Подход к энергии нейтрино

Сергей Комаров
«Химия и жизнь» №9, 2023

Можно ли получать много энергии практически из ничего? Кое-кто пытается не только получать, но и делать на этом деньги.

Письмо в редакцию

Поводом для этого расследования послужило письмо, пришедшее в редакцию с простым вопросом: можно ли сделать бестопливный генератор электричества? Как так, бестопливный? А вот так, без видимых источников энергии. Ну что за восхитительный бред, подумалось сначала. Однако любопытство взяло верх, и вот какая открылась картина.

Оказывается, в ФРГ создана компания Neutrino Energy group, которая, если верить информации на ее сайте, не только думает над созданием таких генераторов, но делает их в лабораторных условиях. Заявлено, что в этом году производство генераторов под названием Neutrino Power Cube мощностью 6 кВт и размером 800×400×600 мм начнется в Швейцарии, в конце 2024 года фабрику запустят в Южной Корее, и к 2029 году есть план выйти на объем производства 30 ГВт генераторных мощностей в год.

При этом у энергетического куба нет никаких движущихся частей, никаких видимых источников энергии. Все просто: воткнул генератор в шкаф, подсоединил провода и вот оно, абсолютно автономное электроснабжение дома, независящее ни от цен на нефть-газ, ни от наличия солнца-ветра-падающей воды, электросетей и счетчиков энергосбыта.

Более того, в июле 2023 года на конгрессе Эпохальные технологии для энергетического перехода, проходившем в ФРГ, создатель компании доктор Холгер Торстен Шубарт договорился о проведении массовой проверки пары сотен устройств; испытания должны продлиться до апреля 2024 года.

Графеновая рябь

Что это, махровая лженаука? Вечный двигатель? Не совсем. В основании проекта лежит интересная и вполне научная история.

В общем-то, для посвященных в таинства физики не секрет, да и мы про это обстоятельство упоминали, когда рассказывали о Нобелевской премии Андрею Гейму и К. С. Новоселову за открытие графена, что Л. Д. Ландау еще в 30-х годах доказал: двумерный лист из атомов построить невозможно. Даже если удастся сплести такой лист, он все равно будет пытаться пролезть в третье измерение — станет коробиться, в общем, по листу побежит некая постоянная рябь.

Не знаю, знаком ли Холгер Торстен Шубарт с этой давней работой Ландау, однако он эту рябь наблюдал вживую, когда работал над использованием графена для солнечных элементов. И очень эта рябь досаждала, портила она показатели превращения света в электричество; хорошо бы от нее избавиться. Идея эта конечно же лишена смысла, куда уж нам, простым смертным, против авторитета небожителя Ландау.

Вот он каков, этот «Нейтринный энергетический куб», претендующий на спасение человечества от энергетического голода

И точно, рябь не укротили. Однако, изучая движения графеновой пленки, удалось выявить интересный эффект: рябь-то, как пиво по утрам, не только вредна, но и полезна; она порождает электродвижущую силу. И стало быть, пораскинув мозгами, можно придумать конструкцию, которая позволит обеспечить течение электрического тока, созданного этой силой.

Сказано — сделано: графен нанесли на фольгу, сверху приделали тонкий слой легированного кремния, который, будучи полупроводником, пропускает заряды только в одном направлении. К фольге и кремнию присоединили провода, и ток потек. Причем тёк он с завидным постоянством длительное время. Так, во всяком случае, утверждают авторы работы.

Колебания графеновой пленки постоянно вызывают разряды, которые и обращаются в электрический ток

Казалось бы, этого не может быть, потому что не может быть никогда: еще Михайло Ломоносов указывал, что ежели в каком месте чего прибавится, в другом всенепременно убавиться должно, в общем, закон сохранения энергии надо чтить. Если источник ряби на графеновом листе — тепловое движение, а это самое разумное предположение, значит, в электричество обращается тепловая энергия, поэтому графен будет охлаждаться, движения затухать и ток по исчерпании теплового потенциала неизбежно исчезнет. Ан нет, если верить Холгер Торстен Шубарту, — течет, не затухает. Конечно, графен может нагреваться от тепла воздуха, но, вырабатывая 6 кВт энергии, он за часы выморозит помещение, а этого нет.

