В заброшенном золотом руднике, расположенном в одной миле от города Лид, штат Южная Дакота, инженеры и физики из Университета Висконсин-Мэдисон работают над созданием камеры, содержащей 10 тонн жидкого ксенона. Они надеются, что в подземной шахте, где экспериментальное пространство будет защищено от солнечных частиц и космического излучения, они смогут впервые обнаружить темную материю.

Чем может являться загадочная темная материя с точки зрения современной физики? Первоначальная гипотеза появилась еще в 1930-х годах, когда астрономы поняли, что у галактики недостает силы гравитации для того, чтобы сохранять свою структуру только за счет видимых ее источников — звезд, планет, черных дыр и т. п. Непосредственно саму темную материю до сих пор обнаружить не удавалось, ее существование было выведено лишь с помощью гравитационных математических моделей. Однако астрономы полагают, что на самом деле во Вселенной темной материи может быть в пять раз больше, чем видимой. Команда UW-Madison решила положить конец этой неопределенности.

Эксперимент на золотых приисках Южной Дакоты называется LUX-ZEPLIN, или LZ для краткости. Он является расширенной версией предыдущего эксперимента Large Underground Xenon (LUX) и программы темной материи ZEPLIN. Идея состоит в том, чтобы обнаружить частицу темной материи в момент, когда она взаимодействует с атомом ксенона, вызывая цепную реакцию в камере, которая в результате произведет выброс ультрафиолетового света и выпустит шквал электронов. Сразу после того, как жидкий ксенон загорится, газообразный ксенон в камере над ним отреагирует выделением электронов и выпустит второй, более яркий импульс света. Физики, работающие над проектом, описывают его как «звонок», который будет звенеть, когда на него воздействует частица темной материи.

«Частицы темной материи могут быть прямо здесь, в комнате, проходя сквозь вашу голову и, возможно, изредка сталкиваясь с некоторыми атомами», — сказал в пресс-релизе Дункан Карлсмит, профессор физики в UW-Madison.

Схематичное изображение подземной лаборатории LUX-ZEPLIN

Ранее в этом месяце Министерство энергетики утвердило заключительные этапы строительства ЛЗ на золотом руднике, официально названном Санфордским подземным исследовательским центром. Тем временем, исследователи работают с меньшим прототипом устройства, чтобы гарантировать, что когда «большой» LZ будет запущен в 2020 году, он не будет восприимчив к помехам.

Чтобы убедиться, что ничто, за исключением темной материи, не взаимодействует с жидким ксеноном, команда строит две внешние камеры, предназначенные для обнаружения и удаления любых загрязняющих частиц. Камера будет заполнена 10 тоннами жидкого ксенона, и более 500 фотоумножителями — вакуумными трубами, которые являются ультрачувствительными световыми детекторами и будут контролировать LZ. Если что-то кроме темной материи нарушит покой ксенона, детекторы должны будут показать, что это ложная тревога.

Как только установка в подземной шахте будет готова, а эксперимент запущен, останется только ждать. Физики будут искать слабо взаимодействующие массивные частицы, или WIMP, которые являются гипотетическими «строительными блоками» темной материи. Считается, что большую часть времени WIMP проходят через обычную материю без каких-либо следов, но могут время от времени сталкиваться с обычными частицами.

Участники проекта LUX-ZEPLIN собрали миниатюрную копию будущей установкиПеред тем, как проводить глобальный эксперимент, необходимо протестировать его на менее габаритной и дорогой модели

LZ останется включенным, по крайней мере, в течение пяти лет, однако все надеются, что ему удастся впервые обнаружить WIMP или иным образом исключить их как эфирное вещество, составляющее темную материю. Другие эксперименты в Центре астрофизики частиц Висконсина IceCube, а также проекты в Италии и Китае проводят свои эксперименты по поиску прямых доказательств существования темной материи. Физики UW-Madison также используют Большой адронный коллайдер в попытке обнаружить темную материю, которая создается при столкновениях высокоэнергетических частиц. Гонка первооткрывателей темной материи в самом разгаре!

