Физика в ожидании новых установок и новых открытий

"... — Какие главные вызовы стоят сегодня перед физикой фундаментальных взаимодействий? Как вы оцениваете уровень развития этого направления физики в России по сравнению с мировым?

— Тут есть теория, а есть эксперимент. Физика фундаментальных взаимодействий — наука экспериментальная, изучает основные силы и частицы, определяющие устройство Вселенной. У нас имеются установки коллайдерного типа, изучающие поведение частиц при столкновениях при высоких энергиях. Есть электронные коллайдеры в Новосибирске — в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН). В Дубне Объединенным институтом ядерных исследований (ОИЯИ) строится сверхпроводящий коллайдер протонов и тяжелых ионов NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility). Надеемся, что он запустится в этом году. NICA будет изучать столкновения тяжелых ионов для исследования сильного ядерного взаимодействия и кварк-глюонной плазмы.,,

Есть протонный ускоритель У-70 — это не коллайдер, а протонный синхротрон — в Протвино. Он расположен в Институте физики высоких энергий, на момент сооружения (конец 1960-х) его энергия была рекордной, и до сих пор это самый высокоэнергетичный ускоритель в России: на нем проводятся эксперименты на энергиях ниже, чем у Большого адронного коллайдера, но он остается важным для исследований физики частиц.

И прочие машины у нас тоже есть. Они уже несколько меньших энергий, но на них тоже исследуется физика элементарных частиц, поэтому база у нас некоторая остается. Конечно, во многих случаях ее имеет смысл улучшить, потому что любая вещь ветшает и устаревает со временем, а техника у нас, конечно, во многих случаях очень старая. NICA — это, может быть, единственный пример новой установки, её прямо сейчас строят, а так обычно это что-то такое улучшенное старое.

Но если говорить о самых высоких энергиях, то такой коллайдер, конечно, вообще на Земле один, и это Большой адронный коллайдер. И было бы глупо строить где-то еще второй с такими же свойствами (не говоря уж об экономических и логистических сложностях). Если строить, то уже следующего поколения на еще большей энергии. И есть несколько таких проектов — например, в Китае, в том же ЦЕРНе..."

Весь материал: «Ъ-Наука» - 24.07.2025

Противостояние ведущих мировых держав достигло настолько кризисного состояния, что охватывает на сегодняшний день буквально все области, где могут только соприкасаться международные интересы: от мирного спорта, искусства до торговых и технологических войн. Уже сейчас ясно, что следующим этапом будет обострение климатического конфликта, поскольку именно изменение климата станет доминирующей экономической и политической темой ближайших десятилетий, и этот процесс уже сегодня оказывает прямое воздействие на развитие сектора энергетики и транспорта.



Ожидаемые изменения в энергетике и транспорте будут прогрессировать стремительно. Рентабельность добычи нефти и газа будет постоянно падать в связи с истощением запасов наиболее доступных месторождений. Всё это в комплексе означает, что менее, чем за одно поколение, способы электрогенерации должны быть кардинальным образом изменены при безусловном отказе от ископаемого топлива. Если принять во внимание, что для широкого внедрения солнечной энергетики и ветрогенерации потребовались десятки лет, и эти способы обладают серьёзными недостатками, которые исключают возможность их доминирования в общем энергобалансе, то процесс трансформации энергетического сектора является задачей архисложной и архиважной.



На фоне политического и экономического противостояния мировых держав остро встаёт вопрос по обеспечению населения западных стран энергией. Текущий кризис даёт реальный шанс для научных прорывов в области альтернативной электрогенерации и транспорта, так как сейчас новые энергетические технологии остро востребованы как никогда не только бизнесом, но и политикой. Именно этим обстоятельством обусловлен повышенный интерес научных кругов и бизнес-структур к новейшей разработке компании Neutrino Energy Group под научным руководством математика и бизнесмена Holger Thorsten Schubart в области энергогенерации, совершившей научный прорыв в вопросе генерации электроэнергии под воздействием окружающих полей излучений, включая нейтрино.

