Оценка энергии инициированного лазером взрыва атмосферного воздуха

1. Реакция взрыва.

Компоненты Продукты

Воздуха Реакции

1) Не зная точно количества и , примем .

2) Это означает, что азот воздуха разлагается на и и реакция образования воды идет нацело:

(из 1 кг воздуха получается 1 кг воды/пара/).

2.Теплота реакции известна (водорода).

3.Объем взрыва л.

Масса воздуха кг.

4.Количество водорода, получающегося из этого воздуха (по соотношению атомных весов в водорода 1/9):

кг водорода.

5.Теплота реакции, отнесенная к объему взрыва:

(получено в 32200/600=54 раз больше, чем затрачено неодимовым лазером /600 Дж/).

6.Теплота реакции, отнесенная к 1 кг воздуха:

воздуха, что совпадает с теоретической оценкой, данной выше.

7.Теплота реакции, отнесенная к 1 кг топлива (на 1 кг органического топлива, требуется ~15 кг воздуха):

топлива

(~ в 5 раз больше, чем бензина).

8.Мощность взрыва (при скорости детонации ~6 км/с и радиусе облака ~10 см):

– время взрыва ;

– мощность взрыва

Мощность импульса лазера ( )

.

Отношение мощностей взрыва и импульса лазера .

9.Температура в облаке взрыва (из условия 90% тепла – на нагрев, остальное на ионизацию):

.

10. Давление.

Среднее давление

( ).

Давление в эпицентре .

Однако, низкий коэффициент полезного действия (КПД) лазера практически не позволяет его применить эффективно для инициации азотной реакции воздуха. Тем не менее, есть и такая возможность, так как КПД лазера может быть выше 90% при некоторых дополнительных условиях /3/.

Электромагнитный импульс

Электромагнитный импульс широко применяется для преобразования вещества и получения плазмы, в том числе, высокотемпературной, для термоядерного «синтеза». Новая интерпретация – электромагнитный импульс – это поток мелких положительно заряженных частиц-электрино, двигающихся по пологим траекториям – магнитным силовым линиям. Электромагнитный импульс не экранируется немагнитными материалами, в том числе, металлами, что удобно для его передачи через стенку в зону азотной реакции.

Электрино свободно проходит через кристаллическую решетку, так как собственный размер частицы на два порядка меньше межатомного расстояния. Попадая в молекулы азота и кислорода, мелкие частицы вызывают их разрушение и образование плазмы. В то же время освободившиеся электроны связи атомов приступают к электродинамическому взаимодействию с фрагментами плазмы, отрыванию от них электрино и, таким образом, генерации энергии.

1.6.8. Концентрированные потоки
электронов и электрино

Потоки отрицательных и положительных элементарных частиц действуют аналогично вышесказанному. Некоторые энергетические потоки были уже упомянуты: лазерное излучение, электромагнитный импульс, электрический разряд и другие.

Существуют еще различные типы концентраторов потоков частиц и, соответственно, различные типы излучений. Так, внимания заслуживает концентратор Шахпаронова И.М., который дает плотный поток частиц, названный излучением Козырева-Дирака (ИКД) /17/. Его действие по мощности несколько аналогично действию лазерного луча и даже сильнее (взрывы, дальность, активация и дезактивация), но мощность, затраченная на возбуждение ИКД значительно, на порядок, меньше результирующей. Как и всякое интенсивное излучение ИКД может быть опасно при непосредственном действии на живые организмы.

Другими концентраторами могут быть постоянные магниты, пирамиды и другие устройства.

Детонация

Детонация – это возникновение и распространение фронта взрывной волны со скоростью порядка 2…6 км/с, имеющего высокие параметры – давление и температуру на фронте детонационной волны, а также разрежение – вакуум позади фронта. Волна создает плазму и может возбудить азотную реакцию при определенных условиях, например, добавках веществ с высоким содержанием электронов, взаимодействием разных детонационных волн при совмещении фронта давления одной волны с разрежением другой волны и т.д.

