Kaip impulsais valdomas pasaulis

Fantastinio nuotykių filmo „Transformeriai” antroje dalyje galėjote pamatyti neįprastą ginklą – elektromagnetinę svaidyklę, angliškai vadinamą railgun – ginklą ant bėgių. Ir tai jau ne fantastika, ko negalima pasakyti apie protingus sunkvežimius, virstančius robotais. Šią originalią technologiją įkūnyti tikrovėje leido mokslininkų pasiekimai galios impulsų kūrimo ir valdymo srityje.

Fizikas, prof. Saulius Balevičius sako:  Šiandien mokslas skiria milžiniškus pinigus didelės galios impulsų technologijom kurti. Net daugiau, negu kosminėms technologijoms. Daug šalių stato greitintuvus, taip pat sistemas greitaveikiams traukiniams. Iš esmės tam naudojami elektros impulsai.

Didelės galios impulsai praverčia daugelyje sričių. Tai bene pagrindinis instrumentas šiuo metu atliekamuose didžiausiuose mokslo eksperimentuose. Didelės galios impulsai generuoja plazmas, būtinas kuriant valdomą branduolių sintezę reaktoriuose, veikiančiuose Sandijos nacionalinėje laboratorijoje arba Nacionalinėje uždegimo infrastruktūroje Livermore JAV. Tokiais elektromagnetiniais impulsais jau senokai „minta” radarai, kuriais stebima oro erdvė. Gigadžaulių dydžio energijos impulsais į orbitą aplink Žemę galima išsviesti nanopalydovus, minkyti metalus. Jie naudojami didelės galios lazerių sistemose automobilių gamyklose, o impulsų sukeltos smūginės bangos smulkina inkstų akmenis. Didelės galios ir labai trumpi elektriniai arba magnetiniai impulsai, kaip sužinosite netrukus, pritaikomi net maisto pramonėje.

***

S.B.: Norint sukurti impulsą, reikia šaltinio. Tai reiškia, kad reikalingi labai galingi srovę valdantys raktai, jungikliai. Labiausiai populiarus, jau prieš šimtą metų žinomas šaltinis yra dujų išlydžio lempa. Taip pat gali būti naudojamos ir vakuuminės lempos. Šiandien tobulinami tokie šaltiniai, kaip kieto kūno jungikliai, teristoriai, tranzistoriai, jų sistemos.

Žvaigždėse magnetinių laukų stiprumas siekia milijonus teslų. Netgi atomų viduje egzistuoja magnetiniai laukai. Pavyzdžiui, vandenilio atome branduolio ir elektrono sąveika sukuria 25 teslų lauką. Tai labai daug. Tačiau laukai kompensuoja vienas kitą ir mes jų nejaučiame. Įprastai mus supa labai silpni magnetiniai laukai. Tokie, kaip Žemės magnetinis laukas, apytikriai lygus 50-čiai mikroteslų. Iš tiesų nemažai objektų, net įvairūs specialiai apdirbti geležies lydiniai sukuria magnetinius laukus. Žmonės išmoko, naudodami labai didelę srovę ir aukštą įtampą, paversti juos galingais elektromagnetiniais impulsais.

S.B.: kalbant apie impulsinius laukus, omenyje turimi milijardus kartų didesni laukai, negu Žemės magnetinis laukas. Fizikai jų stiprumui vertinti naudoja tokį vienetą kaip tesla. Viena tesla – labai didelis magnetinis laukas. Didelės galios magnetiniai impulsai gali siekti kelis tūkstančių teslų. Mes tyrinėjame ne impulsus, o jais paveiktas medžiagas.

Stipriame magnetiniame lauke medžiagų savybės gali kisti iš esmės. Registruojant atsaką galima suprasti, kaip viena ar kita tiriama medžiaga elgsis ekstremaliu atveju. Kokios netikėtos jos savybės atsiskleis ir kur jas galima panaudoti. Kaip sakoma patarlėje, draugą nelaimėje pažinsi, o medžiagą – paveikęs stipriu magnetiniu lauku. Pastaruoju metu tyrimams ir praktiniams taikymams plačiausiai naudojami impulsiniai magnetiniai laukai. Kaip itin žema temperatūra, taip ir stiprūs magnetiniai laukai patikimai ir visapusiškai atskleidžia medžiagų savybes. Būtent dėl to šios technologijos pritaikomos praktiškai.

S.B.: impulsiniai magnetiniai laukai naudojami metalams formuoti. Staigiai paveikus tokiu magnetiniu lauku, atsiradusios indukcinės srovės kartu su magnetiniu lauku suminkština metalą ir tuomet galima keisti jo formą. Taip pat pastaruoju metu tyrinėjamos elektromagnetinės svaidyklės. Jose sukuriamas 20 teslų magnetinis laukas, kuriuo galima iki kosminių greičių pagreitinti metalinius kūnus. Pasiektas rekordas lygus 13km/sek.