Тогда на помощь был призван электромагнитный смог, загрязнение окружающего пространства излучениями от радиоприборов: радиостанций, систем сотовой связи, маршрутизаторов wi-fi и подобных устройств.

Спору нет, это отличный источник энергии — он распространен повсеместно и совершенно бесплатен для пользователя. Еще в советское время в журнале «Радио» рассказывали о транзисторном приемнике, который питался тем самым радиосигналом, который сам и воспроизводил в форме музыки. Более того, время от времени появляются сообщения о различной носимой электронике вроде датчика сердечных сокращений. Они питаются именно этим смогом, что-то меряют и, скажем, передают врачу важную информацию о пациенте.

Однако это весьма миниатюрные устройства с малым потреблением энергии. А тут-то речь идет о большой энергии: заявлено, что стопка из двух десятков графен-кремниевых листов площадью 600 см² выдает на-гора два ампера тока при напряжении полтора вольта, то есть мощность составляет три ватта. Такое и не всякому солнечному элементу в погожий полдень по плечу. Значит, чтобы конструкция заработала, нужен источник, по своей мощности сопоставимый с солнечным светом. При всей мощи человеческой цивилизации, так сильно загрязнять эфир радиоволнами она еще не умеет.

И тогда возникло искушение свалить все на нейтрино, что и нашло свое отражение в названии компании и устройства. А что, «нейтринный энергетический куб» звучит неплохо! Слова, пусть непонятные, зато модные, явно отсылающие к высокой науке. И раз в деле замешана высокая наука, проникающая в самые основы мироздания, значит наверняка тут что-то есть, ну не может же быть, чтобы не было, просто профаны понять не могут, что именно есть.

В общем, как указывал первый председатель комиссии РАН по борьбе со лженаукой академик Э. П. Кругляков, именно прикрываясь непонятными научными терминами, разные прохиндеи и пытаются облапошивать доверчивых малограмотных граждан, в том числе сидящих в высоких кабинетах, впаривая им негодные технические решения. Академик Кругляков был человеком суровым и жестким, во всяком необычном деле видел лженаучную подоплеку и беспощадно с ней расправлялся, однако мы люди помягче и попробуем разобраться, тем более что это дает повод рассказать о недавнем блестящем открытии, совершенном главным образом российскими и американскими физиками при основном финансировании со стороны РФ и США.

Неуловимое нейтрино

Когда речь заходит о том, что нейтрино способно привести к заметным колебаниям графеновой пленки, ничего, кроме взрыва хохота, это не может вызвать. В самом деле, все мало-мальски грамотные люди знают, что нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом, поэтому они практически неуловимы. Причем слабо — в переносном и в прямом смысле слова: только за счет слабого взаимодействия, игнорируя сильное и электромагнитное. Чтобы такое взаимодействие случилось, нейтрино должно подлететь даже не к атому, не к его ядру, а к отдельному нуклону в ядре на расстояние порядка 10⁻¹⁸ метра, то есть на аттометр.

Понятно, что столь прицельное попадание случается крайне редко, и физики вынуждены строить гигантские установки с детекторами весом во многие сотни и тысячи тонн. А на выходе — фиксация единичных нейтринных событий. Вот, например, самые большие детекторы нейтрино используют для их поимки толщу воды в озере Байкал, Средиземном море или кубический километр антарктического льда. Какая уж тут массовая генерация электричества от таких столкновений в кубике весом в килограммы? Не будем торопиться.

Так выглядит Окриджский ускоритель с высоты птичьего полета. Он производит наиболее интенсивные потоки нейтрино на Земле

Нейтрино нейтрино рознь, и различаются они энергией. Когда энергия большая, сотни, тысячи мегаэлектронвольт и больше, эта частица различает в атоме только отдельные нуклоны. Такое нейтрино не просто попадает в нуклон, а попадает так сильно, что вступает с ним в реакцию, в которой оба они исчезают и рождается каскад новых частиц, в том числе ядро другого элемента. Это сопровождается излучениями таких энергий, которые легко заметить фотодетекторами, фиксирующими нейтринное событие.

