштабные задачи:

1. Повысить общий коэффициент полезного действия лазерных систем.
2. Перейти от одиночных лазерных импульсов, требующих нескольких часов на охлаждение оборудования, к непрерывной работе с частотой несколько импульсов в секунду.
3. Наладить массовое и дешевое производство высокоточных алмазных капсул для топлива.

Оптимизация профиля лазерного сжатия, ставшая возможной благодаря экспериментам с плавлением алмаза, решает проблему физической эффективности процесса. Она сокращает технологическую дистанцию до создания стабильных термоядерных реакторов следующего поколения.

Значение работы для фундаментальной науки

Исследование Ливерморской национальной лаборатории объединило две изолированные области физики: планетологию и физику высокотемпературной плазмы.

Изучение уравнения состояния углерода при давлениях в миллионы атмосфер показало, что фундаментальные законы физики материи проявляются одинаково независимо от масштаба системы.

Процессы, происходящие в глубоких слоях планет на расстоянии в миллиарды километров от Земли, подчиняются тем же законам термодинамики и гидродинамики, что и процессы в лабораторных мишенях диаметром в пару миллиметров.

Экспериментальное измерение параметров плавления алмаза закрыло давний теоретический пробел в физике конденсированного состояния, дало строгое обоснование тепловой модели ледяных планет-гигантов и указало четкое инженерное направление для совершенствования установок управляемого термоядерного синтеза.

Источник: Nature Physics