Стоячие волны давления

Во всяком объеме при звуковых колебаниях воздуха создается система перекрестных волн, которые при регулярном воздействии являются стоячими. Активированная в пучности (при повышенном давлении) молекула воздуха, попадая в узел (в вакуум) испытывает разность давлений, превышающую ее прочность, и разрушается на фрагменты и электроны (плазма). Далее происходит ФПВР с выделением энергии за счет дефекта массы.

Собственно, волны могут и перемещаться, но, главное, их система должна быть такова, чтобы для молекул была резкая смена – сброс давления, тогда молекула «лопнет» при значительном динамическом воздействии на нее соседей, развалится на атомы, осколки и даже нуклоны.

Микровзрывы, кавитация

Мелкопорошковые добавки в смеси с воздухом при инициировании азотной реакции, например, с помощью обычного взрывного воспламенения топливо-воздушной смеси, могут стать центрами микровзрывов (азотной реакции) с более высокими параметрами, чем обычное "быстрое" горение. Тогда фронт микровзрыва, распространяясь со скоростью 2…6 км/с сферически вокруг частицы вещества добавки, вызывает внутри микровзрыва вакуум, что способствует разлому молекул воздуха. При этом обратное схлопывание сферы микровзрыва аналогично схлопыванию пузырька пара при кавитации жидкости. То есть микровзрывы – это квазикавитация в газообразной среде.

Катализаторы

Катализаторы, как правило, существенно уменьшают энергию активации – активационный барьер первого звена цепной реакции по сравнению с активационным барьером прямой реакции. Это способствует проведению азотной реакции при значительно меньшем инициирующем воздействии. Без катализатора азотная реакция при слабом инициировании вообще не идет.

Следует сказать, что, как и во всех ядерных реакциях, в азотной реакции в качестве побочных продуктов реакции могут образовываться и образуются в очень незначительных количествах различные вещества (практически почти вся таблица Менделеева) и их соединения. Поэтому с течением времени нарабатываются катализаторы. Как следует из практики катализа, это в основном элементы восьмой группы – металлы: железо, кобальт, никель и другие. Малого количества катализаторов бывает достаточно, чтобы шла та или другая реакция, так как управляющая процессом энергия много меньше энергии самого процесса и черпается из последней.

Механизм катализа

В настоящее время механизм катализа неизвестен. Действие катализатора традиционно объясняют образованием в его присутствии цепной реакции и соответствующим понижением энергии активации на первом звене цепи, определяющем начало реакции. Как это происходит? Почему, как бы участвуя в реакции, катализатор остается целым, не расходуется? Какие вещества могут быть катализаторами, а какие нет, и – почему? Эти и другие вопросы пока остаются без ответа.

Как теперь известно /3/, молекулы вещества взаимодействуют друг с другом организованно электродинамически, перемещаясь каждая внутри своей глобулы, размер которой примерно на три порядка больше размера самой молекулы. Молекула совершает колебательные и вращательные движения, взаимодействуя поочередно с каждым из 12-ти окружающих ее соседей. При этом одновременно молекула взаимодействует только с одним соседом. Для газообразного вещества – это ближний, первый, ряд соседей; в жидком и твердом веществе имеет место дальнодействие, которое удерживает молекулу в пределах глобулы, а глобулу в пределах кристаллической решетки. Это электродинамическое взаимодействие, которое подробно расписано в /3/, обеспечивает взаимное притяжение молекул за счет их разноименных электрических полей. Обмен импульсами двух одинаковых молекул газа в одном акте взаимодействия приводит к их разлету с некоторой скоростью для совершения ими таких же актов взаимодействия с другими своими соседями.

