Край Будущего

В настоящее время человечество потребляет около 15 тераватт энергии каждую секунду, из которых примерно 2,5 тераватта приходится на электричество. Энергетический кризис с каждым днём становится всё острее. Однако решение этой проблемы может заключаться не только в промышленной термоядерной энергетике, которая обещает стать экологически чистой, но и в альтернативных источниках энергии. Одним из таких источников является дейтерий — изотоп водорода с дополнительным нейтроном в ядре, которого в океанических водах Земли содержится огромное количество. Практически неисчерпаемый запас дейтерия может стать ключом к будущему энергетическому изобилию.

Но что если ответ на вопрос «откуда берётся электричество в розетке» в 2090-х годах будет связан не с Землёй, а с космосом? И речь пойдёт не о близкой к Земле орбите, а о дальнем космосе — о Марсе, который может превратиться в гигантскую электростанцию, снабжающую энергией всё человечество. Возможно ли это, и когда такой проект может стать реальностью?

Концепция космической солнечной энергетики существует уже давно. В её классическом варианте предлагается размещать масштабные станции на геостационарной орбите Земли с солнечными панелями и концентраторами солнечного излучения, а также системами передачи энергии на Землю, чаще всего с помощью фазированных антенн, передающих энергию в виде микроволн. Современная же концепция предлагает гораздо более масштабный план: согласно исследованию Джека Смитта, опубликованному в журнале Physica Scripta, вокруг Марса можно создать рой спутников-концентраторов, которые будут перенаправлять солнечный свет на поверхность планеты. Там энергия преобразуется в электричество и будет передаваться на Землю с помощью электромагнитного излучения. Эта идея является модификацией концепции «роя Дайсона» — сети аппаратов, окружающих звезду и собирающих всю её энергию (для Солнца это порядка 3.8×10^26 ватт).

Марс выбран не случайно: его низкая гравитация и разрежённая атмосфера значительно упрощают запуск спутников на орбиту. Кроме того, производство концентраторов планируется организовать из местных ресурсов, поскольку доставка даже ультралегких отражающих панелей с Земли экономически нецелесообразна. Для создания необходимой инфраструктуры предполагается использовать роботов-репликаторов — автономных фабрик, способных производить собственные копии из марсианских материалов, подобно биологическому размножению. Основной вызов — производство микроэлектроники, но на первых этапах можно будет поставлять комплектующие с Земли, а затем наладить их производство на Марсе. Отправив на поверхность Марса небольшое количество таких роботов, можно запустить экспоненциальный рост их численности и, соответственно, масштабов производства спутников-рефлекторов.

Запуск спутников будет осуществляться с помощью электромагнитной пусковой установки длиной около 631 метра, что возможно благодаря низкой первой космической скорости Марса (3,55 км/с против 7,9 км/с у Земли) и способности выдерживать высокие ускорения. Спутники будут оснащены складными зеркалами, которые раскрываются после выхода на орбиту. Рассматривался также вариант передачи энергии с помощью бортовых лазеров, но он признан менее эффективным по сравнению с отражающими панелями. Для генерации электричества на Марсе могут использоваться солнечные панели или двигатели Стирлинга, оба способа обеспечивают около 30% эффективности.

Ожидается, что технологический уровень, необходимый для реализации этого проекта, может быть достигнут к концу 2030-х годов. Значительную роль в этом сыграет проект SpaceX Starship, который при успехе позволит быстро и дешево доставлять сотни тысяч тонн грузов на Марс благодаря полной многоразовости и орбитальной дозаправке. По прогнозам, к 2100 году мощность марсианского роя может достичь 100 тераватт, обеспечивая энергией Землю в масштабах, превышающих сегодняшние потребности. При этом самая высокая скорость роста мощности будет наблюдаться на завершающих этапах строительства.

