Сегодня - 15.12.2018

Выбери профессию в науке

09 марта 2018

Ученые Сибирского отделения РАН рассказали школьникам старших классов естественно-научного направления о передовых направлениях исследований в мире и институтах СО РАН и вдохновили выбрать научную профессию собственным примером.

Проблема организации полета на Марс. Мнение молекулярного биолога
 
Свою точку зрения на то, что ждет первых колонистов Марса и какие задачи стоят перед биологами, инженерами и врачами перед отправкой космической экспедиции изложил научный сотрудник лаборатории ферментов репарации Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, Новосибирского государственного университета кандидат биологических наук Сергей Евгеньевич Седых.
 
— Если говорить о преимуществах Марса как планеты для колонизации, их несколько: марсианские сутки (сол) составляют 24 часа 39 минут, есть смена времен года, марсианский год длится 687 дней — почти два земных года, что гораздо лучше, чем, например, на Меркурии, где год пролетает за земные сутки. У Марса есть атмосфера, защищающая планету, хоть и в небольшой степени, от солнечной и космической радиации. На Марсе слабая гравитация, а это означает существенно меньшее по сравнению с Землей значение второй космической скорости, что упрощает отправку корабля обратно «домой». На Марсе есть вода в виде льда, а параметры марсианского грунта близки к земным, возможно на марсианской почве можно выращивать растения.
 
Трехкилометровый слой замерзшей грязной воды на северном полюсе Марса
 
Звучит обнадеживающе, и возникает ощущение, что, может, яблони на Марсе и не зацветут, но совсем скоро земляне обоснуются на этой планете. Однако при ближайшем рассмотрении карета превращается в тыкву. 
 
— Пока не очень ясно может ли человек жить при такой маленькой гравитации: сила тяжести на Марсе достигает лишь 0,38×g, солнечного света почти вдвое меньше, чем на Земле (лишь 43 % энергии светила достигает поверхности Марса, по сравнению с этой величиной для нашей планетой). Температура поверхности в среднем — -63 °C, атмосферное давление составляет менее 1 % земного, а в «воздухе» преимущественно углекислый газ, — обескуражил слушателей Сергей Седых.
 
Если вы еще не передумали записываться в добровольческий отряд покорителей Марса, то вот еще немного аргументов против: вода в чистом виде вследствие низкого давления сублимируется, жидкость, обнаруженная на Марсе, представляет собой концентрированный солевой раствор. У планеты нет магнитного поля, что существенно увеличивает количество достигающего ее поверхности ионизирующего излучения, ну и радиационный фон на Марсе существенно выше, чем на Международной космической станции, и примерно в 13 раз превышает его средний уровень в современных развитых странах.
 
— Задач колонизации Марса очень много, они очень сложные, и процесс их решения как раз позволяет появиться новым научным прорывам. Чтобы поселиться на Красной планете, нужно, во-первых, повысить атмосферное давление и температуру, создать аналог озонового слоя, магнитное поле и биосферу. Для решения последней проблемы предполагается, что можно взять какие-то бактерии с Земли, которые будут там жить и фотосинтезировать. Но для того, чтобы микроорганизмы смогли «произвести» сколько-нибудь значимое количество кислорода, им понадобится несколько сотен лет, — добавил биолог.
 
Однако прежде чем делать Марс пригодным для жизни, до него еще нужно долететь.
 
— При нынешнем развитии техники космическому кораблю понадобится шесть месяцев при оптимальных условиях (когда орбиты Марса и Земли максимально сближены — это происходит раз в 26 месяцев), чтобы совершить полет только в одну сторону, и столько же обратно. При этом желательно провести на Марсе больше года, чтобы стартовать обратно, когда эта планета снова приблизится к Земле на минимальное расстояние. Корабль должен нести запас топлива (и продуктов) на обратный путь, — добавил биолог.
 
Так выглядят Земля и Луна с Марса
 
Завершая свое выступление, Сергей Седых обозначил сугубо «биологические» проблемы, с которыми на сегодняшний день наука справиться не может:
 
— С собой космонавтам нужно везти несколько тонн еды. Если считать, что в год каждому человеку нужно 300 кг еды, то на одного человека только на время путешествия (туда и обратно) потребуется 600 кг пищи. Это очень много, значит, еду надо как-то добывать во время полета. Следовательно, про мясо можно сразу забыть — в качестве продуктов будет использоваться или трава, или бактерии, или водоросли. А водоросли (не ламинария, а какие-нибудь одноклеточные) не слишком вкусны. Второй момент — контроль качества съедаемого. На сегодняшний день всё оборудование, которое используется для контроля качества продуктов питания, да и лекарственных препаратов, работает только при наличии гравитации.
 
Вторая пока не решаемая задача — это здоровье экипажа, и здесь есть несколько аспектов: непонятно, как человек будет себя чувствовать при длительной невесомости и малой гравитации, как решить вопрос неполноценного питания, и самая большая загвоздка — отсутствие экстренной медицинской помощи, проблема с диагностикой. Ведь большинство медицинских диагностических приборов имеют большой вес и работают только в условиях гравитации. Лекарств тоже невозможно взять много, потому что есть жесткие ограничения по весу. Ну и как вишенка на торте — проблемы с радиацией, слабым магнитным полем Марса: корабль нельзя «обить» свинцом — он станет слишком тяжелым, а два года в путешествии с высоким радиационным фоном не добавят здоровья колонизаторам.
 
