50 лет применения лазеров: следующий шаг – управляемый "термояд"

В следующем году будет отмечаться 50-летие лазера – одного из самых продуктивных и широко используемых изобретений прошедшего столетия. Учёные надеются, что в 2010 г. будет достигнут очередной успех в освоении технологии лазеров, а именно – продемонстрирована возможность создания практически неисчерпаемого источника чистой и свободной от углеродных соединений энергии. За пять десятилетий лазеры нашли применение в производстве, науке, медицине, развлечениях и обеспечении безопасности; они считывают штрих-коды с упаковок товаров, записывают и читают оптические диски, работают в лазерных принтерах, создают голограммы, помогают при проведении хирургических вмешательств и лечении опухолей, поражают военные мишени и измеряют расстояние до Луны.

В 2010 году учёные выведут лазеры на новый уровень, попытавшись получить энергию путём повторения процессов, благодаря которым звёзды излучают тепло, свет и поддерживают жизнь на Земле. Как называют технологию сами исследователи из Национального комплекса термоядерных испытаний (National Ignition Facility, NIF) в Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (Lawrence Livermore National Lab), это "мощь звёзды в лаборатории". Название "говорящее" – проект ставит целью запустить контролируемую реакцию синтеза ядер, являющегося источником энергии в звёздах и водородных бомбах. Будут задействованы 192 квантовых генератора, чтобы получить в заданной точке экстремально высокую температуру и давление, необходимые для объединения атомов водорода. Итоговая частица теряет небольшую часть массы, превращающуюся в гигантское количество энергии – знаменитое уравнение Эйнштейна в действии. В сегодняшних АЭС используется расщепление ядер атомов урана или плутония.

Если планы осуществятся, термоядерный синтез станет источником энергии на атомных электростанциях нового класса. Есть и конкурирующая с лазерами технология, предполагающая использование магнитов, но пока её действенность нуждается в доказательстве. Согласно данным NIF, термоядерная станция не будет выбрасывать какие-либо парниковые газы, количество побочных радиоактивных продуктов не превысит безопасный предел, а реактору не грозит разрушение из-за расплавления. В отличие от солнечной или ветровой энергии, спрос на электричество будет удовлетворяться безостановочно. А по сравнению с нефтью, газом или ураном топливо – главным образом водород – доступно в практически неограниченном объёме.

Для запуска термоядерного синтеза необходимо будет сфокусировать массив лазерных лучей на мишени из дейтерия и трития (изотопы водорода) размером с горошину, находящейся в установке стоимостью $3,5 млрд. Реакция продлится 2 миллиардные доли секунды при температуре 100 млн градусов Цельсия и давлении, которое превышает атмосферное в 100 млрд раз. По выражению специалиста американского Министерства энергетики Эдмунда Синяковского (Edmund Synakowski), в случае успеха достижение можно будет сравнить с первым в истории зажиганием свечи в двигателе внутреннего сгорания. NIF надеется провести испытание в следующем году, однако эксперты прогнозируют, что до момента получения реальных результатов пройдут ещё два-три года. Осталось множество технических проблем, таких как синхронность и точность фокусировки всех 192 лучей на миниатюрной цели без риска повреждения установки.

Каким бы ни выдался следующий год для планов NIF, сами разработчики проекта признают, что к потребителям "термоядерное" электричество не попадёт ранее, чем лет через 20, поскольку даже после успешной демонстрации необходимо будет решить многие технологические и инженерные задачи. Но лазер – один из ключевых элементов, благодаря которому управляемый синтез возможен. История лазеров – это история научного поиска и изобретений, сдобренная обычными конфликтами и патентными спорами. Хотя концепция оптических квантовых генераторов в теории прорабатывалась в течение столетия, первый функционирующий прототип на рубине был продемонстрирован 16 мая 1960 года Теодором Мейманом (Theodore Maiman) – сотрудником Исследовательской лаборатории Хьюза (Hughes Research Laboratory) в Малибу, Калифорния. Прорыв затем был воспроизведён во множестве других лабораторий, и последовал расцвет лазеров как инструментов решения разнообразных задач. Например, первая медицинская операция по удалению новообразования на сетчатке была проведена уже в декабре 1961 года в нью-йоркской больнице, а сегодня улучшение зрения путём изменения формы роговицы – типичная процедура. Видов лазеров – великое множество: полупроводниковые, газовые, на органических красителях, свободных электронах, химические, рентгеновские. Стоимость отдельных экземпляров достигает миллионов долларов, а размер варьируется от микроскопических масштабов до систем, занимающих площадь в несколько футбольных полей, как в NIF.