Постройка такого роя Дайсона не только позволит решить экологические проблемы и направить взгляд человечества к звёздам, но и станет шагом на пути к переходу цивилизации с нулевого уровня по шкале Кардашева сначала к типу 1, а затем и к типу 2 — то есть к межзвёздному виду, способному использовать энергию целой звезды.

Если этот амбициозный проект выйдет за пределы теории и вдохновит человечество на технологический подвиг, не имеющий аналогов в истории, мы станем свидетелями начала новой эры — эры межпланетной, а возможно, и межзвёздной экспансии.

Ученые из Университета Кейс Вестерн Резерв создали новый экологичный пластик, который можно использовать для изготовления носимой электроники, датчиков и других электронных устройств. Этот материал — сегнетоэлектрический полимер — не содержит фтора, вредного химического элемента, который долго не разлагается в природе и загрязняет окружающую среду.

Хотя ученые продолжают улучшать электрические и гибкие свойства нового пластика, он уже показывает большой потенциал благодаря своей мягкости и безопасности для природы.

Профессор Лей Чжу, руководитель исследования, объясняет, что этот материал работает иначе, чем существующие сегнетоэлектрические материалы. Обычно такие материалы должны иметь кристаллическую структуру, чтобы проявлять свои электрические свойства, а новый полимер этого не требует.

Полимеры — это большие молекулы, состоящие из длинных цепочек маленьких звеньев. Они могут быть искусственными, как пластик, или натуральными, как волосы или ДНК. Изменяя структуру полимеров, можно делать их более прочными, гибкими или устойчивыми к нагреву.

Сегнетоэлектрические материалы обладают особым свойством — их электрический заряд можно менять с помощью электрического поля, как переключатель. Это помогает создавать компактные и эффективные электронные устройства, которые экономят энергию.

Новый полимер гибкий и его электрические свойства можно легко включать и выключать. Это очень важно для носимой электроники и инфракрасных датчиков, которые должны быть мягкими и комфортными для тела человека. В отличие от жестких и хрупких керамических материалов, полимер легко гнется и легкий.

Ранее для таких целей использовали полимер ПВДФ, который содержит фтор и не разлагается в природе, что плохо для экологии. Новый материал лишен этого недостатка и безопасен для окружающей среды.

Кроме носимой электроники, сегнетоэлектрические полимеры применяются в ультразвуковых датчиках для медицины, так как хорошо взаимодействуют с тканями человека. Они также могут пригодиться в очках дополненной и виртуальной реальности.

Пока ученые только начинают создавать этот материал в небольших количествах и изучать его свойства, но они надеются, что он поможет заменить вредные пластики в электронике и сделает устройства более экологичными.

Новое исследование старых данных космического телескопа НАСА «Кеплер» выявило в системе KOI-134 две планеты, вращающиеся вокруг своей звезды по необычной схеме. Ранее считалось, что в этой системе планет нет, или выявленный кандидат был ложноположительным из-за аномальных транзитов.

Команда под руководством Эммы Набби из Университета Южного Квинсленда повторно проанализировала данные и подтвердила существование двух планет: KOI-134 b — теплого Юпитера с орбитальным периодом около 67 дней, и KOI-134 c — планеты меньшего размера, чуть ближе к звезде, с периодом около 33–34 дней. Эти планеты находятся в орбитальном резонансе 2:1, то есть за один оборот KOI-134 b, KOI-134 c делает два.

Особенностью системы является значительный взаимный наклон орбит — около 15 градусов. KOI-134 c движется по наклонённой орбите, из-за чего её транзиты не всегда наблюдаются с Земли, что объясняет, почему она ранее оставалась незамеченной. Гравитационное взаимодействие между планетами вызывает вариации времени прохождения (TTV) KOI-134 b через звезду — отклонения в 20 часов от ожидаемого времени транзита. Эти TTV были причиной того, что планету первоначально приняли за ложноположительный сигнал.

Благодаря наклону орбит, резонансу и TTV планеты вращаются вокруг звезды по сложной траектории, напоминающей движение деревянных пони на старинной карусели. Это первая компактная система множеством планет с таким значительным взаимным наклоном и выраженными вариациями времени прохождения.

