Стимпанк - послесловие: автомобили на радионуклидах, кюриевые реакторы и шестой технологический уклад

Ну, собственно, мы рассмотрели вопросы, связанные с развитием человечества по технологическим укладам. Рассмотрели всё, кроме одного, последнего напрашивающегося пункта: что ждет нас самих? Как мы вырвемся из нашего нефтепанкового тупика?

Дело в том, что сам по себе истинный пятый уклад - с ядерными реакторами в энергетической основе и электроводородными автомобилями - уже устарел. Со второй четверти XXI века должен идти переход к шестому укладу (а мы и предыдущий полноценно не освоили...).

Но, как говорится в одном известном принципе стратегии, восходящем к Сунь-цзы, "за пределами определённого временного промежутка попытка исправить ситуацию только ухудшит дело". Или, иначе говоря, не следует танцевать на похоронах только потому, что не успели сделать это на свадьбе.

Те народы, которые входили в индустриальную эпоху под влиянием европейцев, вовсе не обязаны были точно так же сначала долго плавать под парусом, а потом постепенно переходить на пар, а просто сразу приобщались к тому уровню развития индустриальной цивилизации, который был для соответствующей эпохи актуален.

То есть, если в какой-то области слишком долго царил застой, то в ней бывает проще "скакнуть" через ступень, нежели действовать "по правилам". Мы это видели как раз на примере паромобилей: им ничего не мешало существовать, но в большинстве стран этот этап "перешагнули".

Возможно, и у нас так выйдет? Ведь в сфере информационных технологий у нас всё хорошо: соответствующий пятому укладу Интернет в свой срок возник, развился и исправно работает.

Чтобы понять, возможно ли это, попытаемся понять, на чём же он будет основан - этот шестой уклад.

Термоядерный рассвет шестого технологического уклада

Прежде всего - энергетический базис.

Ну, с точки зрения здравого смысла, если в основе энергосистемы лежит уже даже не атомная энергия, то, наверное, тогда термоядерная? Ничего другого особо не придумаешь (вернее, поздно придумывать: новый уклад придётся строить с тем, что есть сейчас, а не появится когда-то).

Ну да, вероятно, термоядерная. До полноценных термоядерных установок, правда, нам пока далеко. Но гибридная, в которой термоядерные реакции выполняют функцию нейтронной накачки в атомном реакторе на быстрых нейтронах, вполне реалистична. Собственно говоря, первая из них уже строится.

Суть вот о чём:

Термоядерные реакторы... пытаются создать уже десятилетия. Пока что речь может идти только о самой простой термоядерной реакции - дейтерий-тритиевой...

Проблема в том, что с энергетической точки зрения она бесполезна - основную часть энергии уносят нейтроны, а их сложно использовать: стенки реакторной установки будут разрушаться очень быстро...

Однако недостаток можно превратить в достоинство! Сверхмощные нейтронные поля термоядерных установок могут ещё более эффективно превращать уран-238 в плутоний-239, чем нейтронные поля ядерных реакторов на быстрых нейтронах. Тогда термоядерной реакции не обязательно будет даже выходить "в плюс": распад урана-238 и получаемых в реакторе изотопов урана и плутония дадут вполне достаточно энергии, чтобы устройство в целом оказалось энергетически рентабельным.

Это, конечно, технологии завтрашнего дня. Но строительство экспериментального гибридного реактора уже началось.

Если получится нечто в этом духе, то, фактически, по энергетике мы и правда о выйдем на шестой технологический уклад. Но это - полдела. Как именно у нас будет использоваться термоядерная энергия? На чём у нас будет ходить транспорт? Это - ключевой вопрос для индустриальной цивилизации.

Водородный двигатель, фактически, представляет собой способ аккумуляции атомной энергии. То есть это химический аккумулятор атомной энергии. Что же может служить аккумулятором термоядерной энергии? Опять же водород?

Отчасти в паре с гибридным реактором может работать и водородный "аккумулятор". Но появляется ведь и другая возможность. В мощнейших нейтронных полях дейтерий-тритиевой реакции не только уран и торий могут превращаться в более полезные радионуклиды. В них можно создавать и другие радиоактивные изотопы.

Благодаря этому фактору появляется возможность в массовом порядке использовать "изотопные батарейки" - радиоизотопные источники энергии (ИИЭ).

Да, обычно изотопные источники использовать нужно с большой осторожностью, потому что технология дезактивации пока что здорово отстаёт от потребностей. Кстати, именно в этой сфере в наше время наиболее вероятен прорыв - при использовании биотеха нового поколения или, тем более, нанотеха. Но и без того, в принципе, существует возможность более широко использовать летучие радионуклиды: тритий, криптон-85, углерод-14...

