Експедиції за цінними ресурсами були рушійним фактором епохи Великих географічних відкриттів. Щось подібне, можливо, чекає нас в майбутньому. Які це будуть ресурси? Може бути, гігантські алмази - основа електронної апаратури, здатної працювати в самих жорстких умовах?
У 1960-х один з провідних світових астрофізиків Едвін Солпітер, який вивчав процеси нуклеосинтеза в зірках, висунув цікаву ідею: в вуглецево-кисневому ядрі білих карликів за деяких умов може існувати кристалічна структура. Зрозуміло, це було чисто теоретичну побудову, але в 1992 році у одного з білих карликів (BPM 37093), що знаходяться приблизно в 50 світлових роках від Землі, були виявлені пульсації, які дозволили вивчити внутрішню структуру зірки експериментально. На початку 2000-х років група астрофізиків під керівництвом Тревіса Меткалфа з Гарвард-Смітсонівського центру застосувала для цього метод астросейсмологія. Згідно з їхніми висновками, під водневої оболонкою BPM 37093 дійсно ховається тверда кристалічна ядро з кисню і вуглецю. За різними даними, від 32 до 90% маси зірки знаходиться в кристалічній формі - а це в будь-якому випадку не менше 5x1029 кг! При тому колосальному тиску, яке панує в надрах цієї зірки, вуглець може утворити лише одну певну кристалічну решітку - алмаз, тому зірка майже відразу отримала ім'я Люсі (в честь відомої пісні The Beatles - Lucy in the Sky with Diamonds).
Рудник по сусідству
Втім, цілком можливо, що за алмазами не доведеться летіти так далеко. У нашій Сонячній системі є планета Нептун. Подібно Землі, вона випромінює своє внутрішнє тепло в навколишній простір, однак інтенсивність цього випромінювання на порядок вище теоретичних передбачень. Це означає, що Нептун активно генерує власне тепло - але як? На відміну від Землі, Нептун майже цілком складається з води, метану й аміаку і практично не містить радіоактивних ізотопів.
Співробітник Ліверморської лабораторії Марвін Росс в 1981 році висловив гіпотезу, що метан у глибинах Нептуна і Урану при існуючих там величезних тисках і температурах розкладається на водень і вуглець, причому вуглець набуває структуру алмазу. Надмірне теплове випромінювання Нептуна пояснюється тим, що алмази занурюються в глиб рідкої мантії. При цьому виділяється гравітаційна енергія, яка і нагріває нутрощі планети.
фабрика алмазів
Кілька років тому цією проблемою зацікавився професор Університету штату Нью-Йорк в Стоні-Брук Артем Оганов, автор алгоритму USPEX, Universal Structure Predictor: Evolutionary Xtallography, що дозволяє прогнозувати структуру кристалів ( «Кристали на кінчику пера», «ПМ» №10'2010) . «Проект виявився надзвичайно трудомістким, - згадує Артем. - Перші розрахунки показали, що при високому тиску з молекул метану утворюються етан і бутан. Не виключено, що таким же шляхом виникають і більш складні вуглеводні, але ніяк не алмази. У цих початкових обчисленнях ми вважали температуру рівній абсолютному нулю і не брали до уваги рух атомів. Але як тільки ми вирішили врахувати чисто квантові нульові коливання атомів, які не зникають і при нульовій температурі, виявилося, що їх енергія сприяє формуванню алмазу! Якщо ж врахувати ітемпературу, яка в глибинах Нептуна сягає 2000 ° C, новонародженим алмазів для збереження стабільності вистачає тисків, що не перевищують двох мільйонів атмосфер ». Так що, схоже, Марвін Росс мав рацію.
Установка для вирощування синтетичних алмазів
Перевірка на твердість
Довго вважалося, що алмаз - найтвердіший з усіх відомих матеріалів. Але близько 20 років тому теоретики з Каліфорнійського університету в Берклі припустили, що нітрид вуглецю C3N4 повинен сильно перевищувати алмаз по твердості. Як розповів «ПМ» Артем Оганов, з тих пір було безліч спроб отримати цей матеріал, але нікому ні разу не вдалося достовірно продемонструвати подібний синтез і отримати будь-яку інформацію про твердість і структурі цього кристала. «За допомогою нашої системи можна вирішити задачу теоретичного моделювання матеріалів з наперед заданими властивостями, наприклад особливо твердих речовин, - пояснює Артем. - Це можна зробити за допомогою еволюційних алгоритмів, тільки замість відбору по вільної енергії потрібно вести селекцію по максимуму твердості. Звичайно, для цього слід варіювати не тільки просторову структуру кристала, але і його склад. Так ось, наші розрахунки показують, що нітрид вуглецю навряд чи буде синтезований, оскільки він дуже нестійкий. Але навіть якщо це станеться, він виявиться багато м'якше алмаза. Так що алмаз по твердості залишається поки поза конкуренцією ».
Стаття опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №11, Січень 2010 ).
Які це будуть ресурси?Може бути, гігантські алмази - основа електронної апаратури, здатної працювати в самих жорстких умовах?
Це означає, що Нептун активно генерує власне тепло - але як?
