Одесский ученый управляет бактериями и нашел точку опоры в космосе

«Думская» продолжает рассказывать об отечественных ученых, которые, несмотря на все сложности, держатся на передовых позициях науки. Наш сегодняшний рассказ — о сотруднике Одесского национального университета имени Мечникова, кандидате физико-математических наук Константине Семенове. Только за последний год исследователь получил пять патентов на полезные модели и один патент на изобретение. Кроме того, еще четыре заявки одессита находятся на этапе рассмотрения и регистрации.

Сфера интересов одесского физика чрезвычайно широка — от управления отдельными наночастицами в жидкости до межгалактических полетов. Часть его открытий стала результатом научно-исследовательских работ, проводимых лабораторией, в которой Семенов трудится, часть родилась в собственном поиске. О двух персональных достижениях ученого мы и поведаем.

«ДАЙТЕ МНЕ ТОЧКУ ОПОРЫ…»

Возможность осуществления межзвездных полетов в обозримое время (десятки или хотя бы сотни лет) пока еще остается под большим вопросом. В космосе привычный способ передвижения — отталкиваясь от опоры (при ходьбе или поездке) или от окружающей среды (при плавании или при полете на винтовых самолетах) — не годится. Отталкиваться не от чего.

В космическом пространстве можно использовать реактивную тягу, когда часть вещества космического корабля (так называемое «рабочее тело») выбрасывается в сторону, противоположную направлению движения. Современные реактивные двигатели позволяют путешествовать в пределах Солнечной системы. Таким образом за несколько десятков лет можно достигнуть орбиты Плутона. Однако для путешествий даже к ближайшим звездам — за разумное, понятно, время — необходима масса рабочего тела, сравнимая с массой какой-нибудь планеты.

Еще один способ космических путешествий — «солнечный парус», когда для передвижения используется энергия попутных фотонов, излучаемых космическими светилами, или, например, энергия направляемого с Земли лазерного луча. При движении под «солнечным парусом» не нужно рабочее тело, но за пределами Солнечной системы, при межпланетных и особенно межгалактических полетах, на попутный «солнечный ветер» рассчитывать не приходится.

Семенов задался вопросом, как разгоняться между галактиками, где на литр окружающего пространства приходится всего одна молекула, не затрачивая при этом огромных масс рабочего тела. Итогом его поисков стал патент «Способ создания тяги в комическом пространстве» № 89423.

По сути, ученый изобрел совершенно новый способ передвижения в космосе. Он предлагает отталкиваться от квантов реликтового электромагнитного излучения, пронизывающего всю нашу Вселенную. Как известно, существование реликтового излучения было предсказано в 1946 году выпускником Одесского университета Георгием Гамовым и обнаружено опытным путем американскими исследователями в 1965 году.

Современная наука считает, что использовать реликтовое излучение в качестве «попутного ветра» для космических полетов невозможно. Дело в том, что оно изотропно, то есть его фотоны (кванты электромагнитного излучения) движутся сразу со всех направлений. Однако Семенов придумал, каким образом от этих фотонов можно отталкиваться. Для этого он предлагает воспользоваться тем, что электроны, движущиеся со скоростями, близкими к световым, при встрече с фотонами передают им часть своей энергии. Этот эффект в 1975 году описал советский физик — академик Яков Зельдович.

Космический двигатель Семенова устроен достаточно просто. В основе его - ускоритель заряженных частиц, внутри кольца которого движутся электроны. Производство таких ускорителей давно отработано, в них нет механических частей, и при наличии источника энергии (например, атомного реактора) они могут работать десятки и сотни лет. То есть — пригодны для межзвездных путешествий.

Часть ускорителя экранирована металлическим корпусом (на схеме обозначен цифрой 2), который не пропускает электромагнитное излучение. Часть, обозначенная цифрой 3 - открыта. Когда электрон, разогнанный до скорости, близкой к световой, встречается на этом участке с квантами реликтового излучения, он теряет свою энергию и замедляется. Ускоритель же (и соответственно, межзвездный корабль, на котором он установлен) получает импульс движения в противоположном направлении.