То же самое происходит при встрече молекулы газообразного или жидкого рабочего вещества с твердым веществом катализатора. А именно, в акте взаимодействия молекулы рабочего вещества с молекулой катализатора на первую действуют силы притяжения между ними, а также, вследствие дальнодействия, еще и силы от других молекул катализатора, что существенно увеличивает динамический разгон рабочей молекулы по направлению к катализатору. Более того, в отличие от молекулы газа, молекула твердого вещества не вращается, а только колеблется. Поэтому летящая (в пределах своей глобулы) к катализатору молекула газа не встречает отталкивания противоположно заряженных полей. Электрическое поле стабилизирует полет молекулы газа по направлению к мишени-катализатору: молекула газа, как и в любом акте электродинамического взаимодействия, прекращает свое вращение и, в данном случае, летит по наикратчайшему пути. Все это способствует ее ускоренному полету к мишени, усилению ударных нагрузок при встрече с ней и – разрушению самой молекулы. При этом, как было сказано выше, остальные соседи-молекулы рабочего вещества не мешают, не препятствуют разгону молекулы, так как заняты своими личными делами – актами взаимодействия с другими своими соседями. Сила притяжения увеличивается обратно пропорционально квадрату расстояния и пропорционально произведению разноименных зарядов, взаимодействующих тел /3/. Если учесть, что нормальная скорость движения молекул, например, воздуха, при их взаимодействии имеет порядок 10⁴ м/с, то при сближении с катализатором она многократно и резко увеличивается, что приводит к удару и мгновенному гашению скорости. Это в высшей степени ярко выраженная нелинейность очень похожа на график изменения энергии, например, кавитационного пузырька в жидкости. В обоих случаях энергия, пропорциональная квадрату скорости, как бы накачивается постепенно, а затем внезапно разом высвобождается, что, в соответствии с третьим законом Исаака Ньютона (Действие равно противодействию – третий закон Ньютона. При этом Ньютон поясняет, что действие – это произведение силы действия на скорость действия, а противодействие – это произведение силы реакции на скорость реакции. Поэтому третий закон имеет вид . Очевидно, что малая скорость реакции (скорость звука) вызывает большую силу реакции за счет большой скорости действия, способную разрушить молекулу вещества. (Русский перевод труда И.Ньютона "Математические начала натуральной философии", 1915 г., с.52; выполнен А.Н.Крыловым) приводит к возникновению больших сил, разрушающих молекулу рабочего вещества не только на атомы, но даже, возможно, на нуклоны, из которых атомы состоят, так как энергия связи нуклонов в атоме примерно на 14 порядков меньше энергии связи элементарных частиц в нуклоне /3/.

Естественно, что рекомбинация атомов, и тем более нуклонов, в продукты реакции в присутствии катализатора имеет меньший активационный барьер, чем рекомбинация молекул, что не только обеспечивает реакцию, которая без катализатора вообще не идет, и ускоряет ее, но и исключает повышенную энергетическую напряженность в зоне реакции. Так, известно, что соединение водорода с кислородом на платине происходит при обычной комнатной температуре, без пламени свечения.

Как видно, механизм катализа, в конечном счете, заключается в разрушении молекул рабочего вещества и взаимодействии их более мелких частей: атомов, осколков и даже нуклонов для образования продуктов реакции. Никакой цепной реакции здесь не просматривается.

Также видно, что катализатор при этом не расходуется, так как не разрушается (если бы разрушался и расходовался, то это уже был бы не катализатор).

Теперь, разобравшись с механизмом катализа, можем предъявить требования к катализатору и четко определить химические элементы, которые им могут быть. Итак, молекулы катализатора должны быть более прочными, чем молекулы всех остальных веществ. Поскольку избыточный заряд молекул газов и некоторых других рабочих веществ, как правило, положительный, то избыточный заряд катализатора должен быть противоположным – отрицательным для усиления притяжения. Молекулы катализатора должны быть соединены (электрическими силами) в единую массивную систему (кристаллическую решетку) для уменьшения отдачи при ударе и увеличения силы, разгоняющей и разрушающей молекулу рабочего вещества. Не так уж и много требований к катализатору: прочность, заряд, массивность.

Легкие и структурно непрочные молекулы не могут служить катализатором, так как не обеспечат разрушения молекул рабочего вещества и сами могут разрушиться, демпфировать удар, вступить в реакцию и выбыть из игры. Наиболее прочной геометрической формой тел является сфера (шар). Она также соответствует природному принципу минимума поверхностной энергии, как в каплях воды – наименьшей энергии поверхностного натяжения.

