ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

ИТОГИ И ПЕРСПЕКТИВЫ

История физики и химии показывает нам, что открытия ученых, не преследовавших в своих изысканиях специальной практической цели, по работавших в области чистой науки, получали неожиданные применения в промышленности и технике, причем влияние их на экономическое благосостояние государств в настоящем и будущем не поддается даже приближенному подсчету...

II. Л. Умов

В предыдущих главах собраны основные материалы по шаровой молнии, которыми располагает современная наука. Все даппые наблюдений, опытов, теорий феномена имеют общую характерную черту: они отрывочны, неполны и — увы — противоречивы. Само по себе это пе так уж плохо, пбо всякая научная дисциплина развивалась в сходных условиях и противоречивость дапных как раз служит источником нового, все более точного знания. Так было, например, и с нашими представлениями о линейной молнии, природа которой лишь к середине XX века была выяснена с достаточной полнотой.

Сравним эволюцию взглядов на шаровую молппю и историю изучения линейиых разрядов атмосферпого электричества. Исследования лнненной молнии, начатые работами В. Фрапклппа, М. В. Ломоносова, Г.-В. Рпхмапа в 50-х годах XVIII столетия, изобиловали отпюдь пе меньшими трудностями, противоречиями, яростной борьбой взаимоисключающих экспериментов, гипотез п теорий. Но помимо мощной инструменталный техники, которая позволила щедро привлекать к нпучопию дайные опыта, цеппой особенностью исследований был почти мгновенный практический результат их. Мы имеем в виду защиту от липейной молнии. Уже пионеры пауки об атмосферном электричестве создали конструкции простейших молниеотводов, достаточно надежно защищавшие здания. Выяснение природы линейной молнии позволило не только дать теоретические обоснования конструкциям молниеотводов, но и найти способы защиты от разрядов атмосферного электричества таких сложных объектов, как липни электропередач, электростанции, хранилища горючих и взрывчатых материалов и многих других сооружений.

Нам «не повезло» с защитой от шаровой молнии. Известно, что па американском Западе сторожа-наблюдатели, следившие из высоких караульпых башен за противопожарным состояппем лесов, сидели на очень высоких табуретах. Предполагалось, что влетевший в окно «огненный шар» попетляет между ножек табурета и, не найдя жертвы, выйдет через дверь или окна. Наивное одухотворение грозного явления и столь же папвпые попытки «обмануть» его! Позднее считалось, что защищаться от шаровой молнии следует, плотно закрывая во время грозы все окна, двери, дымоходы. Движепие «огненных шаров» по току воздуха почти не вызывало сомнений. Когда и эта мера оказалась песостоятельпой, изобретателями были сделаны попытки создать своеобразные защптпые экраны. Для особенно огнеопасных помещений рекомендуется [17, 18] устанавливать над выходпыми отверстиями труб, в вентиляциопных проходах и т. д. металлические заземленные сетки с площадью отверстий мепее 4 кп. см и толщиной проволоки от 2 до 2,5 мм. Представляется убедительным мнение, что шаровая молния разрядится на сетке (со взрывом нлн бесшумно), по обосповать это иптунтивное предположение при пыношпем состояпии проблемы — чрезвычайпо трудно. Некоторые даже получали патенты на такого рода устройства, однако гараптнровать защиту от шаровой молпин — зпачпт обмапывать себя и других. Такой защиты пока пе существует.

Возвращаясь к трагической гибели Г.-В. Рихмапа, мож- по сказать, что «луч молпип», поразивший отважного ученого, по мог быть ничем остановлен, п отличие от удара линейной молнпгт, который можно было отвести в землю. (Кстати, события, изложенные в главе I, не являются абсолютно достоверными: мпогие исследователи находят серьезные основания возражать против участия в них шаровой молнии. Предоставляем читателям самостоятельно взіієспть все «за» и «против» и выбрать наиболее убедительный вариант.)

Итак, практика не поможет нам примирить противоречивые данные и противоположные взгляды па природу редкого явлення. Отсутствует решающий судья всякой теории — опыт. Ответ: шаровая молпия есть либо «шаровая молния Френкеля», либо «миппатюрное грозовое облако Хилла», либо «шаровая молния Капицы» — не удовлетворит читателя, как не устраивает и ученых. Многие физики пытаются найти компромисс между теориями Фрепкеля — Хплла — Капицы, привлекая к рассмотрению такие характеристики феномена, которые не рассматривались нами ранее из-за их неочевидности, спорности. До сих пор такие попытки не увенчались успехом, как ни одна из теорий не одержала победы. По словам современного английского астрофизика Е. Брюса, «нам придется еще долго стегать полудохлую лошадь теории, пока она вывезет нас на верную дорогу». Поэтому вопрос о природе шаровой молнии остается открытым, и пройдут, видимо, годы, прежде чем наука даст нам на него достоверный ответ.

«Что же такое шаровая молния?» В качестве ответа па этот вопрос мы приводим ряд физических характеристик «огненных шаров», которые дополнят те свойства шаровых молпий, сводка которых дана на стр. 17—19.