При их применении риска гораздо меньше. Даже в случае разрушения батареи тритий - изотоп водорода - скорее всего, благополучно испарится, в худшем случае - сгорит. То есть он либо поднимется в верхние слои атмосферы Земли и вскоре её вовсе покинет (даже "сверхтяжёлый" водород - чрезвычайно лёгкий газ), либо в составе водяного пара скоро смешается с огромной массой обычной воды и разбавится до абсолютно безопасной концентрации. Криптон - просто инертный газ, который тем более сразу же "растворяется" в атмосфере. Углерод не летуч, но выжечь его довольно легко, а углекислота опять же смешается с огромной массой чистого воздуха. То есть дезактивация в случае аварии с разгерметизацией проста, поэтому такого рода источники энергии можно использовать широко.

Существует куча перспективной - а то и фантастической, но вполне реалистичной - техники, которая известна / придумана давно, вроде "защитного поля" (то есть "плазменного окна"), экзоскелета и тому подобного, которая не используется потому, что обычных источников энергии ей хватит на считанные минуты работы. А теперь ситуация меняется...

Так что я бы предположил, что новый уклад будет отмечен именно этим: широким использованием изотопных источников. Отчасти процесс в эту сторону уже и идёт.

Но будут ли они применяться на транспорте?

Конечно, рассуждать о будущем мы можем только гипотетически, весьма спекулятивно. Очень трудно представить себе автомобиль, тем более - коптер, движущийся за счёт ИИЭ. Для автомобиля - чтобы обеспечить мощность, сравнимую с той, которую может дать ДВС - изотопный источник должен содержать десятки-сотни килограмм радионуклидов.

Это выглядит совершенно нереалистично, но сама по себе нереалистичность чего-либо "для нас" - не аргумент, если нет физических запретов. Поэтому посчитаем, может ли теоретически существовать нечто подобное.

Автомобиль на радиоизотопной батарее: сколько нужно радионуклида?

Посчитаем. Средняя энергия распада трития невелика - около 5.7 килоэлектрон-вольт. 1 эв = 1.6*10^-19 Дж. То есть в 1 джоуле - 6.25*10^18 эв. Значит, на 1 Дж нужно 6.25*10^18 / 5.7 * 10^3 ~ 1.1*10^15 распадов трития. Если столько распадов мы имеем в секунду, то получаем мощность в 1 ватт (ватт - это джоуль в секунду).

Сколько же нужно трития, чтобы обеспечить эти самые 1.1*10^15 распадов в секунду, то есть 1 ватт мощности?

На протяжении года у нас должно распадаться - в году около 30 млн секунд - ~ 1.1*10^15 * 30000000 = 3.3*10^22 ядер трития.

Обратите внимание: Социология журналистики. Убедительные «рычаги» и технологический прорыв.

Сколько это в единицах массы? Атом трития весит 3 а.е.м. ("атомных единцы массы"), которые, как учит нас химия за 8 класс, пересчитываются в граммы по коэффициенту, равному числу Авогадро (то есть 6*10^23). То есть потребуется:

8.25*10^23 : 6*10^23 * 3 = 4.125 грамма.

Это - на 1 ватт. В лошадиной силе у нас примерно 740 Вт (нужно 4.125 * 740 ~ 3000 г), а в 100 л.с. (условный мотор автомобиля), понятно, ещё в 100 раз больше. Получается примерно 300 кг радионуклида.

Это само по себе примерно соответствует весу мотора с бензобаком, но к самому изотопу должна ещё прилагаться и периферия... Это много. Хотя, наверное, в принципе реально - если бы у нас было столько трития и мы бы придумали, как его хранить, не допуская перегрева (думается, это реально).

А если взять другой изотоп? Скажем, тот же криптон-85?

Он значительно тяжелее трития: 1 атом весит 85 а.е.м. (у трития - 3), то есть в ~28 раз больше. Зато и энерговыделение на один распад в среднем у него составляет 251 кэв, то есть в 251/5.7 ~ 44 раза выше. Плюс период полураспада короче ~10.8 лет, то есть энерговыделение идёт процентов на 15 эффективнее. Это даёт примерно в 1.75 раза большую эффективность. Радионуклида же нужно чуть больше 100 кг, так что ходовая часть автомобиля может оказаться не тяжелее современной. Но "заправленной" сразу на 10 лет.

Одним словом, "запрещённым" такой вариант не является. Сомневаюсь, что он будет рациональным, но, если бы мы были "по уши" в радионуклидах, то такая конструкция - "бочка" изотопа, с которой "снимается" энергия и сразу идёт в дело - могла быть и эффективной.

Утилизация избыточной энергии

Разумеется, сразу же возникает логичный вопрос: хорошо, что автомобиль на "атомной батарейке" может ехать. Но что делать, когда автомобилю ехать не надо? Это же, фактически, устройство, у которого невозможно выключить мотор...

Но, думается, и эта проблема разрешима. И не только по варианту, когда мотор при остановке на ночь продолжает работать вхолостую.

Во-первых, можно сочетать ИИЭ с аккумулятором, который накапливает энергию в период покоя, расходуя её при движении.Подобная схема позволит в разы сократить количество нужного радионуклида: так как личный автотранспорт подавляющую часть суток бездействует, ему будет достаточно криптоновой батареи весом 5-7 кг (активно работает 1/15 часть суток - или едва движется четверть суток...). Для поездок по городу этого может хватить.