Toks alternatyvus metodas iš principo gali būti panaudotas, norint įvairius palydovus išsviesti net iš Saulės sistemos. Nenuostabu, kad atradus tokį reiškinį, jau 1920 metais gimė idėja panaudoti šaudykles karo tikslams.

S.B.: tai yra vadinamasis railgun. Yra ir coilgun, kada naudojama ritė, segmentiškai pagreitindama objektą. Tokia sistema naudojama katapultose, kuriomis nuo lėktuvnešio išmetamas lėktuvas.

Amerikiečių karo laivynas jau išbando svaidykles, galinčias nusviesti dešimties kilogramų svorio sviedinius 400 km atstumu. Na, o pramonė naudoja elektromagnetinius įtaisus, impulsiniu magnetiniu lauku formuojančius dirbinius iš įvairių metalų.

S.B.: magnetinis laukas ateityje bus naudojamas ir medicinoje. Kai širdis sustoja, mes praleidžiame srovę dviem elektrodais. Tose kūno vietose, kur priliečiami elektrodai, atsiranda didelės varžos, išsiskiria didelė galia. Todėl apdeginama oda, audiniai. Būtų kur kas geriau impulsiniu magnetiniu lauku sukurti srovę viduje. Tai įmanoma, bet impulsinis magnetinis laukas turi būt pakankamai stiprus, greitas.

Vilniaus Gedimino technikos universiteto ir Fizinių ir technologijos mokslų centro Puslaidininkių fizikos instituto mokslininkai eksperimentuoja su keturių rūšių didelės galios impulsais. Jie dalyvauja Europos didelės galios laboratorijų infrastruktūroje kartu su partneriais iš septynių šalių. Naujajame Europos Sąjungos  mokslinių tyrimų etape rengiama šios srities technologinė iniciatyva.

S.B.: tyrimuose naudojame: didelės amplitudės nanosekundžių trukmės elektrinius impulsus; dešimčių teslų stiprumo ir milisekundžių trukmės magnetinio lauko lauko impulsus. Taip pat galime sukurti smūginę bangą ore. Ir pagaliau naudojame galingus lazerio impulsus, kuriais apšviečiame medžiagą.

Visi šie didelės galios impulsų tyrimai skirti medžiagotyros metodams tobulinti. Tokiu būdu tyrinėjamos medžiagų elektrinės, optinės, mechaninės savybės. Kita vertus, mokslininkai elektros impulsus nukreipia į biologinius objektus, stebėdami, kaip jie veikia ląstelių membranas ar sieneles.

S.B.: kuriame impulsinio magnetinio lauko matuoklius, skirtus specifinėms užduotims. Pavyzdžiui, elektromagnetinėms svaidyklėms arba labai didelės galios neardančioms ritėms. Ketiname kurti pramonei reikalingus prietaisus, kurie gali būti naudojami motorų tyrimui.

Lietuvos mokslininkams pavyko sukurti magnetinio lauko jutiklius, tyrinėjant tokias medžiagas kaip manganitai.

Prof. Nerija Žurauskienė sako: mes sukūrėme visą magnetinio lauko matuoklių sistemą. Galime išdėstyti daug tokių jutiklių, padaryti jų gardelę ir matuoti impulsinį magnetinį lauką.

Jutiklių sistema sukurta Amerikos karinio jūrų laivyno ir Prancūzijos-Vokietijos tyrimų instituto ISL Saint Louise užsakymu. Ji skirta elektromagnetinės svaidyklės kuriamo magnetinio lauko parametrams matuoti. Taigi, Lietuvos mokslininkai padeda amerikiečiams, vokiečiams ir prancūzams kurti naujos kartos ginklus.

N.Ž.: tos svaidyklės yra skirtos ir nanopalydovams paleisti, ir meteorologiniams zondams. Mes dirbame su Drezdeno stiprių magnetinių laukų laboratorija. Jos užsakymu sukūrėme sistemą specialių ričių, kurioje buvo pasiektas pasaulio rekordas.  Esame užpatentavę šitą jutiklį. Gautas europinis patentas ir mūsų dalis siekia 70%.

Lietuvos mokslininkai vykdo ir ne tokias egzotiškas, bet labai reikalingas užduotis. Vienos pramonės įmonės užsakymu jie sukūrė jutiklius, matuojančius įvairios trukmės impulsus, naudojamus projektuojant elektros variklius. Tai didelės galios elektronikos sritis.

