Ką žmonijai davė LHC ir kiti dalelių greitintuvai?

Praėjus šešeriems metams galime saugiai sakyti, kad jokių juodųjų skylių po Prancūzijos ir Šveicarijos siena nepridygo, bet už tai buvo atsakyta bent į vieną fundamentalų fizikos klausimą – įvykdytas praktinis Higgso bozonų, teoriškai aprašytų prieš kelis dešimtmečius, atradimas.

Amerikiečių greitintuvo „Tevatron“, pastatyto Fermi nacionalinėje greitintuvo laboratorijoje (Fermilab), tunelio ilgis yra 6,5 km ilgio. LHC tuneli ilgis daugiau nei keturis kartus didesnis, o europietiškojo greitintuvo kaina yra apie 7,5 mlrd. eurų – tam tikra prasme, tai yra grynai mokslinio instrumento įkūnijimas. Bet jei manote, kad greitintuvų naudą gali pastebėti tik fizikai, o paprastiems gyventojams nuo jų nei šilta, nei šalta – klystate.

Dalelių greitintuvų atliekami tyrimai iš laboratorijų į pramonę ir net mūsų namus perkeliami labai sparčiai, o ateityje tokių greitintuvuose gimusių žinių pagrindu sukurtų produktų sulauksime daug daugiau. Štai keletas dalykų, kurių tikriausiai niekaip nenorėtumėte susieti su greitintuvais:

1. Bulvių traškučių pakelis

Ar jūsų vakar įsigytas bulvių traškučių pakelis buvo sandariai uždarytas? Jei taip – padėkokite dalelių greitintuvams.

Greitintuvuose dalelės greitinamos panaudojant elektromagnetines jėgas. Susidarantys dalelių srautai gali būti nukreipiami pageidaujama kryptimi – kad ir į greitintuvo tunelio sieną. Kuomet krūvį turinti dalelė pralekia pro atomą, ji gali sąveikauti su to atomo elektronais, išmušti juos iš įprastinių orbitų ir nutraukti cheminius ryšius tarp atomų. Tokiu būdu vieni junginiai gali skilti, o kiti – polimerizuotis. Ši savybė – viena pirmųjų pramonėje pritaikytų dalelių greitintuvų funkcijų, menančių dar praėjusio amžiaus 9 dešimtmetį. Ja naudojantis iki šiol uždarinėjami bulvių traškučių maišeliai ir pieno pakeliai.

Bulvių maišelis yra pagamintas iš dviejų aliuminio folijos sluoksnių, sandariai sulipintų klijais. Tačiau jeigu klijai būtų įprastiniu būdu džiovinami ant konvejerio, jie džiūtų labai ilgai – per ilgai, kad tai būtų priimtina masine gamyba užsiimančiame fabrike. Klijai būtų amžinai lipnūs. Bet elektronų spinduliai juos sudžiovina akimirksniu.

2. Gamtinių dujų taupymas

Gamtinės dujos yra pažabojamos sunkiau nei nafta, joms gabenti būtinas vamzdynas. Štai dėl ko kasmet milijonai kubinių metrų dujų yra sudeginama arba išmetama į atmosferą, o ne sunaudojama energijai gaminti – tai yra tuo pačiu ir švaistūniška, ir kenksminga aplinkai.

Amerikiečių vykdytas „Western Values Project“ nustatė, jog 2013 metai vien šioje šalyje vėjais paleistų dujų visiškai pakaktų patenkinti Los Andželo arba Čikagos energetinius poreikius. Cheminiais procesais gamtines dujas galima paversti skystais angliavandeniliais arba nafta, tačiau tam reikia aukštos temperatūros ir slėgio, kuriuos galima sukurti tik didelėse gamyklose. Greitintuvai tą patį darbą gali atlikti elektronų spinduliais bombarduodami anglies-vandenilio jungtis, tokiu būdu paskatindami lakių junginių polimerizavimąsi į stambesnius, kurie kambario temperatūroje būna skysti. Tiesa, šis procesas, kuris teoriškai turėtų būti veiksmingas, kol kas tik mokslinė fantastika – dar nesukurta ir prototipinė gamtinių dujų skystinimo elektronų spinduliais įranga.

3. Daržovės, nuplautos spinduliais.



Ant kai kurių daržovių pakuočių galima rasti štai tokį ženklą. Jis rodo, jog maistas yra apdorotas elektronų spinduliais. Bakterijų ir parazitų naikinimo šiais spinduliais technologija taikoma daugiau nei keturiose dešimtyse valstybių – elektronai naikina tokius patogenus, kaip salmonelės ar E. Coli bakterijos nuo obuolių, braškių, špinatų ir kitų produktų. Fermilab Greitintuvo fizikos centro direktorius Vladimiras Šilcevas aiškina, kad elektronų spindulį galima sukalibruoti taip, kad jis naikintų patogenus, bet neturėtų jokios įtakos pačiam maisto produktui.