Если мы сможем найти и измерить это вещество, мы достигнем большего понимания принципов работы Вселенной, чем когда-либо прежде. Вполне возможно, что темная материя составляет более 25 процентов всего космоса, и как только мы обнаружим специфические свойства материала, она может открыть секреты, которые долгое время оставались от нас скрытыми.

Мар 13, 2017Геннадий

Самый большой и грузоподъемный вертолет в истории — В-12, детище советских инженеров. Проект Discovery Channel «Техногеника», посвященный невероятным примерам советской и российской инженерной мысли, рассказывает о создании и судьбе винтокрылого гиганта.

Его часто называют Ми-12, однако это не совсем корректно: литера В присваивалась проектам на стадии разработки, а обозначение Ми — только после выхода в серийное производство. В-12 так и не начали производить большими партиями: машина, которая произвела настоящий фурор в 1971 году на Международном авиасалоне в Ле-Бурже и установила не один мировой рекорд, так и не стала частью авиационного парка СССР.

Размер — не блажь, а военная необходимость

Как и многие грандиозные проекты и изобретения в истории, замысел сверхгрузоподъемного вертолета был продиктован политической необходимостью — точнее, военными нуждами. В 60-е годы прошлого века Холодная война между СССР и США обострилась, а вместе с ней и гонка вооружений. Советский Союз активно наращивал военный потенциал, в том числе сторил мобильные ракетные наземные комплексы, которые легко могли менять дислокацию. Базы для развертывания межконтинентальных баллистических ракет планировалось строить в самых труднодоступных местах страны. Удаленность этих мест от железных дорог, аэродромов и крупных транспортных артерий, с одной стороны, значительно осложняла потенциальному противнику обнаружение советских баз, но, с другой стороны, делала транспортировку техники от завода на стартовую позицию практически невыполнимой задачей. Доставить туда неразборные ракеты весом в десятки тонн и танки порядка 40?50 тонн можно было только на вертолете. Но это должен был быть уникальный, принципиально новый вертолет с невероятной грузоподъемностью. Разработку столь амбициозного проекта доверили конструкторскому бюро под руководством Михаила Миля.

Вдоль и поперек

Предварительные работы начались в 1959 году. В первую очередь конструкторам необходимо было определиться с оптимальной схемой расположения винтов. Традиционно в мировом сообществе наиболее подходящим вариантом для тяжелых вертолетов считалась продольная конфигурация — то есть расположение винтов друг за другом, один впереди, другой сзади (такие машины еще называли летающими вагонами, среди самых ярких примеров — советский Як-24 и американский CH-47 Chinook, который эксплуатируется до сих пор). Конструкторы провели испытания на вертолете с продольной схемой и выявили, что не все так безоблачно: передний винт мешал ходу заднего, а слишком вытянутый корпус заметно снижал возможности машины. Поэтому Миль решил положить в основу поперечную конфигурацию, тем более что надежный прототип уже имелся —винтомоторная группа вертолета Ми-6 с двумя турбодвигателями.

Но и у поперечной схемы были определенные недостатки. Чтобы винты не мешали друг другу, их надо было расположить на удалении — то есть на концах крыльев, которые нужно было укрепить фермами. Из-за дополнительной нагрузки по бокам возрастали риски нежелательных резонансных колебаний. После долгих поисков и рассмотрения множества возможных вариантов специалистам ОКБ Миля удалось найти уникальное решение — они создали оригинальную схему крыла обратного сужения, которую впоследствии запатентовали в Англии, Франции и Италии. Суть её такова: наибольшую скорость воздушные потоки от несущих винтов набирают у самого фюзеляжа, поэтому на месте крепления к корпусу вертолета крылья были узкими. Расширялись они к концу, где были расположены двигатели, а скорость воздушных потоков минимизировалась. Проще говоря, конструкторы как бы перевернули традиционную схему расположения крыльев, состыковав их с фюзеляжем острой вершиной условного равнобедренного треугольника. Такой расчет позволил не только нивелировать резонансные колебания, но и увеличить подъемную силу сразу на 5 тонн.

