„Juodosios skylės“ maketas žada proveržį saulės energetikoje

„Juodosios skylės“ modelis, sukurtas iš metamedžiagų ©Qiang Cheng, Tie Jun Cui

Pirmąją dirbtinę „juodąją skylę“, tiesa, kol kas tik mikrobangų diapazone, sukūrė tarptautinė komanda iš JAV dirbančių teoretikų bei Kinijos inžinierių. Sėkmingi elektromagnetinių bangų „gaudyklės“ eksperimentai žada įdomias praktinio pritaikymo galimybes.

Dirbtinės „juodosios skylės“, gebančios įtraukti elektromagnetines bangas, idėją teoriškai šių metų pradžioje aprašė Perdjiu universitete dirbantys fizikos teoretikai Aleksandras Kildiševas (Александр Килдышев) ir Vladimiras Šalajavas (Владимир Шалаев). Tuomet mokslininkai atliktus skaičiavimus pateikė žurnale „Physical Review Letters“ išspausdintame straipsnyje (jį galima persisiųsti PDF formatu).

Aprašyta idėja rėmėsi klasikiniu juodosios skylės supratimu, nusakančiu, jog šis paslaptingas kosminis darinys dėl milžiniškos gravitacijos sugeba iškreipti erdvėlaikį ir į save susiurbti ne tik visą aplinkinę materiją, bet ir įvairaus diapazono spinduliuotę.

Fizikai apskaičiavo, jog egzistuoja galimybė sukurti panašų įrenginį, kuris panašiu principu kaip juodoji skylė iškreiptų elektromagnetinių bangų kelią ir tokiu būdu nukreiptų juos į savo centrą. Tam reikėtų įrenginio, turinčio cilindro struktūrą, susidedančią iš centrinio branduolio ir eilės koncentrinių žiedų.

Štai taip dirbtinė „juodoji skylė“ atrodo realybėje (išorinis jos diametras – 22 centimetrai). 60 koncentrinių žiedų skiriasi ne tik fizikinėmis savybėmis, bet ir forma, kurios tipas parodytas paveikslėlio išnašose.
©Qiang Cheng, Tie Jun Cui

Keičiant praeinamos šviesos kelią, būtina padaryti taip, jog žiedų diamagnetinė skvarba, nulemianti elektromagnetinio spinduliavimo elektrinę konstantą, palaipsniui ir tolygiai didėtų nuo krašto link centro. Tai sukurtų tam tikrą analogiją aplink tikrą juodąją skylę iškreipiamam erdvėlaikiui. Na, o kad centrinė maketo dalis neatspindėtų šviesos, bet ją sugertų, jos diamagnetinė skvarba turi sutapti su paskutinio žiedo diamagnetine skvarba.

Būtent tokį maketą ir sukūrė Tie Jun Cui ir Qiang Cheng iš Pietryčių Nankino universiteto (Southeast University in Nanjing). Visą maketą sudaro 60 žiedų, sudarytų iš sudėtingų metamedžiagų (metamaterial – apie šių medžiagų struktūrą ir galimybes laužti šviesą įvairiomis kryptimis rašyta šiame straipsnyje): pirmieji 40 žiedų sukuria iškreipiamo „erdvėlaikio“ imitaciją, o 20 vidinių žiedų – spindulius sugeriantį centrinį branduolį. Tiesa, nors teoriškai toks maketas turėtų sugerti platų elektromagnetinių spindulių spektrą, tame tarpe ir optinį diapazoną, tačiau kol kas realybėje jis susidoroja tik su mikrobangomis.

„Kuomet elektromagnetinė banga patenka į įrenginio paviršių, ji „pagaunama“ ir nukreipiama nuo išorinės dalies link centro, kur yra sugeriama. Absorbuotą šviesą branduolys konvertuoja į šilumą“, - pasakoja Tie Jun Cui.

Elektrinio lauko išsidėstymas. Du punktyriniai apskritimai žymi išorinio žiedo ir vidinio branduolio ribas. Viršutiniame paveikslėlyje spindulys krenta stačiu kampu į įrenginio paviršių. Viduriniame – su kampu. Apačioje – trys spinduliai su pasvyrimo kampu. ©Qiang Cheng, Tie Jun Cui

„Nesitikėjau, jog jiems pavyks taip greitai įgyvendinti šią idėją praktikoje“, – komentuoja Jevgenijus Narimanovas, dar vienas profesoriaus Vladimiro Šalajavo vadovaujamos laboratorijos bendradarbis, dalyvaujantis daugybėje panašaus pobūdžio tyrimuose.

Kas liečia matomą šviesą, Kinijos fizikai nenuleidžia rankų ir planuoja jau šių metų gale patobulinti maketą taip, jog būtų sugertas ir optinis elektromagnetinių bangų diapazonas. Ir nors darbas su plataus spektro dažnio bangomis yra nepalyginamai sudėtingesnis, fizikai tikisi, jog žino būdų kaip tai išspręsti. Viena iš problemų, kurią teks įveikti fizikams yra tai, jog matomos šviesos bangos ilgis yra visa eile mažesnis už mikrobangų, vadinasi ir jas gaudančių žiedų matmenys privalės būti mažesni.

Kur būtų galima praktiškai pritaikyti tokią dirbtinę „juodąją skylę“? Galimybių yra įvairių – pirmiausia kuriant didesnio efektyvumo saulės elementus. Toks įrenginys ypač naudingas vietovėse, kur vyrauja išskaidyta šviesa (debesuotuose regionuose) – „juodosios skylės“ maketas sugeria bet kokios krypties spindulius. Dabar tokius spindulius bandoma „pagauti“ pritaikant įvairius inžinierinius sprendimus.

„Jeigu mums iš tikro pavyks sukurti kažką panašaus, mums daugiau gali nebeprireikti gigantiškų parabolinių veidrodžių“, – įsitikinęs Narimanovas.

O kur dar panašiu principu (tik ten bangos neturi būti sugeriamos, o tik išgaubiamos) veikiantys „nematomi apsiaustai“? Na, nebūtinai apsiaustai – tiktų ir nematomos dėžės. Ir tai nėra visiška fantastika – jau yra sukurtos atitinkamos konstrukcijos iš metamedžagų, kurios mikrobangų diapazone tiesiog „išnyksta“. Vienintelė problema, jog tai kas sėkmingai veikia mikrobangų diapazone, „stringa“ optiniame bangų ruože. Kodėl taip yra ir kaip gi galėtų veikti nematomi apsiaustai, išsamiai rašė Technologijos.lt .

Tiesa, panašiu principu net ir sėkmingai sukurtas nematomas apsiaustas sukeltų kiek nemalonų reiškinį – jis paslėptų ne tik jį dėvintį asmenį, bet ir pats asmuo iš po jo nieko nematytų. Na, bet mokslas nestovi vietoje ir kai kurie mokslininkai jau pasiūlė teorines idėjas kaip tai sutvarkyti. Jeigu tokie būdai yra pernelyg sudėtingi, nematomumą galima pasiekti ir kitomis priemonėmis – kad ir pasinaudojant vadinamuoju „kimgraužos“ efektu. Tačiau tai kol kas irgi tik fizikos teorija.

Na, o apie šiuos eksperimentus Kinijos mokslininkai publikavo straipsnį žurnale „Applied Physics Letters“ (darbinę straipsnio versiją galima peržiūrėti ArXiv.org puslapyje).

Prie to pačio galite paskaityti apie metamedžiagų panaudojimą akustinio superlęšio tyrimuose bei juodųjų skylių savybių modeliavimą panaudojant vandens lašus.