Открытие подчеркивает редкость и сложность выявления планетных систем с высокими взаимными наклонениями. Такие системы дают важные сведения о динамике планетных орбит и процессах формирования планетных систем.

Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy. В работе приняли участие несколько международных научных институтов, включая Университет Южного Квинсленда, Женевский университет и Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики.

В таких галактиках возникают яркие эпизоды звездообразования, когда сотни звездных сверхскоплений содержат по 100 000 и более звёзд. Ежегодно в них рождаются звёзды с массой в сотни и тысячи солнечных масс, что делает эти галактики чрезвычайно яркими, особенно в инфракрасном диапазоне, где их светимость может превышать солнечную в триллионы раз.

Галактика Сигара (M82) является примером такого объекта. Её яркость в оптическом свете скрыта пылью, но телескоп Джеймса Уэбба (JWST) позволяет наблюдать активное звездообразование в инфракрасном диапазоне. В M82 многочисленные сверхскопления, содержащие около 100 000 звёзд, значительно повышают её светимость.

Для поддержания таких вспышек галактикам нужен обильный запас газа. M82, вероятно, получила его благодаря гравитационному взаимодействию с соседней галактикой M81. Пара вращается друг вокруг друга с периодом около 100 миллионов лет. Эти взаимодействия придали M82 вытянутую форму и направили газ в её ядро, стимулируя интенсивное звездообразование.

Астрономы изучают M82 и M81 как естественную лабораторию для наблюдения взаимодействия галактик. В исследовании 2024 года с помощью выбросов полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) выявлена сложная структура нитей и пузырьков газа, образующихся при вспышках сверхновых, а также обнаружены галактические оттоки — потоки газа, исходящие из центра M82. Эти оттоки связаны с мощными звёздными ветрами и взрывами сверхновых, которые выдувают газ из галактики.

ПАУ играют важную роль, поскольку их излучение в среднем инфракрасном диапазоне помогает отслеживать холодный молекулярный газ и его движение.

Интенсивное звездообразование в галактиках со вспышками обычно длится около 100 миллионов лет — до тех пор, пока не иссякнут запасы газа. Однако в случае M82 повторяющиеся взаимодействия с M81 могут вызывать циклы активного звездообразования и затишья. Предполагается, что подобные циклы происходили в прошлом: примерно 600 миллионов лет назад и нынешняя фаза началась 30–60 миллионов лет назад.

На расстоянии около 12 миллионов световых лет M82 находится достаточно близко, что позволяет астрономам тщательно изучать её с помощью телескопов, включая «Хаббл» и JWST.

В будущем M82 продолжит проходить через циклы звездообразования, пока в далёкой перспективе не сольётся с M81. Это слияние вызовет мощный всплеск звездообразования, который со временем прекратится, и образовавшаяся крупная галактика перейдёт в спокойное состояние.

Когда космический аппарат «Новые Горизонты» пролетел через пояс Койпера на расстоянии более 5,5 миллиардов миль от Земли, международная команда астрономов провела уникальный эксперимент — впервые в истории успешно продемонстрировала звездную навигацию в дальнем космосе.

В рамках проверки этой идеи учёные использовали обзорную площадку зонда во время его полёта в межзвёздное пространство, чтобы сфотографировать две ближайшие к нам звезды — Альфа Центавра, находящуюся на расстоянии 4,2 световых лет, и Волка 359, расположенную в 7,86 световых годах от Земли.

С точки зрения «Новых Горизонтов» положение этих звёзд на небе изменилось так же, как и для наблюдателей на Земле — это явление известно как звездный параллакс.

Используя координаты этих двух звёзд и трёхмерную модель окрестностей Солнца, команда смогла определить положение космического аппарата относительно звёзд с точностью около 4,1 миллиона миль. Для сравнения, это примерно соответствует точности в 26 дюймов при измерении расстояния между Нью-Йорком и Лос-Анджелесом.