Во-вторых, транспортное средство в момент, когда не движется, не выполняет свою работу. Почему бы системе путей сообщения не быть основанной на беспилотных транспортных средствах, просто крейсирующих по своим маршрутам, - круглые сутки? Нужно - приехали, забрали груз или пассажиров, выполнили свою работу, снова вернулись на дежурство... Сейчас это энергетически невыгодно. Но если энергия перестанет быть проблемой...

Ну, и в-третьих: можно просто ставить на время неактивности автомобиль на станцию, где он будет сливать электричество в сеть... В крайнем случае - пусть сбрасывает в атмосферу или в воду тепло.

Шестой уклад: нужно МНОГО энергии...

Хочу обратить внимание на то, что энергии цивилизация будущего, похоже, будет требовать довольно значительное количество. Период "дешёвой" в энергетическом отношении техносферы едва ли продлится долго (энергосберегающие технологии на какой-то срок создали иное впечатление).

В самом деле: Интернет - тоже не финал развития информационных технологий. За ним, вероятно, последует следующий шаг - "обогащённая реальность", перетекающая в "высокую виртуальность": с огромным количеством "игровых" реальностей со специфическими не только экономикой, но и физикой - и т.п.. Это потребует несравнимо более широкого распространения вычислительной техники, нежели сейчас.

Это подразумевает широкое распространение технологии блокчейна: не только для создания криптовалют (хотя они, конечно, будут весьма востребованы), но и вообще уникальных информационных объектов - которых экономика информационного общества шестого уклада будет требовать много. Это, в свою очередь, потребует радикального роста энергопотребления - как оно уже и растёт в связи с деятельностью майнеров.

То есть потребность в энергии будет велика. Вот её и будет удовлетворять техника в то время, когда расход энергии будет минимален ("днём поездили - ночью энергия расходуется на иные цели").

Метки: #стимпанк , #электропанк , #технологии , #наука и технологии , #наука и техника , #технологические уклады , #нефтепанк , #шестой технологический уклад , #термояд , #термоядерная энергетика 

Впрочем, в ситуации освоения термоядерной энергии первого уровня (на основе "грязных" реакций) появляется и чисто гипотетическая сейчас возможность создания ядерных микрореакторов на основе тяжёлых трансуранидов, использующих изотопы кюрия, а то и калифорния (с критической массой в несколько граммов). С одной стороны, они вроде бы опасны при разгерметизации. С другой же - разгерметизация емкости с граммами радионуклидов создаёт совсем не тот уровень опасности, нежели когда речь идёт о килограммах, а то и тоннах ядерного топлива, как в современных реакторах на уране и плутонии. Если ещё и технологии дезактивации шагнут вперёд, то и это направление развития станет возможным. Но, вероятно, это уже для большегрузного транспорта - или для систем, где нужны одновременно компактность и возможность сильного "разгона" энергоисточника.

Становление шестого уклада

То есть, если говорить о перспективах перехода к шестому укладу, то последовательность событий вырисовывается такая:

1. Появляется гибридный реактор. Выясняется, что он практичнее обычного "быстрого".*
2. Технология внедряется. Появляется возможность использовать радионуклиды в больших количествах.
3. "Изотопные батарейки" тоже внедряются. Это провоцирует развитие технологий дезактивации на базе достижений нано- и биотеха.
4. Бензиновый/водородный транспорт замещается радионуклидным, а то и кюриевым (кюрий - вообще перспективный элемент)...

Где-то между пунктами 2 и 3, по всей видимости, происходит переход от дейтерий-тритиевой термоядерной реакции к дейтерий-дейтериевой. Сейчас она считается тупиковым направлением, потому что почти столь же "грязная" (то есть выделяет много нейтронов), но "зажечь" её труднее, получается "сочетание неприятного с бесполезным". Но если нейтронный фон перестаёт быть проблемой - и, напротив, превращается в ценный ресурс, то всё меняется: дейтерий-дейтериевая реакция позволяет не тратить в реакторе дефицитный тритий, который можно широко использовать в ИИЭ.

Ну, а если развитие технологии дезактивации пойдёт по оптимистическому пути, то и все радиомогильники XX века будут вскрыты: они ведь, по сути, превратятся в кладовые ценных ресурсов - радионуклидов, сырья для производства ИИЭ...

Ну вот примерно так.

Сноски:

* Действительно практичнее: в гибридном реакторе самоподдерживающаяся ядерная реакция в принципе невозможна. Соответственно, никакого риска тяжёлой аварии в принципе быть не может: одномоментно "гореть" будет максимум несколько граммов дейтерия-трития. При их вылете в атмосферу не происходит, в общем, ничего особенного (сгоревший тритий мгновенно смешивается с массой чистого атмосферного водяного пара до безопасной концентрации), а распад урана сразу прекращается.

См. также

Список статей о мире Стимпанка и технологических укладах

Навигатор по каналу "Море Ясности"

Еще по теме здесь: Новости науки и техники.

Источник: Стимпанк - послесловие: автомобили на радионуклидах, кюриевые реакторы и шестой технологический уклад.