Kuo molekulė sudėtingesnė, tuo elektronų spinduliui lengviau ją suardyti – bakterijų DNR yra sudėtingesnė nei augalų, todėl veikiant judriems elektronams ji suyra greičiau. Skirtingai, nei radioaktyvieji izotopai, į aplinką išsiskiriantys atominių sprogimų metu ar įvykus avarijai atominėje elektrinėje, elektronų spinduliai yra visiškai kontroliuojami, be to, jie, skirtingai nei protonų ar neutronų spinduliai, neskaido atomų branduolių. „Kalba eina apie spinduliuotę, kurią skleidžia greitintuvas, todėl greitintuvą išjungus, baigiasi ir visa spinduliuotė“, sako Ilinojaus greitintuvų tyrimų centro vadovas Robertas Kephartas. Panašiai veikia ir rodotronai – šie įrenginiai jau nuo praėjusio amžiaus galo kai kur naudojami medicinos įrankių sterilizavimui.

4. Švarios anglys

Skamba labai paradoksaliai: deginant anglis išsiskiria daugybė nepageidaujamų junginių – sieros bei azoto oksidų (NO&sub2;, NO&sub3;, SO&sub2; bei SO&sub3;). Kai šios dujos reaguoja su atmosferos vandeniu, susidaro sieros ir azoto rūgštys, kurios galų gale nukrenta ant mūsų galvų rūgštaus lietaus pavidalu. Bet jeigu anglies degimo produktai susimaišytų su amoniaku (NH&sub3;) ir būtų paveiktos elektronų spinduliais, tuomet jos virstų amonio sulfatu ir amonio nitratu – trąšomis augalams. Šios reakcijos metu susidaro dulkių pavidalo dalelės, kurios gali būti surinktos elektrostatiniu ar centrifuginiu dalelių separatoriumi ir išbarstytos ant pasėlių.

R. Kephartas šią idėją vertina kaip galimybę anglis paversti „švariu kuru“. „Net ir pačios optimistiškiausios prognozės apie energijos gavimą iš atsinaujinančių ir branduolinių šaltinių, anglies deginimas veikiausiai ir po 20 metų generuos apie 20 proc. mūsų sunaudojamos energijos. Tačiau pritaikę šį metodą anglies deginimą paverstume ekologiškai priimtinu procesu“, – tikina mokslininkas. Būtent tokio projekto – trąšų gamybos iš anglies degimo produktų – realizavimo ėmėsi buvęs Fermilab mokslininkas Ralphas Edinbergas, Kanadoje įsteigęs bendrovę PAVAC.

5. Trąšos – ir iš žuvims kenkiančių antibiotikų

Greitintuvai gali išvalyti ne tik deginant anglį susidarančius dūmus, bet ir nuotekų vandenis. Pašalinus iš vandens azoto ir fosforo junginius, būtų galima išvengti jų sukeliamo vandens žydėjimo, be to, fosforo ir azoto esama ir hormoniniuose kontraceptikuose bei antibiotikuose, kurie kenkia žuvims. Nuotekų vandenį veikiant elektronų spinduliais stambūs organiniai junginiai suskiltų į mažiau kenksmingus. Spinduliai jonizuoja vandenį, pagamindami daugiau H&sub3;O⁺ ir OH^- jonų bei sukurdami reakcijai palankią terpę, kurioje vyktų oksidacijos ir redukcijos procesai. Toks tirpalas galėtų suskaidyti sudėtingus vaistinius junginius į paprastus elementus, o taip pat išnaikintų patogenus. „Apšvitintos nuotekos taptų medžiaga, kuria būtų galima laistyti kopūstų laukus“, – teigia R. Kephartas.

Amerikiečiai jau bando tokią vandens valymo technologiją – bandomoji įranga dar praėjusiame amžiuje pastatyta Majamo vandenvalos stotyje. Tiesa, nors įranga pasiteisino, ji taip ir nebuvo komercializuota. „Organizacijai, perkančiai miesto vandenvalos kompleksą, reikalinga visiškai išvystyta sistema. Tuomet pramonei buvo per anksti tokį projektą finansuoti“, – aiškina R. Kephartas.

6. Naujas kompiuteris? Pagamintas naudojantis greitintuvu!

Molekulių skaidymas ir patogenų DNR naikinimas – ne vienintelės gudrybės, kurias sugeba greitintuvai. Jie taip pat tinkami ir naujoms medžiagoms kurti. Kompiuterių lustų gamybos pramonėje naudojamas metodas, vadinamas dopingu – jo metu boro ir fosforo jonai greitintuvais implantuojami į silicio sluoksnius. Jonai yra teigiamo krūvio, todėl greitintuvai jonų spindulius gali tiksliai nukreipti elektromagnetiniu lauku. Jonai kerta silicio plokštelės paviršių ir nusėda itin tiksliai numatytose pozicijose, tinkamai pakeisdami silicio plokštės laidumą reikiamuose taškuose.