Мне бы в небо

Опытный образец был готов к июню 1967 года. Он получился действительно колоссальным: диаметр несущих винтов — 35 метров, длина фюзеляжа — 37 метров, суммарная мощность четырех двигателей — 26 тысяч лошадиных сил, а гигантские пятилопастные винты вращались со скоростью 200 оборотов в минуту. Первое испытание прошло неудачно. В-12 весил 105 тонн, поэтому при вертикальном взлете на каждую лопасть приходилось по 10,5 тонн нагрузки. Это и породило автоколебания элементов конструкции (флаттер), из-за чего машина начала опасно раскачиваться, едва оторвавшись от земли. Летчик-испытатель В. П. Колошенко вынужден был экстренно и довольно жестко сажать вертолет с высоты 10 метров.

Почти два года понадобилось специалистам ОКБ Миля на устранение неполадок, перерасчеты и коррективы. Следующее испытание состоялось только в 1969 году, зато на сей раз все прошло на высшем уровне. В-12 поднялся с грузом весом более 40 тонн на высоту 2255 метров, установив тем самым мировой рекорд грузоподъёмности для вертолётов. Его не удалось побить до сих пор. Следующий триумф ждал В-12 на Международном авиасалоне 1971 года в Ле-Бурже, где вертолёт-гигант вызвал невероятный интерес и восторг у публики. Кстати, сам перелет до Парижа также стал своеобразной проверкой на прочность: из Москвы в столицу Франции В-12 пришлось добираться своим ходом. Кроме того, Американское геликоптерное общество наградило ОКБ М. Миля «Призом И. И. Сикорского» — премией, присуждаемой за выдающиеся достижения в вертолетной технике. Примечательно, что В-12 мог легко поднять в воздух самый тяжелый на тот момент американский CH-53 Сикорского.

Ми-26Т

Однако судьба у одного из самых амбициозных проектов советской авиации сложилась печально. Очень скоро политическая напряженность сменилась очередным потеплением в Холодной войне, были подписаны договоры ОСВ-1 и ОСВ-2, и руководство страны сформулировало новые военные задачи. Огромный вертолет оказался невостребован и в серию не пошел. Всего было построено два В-12, но опыт их создания пригодился при последующей разработке Ми-26 (в настоящее время именно он считается самым большим и грузоподъемным серийным вертолетом в мире). Посмотреть же на нелетающего гиганта В-12 можно в музее ВВС в Монино.

Мар 17, 2017Геннадий

В Калифорнии, в пустыне Мохава была запущена крупнейшая в мире солнечная электростанция «Айванпа» площадью почти 13 кв.км. Объект стоимостью $ 2.2 млрд состоит из трех электростанций и почти 350 тысяч зеркал-гелиостатов.

Отправляемся в Калифорнию, чтобы поближе познакомиться с этим чудом техники.

Крупнейшая в мире солнечная электростанция «Айванпа» находится в 64 километрах от Лас-Вегаса. Как уже говорилось, она состоит из 350 тысяч зеркал-гелиостатов

Гелиостат — это прибор, способный поворачивать зеркало так, чтобы направлять солнечные лучи постоянно в одном направлении, несмотря на видимое суточное движение Солнца.

3 поля гелиостатов окружают 40-этажные башни-электростанции. Зеркала фокусируют солнечный свет на котлах, находящихся на вершине башен (смотри заглавную фотографию). Вырабатывается пар, который приводит в движение турбины. Так появляется электрическая энергия, которой достаточно для питания 140 000 зданий в Калифорнии.

Выходная мощность крупнейшей в мире солнечной электростанции составляет почти 392 МВт.

Гелиостаты солнечной электростанции Айванпа

Как видно, гелиостат состоит из двух зеркал и управляющего механизма. Количество таких гелиостатов здесь — 173 500 штук. Соответственно, зеркал в 2 раза больше.

Внизу каждой из трех электростанций находятся охлаждающие системы. Вверху — паровой котел.

Пункт управления электростанцией.

Графическая система управления крупнейшей в мире солнечной электростанцией Айванпа.

Автомобили на дороге для осознания масштабов.

Две из трех электростанций. Видно, как вырабатывается пар в котлах от солнечной энергии, фокусируемой гелиостатами.