Этот принцип характерен также – для атомов вещества. Зная площадь сферы и расчетный диаметр нуклонов , из которых она образована, можем найти их количество и, соответственно, атомную массу и само вещество катализатора. Известно, что самая малая сфера ( ) содержит 12 шаров (нуклонов):

.

Вторая сфера, охватывающая первую, состоит из нуклонов.

Третья сфера, охватывающая вторую, состоит из нуклонов. И четвертая сфера – из нуклонов. Согласно периодической системе элементов и полученному результату катализаторами могут быть следующие вещества:

1) сфере из 12-ти нуклонов и атомной массе 12 а.е.м. соответствует углерод ;

2) сфере из соответствует титан ;

3) двум первым вложенным одна в другую сферам соответствует кобальт , а также, в меньшей мере, железо и медь ;

4) трем вложенным одна в другую сферам соответствует больше гафний ;

5) отдельно третьей сфере соответствует палладий ;

6) поскольку масса вложенных четырех сфер из нуклонов выходит за рамки периодической системы, то остается сама четвертая сфера с нуклонами. Ей соответствуют осмий , а также – иридий и платина .

Итак, из довольно простой по разрешению, но сложной для понимания в рамках традиционной физико-химии, посылки мы получили сразу перечень катализаторов и теперь знаем, как они действуют.

Большинство катализаторов являются металлами. Это соответствует требованию избыточности отрицательного заряда в них. Углерод, хотя и не является металлом, но совокупность его положительно заряженных атомов образует систему, скрепленную отрицательно заряженными электронами и имеющую в целом избыточный отрицательный заряд. Эта массивная система также соответствует всем требованиям, предъявляемым к катализаторам. То есть углерод также может быть катализатором при соответствующих условиях, например: осаждение на металлических поверхностях в силу противоположного заряда и образование массивной цепной системы совокупности атомов углерода.

С пониманием механизма катализа также становится понятным принцип упрочения поверхности нанесением, например, углерода, платины…, имеющих прочные сферические, соединенные электрическими силами молекулы.

Сферическую структуру могут иметь молекулы инертных газов, так как в них нет свободных электронов (связи), а структурные электроны в нуклонах атома связаны, заняты конструкцией; их заряды компенсированы противоположными, поэтому избыточный заряд мал и близок к нулю – именно отсюда их инертность. В отличие от металлов молекулы газов бешено вращаются, поэтому они не могут иметь точно сферическую форму, а имеют – сфероидную, поверхность которой меньше сферической и, соответственно, меньше нуклонов в атоме по сравнению со сферическими. Интересно, что величина уменьшения числа нуклонов как отношение их в ближайшей по размеру сфере к их числу в сфероиде для большинства инертных газов примерно одинакова:

– для аргона ;

– для криптона ;

– для ксенона ;

– для радона (360 нуклонов – в 4-х сферах);

– и только для неона – эта величина больше остальных.

Выпадение неона из общего порядка показывает, что наряду с VIII группой есть еще IV-я группа периодической системы элементов, куда уже попали углерод и гафний как возможные катализаторы. Для других элементов IV группы: , , – количество нуклонов в их сферическом атоме определяется аналогично описанному выше при .

Итак, новые представления о строении вещества позволяют впервые понять механизм катализа и связанные с этим различные аспекты науки и техники, в том числе, условия подбора и работы катализаторов, физический смысл упрочнения материалов углеродом и другими веществами, структуру и характеристики инертных газов и т.д.

В состав возможных катализаторов, как видно, входят металлы VIII группы и (некоторые) элементы IV группы периодической системы, имеющие сферическую форму атомов. То есть разбивка веществ по группам и периодам отражает не только нарастание массы атомов и изменение известных свойств, но и – регулярность изменения и периодичность повторения структуры (формы) атомов, в том числе, сферической, существенно влияющей и во многом определяющей свойства элементов.