Поскольку нуклоны расположены в ядре столь же плотно, как города на карте Сахары, понятно, что попасть в нуклон чрезвычайно трудно. Физики оценивают эту трудность параметром «площадь сечения реакции»: чем оно больше, тем выше вероятность события. Так вот, для событий с превращением нейтрино чем выше его энергия, тем больше сечение реакции. Однако чем больше энергия, тем меньше таких нейтрино. Этим-то и объясняется крайне малое число нейтринных событий, которые физикам удается фиксировать огромными детекторами: то энергии мало, то нейтрино.

У этого типа событий, впрочем, есть одно положительное качество: сигнал в виде каскада мощных излучений очень хорошо заметен, его и в кубокилометре льда легко разглядеть, и в средиземноморской воде. В общем, легенда о неуловимости нейтрино укоренилась среди физиков с того времени, как Энрико Ферми предположил, что при ядерной реакции из ядра порой вылетает «нейтрончик»; так переводится нейтрино с итальянского. Однако в 2017 году ситуация изменилась кардинальным образом.

Уловимое нейтрино

В принципе, еще в 1975 году американец Даниэль Фридман из Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, Фермилаб и, независимо от него, советские физики Л. Л. Франкфурт и В. Б. Копелиович открыли на кончике пера явление упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомных ядрах.

Участники коллаборации, Бьёрн Шольц и Грейсон Рич, устанавливают детектор нейтрино из иодида цезия в свинцовую шахту. Интересно, что свинец для шахты подняли с затонувшего испанского галеона: за пошедшие столетия короткоживущие элементы, входящие в его состав, распались и такой старинный свинец дает малый фон

Суть этого явления такова. Если энергия нейтрино невелика, то зачастую ядро перед ним предстает как единое целое. А если энергия станет еще меньше, то оно увидит уже целый атом. Здесь сечение реакции слабо зависит от энергии; главное, чтобы нейтрино отдало атому небольшую часть своей энергии. В результате для нейтрино с энергией в десятки МэВ и ниже сечение такой реакции оказывается в тысячи раз больше, чем для реакции с нуклоном и последней можно вообще пренебречь.

Согласно предложенному механизму, низкоэнергетическое нейтрино может совершить упругое либо псевдоупругое рассеяние на ядре или атоме. В обоих случаях оно не будет поглощено, а после удара полетит своей дорогой, потеряв часть энергии и изменив траекторию движения. При псевдоупругом рассеянии этой энергии хватит, чтобы возбудить ядро, и оно потом снимет возбуждение, испустив кванты излучения, а при упругом атом лишь сдвинется со своего места. При неупругом, впрочем, он тоже со своего места сдвигается. Смещения атомов от удара порождают колебания решетки, и это может приводить к появлению излучений.

При этом чем тяжелее атом, тем больше у него сечение взаимодействия с нейтрино: при упругом рассеянии оно растет как квадрат числа нуклонов, а при неупругом — линейно. Различие весьма значительно. Так, если для нейтрино с энергией в килоэлектронвольты легкий атом углерода имеет площадь сечения порядка 10⁻⁴² см², то тяжелый цезий или иод — 10⁻³⁸ см², то есть 10⁻⁴⁶ и 10⁻⁴² м² соответственно.

Ну и как это помогает в ловле нейтрино? А вот как. В отличие от нейтрино высоких энергий, потоки нейтрино с низкой энергией гораздо интенсивнее. Возьмем солнечные нейтрино. За секунду через каждый квадратный сантиметр поверхности Земли нейтрино с энергией 10 МэВ проходит совсем немного — около ста тысяч. При энергии 1 МэВ и чуть более — сотни миллионов. А если энергия исчисляется несколькими сотнями электронвольт — то уже под триллион (10¹² штук).