 

Holger Thorsten Schubart, президент Neutrino Energy Group



Многие сих пор не реализовали в своём понимании масштабность данной научной работы учёных, что неудивительно, всё новое вызывает в человеческом сознании скептическое восприятие.



Фактически речь идёт о технологической возможности получения энергии под воздействием неиссякаемых энергетических полей излучений, включая поток нейтрино, составляющий 60 млрд. частиц в секунду, которые пронизывают каждый см2 земной поверхности днём и ночью, что обеспечивает приблизительно одинаковую мощность электрогенерации круглосуточно независимо от погодных условий.



Миллиардные вложения в фундаментальную науку, инвестированные различными странами и опубликованные данные экспериментов в области исследований 2D материалов, наноматериалов, исследования свойств нейтрино и их взаимодействие с ядрами химических веществ, получившее название когерентное упругое нейтрино-ядерное рассеяние (CEvNS) заложили теоретические основы, которые помогли Holger Thorsten Schubart, президенту компании NEUTRINO Energy Group, найти правильное технологическое решение и научно обосновать возможность преобразования энергии нейтрино и других частиц невидимого спектра излучения в постоянный электрический ток, применить это явление на практике и доказать работоспособность технологии.



За основу электрогенерирующего материала был взят графен, который не может существовать в 2D-плоскости, а только в 3D-плоскости. Графен – это особенный материал, который также известен своим исключительным свойством подвижности электронов. Holger Thorsten Schubart отмечает, что «за основу многослойного наноматериала, позволившего преобразовывать кинетическую энергию частиц невидимого спектра излучений в электроэнергию был взят графен, но в будущем возможно использование и других двумерных материалов, например, сейчас исследуется наноматериал графин, который называют чудо-материалом будущего. При выборе материалов для изготовления нашего наноматериала мы ориентировались как на его свойства, так и на цену, т.к. для потребителей очень важна цена получаемой электроэнергии.»

Волны графена



Созданный компанией Neutrino Energy Group наноматериал позволяет получать электроэнергию из окружающей среды за счёт колебаний атомов графена, происходящих из-за особенностей кристаллической решётки в виде «графеновых волн», которые наблюдаются в микроскоп с сильным разрешением. В интервью журналу Research Frontiers профессор Тибадо (University of Arkansas) так описал этот свойство графена: «Это ключ к использованию движения 2D-материалов в качестве источника неиссякаемой энергии. Тандемные вибрации вызывают рябь в листе графена, что позволяет извлечь энергию из окружающего пространства, используя новейшие нанотехнологии».



Сама по себе способность графена преобразовывать энергию из окружающей среды имеет важное значение, но получаемая мощность с единицы поверхности 1 слоя графена сравнительно мала, что первоначально ставило под сомнение возможность использования эффекта для практического применения. Учитывая тот факт, что нанесение графена на большие площади - сложный технологический процесс, само по себе такое открытие было бы бесполезно, если его невозможно было применить на практике, что предполагает создание независимых источников тока, которые могли бы занять свое значимое место в энергетическом сегменте рынка. Подобная амбициозная перспектива обязывает и определяет специальные требования: источник должен быть компактным, не требовать сложных технических мер и ограничений для размещения и эксплуатации, быть максимально простым в применении. При этом цена генерируемой электроэнергии должна позволять без дотаций со стороны государства занять определенную долю энергорынка. Предложение Holger Thorsten Schubart было простым до гениальности. Решено было отказаться от покрытия графеном больших площадей и сделать генерирующий материал многослойным.



Стремительное развитие доказательной базы Neutrinovoltaic технологии и обоснование её работоспособности не осталось без внимания мировых инвестиционных фондов и бизнес-структур и привело к успеху. Первые промышленные серийные источники электроэнергии Neutrino Power Cube, предназначенные для электроснабжения домохозяйств выходной мощностью 5 кВт*час начнутся выпускаться на лицензионных условиях в Швейцарии в течении 2023 года.



