г. Барановичи, Беларусь, научная работа,

III место в номинации «Биология»

ВВЕДЕНИЕ

Экологически чистый мир — это то, чего желает любое живое существо. Загрязнение окружающей среды представляет собой глобальную проблему современности, которую регулярно обсуждают в новостях СМИ и научных кругах. Создано множество международных организаций, направленных на борьбу с ухудшением природных условий. Учёные давно бьют тревогу о неминуемости экологической катастрофы в самое ближайшее время.

На данный момент о загрязнении окружающей среды известно многое, написано большое количество научных работ и книг, проведены многочисленные исследования. Но в решении проблемы человечество продвинулось совсем незначительно. Проблема загрязнения природы по-прежнему остаётся важной и актуальной, откладывание решения которой может обернуться трагедией.

Проблема загрязнения окружающей среды долгое время волнует умы специалистов различных сфер: экологии, промышленности, медицины, социологии и др. Однако современная картина мира показывает, что человечеству необходимо преодолеть многие десятилетия для реализации новых технологий, чтобы такой мир имел место быть. В этой научной работе выдвинута идея гипотетической технологии рубежа 2100 года, которая могла бы на взгляд ее автора, студента первого курса магистратуры учреждения образования «Брестский государственный университет имени А. С. Пушкина» по специальности «География» Башкирова Артемия Сергеевича решить многие проблемы современного человека и человечества в целом.

Гипотеза безотходного производства путем дезинтеграции веществ

В современной науке под дезинтеграцией понимают разрушение тел или веществ на отдельные частицы. Также под дезинтеграцией может подразумеваться разрушение сложных частиц на более простые. Дезинтеграция веществ, явление, над которым работал ряд учёных из многих областей науки и по которому написано огромное количество научных работ. Так, например, Красноярские физики исследовали сверхбыстрый распад молекулы воды. Ученые из Сибирского федерального университета (СФУ) совместно с коллегами из Швеции [1] описали распад молекулы воды при воздействии на нее рентгеновского излучения. По мнению ученых университета, полученные данные можно использовать для создания материалов с заданными свойствами.

Ученые изучали молекулярную структуру вещества с помощью спектроскопии. Для этого молекулы облучали мощным пучком рентгеновского излучения, создаваемым на синхротроне. Рентгеновские лучи, проходя через вещество, рассеиваются и регистрируются специальным детектором — спектрометром. При этом рассеивание происходит на электронной части молекулы — в «облаке» электронов. Согласно принципу Франка–Кондона, возбуждение «облака» электронов в молекуле происходит мгновенно. Поэтому молекула, как принято было считать, не успевает изменить свою конфигурацию при распаде. Было обнаружено, что атомы в ней разделяются очень быстро и это движение можно заметить по изменению спектра излучения. Таким образом, было доказано, что в молекуле воды, которая состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода, приближение Франка–Кондона нарушается за счет сверхбыстрого отделения атома водорода в ходе диссоциации, то есть распада молекулы.

По мнению ученых, результаты исследования, которое было выполнено при поддержке Российского научного фонда, в дальнейшем, кроме уже упомянутого создания материалов с заданными свойствами, можно использовать для изучения свойств конкретных материалов на молекулярном уровне, и, в частности, для управления различными химическими реакциями.

В настоящий момент, ярчайшим примером дезинтеграции вещества является Большой адронный коллайдер — ускоритель заряженных частиц на встречных пучках, предназначенный для разгона протонов и тяжёлых ионов (ионов свинца) и изучения продуктов их соударений.

Благодаря большей энергии по сравнению с предшествовавшими коллайдерами, БАК позволил «заглянуть» в недоступную ранее область энергий и получить научные результаты, накладывающие ограничения на ряд теоретических моделей.