7. Greitintuvai pailgina mūsų gyvenimą

Elektronų spinduliai – ne vienintelės krūvį turinčios dalelės, pasižyminčios gebėjimu naikinti nepageidaujamą gyvybę. Protonai gali naikinti auglius – jie yra puikiai tinkami vėžio spindulinei terapijai, nes yra skvarbesni už elektronus. Jie gali beveik nežalodami audinio keliauti iki savo paskirties vietos (vėžinio audinio), kur sukelia tikrą chaosą ir masinį vėžinių ląstelių išmirimą.

„Protonai daugiausiai energijos praranda ir daugiausiai žalos pridaro pačiame savo kelio gale“, – sako V. Šilcevas. Todėl mokslininkai dalelių greitintuvus gali sukalibiruoti taip, kad jų naikinamoji galia pasireikštų labai konkrečiame taške – vietoje, kuri yra vėžinių ląstelių. Beje, tokią idėją dar 1946 metais iškėlė pirmasis Fermilab direktorius Robertas Wilsonas. Bet tik praėjus beveik 50 metų Loma Linda universiteto medicinos centre pradėjo veikti pirmas pasaulyje protonų spindulių greitintuvas.

Nuo 1990 metų šiuo greitintuvu gydyta daugiau nei 17 000 pacientų.

8. Atominiai reaktoriai, kuriuose avarija neįmanoma

Tradiciniai branduoliniai reaktoriai yra labai jautrūs – skylant branduoliams, juose susidaro neutronų perteklius. Šio pertekliaus nesuvaldžius, gali prasidėti nevaldoma grandininė reakcija, todėl neutronai sugėrinėjami kontroliniais strypais. Tačiau strypai – ne idealus sprendimas: įvykus tam tikroms techninėms problemoms reakcija vis vien gali tapti nevaldoma. Bet jeigu reakciją kontroliuotų ne strypai, o greitintuvai, tuomet būtų valdomas skilimo metu į aplinką išmetamų neutronų kiekis, o ne bandoma sugerti jų perteklių.

Reaktoriuose, kuriuose reakciją valdo greitintuvas, protonais būtų atakuojamas sunkaus metalo, pavyzdžiui, švino ar gyvsidabrio, atomo branduolys, dėl ko susidarytų „neutronų dušas“, kuris sukeltų branduolinio skilimo reakcijas. Tai, pasak R. Kepharto, yra saugiau už kontrolinius strypus, nes reakcija nutrūktų iškart po to, kai būtų išjungtas protonų spindulys. Be to, greitintuvu būtų galima esamas branduolines atliekas suskaidyti į trumpaamžius izotopus. Tokių reaktorių kol kas nėra pastatyta, bet idėja jau svarstoma Europoje, Indijoje, Kinijoje.

9. Neutronai randa kurą

Nešiojami neutronų generatoriai (arba neutronų vamzdžiai) gali aptikti naftos, dujų arba vandens telkinius pritaikant metodą, vadinamą neutronų registravimu. Ieškant telkinio į žvalgomuosius gręžinius įkišamas neutronų generatorius. Greitintuvo išmestiems neutronams skverbiantis per žemę aplink gręžinį sąveikaujama su įvairių medžiagų branduoliais. Šios sąveikos metu išsiskiria gama spinduliai, kuriuos galima registruoti gama spindulių jutikliais. Signalo stiprumas priklauso nuo to, kokios medžiagos yra greta gręžinio. „Paprastai ieškoma reakcijos požymių. Jeigu aptinkama pora, registruojama mažiau gama spindulių“, – aiškina V. Šilcevas. Be to, vanduo ir nafta generuoja skirtingus gama spindulių kiekius.

10. Greitintuvais galima ieškoti masinio naikinimo ginklų

Miuonų greitintuvai mums suteikia galimybę matyti kiaurai per sienas. Miuonai – subatominės dalelės, primenančios elektronus, tačiau masyvesnės, todėl gali kirsti kiaurai storus plieno lakštus ir sienas, tačiau reaguos su branduolinėmis medžiagomis. Todėl, tarkime, pasienio kontrolės punkte peršvietus sunkvežimį miuonų spinduliais, būtų galima sužinoti, ar jame nėra gabenama skilti galinčių medžiagų – miuonams reaguojant su tokiais branduoliais išmetami didelės energijos gama spinduliai, kuriuos nesunku aptikti.

O tai reiškia, jog miuonų greitintuvai – nepamainoma priemonė ieškant branduolinės grėsmės šaltinių. Pavyzdžiui, miuonų greitintuvus sumontavus sraigtasparniuose būtų galima tikrinti net ir didelius krovininius laivus. „Galima per didelį nuotolį pasiųsti miuonų spindulį, kuris su medžiagomis reaguoja selektyviai ir parodo, ar laive nėra tam tikrų medžiagų. Tokiu būdu galima nustatyti, ar laivas negabena atominių bombų dalių“, sako V. Šilcevas.