Так светится башня-приемник солнечной энергии с котлами внутри.

Вид с воздуха на одно из зеркальных полей с электростанцией посредине.

Как уже говорилось, все здесь 3 поля с гелиостатами.

Постройка солнечной электростанции «Айванпа» является частью государственной программы, по которой Соединенные Штаты намерены к 2020 году перевести третью часть объема добываемой энергии на возобновляемые источники.

Апр 5, 2017Геннадий

В каждой клетке человека — за исключением половых — есть 23 пары хромосом, в каждой из которых содержится от 1,7 до 8,5 см ДНК. Если вытянуть ДНК всех хромосом в цепочку, то ее длина составит около 2 м. Суммарная ДНК всех клеток организма наберет уже 20 млрд км — этого с запасом хватит на то, чтобы несколько десятков раз протянуть нить до Солнца и обратно. Остается лишь удивляться, с каким чудесным мастерством все это упаковано в клеточном ядре, размер которого измеряется в микрометрах.

ДНК не просто пассивно хранится, как пленка в кассете. Она должна постоянно работать и открывать информацию то одного, то другого участка цепочки для считывания белкам. В результате клетке приходится параллельно решать две практически взаимоисключающие задачи. Однако эволюция нашла весьма изящные подходы, и многие из них мы начинаем раскрывать лишь в последние годы. Сегодня в этой области регулярно происходят настоящие прорывы. Они не только многое объясняют на фундаментальном уровне, но и открывают дорогу для лечения старых болезней и создания новых лекарств.

Спагетти в желатине

К началу 1970-х уже было прекрасно известно, что основой наследственности является дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК. В 1953 году Джим Уотсон и Фрэнсис Крик открыли ее структуру, которая объяснила ключевой механизм копирования генетической информации: двойная спираль может разделяться, как застежка-молния, после чего на каждой нити синтезируется новая копия, так что в итоге получаются две двухспиральные молекулы.

Однако к тому времени уже почти сотню лет было известно, что в клеточном ядре, помимо ДНК, присутствует примерно равное по массе количество белков, которые вместе с нуклеиновой кислотой образуют некое «ядерное вещество» — хроматин. И если поначалу считалось, что именно белки служат носителями наследственной информации, то с выявлением истинной роли ДНК роль белков в хроматине оказалась совершенной загадкой.

Пытаясь выяснить функции этих белков, ученые из Королевского колледжа Лондона даже ставили эксперименты на модели, в которой роль ядра играл прозрачный контейнер с жидким желатином, а хроматином были вареные спагетти. Тщательно взбалтывая банку, британцы пытались рассмотреть возникновение на ее стенках структур, похожих на фрагменты реального ядра под микроскопом. Если верить авторам, иногда это даже почти получалось.

Ну а «вишенкой на торте» этих беспорядочных данных стало наблюдение Мориса Уилкинса — главы лаборатории, в которой работали Уотсон и Крик, — который показал, что с помощью рентгена в клеточных ядрах можно рассмотреть внутренние периодические структуры. Объяснить эти данные также не удавалось.

Курицы с Друри-Лейн

Когда в детективе набирается такое большое количество косвенных улик, на сцене должен появиться непревзойденный сыщик, желательно из Лондона, который сложит все кусочки мозаики в единую картину. Увы, в истории хроматина такого не нашлось, и выйти на разгадку ученым помогли жители не Бейкер-стрит, а Друри-Лейн.

Эта фешенебельная улица когда-то прославилась своими публичными домами, потом старейшим в Лондоне театром, а в будущем, возможно, останется известна своей ролью в истории науки. В 1970-х здесь располагался курятник факультета биофизики Королевского колледжа Лондона, и препараты куриной крови, которые получили Ада и Дональд Олинс, помогли раскрыть тайну хроматина.

Оказалось, что если правильно подобрать режим экстракции ядерного материала из куриных красных кровяных телец, то можно поймать такой момент, когда ДНК уже большей частью распутана, но еще не полностью потеряла связанные с ней белки. Работая с кровью цыплят с Друри-Лейн, супруги Олинс рассмотрели такие препараты в электронный микроскоп и увидели характерную картину «бусин на нитке» — нить ДНК с регулярно нанизанными на нее комплексами белков. Эти бусины — нуклеосомы — оказались основой организации хроматина у всех ядерных организмов.