— Проблем, связанных с полетом на Марс, очень много, они являются задачами фундаментальной науки (биологии, химии, в какой-то степени медицины) и вряд ли будут решены к 2035 году. Я думаю, что планы НАСА, Европейского космического агентства и Роскосмоса на XXI век осуществятся, но, скорее всего, во второй половине столетия. Я желаю успехов поколению покорителей Марса и тем, кто не полетит, а возможно, будет обеспечивать полет с Земли и надеюсь, что после окончания школы вам удастся найти свою ступеньку на лестнице природы, — заключил Сергей Седых.
 
Лазерная плазма
 
Об уникальном рукотворном объекте — лазерной плазме и областях его применения, одна из которых — зажечь «мини-солнце», школьники узнали от заместителя директора по научной работе Института лазерной физики СО РАН доктора физико-математических наук Ильдара Фаритовича Шайхисламова.
 
— При фокусировке мощного лазера на вещество или газ в результате выделяемой энергии создается плазма. Она состоит из заряженных частиц, обычно из электронов и ионов, которые взаимодействуют между собой через электрические поля. Самое интересное свойство плазмы заключается в том, что если попытаться отделить электроны от ионов, то за счет возникающих электрических полей появляются так называемые плазменные колебания. А если частота самого лазера близка к частоте этих колебаний, то эффективность поглощения лазерного излучения становится очень высокой.
 
Инерционный термояд
 
Поэтому одно из возможных применений лазерной плазмы — инерционный термоядерный синтез — попытка зажечь на миг «мини-солнце», что позволит человечеству решить проблему с получением дешевой и неисчерпаемой энергии. 
 
Суть идеи заключается в том, чтобы с помощью лазеров очень быстро сжать вещество — при таком стремительном коллапсе создаются условия, напоминающие те, что есть на Солнце, где происходят реакции термоядерного синтеза и выделяется огромная энергия. Для этого мишень (небольшой шарик) облучается лазерами со всех сторон, и под воздействием выделяемой энергии в мишени формируется ударная волна, которая идет внутрь, и в центре сжимает вещество до такой степени, что создаются условия для протекания термоядерного синтеза.
 
— Идея была опробована, но оказалось, что плазма сопротивляется сжатию — «пытается вытечь сквозь пальцы», и первые попытки сжать вещество с помощью большого количества лазеров оказались неудачными. Поэтому был предложен следующий шаг: использовать сложную конструкцию, где лазерное излучение «загоняют» внутрь маленького цилиндра — холраума, там оно поглощается, и создается жесткое рентгеновское излучение. В нем гораздо более «энергичные» фотоны и поэтому их воздействие на вещество более сильное, — рассказал Ильдар Шайхисламов.
 
Такие эксперименты впервые провели на установке National Ignition Facility NIF, созданной в Америке в 2009 году. К сожалению, задача по созданию «мини-солнца» не была решена — соотношение полученной и затраченной энергии в результате получилось приблизительно равным единице, а нужно превысить этот порог примерно в сто раз.
 
Импульсно-периодический СО2 лазер
 
— Тем не менее, попытки продолжаются, и, в частности, в нашей стране на базе Российского федерального ядерного центра строится лазерная установка УФЛ-2М. Она занимает площадь размером с два футбольных поля, высотой с десятиэтажный дом, и запланированная мощность энергии будет как минимум в два раза больше, чем на установке NIF. Поэтому те, кто пойдут работать в лазерную физику, имеют все шансы работать на этой установке, которая обещает стать крупнейшей в мире, — добавил заместитель директора по науке ИЛФ СО РАН.
 
Взрывы сверхновых в лаборатории
 
Другое необычное применение лазерной плазмы — моделирование взрывов сверхновых. Лазерная плазма очень похожа на ту, что встречается в космосе. Из нее, по сути дела, состоит Вселенная и при этом в «космической» плазме очень много быстропротекающих взрывных процессов. Вся материя, за исключением водорода и гелия, образовалась благодаря взрывам сверхновых, а так как законы физики универсальны, эти процессы можно исследовать в лаборатории, даже если они протекают в течение длительного времени и на больших расстояниях.
 
— Лазер позволяет создать микровзрыв плазмы, которая потом разлетается во внешнюю плазму, примерно так же, как происходит со сверхновой. Можно наблюдать образование аналогичных структур, которые наблюдаются в космосе, — резюмировал Ильдар Шайхисламов.
 
Возможности применения лазерной плазмы поистине безграничны. Среди них и моделирование магнитного «щита» Земли для исследования воздействия магнитных бурь на технологические структуры, и резка, сварка, «высокочистая» обработка металлов, и синтез новых материалов — сверхтвердых, стойких к высокотемпературному (800—1 000 °С) окислению, нанокомпозитных покрытий. Всеми перечисленными направлениями занимаются ученые в Институте лазерной физики СО РАН.
 
— Лазер — это самый передовой и эффективный инструмент, созданный человеком. Из всего многообразия процессов и явлений, которые изучает наука, лазер, пожалуй, одно из немногих, которое в природе не встречается или, по крайней мере, мы об этом пока не знаем. А плазма — материя, из которой состоит Вселенная, поэтому лазеры и плазма — это уникальная комбинация и возможности ее безграничны, — добавил Ильдар Шайхисламов.
 
Надежда Дмитриева
 
Фото из презентации Ильдара Шайхисламова (3), с сайта НАСА (1, 2)
 
Ваша оценка: Нет Средняя: 5 (1 vote)
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus