Принцип использования альфа-частиц для полета в атмосфере



Сегодня, для поднятия тела в воздух используют, например, разность давлений над и под крылом самолета, вырывающуюся струю газа из сопла ракеты. Однако, может возникнуть мысль о том, каким принципиально отличающимся способом можно поднять тело над поверхностью Земли.

Рассмотрим вопрос о создании подъемной силы в воздушной среде, используя разность давлений над и под аппаратом с помощью ионизации атомов из атмосферы. Для этого нужно:

1. Ионизировать воздух используя ионизатор. Ионизаторы работают от источника ионизирующего излучения (ультрафиолетового или на радиоактивных изотопах) или на высоком напряжении (несколько тыс. вольт) с коронным разрядом на электродах.
2. Заряженный воздух должен образовываться в непосредственной близости от верхней поверхности аппарата, чтобы избежать рекомбинации атомов при движении к нижней поверхности.

Эффективным способом ионизации воздуха могут являться α -частицы, так как они обладают значительной ионизирующей и малой проникающей способностями.

Когда нестабильное ядро находится в процессе излучения своей избыточной энергии, то испускает частицы, которые являются ядрами гелия и состоит из двух протонов и двух нейтронов. Эти частицы называются α-частицами. Проиллюстрируем это на рис. 1.

Рис. 1. Испускающее α -частицу ядро атома [4]

Когда α-частица проходит в непосредственной близости от электрона, она притягивает его и может вырвать с нормальной орбиты. Атом теряет электрон и таким образом преобразуется в положительно заряженный ион. Проиллюстрируем это на рис. 2.

Рис. 2. Притягивающая электрон атома α-частица [4]

Ионизация атома требует приблизительно 30–35 эВ энергии. Таким образом, α-частица, обладающая, например, 5 000 000 эВ энергии в начале ее движения, может стать источником создания более чем 100 000 ионов прежде, чем она перейдет в состояние покоя.

Таким образом, затрачивая на каждый акт ионизации 34 эВ и обладая энергиями в пределах 4–9 МэВ, α -частицы на пути движения в воздухе до полного торможения образуют 100–300 тыс. пар ионов.

Источником альфа-частиц можно использовать уран-238, который за период распада до свинца-206 излучает 8 α-частиц. Проиллюстрируем схему на рис. 3.

Рис. 3. Схема распада урана-238

Безусловно, уран-238 испускает β-частицы [2], но в связи с тем, что они легче α –частиц в 7000 раз, то обладают большой длинной пробега (до 20 метров), следовательно, ионизируют воздух вдали от поверхности аппарата, поэтому можно пренебречь ими в расчетах.

Перейдем к рассмотрению принципа действия и самого аппарата. Его корпус, в данном рассмотрении, является кубом, хотя может быть использована любая форма. Основой аппарата является расположенный в верхней отсек с ураном-238 — источником α-частиц, а по вертикальной оси располагается конденсатор отрицательным концом в низ. Такое расположение конденсатора обусловлено тем, что при ионизации, образующиеся электроны сразу оседали на верхней части. При этом положительные ионы не будут подвержены рекомбинации с отделившимися электронами. Проиллюстрируем аппарат на рис. 4.

Рис. 4. Описывающая принцип работы схема аппарата

Для решения задачи примем, что аппарат представляет собой куб и находится в помещении с идеальным одноатомным газом. Запишем необходимые данные в таблице 1.

Таблица 1

Дано:	Значение
Давление в помещении (P)	101300 Па
Объем воздуха (V)	1000
Длина ребра (a)	2 м
Среднее количество ионов ( )	150000
Температура (T)	273К
Масса аппарата (m)	1000 кг
Постоянная Авогадро ( )	6.02*
Ускорение свободного падения (g)	9,8
Масса ядра атома урана-238 ( )	3,95* кг

1) Изобразим условие на рис. 5:

Рис. 5. Условие решаемой задачи

2) Условия необходимые для подъема тела:

где S=

. Тогда разность давлений сверху и снизу равна 2450Па

3) Из уравнения Менделеева-Клайперона выразим разность количества вещества сверху и снизу:

Тогда разность количества вещества приблизительно равна 540 моль.