Elektronikos inžinierius prof. Algirdas Baškys sako: galios elektronika – labai svarbi sritis. Jos pagrindinė paskirtis – keisti elektros energiją iš vieno būvio į kitą ir valdyti. Mes prietaisus – dažnio keitiklius elektros variklių valdymui. Asinchroniniai elektros varikliai itin populiarūs pasaulyje.

Jie naudojami pramonėje, vėdinimo sistemose. Šiuo metu atsirado nauja rinka – elektromobiliai. Iš tokio keitiklio maitinant variklį, valdomas jo greitis ir sukimo momentas. Taip taupoma elektros energija. Asinchroniniai varikliai šiuo metu sunaudoja 50 procentų pasaulio elektros energijos.

***

Vienoje iš Fizinių ir technologijos mokslų centro laboratorijų tiriamas įvairių elektrinių ir magnetinių impulsų poveikis gyviems organizmams. Tokiems, kaip mielės ar mikroorganizmai, išskirti iš maisto produktų ar pašarų. Norima suprasti, kaip elektrinis laukas veikia ląstelių plazminės membranos laidumą.

Dr. Arūnas Stirkė sako: pagrindinis tikslas – išsiaiškinti ne tik fundamentalius tokio poveikio mechanizmus bet ir ieškoti taikymo būdų. Viena iš tokių sferų – elektrochemoterapija. Tai būdas pagerinti chemoterapinių vaistų patekimą į vėžinį audinį. Ir būtent tai gali padaryti itin trumpi elektros impulsai.

Elektrochemoterapijoje tokia technologija jau įdiegta, kliniškai patikrinta ir veikia. Ketinama ją pritaikyti ir maisto produktų netemperatūrinei pasterizacijai. Lietuvos mokslininkai – vieni iš tų, kurie pradeda tirti fundamentinius reiškinius ir kuria praktiškai pritaikomas technologijas.

A.S.:  ieškojome tam tikrų elektrinio lauko parametrų, kurie galėtų selektyviai paveikti mikroorganizmus esančius arba gyvenančius tam tikruose maisto produktuose. Pavyzdžiui, tokiame kaip išrūgos. Problema ta, kad toks produktas negali būti temperatūriškai pasterizuotas. Šios technologijos gali būti panaudotos apdorojant maisto produktus, siekiant išlaikyti maisto medžiagas, nepakitusius vitaminus.

Vienas iš mechanizmų – reikia taip paveikti ląstelę, kad ji nesugebėtų atkurti pažeistos membranos.

A.S.: taikant šią technologiją, galima selektyviai pasterizuoti maisto produktus. Tai reiškia, kad jeigu  maiste yra kelios bakterijų rūšys, parinkus elektrinio lauko parametrus būtų galima nužudyti tik tam tikrą mikroorganizmą, paliekant  kitus.

Ši technologija veikia labai tiksliaI ir selektyviai. Unikalūs ir įrankiai, kadangi tokioms procedūroms reikalingi įvairios trukmės, dažniausiai itin trumpi impulsai.

A.S.: naudojamas itin trumpų nanosekundinių impulsų generatorius sukuria beveik 200 kV elektrinį lauką ir generuoja nuo 5 – 90 nanosekundžių trukmės impulsus. Taikant tokius impulsus, galima suardyti ne tik plazminę, bet ir vidines membranas.

Toks selektyvus poveikis gali būti labai naudingas, ką liudija naujausias tyrimas, atliekamas vienos komercinės organizacijos užsakymu. Tam tikros bakterijos gyvena augalų ląstelėse. Todėl neįmanoma pasterizuoti arba sunaikinti šių bakterijų kitais būdais. Jas galima neutralizuoti, taikant itin trumpus impulsus.

Mikrosekundžių trukmės elektros impulsai vis plačiau naudojami biomedicinoje. Paveikus ląsteles tokiais impulsais, padidėja membranos pralaidumas didelėms molekulėms. Tokios molekulės gali būti specialūs genai, kuriuos norima įterpti į ląstelės DNR. Taip veikia genų terapija. Trumpesni impulsai veikia ląstelių vidines struktūras. Vienas įspūdingiausių rezultatų – impulsai priverčia kai kurias vėžines ląsteles, kurios tapo nemirtingos, nusižudyti. Tai gali būti vienas efektyviausių auglių naikinimo būdų. Besiformuojanti nauja biomedicininės inžinerijos sritis, kurioje ląstelės arba audiniai veikiami išlydžio plazma ir elektros lauko impulsais, vadinama bioelektrika. Štai kokia naudinga gali būti elektromagnetizmo ir išradingų žmonių sąjunga.

Rolandas Maskoliūnas