Однако на Земле есть и гораздо более мощные источники нейтрино с энергией в десятки МэВ — это ускорители. У них мощность побольше, чем у Солнца. Так, самый мощный источник нейтрино, который расположен в Окриджской национальной лаборатории Минэнерго США, выдает под десять миллионов (10⁷) нейтрино с энергией 20–50 МэВ на квадратный сантиметр в секунду. Даже при указанных выше мизерных значениях сечений взаимодействия уже можно надеяться на обнаружение таких нейтринных событий в детекторах небольшого размера.

Посчитать этот размер нетрудно. Параметр кристаллической решетки измеряется в ангстремах, то есть 10⁻¹⁰ м. Значит, на площади в квадратный метр расположится 10²⁰ ячеек решетки, в каждой из которых находится по меньшей мере один атом. Суммарная площадь сечений взаимодействия для этих 10²⁰ атомов будет 10⁻²⁶–10⁻²² м². То есть в один атом попадет10⁻²⁶–10⁻²² доля потока нейтрино, приходящегося на один квадратный метр. Как это можно понять? Примерно так: чтобы хоть в одно ядро углерода попало нейтрино, через слой атомов должно пролететь 10²⁶ этих частиц, а если это слой из иодида цезия, то 10²² штуки.

А сколько реально может пролететь? Возьмем поток солнечных нейтрино киловольтной энергии: их поток составляет 10¹⁶ штук на квадратный метр в секунду. Как видно, одного столкновения придется ждать 10⁶–10¹⁰ секунд. Либо надо увеличить число атомов в эти же 10⁶–10¹⁰ раз, то есть собрать 10¹⁰ слоев по 10²⁰ атомов в каждом. Выйдет 10³⁰ атомов, и у них суммарная площадь сечения реакции составит 10⁻¹⁶–10⁻¹² м². Не надо пугаться огромных показателей степени: 10¹⁰ атомных слоев это всего один метр. Тогда в кубическом метре графита каждую секунду одно солнечное нейтрино будет рассеиваться на ядре углерода. А если взять кубометр иодида цезия, то счет столкновений пойдет на десятки тысяч в секунду, что совершенно невообразимо для нейтринной физики. Чтобы получить тот же результат на рукотворном источнике, скажем, в том же Окридже, надо взять детектор в тысячу раз больше либо увеличивать время наблюдений — многие дни вместо секунд.

Собственно, так исследователи и делают. У Окриджского источника, выдающего много нейтрино с энергией в десятки МэВ, есть одно несомненное достоинство: события с такими нейтрино дают существенно более мощный сигнал, чем солнечные килоэлектронвольтные. Ведь передаваемая при ударе энергия совсем невелика. Хорошо, если удастся вызвать неупругое рассеяние и фиксировать событие по излученным квантам.

А если все кончается смещениями атома? Будет ли от него излучение? Удастся ли его разглядеть? Видимо, эти соображения и привели к тому, что теория упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах вещества пылилась где-то на дне долгого ящика интересных физических проблем и ждала того светлого дня, когда появятся фотодетекторы с требуемой чувствительностью. И вот в начале 2010-х годов со старинного манускрипта стряхнули пыль.

Решительный эксперимент

Для экспериментальной проверки физики собрали большой научный коллектив, так называемую коллаборацию COHERENT, в которой приняли участие 80 человек из 19 институтов США, РФ, Канады и Южной Кореи. Если посмотреть на список участников, помещенный в основных публикациях, то окажется, что российская доля коллектива весьма велика: 11 человек из МИФИ и Института теоретической и экспериментальной физики им. А. И. Алиханова Курчатовского института. А в финансировании работы участвовали и Российский фонд фундаментальных исследований, и Российский научный фонд, и Министерство образования РФ. Впрочем, сейчас с сайта коллаборации всякое упоминание о русских участниках и русском финансировании исчезло, но что написано пером — то не вырубить топором: в статьях эти упоминания остались навсегда.