Внутрепняя энергия: от 0,1 до 4 киловатт-часов.

Температура: от 3000 до 5000° С.

Время существования: от секунд до 4 мипут.

Вес: от 0,5 до 50 граммов.

Плотность: от 0,0013 до 0,015 г!см3.

Скорость движения: от 100 км/сек до 2 м/сек (или неподвижное парение в воздухе).

Сила света: от 0,5 («искра») до 50—80 свечей.

Мощность взрыва: эквивалентна мощности взрыва тринитротолуола (тола) весом 0,1 —1,0 кг.

Скорость вращения слоев (лннейпан): от 1 до 7 км/сек.

Сила тока: до 20 ампер.

Еще рал отметив предположительность этих количественных данных, присоединимся одповременпо к сделаппо- му многими исследователями предположению, что такой

ВИД атмосферного разряда, как неточная молния, является частным случаем шаровой, представляет собой цепочку шаровых молний.

На множество вопросов — как, где, когда, почему?— пришлось отвечать пам, распутывая клубок загадок «огненного шара». Настало время ответить на вопрос — зачем? Какие практические применения может найти в будущем наше знание природы шаровой молнии?

Поело 19Г>7 года, когда был запущен первый спутник, многие исследовательские цептры США обратились к шаровой молнии, ища путей ее военного применения.

Учепые рапее упомянутой лаборатории «Бендикс» создали установку ио получению комка плазмы (о ней мы говорили на стр. 34). Исходной идеей этой работы были поиски способа двигать в пространстве получеппое подобие шаровой молнии. Плазма создавалась фокусировкой микроволнового излучения радиолокатора. Если бы удалось тем же лучом радиолокатора перемещать это образование с одновременным подводом мощности, то был бы создап своеобразный снаряд, который поражал бы объекты высокой температурой, большим электрозарядом и мощным ВЧ-излучением. Но «ком плазмы» из этой установки был чрезвычайно рыхлым, нестойким разрядом, который никак не удавалось насытить значительными дозами энергии, а при выдвижении из фокуса параболического зеркала комок мгновенно распадался.

Недавпо Карстеп М. Хааланд с сотрудниками сделал попытку получить высокоэнергетпческую плазму в виде отдельно существующего шара. При этом он базировался на разработанной нм гипотезе о двух тппах шаровой мол- пип в естественных условиях: 1) малоэнергетическая шаровая молния («модель Э. Хилла») с уровнем энергии, меньшим 0,1 джоуля па 1 куб. см. объема, и 2) высокоэнергетическая шаровая молния с поглощением энергии извне («магнитпо-турбулептпая модель», близкая к модели П. ,ТТ. Капицы).

Хааланд обратился за субсидиями к военпо-воздушпым силам США, обещая за сто тысяч долларов найтп метод создания пысокоэпергетнческой искусственной шаровой молнии, годпой для противоракетной обороны. Имелось в виду разрушать боеголовки межконтинентальных баллистических ракет при непосредственном контакте их с плазмой шароной молнии, которая должна была доставляться па- встречу боеголовке пучком направленных радиоволн большой интенсивности.

Проекту была создана некоторая реклама, шаровая молния стала «Х-оружпем» на страницах прессы, по вскоре шум затих, ибо исследовательский центр пе получил нужных ста тысяч долларов — то ли из-за сугубо оборонительного характера «Х-оружия», то ли стратегам из ВВС США показалась чересчур экзотической сама идея такого оружия.

Контракт на разработку «Х-оружия» был дан Калифорнийскому университету, где В. Бостиком были проделапы интересные опыты с двуэлектродной титановой плазменной пушкой. «Выстрел» ее начинается возбуждением пшура плазмы между электродами, затем резким повышением силы тока (до нескольких тысяч ампер в течение 1 микросекунды) этот шпур «вытягивается» из электродов, импульсное магпптпое поле отрывает его, а внутренние магнитные силы свивают шпур плазмы в клубок, который летит в вакууме со скоростью почти 200 км/сек. В нолу- чепном сгустке, повторяем, пет ничего общего с естественной шаровой молнией, одпако сепсацпоппая журналистика накрепко связала эти явления при рекламировании работ В. Бостика.

Кинетическая энергия и, следовательно, пробпвная сила такого сгустка плазмы чрезвычайно велика. Но... после краткой шумихи о проекте «Защита» замолкли. Дала ли тут себя знать система секретности или же это молчаливое признание неудачи — трудно судить.

Да дело и не в этом. Подлинная наука глубоко человечна, поэтому все большее число ученых солидаризуется с Эйнштейном, с предельной ясностью предупредившего человечество: «Разоружайся или погибай!»

Горьким парадоксом развития многих отраслей современной науки является то, что мпрпые применения ее достижений значительно сложнее и отдаленпее, чем воеппые. Относится это и к проблеме использования имеющихся знаний о шаровой молпии. Одпако объективная возможность использования этих знаний в мирных целях существует.