• Краткий перечень научных результатов, полученных на коллайдере:
• Открыт Бозон Хиггса, его масса определена как 125,09 ± 0,21 ГэВ;
• при энергиях до 8 ТэВ изучены основные статистические характеристики протонных столкновений — количество рождённых адронов, их распределение по быстроте, бозе-эйнштейновские корреляции мезонов, дальние угловые корреляции, вероятность остановки протона;
• показано отсутствие асимметрии протонов и антипротонов;
• обнаружены необычные корреляции протонов, вылетающих в существенно разных направлениях;
• получены ограничения на возможные контактные взаимодействия кварков;
• получены более веские, по сравнению с предыдущими экспериментами, признаки возникновения кварк-глюонной плазмы в ядерных столкновениях;
• исследованы события рождения адронных струй;
• подтверждено существование топ-кварка, ранее наблюдавшегося только на Тэватроне;
• обнаружено два новых канала распада Bs-мезонов, получены оценки вероятностей сверхредких распадов B- и Bs-мезонов на мюон-антимюонные пары;
• получены первые данные протон-ионных столкновений на рекордной энергии, обнаружены угловые корреляции, ранее наблюдавшиеся в протон-протонных столкновениях;
• объявлено о наблюдении частицы Y(4140), ранее наблюдавшейся лишь на Тэватроне в 2009 г.

Говоря другими словами, уже сейчас, в 2019 году, учёные могут дезинтегрировать материю до уровня атома и даже меньше, до уровней протонов, кварков и бозонов.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что на рубеже XXII века, к 2100 году, технологии по дезинтеграции вещества любого агрегатного состояния и любого состава станут доступны для использования в промышленности и в области переработки отходов, что даст начало новому витку технологического развития всего мира.

Любые отходы, будь то отходы производства, либо отходы человеческой жизнедеятельности, при помощи технологий распада и дезинтеграции станет возможно уничтожить в кратчайшие сроки и, что самое главное, без вреда для окружающей среды. Энергию, затраченную на распад и дезинтеграцию, можно частично восполнить, поглощая энергию, которая выделяется при расщеплении молекулярных связей.

Однако, конечно, энергетические затраты такой технологии не окупят себя, по крайней мере, в настоящее время. С другой стороны, через 80 лет, с новыми, альтернативными источниками энергии, такое, гипотетически, может стать возможным.

Новый атом

Во всем мире известен закон сохранения массы и энергии. Частицы, полученные в ходе дезинтеграции, не могут пропасть бесследно. Их также можно использовать в новых производственных циклах 2100 года.

Разные вещества имеют различное количество электронов вокруг ядра каждого атома и, естественно, разное количество электронных оболочек (энергетических уровней). На каждом энергетическом уровне может быть строго ограничено количество электронов. Целиком заполненный внешний слой есть только у инертных газов, поэтому они и называются инертными, которые, в результате «полной комплектности», практически не вступают в химические соединения ни с какими другими веществами. Известно, что во время химических реакций атомы всех элементов «обмениваются» друг с другом электронами, стремясь дополнить свой внешний слой, либо вовсе «освободиться» от него. Например, у фтора на внешней оболочке имеется 7 электронов, поэтому фтор очень активен; он постоянно стремится отнять недостающий электрон у любого другого элемента.

Таким образом, когда два атома сталкиваются и вступают в реакцию, они или соединяются вместе, объединяя свои электроны, или же вновь расходятся после перераспределения электронов. Именно это объединение или перераспределение электронов и вызывает наблюдаемое изменение свойств веществ. Причём обычно все подобные химические изменения затрагивают только электроны–протоны центрального ядра во всех случаях, кроме того, они надёжно защищены. Исключение же составляет как раз атом водорода, ядро которого состоит из одного протона. Если атом водорода потеряет свой единственный электрон (ионизируется), то его протон останется незащищённым.

Все же остальные элементы, как правило, теряют атомы лишь с внешних оболочек. Что касается металлов, то они, по большей части, имеют на внешней орбите сравнительно малое количество электронов: 1, 2 или 3. Естественно, для них легче отдать электроны, чем и объясняется их хорошая электропроводность.

Получается следующая картина. Различное количество соединившихся вместе протонов, нейтронов и электронов образует атомы различных элементов. Таких комбинаций может быть огромное количество. Более того, известно, что различные комбинации атомов образуют различные молекулы, обеспечивая их многообразие в мире. Заметим, что это касается только неорганической химии. В органической же химии, предполагающей комбинации из молекул, составляющих, например, полимеры, представляющие собой сложнейшие нагромождения атомов в молекулах границы вообще необозримы. И такое богатство существует благодаря трем мельчайшим сгусткам энергии, образующим в единственном числе один атом водорода! Наглядный пример рождения из ничего во всех смыслах.