Для проведения работы первым взяли детектор из кристалла иодида цезия, благо оба элемента имеют большие сечения реакции упругого рассеяния нейтрино; вес детектора был 14,6 кг, а размер несколько меньше, чем у футбольного мяча. Нейтринный детектор окружили фотодетекторами и поместили в свинцовую камеру для защиты от фоновых излучений; нейтрино-то свободно проходит через свинец, а излучения, нейтроны, электроны — нет. Все смонтировали в нескольких десятках метров от того места, где протонный пучок окриджского ускорителя бьет по мишени, порождая в конце концов нейтрино. У этого источника помимо большой яркости есть еще одно удобство: он выдает нейтрино импульсами: по 60 раз в секунду и длительностью в одну микросекунду. Так удалось совсем избавиться от фона: можно было считать только всплески электромагнитного излучения в ближайшие две-три микросекунды после импульса. И такие всплески оказались прекрасно видны за пределами ошибки измерения.

Это был успех, претендующий на Нобелевскую премию. Физики коллаборации доказали, что работать с нейтрино можно, используя детекторы весом в десятки килограммов и, значит, такая работа доступна практически любой физической лаборатории, а необязательно связанной с уникальными гигантскими установками. В идеале и ускоритель не нужен: повышая чувствительность фотодекторов, можно и солнечными нейтрино обойтись.

За этим успехом в 2021 году последовал новый: на детекторе из 24 кг жидкого аргона также наблюдали события упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах. В этом опыте получили две важные количественные оценки. Во-первых, определили площадь сечения реакции, она оказалась (2,2±0,7)·10⁻³⁹ см², что с учетом ошибки не отличается от теоретического значения 1,8·10⁻³⁹ см². Во-вторых, вычислили, что нейтрино отдает ядру аргона примерно одну тысячную часть своей энергии: 30 кэВ и 30 МэВ соответственно. Сейчас коллаборация пробует использовать другие элементы в качестве детектора, а также думает об увеличении объема жидкого детектора до одной тонны.

Работа COHERENT уже вызвала бум интереса к исследованиям упругих столкновений нейтрино с веществом. Например, китайцы на своем источнике нейтрино в Донгуане, провинция Гуандун, мощность которого 40% от окриджского, планируют провести независимую проверку полученных коллаборацией результатов. Как известно, в современной науке не принято верить словам, даже напечатанным. Котируются только наблюдения другой группы, полученные на другом приборе. Тем более когда речь идет о работе нобелевского уровня.

А российские физики с физфака МГУ имени М. В. Ломоносова, саровского Физико-математического центра, а также их коллеги из нескольких итальянских институтов хотят идти дальше и изучить рассеяние нейтрино не на ядрах, а на атомах. Для этого им нужны нейтрино совсем малых энергий, порядка единиц кэВ, которые передают атомам энергию в электронвольты. Именно такие нейтрино способны взаимодействовать с атомом как с единым целым.

В качестве источника они планируют взять сосуд с 4 кг жидкого трития, а детектором послужит жидкий гелий-4. По мысли авторов проекта, который планируется начать в 2026 году, энергии, которую атом гелия получит при ударе нейтрино, хватит на испарение этого атома. По числу испарившихся атомов и будет идти анализ результатов эксперимента. Цель такого эксперимента — определить, обладает нейтрино магнитным моментом или нет.

Вообще, свойства нейтрино — одна из интереснейших проблем физики элементарных частиц. Ведь до сих пор не было метода для их тщательного изучения и потому сегодня известно только два его свойства — аромат и оценка массы сверху. Теперь, когда благодаря упругому рассеянию стало возможным использовать маленькие детекторы нейтрино, физики составили обширную программу исследований: от проверки Стандартной модели теории элементарных частиц, попыток нащупать новую физику за ее пределами, до поиска частиц темной материи, изучения взрывов сверхновых и геометрии ядер атомов.

Не исключено, что открытие явления упругого когерентного рассеяния нейтрино имеет и космологический аспект. В самом деле, если нейтрино при каждом ударе теряет энергию, значит, когда-нибудь количество перейдет в качество: его энергии окажется недостаточно, чтобы преодолеть притяжение планеты, звезды, звездной системы или галактики. Значит, неизбежно формирование вокруг них облаков из таких замерзших нейтрино. Рассуждения на эту тему известны физикам, но теперь, коль скоро есть механизм их образования, можно заняться совершенно неизведанной физикой — изучать строение этих облаков и их роль в эволюции Вселенной, вызываемые ими тепловые и гравитационные эффекты.

