Проектная работа «Антиматерия – энергия будущего»

КОНКУРС ПРОЕКТОВ УЧАЩИХСЯ

«СОЗИДАНИЕ И ТВОРЧЕСТВО»

Учебный проект

«Антиматерия – энергия будущего»

Авторы проекта: студент

колледжа государственного университета «Дубна»

Федоров Александр.

Руководитель: Легович Светлана Ивановна,

преподаватель физики колледжа университета «Дубна»

 

Дубна, 2018

Аннотация

В предложенном проекте дается описание антиматерии, способов ее получения в современных лабораториях и возможное применение как источника энергии. В работе рассматривается возможность разработки нового способа получения энергии в сопоставлении с традиционными. После сравнительного анализа энергопотребления и производства энергии разными странами получены выводы о необходимости поиска новых источников. Полученный расчет энергетического потенциала аннигиляции антивещества и материи дает право утверждать, что решение энергетического кризиса лежит именно в этой области, так как несколько килограммов антиматерии обеспечит энергией все человечество на год.

Содержание

Введение 4

Неизведанный ресурс энергии 5

Использование антивещества. Результаты зарубежных и отечественных исследований 7

Экспериментальная часть 7

Заключение 10

Список литературы 11

Введение

Предлагаемый учебный проект представляет собой попытку изучения возможности получения и применения антиматерии для производства энергии.

Объектом изучения является возможность получения и дальнейшего применения антивещества как источника энергии.

Предмет исследования - поиск новых источников энергии .

Для достижения поставленной цели мы определили следующие задачи:

изучить результаты исследований в этом направлении ученых разных стран;

систематизировать эти результаты и провести сравнение энерговыхода с традиционными источниками энергии;

сформулировать выводы.

При работе над данной проектом нами были использованы следующие методы исследования: аналитический, статистический, метод систематизации.

Проект имеет практическую направленность: он ориентирован на рассмотрение нового энергоёмкого ресурса.

Значимость данного проекта обусловлена его теоретической и практической направленностью. Теоретическая значимость состоит в том, что наблюдения и выводы, сделанные нами, позволяют более детально рассмотреть такой аспект, как применение антиматерии сегодня и в будущем.

Практическая значимость данного проекта заключается в следующем: материалы работы могут быть использованы учащимися при подготовке выступлений на уроках физики, ОБЖ, учителями при проведении классных часов.

Продуктом проекта является его описание, а также учебная презентация, которая является визуализирующей частью представленной работы.

Неизведанный ресурс энергии

После создания первых машин для человечества наступила новая эра – эра технического прогресса. Бурное развитие техники, новых отраслей промышленности требовало все больше и больше энергии. Добыча нефти, газа и торфа стала жизненно необходимой, но природные запасы не бесконечны. Фактически все мировые войны направлены на захват этих источников. В 20-м веке ученые предложили новый путь получения энергии – атомную энергетику, но и тут возникли трудности с захоронением радиоактивных отходов, созданием надежных ядерных реакторов и радиоактивной защиты. Трагедии Чернобыля, Фукусимы и ряда других АЭС подвергли сомнению перспективы развития этого вида энергетики. Мы стоим на пороге истощения природных источников энергии и нам просто необходимо найти другие способы решения проблемы энергетического кризиса.

Ученые многих стран озадачены этим вопросом, последние десятилетия ведутся активные поиски новых видов энергии, и одним из таких видов является аннигиляция материи и антиматерии.

Так что же это такое? Антивещество — это материя, составленная из античастиц. Структура антивещества идентична структуре обычного вещества. Частицы материи и антиматерии обладают одной массой, но различаются по электрическому заряду и спину. В 1965 году впервые был синтезирован антидейтрон, а в 1995 в ЦЕРНе – атом антиводорода, состоящий из позитрона и антипротона. В современных лабораториях антиводород получают в значительных количествах для исследования его свойств.

Ученые утверждают, что антиматерия постоянно бомбардирует Землю в виде космических лучей, энергетических частиц с уровнем от одной до более сотни на квадратный метр, столкновения космических лучей производят позитроны и антипротоны. Есть свидетельства, что антивещество рождается во время грозы и при распаде калия-40 с испусканием позитрона. Наши тела содержат калий-40, а значит, излучают позитроны.

