Как сообщает онлайн-журнал об энергетике «Энергия+», «плазма – это четвертое агрегатное состояние вещества, которое доминирует во Вселенной и обещает революцию в производстве энергии».
Все вокруг нас – от капли воды до куска металла – существует в одном из четырех агрегатных состояний: твердом, жидком, газообразном или плазменном. Последнее – не редкость, а норма для 99 % видимой Вселенной. Звезды, включая наше Солнце, галактики и межзвездный газ состоят именно из плазмы. Эта «звездная материя» – не просто экзотика космоса, а ключ к будущему земной энергетики. Почему плазма так важна и как человечество учится ее укрощать?
Любое вещество построено из атомов – миниатюрных систем, где положительно заряженные протоны в ядре окружены отрицательно заряженными электронами. В обычных условиях эти заряды связаны. Но их можно разъединить. Простейший пример: потрите эбонитовую палочку о шерсть – электроны перейдут на палочку, оставив на ткани положительные ионы. Освободившийся электрон ищет новый атом и присоединяется к ближайшему иону. Газ, насыщенный такими свободными зарядами, и есть плазма.
Существуют три основных пути превращения газа в плазму. Первый – термический. Чем выше температура, тем яростнее сталкиваются атомы, выбивая электроны. В недрах Солнца температура достигает 15 миллионов градусов – там плазма рождается из термоядерных реакций.
«Звезды – это гигантские плазменные шары, где энергия выделяется за счет слияния ядер», – отмечают эксперты.
Второй способ – электрический разряд. Молния в атмосфере – природный пример: воздух ионизируется, создавая светящийся канал плазмы. В лабораториях и промышленности плазму получают именно так: это проще и дешевле, чем нагрев до звездных температур.
Третий путь – облучение. Солнечное излучение ионизирует верхние слои атмосферы Земли, порождая полярные сияния. В разреженном газе такие плазменные облака стабильны, но в плотных средах атомы быстро рекомбинируют. Поэтому для промышленности этот метод менее удобен.
Граница между газом и плазмой нечеткая, как и между ее типами. Плазму делят на низкотемпературную (до миллиона градусов) и высокотемпературную. Чем ниже температура, тем меньше доля ионизированных частиц.
Низкотемпературная плазма уже работает на нас. Она стерилизует медицинские инструменты, не нагревая их, модифицирует поверхности материалов, используется в плазменных телевизорах. Ее температура может быть комнатной или даже ниже. В 2024 году российские физики создали ультрахолодную плазму с температурой, близкой к абсолютному нулю (-273,15 °C). Это открытие расширяет возможности в квантовых технологиях и сверхпроводимости.
Высокотемпературная плазма – главная ставка энергетиков. Человечество мечтает о термоядерных реакторах, где энергия рождается так же, как в звездах: ядра водорода сливаются в гелий, выделяя колоссальную энергию. Чтобы запустить реакцию, нужно преодолеть электростатическое отталкивание ядер. В космосе это делает гравитация. На Земле – комбинация сжатия, тока и электромагнитных волн.
Термоядерная плазма должна гореть при 100-150 миллионах градусов. Обычные материалы испаряются при таких температурах. Советские ученые предложили удерживать плазму магнитным полем – в токамаках и стеллараторах. Но даже там стенки реактора страдают от бомбардировки заряженными частицами.
«Мы ищем материалы, которые выдержат нейтронный поток и тепло, не разрушаясь десятилетиями», – говорит один из разработчиков ITER.
Международный проект ITER в Франции – самый амбициозный: реактор размером с многоэтажный дом должен впервые получить больше энергии, чем потратит на запуск. Но до коммерческих станций еще далеко.
Плазма окружает нас незаметно. Неоновые лампы, сварочные дуги, озонаторы воздуха – все это плазменные технологии. В микроэлектронике плазма травит чипы с точностью до нанометров. В медицине – уничтожает бактерии, не повреждая ткани. Даже в экологии: плазменные горелки перерабатывают отходы без выбросов.
В космосе плазма – основа солнечного ветра, магнитосферы Земли и двигателей будущих космических кораблей. Ионные двигатели уже летают на спутниках, а плазменные – в разработке для межпланетных миссий.
Термоядерный синтез обещает энергию без радиоактивных отходов и парниковых газов. Топливо – дейтерий из воды и тритий из лития – хватит на миллионы лет. Один грамм смеси дает энергию, как тонна угля, но без выбросов.
Плазма – не фантазия, а реальность, которая уже меняет мир. От стерилизации инструментов до звездных двигателей – четвертое состояние материи становится пятым элементом прогресса.