Все, что нас окружает, пребывает в одном из четырех агрегатных состояний — жидком, твердом, газообразном и в виде плазмы. Последнее доминирует во Вселенной: в нем находятся вещества, из которых состоят звезды. Чем «звездная материя» может помочь энергетике?
В небе и на Солнце
Атомы, из которого состоит все, что мы видим, представляют собой связанные друг с другом электрические заряды — положительные и отрицательные. Их можно разделить. Например, если потереть палочку из эбонита о шерсть, электроны перекочуют на палочку, а на шерсти останутся лишенные их положительно заряженные ионы. Оставшийся без своего атома электрон стремится найти новую «семью» — и присоединяется к ближайшему иону. Газ, включающий ионы и электроны, называется плазмой.
Есть три классических способа превращения газа в плазму. Первый — термический: чем горячее газ, тем чаще атомы сталкиваются друг с другом и теряют электроны. Из плазмы состоят звезды, в том числе Солнце: из-за термоядерных превращений температура в их недрах достигает миллионов градусов.
Второй способ получить плазму — «разбить» молекулы газа электрическим разрядом. Пример из природы — ионизация воздуха при ударе молнии. Искусственно плазму получают с помощью электрического разряда чаще всего: это проще, чем нагревать газ до огромных температур.
Третий способ — обработать газ излучением. Для лабораторных или промышленных условий он не слишком удобен: если газ не разрежен, то «разбитые» атомы быстро собираются обратно. Однако в природе примеров плазмы такого рода много. Например, северное сияние: оно возникает из внешних, разреженных слоев атмосферы Земли под действием излучения Солнца.
В медицине, электронике и энергетике
В отличие от перехода из твердого состояние в жидкое (то есть плавления) или жидкого в газообразное (кипение), граница между газом и плазмой размыта. Точно так же условна разница между типами плазмы. Она бывает низкотемпературной (холоднее миллиона градусов) и высокотемпературной. Чем ниже температура, тем меньше заряженных частиц.
Низкотемпературную плазму применяют в разных областях: от стерилизации медицинских инструментов и обработки материалов до конструирования телевизоров с плазменными панелями. Температура такой плазмы может быть комнатной и ниже. Так, в 2024 году российские ученые получили стабильную ультрахолодную плазму — ее температура почти равна абсолютному нулю (минус 273,15 градуса).
Высокотемпературную плазму люди только пытаются приручить, создавая термоядерный реактор — потенциальный источник огромного количества энергии. Чтобы запустить термоядерную реакцию — заставить ядра атомов преодолеть взаимное отталкивание и сливаться, — сначала их нужно хорошенько разогнать. В космосе это происходит за счет сил гравитации. В реакторах для этого нужно резко сжимать газ, пропускать через него электрический ток, облучать высокочастотными электромагнитными волнами. Когда реакция запустится, она сама поддержит нужную температуру плазмы.
Главная проблема, которая не дает создать термоядерные электростанции, состоит в том, что горячую плазму не получается удержать никакими стенками реактора. Еще советские ученые придумали «ловить» раскаленную плазму с помощью магнитного поля, но даже тогда стенки не выдерживают высокой температуры и разрушаются. Исследователи предлагают защищать их от заряженных частиц магнитным полем, однако поиск оптимальной конфигурации и материалов реактора продолжается.