Катушки и бусины

Исследования будущего нобелевского лауреата Роджера Корнберга показали, что нуклеосомы похожи не столько на бусины, сколько на катушки. ДНК не продета сквозь них, а намотана вокруг комплекса, основу которого образуют гистоны. К тому времени они были известны ученым чуть ли не сотню лет. Было показано, что гистоны составляют бoльшую часть ядерных белков, что они очень устойчивы к внешнему воздействию и несут на поверхности положительные заряды. Но их роль в организации хроматина стала большим сюрпризом: убийцей оказался дворецкий.

Получалось, что проблему компактизации ДНК клетка решает примерно так же, как портные или кабелеукладчики, — наматывает ее на катушку. Только вместо одной большой используется очень много маленьких катушек, по одной штуке на каждые 200 оснований. На каждой нуклеосоме нить делает всего два витка, и отрицательно заряженная ДНК надежно связывается с положительными молекулами гистонов.

Это довольно неожиданное, но зато разумное решение: с одной стороны, маленькие катушки позволяют эффективно упаковать нуклеиновую нить, а с другой — между катушками остаются значительные участки «голой» ДНК, где с ней могут свободно взаимодействовать регуляторные белки. Такие свободные участки выступают в геноме в роли книжных закладок или меток, разделяющих сектора жесткого диска.

Наматывание на нуклеосомы позволяет «сжать» ДНК примерно в шесть-семь раз. Но на этом компактизация хроматина, конечно, не заканчивается: сами катушки соединяются друг с другом «стопками», торец к торцу. Только стопки нуклеосом в хроматине не идеально прямые, а немного повернуты друг относительно друга и образуют большую суперспираль — 30-нанометровую фибриллу, которая сокращает длину ДНК еще в шесть-семь раз. Именно в таком виде хроматин существует и работает в ядре бoльшую часть жизни клетки. Но и это еще не предел компактизации.

Помпоны хромосом

Максимальной плотности укладка ДНК в клетке достигает перед ее делением. В это время комплексы ДНК и белков — хромосомы — даже видны в оптический микроскоп. Они образуются с помощью своеобразного клеточного макраме: 30-нанометровая фибрилла складывается в петли, закрепленные у основания, как нити помпона на шапке. Достаточно расположить множество таких клубков в линию, чтобы получились те самые X- и Y-хромосомы, которые знакомы всем.

Структура хромосом, их отличия друг от друга и поведение при делении были хорошо изучены еще в начале XX века, эти сведения остаются актуальными и по сей день. Однако их судьба после деления остается плохо понятной. Распускаясь обратно, сохраняют ли они свои места до следующего деления? Случайно ли их расположение, или у каждой хромосомы есть свое строго заданное место? Могут ли хромосомы меняться местами друг с другом, и как этот процесс влияет на активность генов?.. Лишь в последние годы, вооружившись всем арсеналом методов современной генетики и молекулярной биологии, ученые начинают находить ответы на эти вопросы.

Первые результаты выглядят неожиданными: оказывается, каждая из хромосом действительно имеет свое «выделенное посадочное место». Более того, обычно эти места очень консервативны и одинаковы даже между столь разными видами, как человек и мышь. С другой стороны, «рассадка» хромосом может радикально меняться даже в одной и той же клетке — если, например, она меняет «профессию» или перерождается в раковую. Интересно, что при этом активные гены располагаются ближе к центру ядра, а «отключенные» — у периферии.

Обнаружение такого высокоуровневого порядка в, казалось бы, хорошо изученном клеточном ядре, безусловно, очень необычно и интригующе. Пока еще мы не понимаем, как выглядит и чем определяется внутренняя архитектура хроматина на глобальном уровне. Но кое-что уже ясно: она точно не похожа на вареные спагетти, с помощью которых ученые пытались изучать хроматин полвека назад.

Мар 19, 2017Геннадий

Epic Russian. Или парень, который пародирует знаменитостей на YouTube.