Но так ли легко создать антиматерию? Все антипротоны, созданные на ускорителе частиц Тэватроне в Лаборатории Ферми, набирают 15 нанограммов, в CERN - порядка 1 нанограмма, в DESY Германии — не более 2 нанограммов позитронов. Создание 1 грамма антиматерии требует порядка 25 миллиардов киловатт-часов энергии, поэтому антивещество включают в список десяти самых дорогих веществ в нашем мире. Тогда почему мы готовы заниматься получением антивещества? Почему ведущие лаборатории научных исследований, такие как CERN, NASA и Российская Академия наук, занимаются этим вопросом?

При взаимодействии антиматерии и материи происходит аннигиляция, т.е. самоуничтожение с выбросом энергии. Аннигиляция производит огромное количество энергии. Грамм антиматерии может создать взрыв как от ядерной бомбы, при взаимодействии 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделяется 1,8×1017 джоулей энергии, что эквивалентно энергии при взрыве 42,96 мегатонн тротила. На сегодняшний день ученые видят применение антиматерии в различных областях науки и техники:

Производство электроэнергии

Исследование ближнего и дальнего космоса, объяснение глобальных этапов мироздания.

Совершенствование военно-промышленного комплекса.

Разработка инновационных технологий.

Медицинские исследования и методы лечения.

При рассмотрении рентабельности получения электроэнергии в процессе аннигиляции возникает, конечно, много вопросов о стоимости данной технологии. Но алюминиевая ложка два века назад стоила дороже золотой, а сегодня этот факт кажется смешным. Мы уверены, что тоже произойдет и с получением антивещества. Если впервые атом антиводорода наблюдали в 1995 году, то в мае 2011 года было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 секунд. Многие страны ведут исследования в этой области ядерной физики, создаются и усовершенствуются «ловушки» антивещества, и ученые уверены в возможности не только получения, но и применения антиматерии.

Использование антиматерии. Результаты зарубежных и отечественных исследований

Целью нашей работы было исследование возможности получения антивещества и его применение в различных областях жизнедеятельности человека. Для реализации поставленной цели мы изучили результаты исследований в этом направлении ведущих научных центров, таких как CERN, NASA, РАН. В CERN был проведен эксперимент ALFA в условиях вакуума при сверхнизкой температуре. В этом эксперименте антиматерия прожила десятые доли секунды, а в мае 2011г было поймано 309 антипротонов, которые удерживались 1000 с. По прогнозам физиков «жизнь» лабораторной антиматерии продлевается с каждым годом, и в ближайшем будущем можно будет говорить о промышленном получении антивещества. Это означает, что проблема энергетического кризиса будет решена.

Ученые из NASA разработали проект создания двигателя на аннигиляции антиматерии, и руководство NASA приняло решение о финансировании этих исследований. Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос» утвердила направление исследований аннигиляции антивещества для создания космических аппаратов нового поколения на базе PAMELA. Медицинские центры выразили большую заинтересованность в применении антиматерии при трансплантации, пересадке и синтезировании органов, а так же при конструировании различных кардиостимуляторов, имитаторов органов и частей человеческого тела. Можно сказать, что еще не определены все сферы возможного применения антивещества.

Экспериментальная часть

Мы провели два исследования в рамках сравнения энергопотребления и электродобычи ведущих мировых держав и угрозы катастрофических последствий применения антивещества в военных целях.

Цель первого исследования - выявить зависимость потребления и затрат ресурсов на производство электроэнергии. Были собраны и систематизированы данные по производству электроэнергии такими странами как КНР - 5 649 500 ГВт•ч, США - 4 297 300 ГВт•ч, ЕС - 3 166 000 ГВт•ч, Индия - 1 208 400 ГВт•ч , Россия - 1 064 100 ГВт•ч, Япония - 1 061 200 ГВт•ч. Суммарное производство составляет 16 446 500 ГВт•ч. В работе приведены данные по вкладу всех традиционных источников добычи электроэнергии в это производство: ГЭС - 16% , ТЭЦ - 68%, АЭС - 12%, ветряные – 1%, приливные – 1%, солнечные – 1%, термо – 1%. Была построена диаграмма выработки электроэнергии традиционными способами для сравнения с таблицей Энерговыхода грамма антиматерии.