Сегодня Neutrino Energy Group получает большое количество запросов от известных международных научных университетов, включая Россию, Индию, США, Великобританию и др., на научное сопровождение проекта. Причём многие из них самостоятельно изготавливали наноматериал, взяв за основу описание технологии к патентам, и проводили замеры выходных тока и напряжения. Часть учёных сообщила, что Neutrinovoltaic технология была опробована в лабораторных условиях и показала даже лучшие характеристики, чем Neutrino Energy Group указывала в собственных публикациях.



Есть все основания ожидать, что внедрение Neutrinovoltaic технологии в нашу повседневность станет одним из важнейших этапов научно-технического прогресса 21 века, который будет означать «энергетическую независимость» и, безусловно, позволит снизить конфликтность политической ситуации в мире.



 

Цифровизация, автоматизация производственных процессов, роботизация, массовый переход к электромобильности, IT – все эти отрасли будут влиять не только вектор развития человечества на долгие годы, но и определят победителей в конкурентном экономическом соперничестве на мировой арене.

Все перечисленные отрасли, однако, являются энергоёмкими и развитие их связано непосредственно с повышением объемов производства энергии. По расчётам специалистов, к 2050 году потребность в электроэнергии возрастёт, как минимум, в 2.5 раза. Отказ западных банков финансировать проекты, связанные с ископаемым топливом, заставляет международные корпорации, основным родом деятельности которых является добыча нефти, газа и угля, активировать поиски диверсификации бизнеса. Хотя на фоне геополитического противостояния западных стран и России вопросы построения экономики с нулевым углеродным следом ушли на задний план, но это безусловно временное явление.



Политический и социальный запрос на чистые энергетические технологии диктует новые правила развития рынка, при этом параллельно возникает вопрос: какие технологии способны заменить ископаемое топливо, откуда брать электроэнергию, которая требуется всё в возрастающих объёмах? Энергетический переход в сжатые сроки с учетом того, что многие развитые страны приняли решение о полном запрете продаж машин с ДВС в течение 10-20 лет означает, что новые технологии электрогенерации должны быть разработаны и готовы к широкому внедрению уже сейчас.



Речь не идёт о солнечной электрогенерации и ветрогенерации, так как они зависимы от погодных условий, а для таких погодных условий, как в России, они в принципе трудно применимы. Потенциал роста гидрогенерации исчерпал себя, особенно в густонаселённых районах, где и расположены крупные потребители электроэнергии, к тому же строительство плотин требует затопления обширных территорий и приводит к заливанию русел рек. Атомные блоки конструировались для работы в базовом режиме, хотя сейчас разработаны мероприятия и для работы в маневренном режиме при снижении экономической эффективности, поэтому их доля в общем энергобалансе не может быть доминирующей̆, например, в России она составляет 23%.



Новая технология на базе графена преобразовывает энергию полей излучений невидимого спектра



Новая технология электрогенерации, получившая название Neutrinovoltaic, имеет все предпосылки для того, чтобы стать выходом из „энергетической дилеммы“. Она создана международной научно-исследовательской компанией Neutrino Energy Group. Уже в конце 2022-начале 2023 года начнется промышленный выпуск источников электроэнергии Neutrino Power Cubes в Швейцарии, которая первой приобрела лицензию на их производство, что позволит постепенно создавать распределённую систему электроснабжения и компенсировать возрастающую потребность в электроэнергии за счет её генерации непосредственно по месту её использования.