Использовать эффект предлагают и практики. Коль скоро нейтрино легко проходят сквозь вещество, нейтринные пучки могут стать прекрасным средством коммуникации. Например, для связи с подводными лодками, ведь вода не пропускает радиосигнал. Однако детектор весом в десятки тысяч тонн на лодку не поставишь, так что идею похоронили в папке под грифом «беспочвенные фантазии». Но теперь, открыв возможность детектирования нейтринных импульсов маленьким детектором, физики обеспечили прорыв и в этом направлении. Став видимым, нейтринный пучок, созданный ускорителем, может как нести информацию, так и служить маяком для поверки систем подводной навигации. И все это без необходимости всплывать из глубин океана. Расчет показывает, что нужно увеличить светимость нейтринных источников в сто раз, ну да человечество решало и не такие задачи. Самое главное, что никакие системы радиоэлектронной борьбы не способны нарушить работу нейтринных каналов связи и навигации.

Невозможная генерация

Однако вернемся к генерации электричества листом графена. Будет он колебаться при упругом рассеянии нейтрино на его атомах? Конечно! Станет давать электроэнергию от этих колебаний? Вполне возможно. Есть научная основа под «нейтринным энергетическим кубом»? Несомненно. Однако есть нюанс.

В силу закона сохранения энергии, этого электричества может быть никак не больше, чем той энергии, что нейтрино передало при ударе. Чтобы графеновый лист выдавал заявленную мощность в 3 Вт с площади 600 см², то есть 5 Вт с квадратного метра, нужно, чтобы в этом метровом листе ежесекундно проходило не менее 8·10¹⁹ столкновений с нейтрино, каждое из которых передает 1 эВ энергии. Даже если передает 1 кэВ, роли это не играет: что 8·10¹⁹, что 8·10¹⁶ — все равно непредставимо много. Фактически, чтобы получить указанную мощность, каждое солнечное нейтрино, пролетающее ежесекундно сквозь графеновый лист, должно с ним столкнуться и отдать один килоэлектронвольт своей энергии. С точки зрения физики это означает, что сечение реакции должно быть в 10²⁰ раз больше, чем дает расчет. В общем, никаким десятком слоев графена не обойтись, нужно брать графеновый блок толщиной в миллионы километров.

Есть и другие соображения. Земной шар служит отличным детектором упругого когерентного рассеяния нейтрино, летящих от Солнца, и их удары вносят свой вклад в тепло Земли. Чтобы этот вклад посчитать, уподобим Землю шайбе толщиной в радиус планеты, 6371 км, или 6,4·10⁶ м. В такую толщину укладывается 10¹⁶ слоев кристаллической решетки, в данном случае силиката кремния, основного строительного материала Земли. У кремния сечение реакции в 10 раз больше, чем у углерода. Значит, используя результаты предыдущего расчета, получаем, что из тех 10¹⁶ солнечных нейтрино, что ежесекундно падают на квадратный метр земной поверхности, 10⁷ штук, проходя сквозь земную твердь, испытают соударения с ядрами кремния.

Соответственно, выделяемая при таких соударениях тепловая мощность составит миллионные и миллиардные доли ватта на этот квадратный метр, в зависимости от того, сколько энергии нейтрино передает атому кремния. Это очень малая величина, скажем, глобальное потепление нам обеспечивает дополнительный поток тепла в несколько ватт с квадратного метра поверхности планеты. А если бы нейтрино передавали хоть один ватт на один атомный слой, то создаваемый ими тепловой поток составил бы 10¹⁵ Вт, Земля светилась бы ярче миллиона Солнц.

Поскольку этого нет, надежду на получение заметной энергии от нейтринных ударов, несмотря на всю смелость авторов этой идеи, придется оставить. И на чем работает генератор, демонстрируемый компанией на выставках и в Сети, остается только гадать. Да и работает ли он без встроенного в него источника энергии — большой вопрос. Можно, наверное, придумать эксклюзивно для графена механизм рассеяния всех попадающих в него нейтрино, однако это дело выглядит весьма хлопотным.