Диаграмма 1. Количественные показатели производительности традиционных источников энергии (ГВатт/час).

Таблица 1. Энерговыход грамма антиматерии на сегодняшний день.

Для того чтобы синтезировать антиматерию используется так называемая «Ловушка», которая была создана Пеннингом и Иоффе-Питчардом. В 2010 году на этой установке было охлаждено до -73 C облако из 30 тыс. антипротонов и 2 млн. позитронов до -233 C, которые прожили 0,17 секунды. Но прогресс не стоит на месте, и в мае 2011г было поймано 309 антипротонов, которые удерживались уже 1000 с. По прогнозам специалистов время жизни антивещества в лабораторных условиях в ближайшие годы будет значительно увеличено, что даст возможность практического применения явления аннигиляции антиматерии.

Вторым вопросом нашего исследования является возможность применения антивещества в военных целях. Процессом получения антиматерии заинтересовались многие военные ведомства, что уже само по себе вызывает тревогу. Многовековая практика внедрения достижений физики имеет примеры немирного использования великих открытий и исследований. Так, изобретение катапульты, гильотины, бактериологического, химического, ядерного оружия и др. не принесли пользы человечеству, как предполагалось при их создании. Другой трагический пример относится ко Второй мировой войне: бомба «Толстяк», сброшенная на Нагасаки, имела тротиловый эквивалент 21 килотонну, бомба «Малыщ», сброшенная на Хиросиму, - от 13 до 18 килотонн тротила. Общее количество погибших составило от 90 до 166 тысяч человек в Хиросиме и от 60 до 80 тысяч – в Нагасаки. Только за 1944 год СССР «расстрелял» 98564568 тонн тротила, а Германия – 113663900. За все годы войны в СССР погибли 26,6 млн. человек, а в странах Европы – около 18 млн. человек.

Если вспомнить, что при взаимодействии 1кг антиматерии и 1кг материи выделяется 1,8*10 17 Джоулей, что эквивалентно энергии при взрыве 43 мегатонн тротила, то понятно, что результатом нашего второго исследования стало предупреждение о применении аннигиляции в качестве оружия массового поражения. Уместно привести цитату великого физика 20-го века Альберта Эйнштейна: «Я не знаю, каким оружием человек будет вести третью мировую войну, но четвертая будет с палкой и камнем». От себя мы можем добавить, что нельзя допустить ни третью, ни четвертую, ни какую войну, все победы науки должны служить во благо человечеству, а не на гибель.

Заключение

В ходе работы над данным проектом мы исследовали возможность получения и применения антивещества в рамках жизнедеятельности человечества.

Были изучены результаты исследований в этом направлении учёных многих стран.

Эти результаты были систематизированы, проведены сравнения энерговыхода аннигиляции антивещества с материей и традиционными источниками энергии.

На наш взгляд, цель достигнута, поставленные задачи проекта реализованы.

Из всех полученных результатов нашего проекта можно сделать следующие выводы:

1. Производство электроэнергии не удовлетворяет все потребности человечества.

2. Ресурсы Земли не бесконечны.

3. Научный и технический прогресс способны создать новые источники энергии.

4. Исследование и покорение космоса не возможны без инновационных способов получения энергии.

5. Только объединенные усилия всех стран с их интеллектуальным и экономическим потенциалом смогут сделать прорыв в области энергодобычи.

6. Объявить мораторий на применение антиматерии в военных целях.

Список литературы

1. Железнов И.Г. Физика эфира, Москва, 2010

2. Камлия Р.А. Черная дыра-антивещество, Сухум, РИО Абхазского государственного университета, 2013.

3. Левин Алексей. Этюд об античастицах: Антиматерия, антивещество... Что это такое? // Популярная механика – 2010, Январь – № 1.

4. Левин Алексей. Война частиц и античастиц: за кем осталось поле боя» // Популярная механика – 2010, Февраль – № 2.

5. Сизов Р.А. Материя, антиматерия и энергосреда - физическая триада реального мира, Москва, 2011.

6. Силагадзе Зураб. Увидеть антизвезду // Наука и жизнь. — 2017. — № 5.