Отличие предлагаемой системы электрогенерации от известных в настоящее время заключается в том, что она делает возможным размещение источников постоянного тока, созданных на основе Neutrinovoltaic технологии, внутри самих корпусов приборов и изделий, которым требуется для работы электроэнергия, что отменяет необходимость их подключения к системе централизованного электроснабжения. Эта особенность может стать очень важным преимуществом для решения вопросов энергоснабжения, особенно в удалённых и труднодосягаемых районах. На старте промышленного производства в Швейцарии будут выпускаться источники электроэнергии Neutrino Power Cubes для электроснабжения домовладений. Neutrino Power Cubes будут иметь брутто-мощность 7 кВт*час, и нетто-мощность не менее 5 кВт*час. До 2 кВт*час будет использоваться на собственные нужды электронной системой управления при преобразовании генерируемого тока в переменный ток 220 В и 380 В, а также для постоянного тока различных выходных характеристик.



Изобретение стало возможным благодаря применению графена, способность которого получать электроэнергию из окружающей среды многократно доказана, а материалы опубликованы в научной прессе и в СМИ. Однако, промышленное использование графена для нужд электрогенерации было осложнено в связи с низкой выходной мощностью, получаемой с единицы поверхности. Эта проблема успешно решена учёными компании Neutrino Energy Group во главе с научным руководителем и президентом компании Holger Thorsten Schubart, создавшими наноматериал, состоящий из многослойных чередующихся слоёв графена и кремния с добавлением легирующих элементов, наносимых на металлическую фольгу. В процессе научных исследований учёные пришли к выводу о важности толщины наноматериала.



Почему важна именно толщина материала, наносимого на металлическую фольгу методом парового осаждения? Потому, что колебания атомов графена достигают своего максимального значения при результирующей толщине 10-20 нанометров. Графен относится к 2D материалам, но способен устойчиво существовать только проявляя свойства 3D материала. Такое свойство графена определяется его кристаллической решёткой, которая является гексагональной, и колебания атомов вызывают «графеновую волну», которая наблюдается в микроскоп с сильным разрешением.



Внешнее воздействие различных энергетических полей, включая воздействие нейтрино, а также температура, накладывается на внутреннюю частоту атомных вибраций и приводит к резонансу атомных вибраций, многократно увеличивая поток электронов. Чтобы заставить электроны течь в одном направлении, т.е. для того, чтобы генерировался постоянный электрический ток, создатели добавили в наноматериал легирующие элементы, которые воздействуют на облака электронов графена. Этот эффект получил название - эффект «косого рассеяния».



Многофункциональная и экологически нейтральная технология преобразования энергии полей излучений в электрический ток на базе использования графена может, несомненно, предложить решения для многих экономических и социальных проблем современности на фоне растущей потребности в энергии и увеличения количества населения на Планете.



 

Был такой газетный штамп - "наука на марше". Сегодня фундаментальная наука в таком сложном положении, что о "марше" говорить не приходится - тут бы просто дотянуть до лучших времен, выжить. Но знакомство с физиком Денисовым может разубедить любого скептика. Несуетно и результативно он все эти годы делает свою работу - занимается физикой.

     Май текущего года выдался памятным для начальника Отдела   нейтринной физики ГНЦ РФ "Институт физики высоких энергий",   доктора физико-математических наук Сергея Петровича Денисова. В   начале месяца он отметил свой 60-летний юбилей, а на исходе мая,   выдержав жесточайший конкурс (на 3 вакансии по отделению ядерной физики   было около 70 претендентов!), был избран членом-корреспондентом   Российской Академии наук.

   Будучи совсем молодым физиком, Сергей Денисов пришел в ИФВЭ в   самые первые годы его существования, и прошел вместе с ним путь,   измеряемый почти четырьмя десятилетиями. Институт теперь - один из   крупнейших государственных научных центров страны, а Сергей   Петрович - один из его самых уважаемых ученых, хорошо известных не  только в отечественной, но и  в мировой науке. Результаты его научных поисков (открытие антигелия-3, энергетической зависимости полных сечений адронных взаимодействий, масштабной инвариантности сечений образования адронов) вошли в перечень важнейших, общепризнанных достижений в физике высоких энергий.