4) 540 моль соответствует 3,25* ионов воздуха по формуле:

5) Поделив количество ионов на среднее количество ионов, образуемых α-частицей получим необходимое число α-частиц — 2,1672* :

6) Поделим на 8, так как уран-238 излучает 8 α-частиц до своего распада до свинца-206, и умножим на массу ядра атома урана-238, чтобы получить необходимую массу уранового топлива: . Получаем 1,07* кг.

7) Для того чтобы переместить ионы из верхнего центра в нижний, вдоль по корпусу, в поле силы тяжести Земли, примем что электрическое поле совершает работу по перемещению протонов равную: .

Таким образом, при малых затратах (21,7 Дж для конденсатора и 1,07* кг для урана-238) можно поднять аппарат массой в 1 тонну. Данный принцип можно использовать для передвижения:

1) Полеты в воздушной среде.

2) Перемещение в приповерхностном слое на воздушной подушке.

Первое применение позволит поднимать значительные грузы на определенные высоты и перемещаться в воздушной среде, а второй позволит безопасно передвигаться по любым поверхностям по причине отсутствия контакта с ней.

Перспектива использования аппаратов, работающих на рассмотренном принципе, видится, как в использовании его на Земле (места, где человек не может находиться; транспортировка различных грузов и человека; исследования, проводимые там, где нужно зависание над одним местом), так и на других планетах, имеющих атмосферу, например, использование на марсианских роверах [1]. Это связано с тем, что сегодня на последних марсоходах, в качестве энергетических установок, используются РИТЭГ [1,9] на плутониевом топливе, которые могут служить источником α-частиц. При этом роверы могут использовать данный принцип следующим образом:

1) Основной способ передвижения (как передвижение полетом, так и на воздушной подушке).

2) Поднятие на высоту для разведки местности и корректировки маршрута.

3) Периодическое использование для преодоления препятствий, которые ровер не может переехать на колесах.

Литература:

1. Mars 2020/Perseverance. — Текст: электронный // NASA: [сайт]. — URL: https://mars.nasa.gov/files/mars2020/Mars2020_Fact_Sheet.pdf (дата обращения: 29.05.2020).
2. Излучение. β-излучение — это процесс испускания электронов непосредственно из ядра атома. — Текст: электронный // Студопедия: [сайт]. — URL: https://studopedia.ru/2_102620_izluchenie.html (дата обращения: 10.06.2020).
3. Ионизатор. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионизатор#Виды_ионизаторов (дата обращения: 25.05.2020).
4. Ионизация вещества альфа-частицей. — Текст: электронный // Студопедия: [сайт]. — URL: https://studopedia.ru/2_102619_ionizatsiya-veshchestva-alfa-chastitsey.html (дата обращения: 25.05.2020).
5. Ионизация среды альфа-частицами. — Текст: электронный // lektsii.org: [сайт]. — URL: https://lektsii.org/12–58493.html (дата обращения: 25.05.2020).
6. Ионизирующее излучение. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионизирующее_излучение (дата обращения: 25.05.2020).
7. Механизм образования и характеристика корпускулярных видов излучения (альфа-, бета-частиц); их взаимодействие с веществом.. — Текст: электронный // Студопедия: [сайт]. — URL: https://studopedia.ru/17_115631_mehanizm-obrazovaniya-i-harakteristika-korpuskulyarnih-vidov-izlucheniya-alfa--beta-chastits-ih-vzaimodeystvie-s-veshchestvom.html (дата обращения: 25.05.2020).
8. Оружие массового поражения. — Текст: электронный // Blogger: [сайт]. — URL: http://mass-destruction-weapon.blogspot.com/2010/02/blog-post_09.html (дата обращения: 29.05.2020).
9. РИТЭГ: прозаичные тепло и электричество для космических аппаратов. — Текст: электронный // Habr: [сайт]. — URL: https://habr.com/ru/post/231197/ (дата обращения: 29.05.2020).