На основании всего вышеизложенного можно сделать следующий вывод: для того, чтобы превратить, предположим свинец в золото, необходимо изменить внутреннюю структуру атома свинца, заряд ядра которого, составляет 82, во внутреннюю структуру атома золота, заряд которого равен 79. Если представить это в упрощённой схеме, то от каждого атома свинца нужно отнять всего лишь по 3 протона, нейтрона и электрона. Сегодня не секрет, какие средства и сколько энергии затрачивается на расщепление только одного атома водорода. Соответственно, трансмутация потребует таких колоссальных затрат энергии, что получение золота не будет иметь никакого практического смысла. Такое золото будет бесценным.

По такому принципу, можно создать любые атомы существующие в природе; сырьём для «постройки» новых атомов может послужить материал после этапа дезинтеграции других веществ.

В очередной раз, можно столкнуться с препятствием из-за количества энергии. Для использования такой технологии, нужен мощный, стабильный и дешёвый источник энергии.

Интеграция

Новопостроенные атомы полезно использовать и интегрировать для создания новых веществ. Из атомов золота, железа создать слитки и руды. Из атомов углерода и других атомов воссоздать органические молекулы и органические вещества (липиды, белки, углеводы). При мощном и дешёвом альтернативном источнике энергии, используя такую технологию, можно создавать любые ресурсы и любое их количество, ограниченное только количеством мусора (сырьём). Чем больше мусора, тем больше атомов после дезинтеграции (сырья), соответственно можно создать большее количество необходимого вещества.

Заключение

Загрязнение окружающей среды представляет собой масштабную мировую проблему, решить которую возможно лишь при активном участии каждого, кто называет планету Земля своим домом, иначе экологическая катастрофа будет неминуема. Загрязненность окружающей среды и нерациональное природопользование природных ресурсов препятствует развитию производства и угрожает жизни людей. Во избежание экологической катастрофы борьба с загрязнением окружающей среды должна быть первостепенной задачей. Создание новейших очистных сооружений и внедрение их на всех заводах любого типа уменьшит выбросы мусора и химических реагентов в воздух, почву и воду; создание такого очистного сооружения, которое обеспечит безотходное производство, вообще, идеально.

Гипотетически, технология безотходного производства может существовать и успешно реализовываться.

Конечно, на современном этапе, гипотеза безотходного производства остаётся лишь гипотезой по нескольким причинам.

Во-первых, всем трём пунктам необходима самая важная составляющая, без которой эта технология не может работать. Это мощный, стабильный, дешёвый, доступный источник энергии. Учёные ежедневно ломают голову для решения этой задачи. Если проанализировать технологический прогресс человечества на протяжении XX века, можно сделать вывод о том, что за 80 лет, к 2100 году, новый мощный источник энергии всё же увидит свет, что даст начало новому технологическому витку развития во всех сферах человеческой жизнедеятельности.

Во-вторых, существующие технологии настоящего времени ещё далеки от совершенства, что создаёт определённые трудности в реализации технологии безотходного производства. Однако, вероятнее всего, за последующие 80 лет, будут созданы технологии, превосходящие нынешние по качеству, точности, энергосбережению, надёжности, удобству в использовании.

Наличие новых источников энергии, а также новых, более совершенных технологий, превратит гипотезу безотходного производства в теорию, которая не замедлит нахождение своего применения и реализации на практике.

Проблема загрязнения окружающей среды, почв и вод морей и океанов, проблема мусорных свалок больше никогда не будет волновать умы людей, а идея экологически чистого мира, идея ноосферы, идея жизни человека в гармонии с природой, наконец, станет реальностью.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Vaz da Cruz, Vinícius. Anomalous polarization dependence in vibrationally resolved resonant inelastic x-ray scattering of H2O/ Vinícius Vaz da Cruz, Emelie Ertan, Nina Ignatova, Rafael C. Couto, Sergey Polyutov, Michael Odelius, Victor Kimberg, and Faris Gel’mukhanov // Physical Review A: covering atomic, molecular, and optical physics and quantum information, vol. 98, no. 1, — 2018. 012507