Если мы возьмем в качестве основы рассмотрения теорию Я. И. Фрепкеля, то открываются следующие возможности.

«Вихрь плазмы», неизвестным нам образом освобождающий большую энергию химическим путем, является своеобразным «химическим реактором». Позпать химическую физику процессов в шаровой молнии, значит увеличить наши возможности в химической технологии высоких температур.

«Вихрь плазмы» может дать пам важные уроки по устойчивости низкотемпературной гглазмы. Существует класс термоядерных реакций, ход которых возможен и при «низких» (до 10 000° С) температурах. Возбуждение таких реакций в устойчивой конфигурации плазмы, какой является шаровая молыия,— чрезвычайно заманчивая задача, возможно, открывающая новый источник энергии.

(Напомним, что температура в 10 000° С является высокой для химических процессов, по плазма с такой температурой называется «холодной»).

Из теории Э. Хилла вытекает интересный случай долго- временпого раздельного существования различно заряженных областей в малых объемах. Может ли это найти конкретное применение в электронике, сказать сейчас трудно.

Если же следовать за П. Л. Капицей, то перспективы поистпне замечательны.

Безэлектродный разряд тппа шаровой молнии представляет собой почти идеальный газовый электрохимический реактор. Именно этой мыслью руководствовался Г. И. Бабат прп создании ВЧ установки //-разряда. Отсутствие электродов, широкий диапазон давлений, при которых существует разряд, возможность управления им (и электрохимическими процессами в пем) посредством изменения частоты, диапазона п мощпостп электромагнитных волн — все это представляет исключительно цеппые характеристики такого реактора. Технические решения его уже существуют в проектах нескольких паучпых коллективов.

П. Л. Капица с сотрудппкамн разработал физическую оспову новой отрасли электротехники, которую оп назвал «электроникой большой мощности». Не входя в детальное рассмотрение идей новой отрасли, воспользуемся образным сравнением Каппцы: если в начале своего развптпя электротехника применялась в основном для целей связи и лишь потом с повышением мощпостп стала основой энергетики, то сейчас тот же самый процесс повторяется в радиоэлектронике, т. е. если радиоэлектроника прошлого и настоящего — связь, то в будущем опа станет и эпергетпкой.

Электроника большой мощности исходит из принципиальной возможности сосредоточения больших количеств электромагнитной энергии в малых объемах, что дает возможность волноводной передачи энергии на большие расстояния ', а также открывает пути генерации сверхвы- сокочастотпых электромагнитных колебаний, которые могут трансформироваться в тенло, в энергию ускоренных направленных пучков электромагнитных волн и т. д. На этом пути возможно прямое (без теплового комплекса, который сильно снижает коэффициент полезного действия атомных энергетических установок) использование атомной эпер- гии.

Приборами электронпкп большой мощности являются широко известный магнетрон и планотрон, являющийся генератором сверхвысокочастотных колебаний. В плапо- троне П. Л. Капицы электроны, испускаемые катодом, движутся к аноду близ системы объемных резонаторов, которые тормозят их. Излучаемая электронами эпергпя отводится волноводами для использования электроустановками. Планотрон обратим: он может не только генерировать СВЧ колебания, но и преобразовывать электромагнитные волны в постоянный электрический ток. Так образуется цепь: электрогенератор — планотрон — волновод — планотрон — электромотор.

Стержневой проблемой новой отрасли электрофизики является удержание и пасыщепие электромагнитной энергией облака электронов и отыскаппе надежной фокусировки электронов магнитпым полем. Дело в том, что электронное облако (имеющиеся во многих электровакуумных устройствах) с увеличением мощности и плотности энергии как бы расталкивается зарядами электронов, распадается. Сохранить его при насыщении энергией можно двумя способами: а) компенсируя заряды электронов зарядами ионов окружающего газа (ионизация), б) удерживая облачко сильным магнитным полем особой формы. Вспомним, что при получении //-разряда перед Бабатом стояла сходпая задача: для возбуждения разряда требовалась первоначальная ионизация. После того как //-разряд возникал, в объем вводился воздух, который п обеспечивал

ионизаций в области разряда. Именно в этих условиях 11- разряд, созданный магнитным иолом ВЧ тонов, становился устойчивым н разительно напоминал естественную шаровую молнию.

Шаровая молния, но Капице, есть относительно устойчивая конфигурация электронов и иоиов, способная к резонансному поглощению электромагнитных колебаний. Важной ее характеристикой является существование в условиях нормального атмосферного давления. Крайне интересно прохождение шаровой молнии по волноводам {дымоходам, щелям, иногда по проводам) почти без потерь: ото и другие свойства явления чрезвычайно схожи с аналогичными в электронике магнетрона и планотрона.

Мы видим, как загадки шаровой молнии смыкаются с проблемами электроники большой мощности. Можно сказать, что «шаровая молнпя Капицы» — тот «генератор чудес», который в виде опасного и редкого явления существует в природе, а будучи поставлен на службу человеку, преобразит современную электроэнергетику.