Во время недавней сессии НКС ИВФЭ (Научно-координационного совета, членами которого на 2/3 являются ведущие ученые других "родственных" институтов страны), сообщение Денисова вызвало особый интерес.

 Дело в том, что другие докладчики, рассказывая о результатах проведенных экспериментов или о программе будущих исследований, так или иначе связывали свою работу с функционированием ускорителя ИФВЭ - протонного синхротрона на энергию 70 гигаэлектрон-вольт (У-70), крупнейшего в России, либо с сооружаемым вот уже 15 лет новым ускорителем - УНК, который и по размерам, и по энергии будет на порядок больше (ещё теплятся надежды, что заработает этот ускоритель -  видимо, уже в новом веке).

Первая часть выступления Денисова также касалась работы на пучках вторичных частиц У-70. Речь шла об исследованиях на уникальном физическом приборе - комплексе меченых нейтрино (КМН), созданном Сергеем Петровичем с сотрудниками. Нейтрино, как известно, выделяется среди других обитателей микромира тем, что, не имея заряда и массы покоя, эта частица чрезвычайно трудноуловима, и для исследования нейтрино приходится сооружать многометровые и многотонные детекторы. КМН, благодаря разработанной и опробованной в ИФВЭ методике "мечения", позволяет не только регистрировать нейтрино, но прослеживать их путь от рождения до взаимодействия с другими частицами. С пучками нейтрино экспериментируют и в других ускорительных центрах (их в мире считанные единицы), но с такой "дотошностью" - только здесь, в Протвино.

А вот вторая часть доклада была посвящена неожиданно открывшейся возможности использовать нейтринные детекторы, во "внепучковом" режиме - на космических частицах высоких и сверхвысоких энергий, поступающих из внеземных источников. Это два спектрометра на жидком аргоне, получивших название БАРС (большой аргоновый спектрометр). В каждом БАРСе - 260 тонн жидкого аргона. Именно в этом сжиженном газе удается с помощью многочисленных координатных детекторов и быстрой электроники получать достоверные данные о траекториях высокоэнергетических частиц и изучать их взаимодействия. Вся информация "визуализируется" с помощью ЭВМ в виде, удобном для последующего анализа и сопоставления с теоретическими расчетами - в таком сопоставлении и добывается новое знание о свойствах микрочастиц.

На снимке: Вид на спектрометры БАРС  в галерее нейтринного канала

Как сообщил профессор Денисов, специалисты - "космики", посмотрев полученные недавно "картинки" космических ливней, зарегистрированных БАРСом, были удивлены точностью и качеством определения характеристик космических частиц. Тут же были предложены программа экспериментов. Один из них - изучение спектров "горизонтальных" мюонов,- уже ведется с прошлого года, первые результаты уже доложены на двух международных конференциях и встречены с большим интересом. Готовится предложение по изучению на БАРСах высокоэнергетических каскадов вторичного космического излучения - т.н. "широких атмосферных ливней" (ШАЛ). Кроме физиков ИФВЭ, в эксперименте будут участвовать ученые из наших ФИАНа, ИЯИ РАН, МИФИ, а также из Армении, Германии, Италии.

Выступивший затем специалист по "космике", член-корреспондент РАН из ФИАНа С.И.Никольский подчеркнул, что благодаря уникальным характеристикам БАРСов появляется возможность провести детальные исследования ШАЛов с энергиями выше 100 ГэВ и уточнить полученные ранее данные, указывающие на изменение картины взаимодействия частиц при сверхвысоких энергиях. Открывается путь к уточнению современных теоретических моделей, в равной степени касающихся объектов как микромира, так и астрофизики. На этом пути БАРСы могут стать буквально "локомотивом", берущим на себя работу, непосильную для прежних исследовательских установок (это, кстати сказать, размещенные в подземных шахтах или в толщах вод циклопические сооружения - например, в Баксанском ущелье на Кавказе или в водах Байкала).  

Опубликовано: "Независимая газета" - 1 июля 1997 г.