Хотя результаты эксперимента не достигли уровня научных исследований, учёные подчеркнули, что непосредственное наблюдение больших звездных параллаксов с помощью наблюдателей, находящихся на большом расстоянии друг от друга, даёт ценное понимание этого эффекта.

По словам Тода Лауэра, астронома из лаборатории NOIRLab NSF в Тусоне, штат Аризона, и ведущего автора исследования, «мы надеялись, что одновременное получение изображений с Земли и с космического аппарата позволит наглядно и быстро продемонстрировать принцип звездных параллаксов».

«Знать теорию — одно, а увидеть своими глазами и сказать: „Смотрите, это действительно работает!“ — совсем другое», — добавил он.

«Новые Горизонты» — это пятый роботизированный космический аппарат, который покинул Землю и направляется в межзвёздное пространство. Его главной миссией было исследование карликовой планеты Плутон и её крупнейшего спутника Харона.

После путешествия длиной более девяти с половиной лет и преодоления свыше 3 миллиардов миль аппарат сделал первые детальные снимки этих ледяных миров, значительно расширив наши знания об их геологии, составе и разрежённой атмосфере.

Сейчас, в рамках расширенной миссии, «Новые Горизонты» продолжат изучение гелиосферы — области, окружающей Солнце — и в ближайшие годы ожидается, что аппарат пересечёт «шок прекращения» — границу, отделяющую наше Солнечное пространство от межзвёздного пространства.

Учёные из Сиднейского университета нашли новый способ производить аммиак — важное химическое вещество, которое используется, в основном, для изготовления удобрений. Удобрения с аммиаком помогают выращивать почти половину всех продуктов питания в мире.

Раньше многие лаборатории получали аммиак в виде раствора (аммоний, NH4+), который сложно и энергозатратно превращать в газ. Новая команда учёных научилась сразу получать аммиак в газообразном состоянии (NH3), что упрощает процесс и снижает затраты энергии.

Сегодня аммиак производят по методу Хабера-Боша, который требует больших затрат энергии, работает при высоком давлении и температуре и использует природный газ. Этот способ сильно загрязняет окружающую среду и требует крупных заводов рядом с месторождениями газа.

Команда из Сиднея хочет изменить эту ситуацию и сделать производство аммиака более экологичным и доступным. Раньше аммиак, добываемый из природных источников, был настолько ценным, что даже становился причиной войн. Изобретение метода Хабера-Боша в XIX веке позволило производить аммиак в промышленных масштабах и стало основой современного сельского хозяйства.

Потребность в аммиаке постоянно растёт, и учёные ищут способы делать его без использования ископаемого топлива. Профессор Пи Джей Каллен и его команда уже шесть лет работают над созданием «зелёного» аммиака — экологичного, недорогого и масштабируемого продукта, который можно производить локально, без больших заводов и долгих перевозок.

Их новый метод основан на использовании электричества для создания искусственной молнии — плазмы, которая возбуждает молекулы воздуха. Затем эти молекулы проходят через специальное устройство — мембранный электролизёр, где превращаются в газообразный аммиак.

Аммиак содержит много водорода, поэтому его можно использовать как источник и носитель водорода для производства энергии. Кроме того, аммиак подходит в качестве безуглеродного топлива, что особенно важно для таких отраслей, как судоходство, которое сейчас сильно загрязняет атмосферу.

Главная особенность нового метода — двухэтапный процесс: сначала плазма возбуждает воздух, а затем электролизёр превращает его в аммиак. Пока команда уже сделала плазменный этап энергоэффективным и масштабируемым, но продолжает улучшать электролизёр, чтобы весь процесс стал ещё более выгодным и экологичным по сравнению с традиционным методом Хабера-Боша.

Таким образом, новая технология обещает сделать производство аммиака более чистым, доступным и гибким, что поможет уменьшить вред для окружающей среды и поддержать устойчивое сельское хозяйство и энергетику в будущем.