Итак, «двигатель Семенова» соединяет в себе положительные стороны реактивного двигателя (возможность перемещаться в безвоздушном пространстве) и «солнечного паруса» (использование для передвижения внешнего дармового источника). При этом он лишен их недостатков: не требует большой выбрасываемой массы для движения и позволяет двигаться в межгалактическом пространстве, отталкиваясь от пустоты, а точнее — от вездесущих и движущихся во все стороны квантов реликтового излучения.

Еще один «побочный эффект» работы двигателя Семенова — так называемое синхротронное электромагнитное излучение, которое появляется в ускорителе при искривлении траектории электронов под воздействием магнитного поля. Это излучение также может использоваться для создания тяги, как в «обычном» фотонном двигателе.

Несомненно, практическое применение предложенного Семеновым принципа — дело весьма отдаленного будущего. Но кто знает — может, когда-нибудь межзвездные корабли будут устроены именно так?

ОТ МАКРО- К МИКРОМИРУ

К сожалению, отечественная наука переживает не лучшие времена. Главная проблема — недостаток финансирования. Не хватает средств на современное оборудование, зарплаты сотрудников далеки от мирового уровня. Поэтому неудивительно, что лучшие выпускники университета предпочитают работать за рубежом, где достигают заметных успехов. Однако несмотря ни на что, Константин Семенов продолжает работать в Одессе — он старший научный сотрудник проблемной научно-исследовательской лаборатории аэродисперсных систем.

Лаборатория является частью биотехнологического центра ОНУ. В последнее время руководство университета уделяет этому подразделению повышенное внимание. Результат — выигранные тендеры и государственное финансирование на проведение прикладных биотехнологических разработок, о которых рассказывала «Думская». Поэтому еще один патент Константина Семенова относится в первую очередь к микрокосму.

Перед ученым стояла задача научиться управлять отдельными микроскопическими объектами — скажем, бактериями, — заставляя их находиться в нужном месте или передвигаться в требуемом направлении.

В мировой науке эту задачу решают несколькими способами. Например, частицы помещают на поверхности жидкости в окружении пьезоэлементов, которые могут изменять форму под воздействием электрического тока. Если подать переменный электрический ток определенной частоты, то на поверхности жидкости можно создать стоячую волну, которая заставит частицу делать то, что захочет исследователь.

Такой способ позволяет управлять частицами на плоской поверхности жидкости. Для перемещения их в трехмерном пространстве есть другие способы, например, с использованием лазерного луча. Луч создает в жидкости канал, выйти из которого частица не в состоянии. Используя несколько лазеров, можно двигать ее в трех координатах.

Оба метода имеют свои недостатки, поэтому Семенов предложил свой путь, который объединяет самые сильные стороны этих двух. Для управления микрообъектами он использует акустические волны, которые вызываются в нужном месте толщи жидкости сфокусированным световым (лазерным) лучом.

Сначала производится «наведение» — луч малой мощности фокусируют в нужном месте. После этого следует «выстрел» — мощность луча мгновенно увеличивается. Нагретая жидкость мгновенно расширяется или даже испаряется, от чего создается акустическая волна, которая толкает микроскопический объект в нужном направлении. Использование лазерного луча с электронным позиционированием, фокусировкой и управлением мощностью позволяет управлять микрочастицами с высокой точностью. Можно ли разработку Семенова считать прорывом — судить не нам.

…Наш собеседник рассказывает, что бывший министр образования и науки Иван Вакарчук буквально «раскрепостил» ученых. Раньше для получения патента нужно было обзавестись большим количеством «соавторов» из числа начальства. Сегодня патентные отделы ВУЗов работают с исследователями напрямую.

Ученый не рассчитывает на получение коммерческой прибыли от своих разработок: вряд ли в период действия патента (для полезной модели это 10 лет) кто-то начнет производить двигатели для межгалактических перелетов по придуманному Семеновым принципу.

«Но я не исключаю, что когда-то, не обязательно при моей жизни, эти идеи будут все же востребованы. Вот это и станет главной наградой», — говорит физик.

Что ж, пожелаем Константину Ивановичу и всем его коллегам новых успехов и достижений.

Автор — Сергей Дибров