Plazma w centrum tego reaktora termojądrowego jest tak gorąca, że ​​nie emituje światła; widać tylko chłodniejszą plazmę znajdującą się na ścianach. Widoczne są wskazówki wzajemnego oddziaływania magnetycznego między plazmą gorącą i zimną. Źródło zdjęcia: National Fusion Research Institute, Korea.

5 niesamowitych postępów w nauce, które można kupić za budżet rządowy w wysokości 600 miliardów dolarów

Za jedyny roczny budżet wojskowy USA moglibyśmy zmienić świat.

Stany Zjednoczone wydają więcej na wydatki wojskowe niż łącznie dziesięć kolejnych narodów: około 600 miliardów dolarów rocznie. Tymczasem całkowity budżet NASA i National Science Foundation łącznie wynosi zaledwie ~ 25 miliardów dolarów, czyli około 4% naszego budżetu wojskowego. Wielu astronomów, astrofizyków, inżynierów i naukowców wszystkich przekonań marzy o korzyściach, jakie może przynieść ich niewielki wzrost ich budżetów, ale są to małe marzenia przyrostowe.

Co jeśli naprawdę sięgniemy po gwiazdy? Co jeśli marzyliśmy o dniu, w którym zainwestowaliśmy w pokojowe badania na rzecz poprawy ludzkości, tak samo jak zainwestowaliśmy w wojnę, obronę i wojsko? Gdyby nasz budżet na przestrzeń kosmiczną i naukę wzrósł do 600 miliardów dolarów, zamiast lub oprócz tego, co wydaliśmy na wojsko, to co moglibyśmy osiągnąć, byłoby ogromne. Oto pięć możliwości tego, co moglibyśmy zrobić za pomocą rocznych wydatków na cele wojskowe.

Urządzenie fuzyjne oparte na plazmie magnetycznie ograniczonej. Fuzja na gorąco jest naukowo uzasadniona, ale nie została jeszcze praktycznie osiągnięta, aby osiągnąć punkt progowy. Źródło zdjęcia: zarządzanie PPPL, Princeton University, Department of Energy, z projektu FIRE.

1.) Ostateczny przełom energetyczny: reaktor jądrowy wytwarzający energię netto. Chociaż istnieje wiele różnych metod osiągnięcia syntezy jądrowej, najbardziej obiecującą drogą jest zamknięcie magnetyczne. Międzynarodowe konsorcjum, znane jako ITER, rozpoczęło się już w erze Reagana-Gorbaczowa, a budowa jest ostatecznie ukończona w 2019 r., Po całkowitych inwestycjach w wysokości około 20 mld EUR. Następnie minie kolejna dekada, aby plazma działała pomyślnie, a następnie w latach 30. XX wieku może przekroczyć punkt progowy, łącząc deuter i tryt.

Jednak pod wieloma względami jedyną rzeczą, która uniemożliwia przenikanie energii syntezy jądrowej przez nasz dzisiejszy świat, jest ta wstępna inwestycja o niewiarygodnej długoterminowej korzyści. Kosztem budżetu wojska tylko na jeden rok mogliśmy nie tylko osiągnąć syntezę jądrową, ale mogliśmy nauczyć się skalować ją i zrewolucjonizować sposób radzenia sobie z energią i energią na Ziemi. To najwyższy święty Graal dla energii, a największą barierą dla jego sukcesu nie jest fizyka, ale brak inwestycji.

Mars wraz z jego cienką atmosferą, sfotografowany z orbitera Wikingów w latach 70. Nawet pomimo trudności związanych z życiem na Czerwonej Planecie, udaną ludzką kolonię można osiągnąć za zaledwie 50 miliardów dolarów. Źródło zdjęcia: NASA / Viking 1.

2.) Co najmniej cztery oddzielne ludzkie kolonie na Marsie. Ludzie na Marsie? Jedyne, co nas powstrzymuje, to finansowanie, a dzieje się tak od lat 90. XX wieku. Dzięki ciągłym inwestycjom w wysokości od 50 do 150 miliardów dolarów ogółem w ciągu 10 lat moglibyśmy wylądować na Marsie na całym świecie, a następnie załoga ludzi, którzy pozostaliby gdzieś od 6 do 18 miesięcy przed powrotem do domu. Nawet na maksymalnym końcu moglibyśmy założyć cztery oddzielne, niezależne kolonie na innej planecie, kosztem zaledwie jednego roku amerykańskich wydatków wojskowych. Jedynym powodem, dla którego jeszcze tego nie zrobiliśmy, jest finansowanie.

Dwóch pracowników instalujących fotowoltaiczne ogniwo na dachu w pobliżu Poughkeepsie, NY. Mały zestaw o mocy 2 kW może być teraz dostępny w handlu za mniej niż 5000 USD. Źródło zdjęcia: użytkownik Wikimedia Commons Lucas Braun.

3.) System energii słonecznej o mocy 2000 W dla każdego gospodarstwa domowego w USA. Istnieje wiele rewolucyjnych technologii wyposażonych w energię słoneczną, od przezroczystych okien po półpasiec i bocznicę. Ale najtańszą, najbardziej wydajną technologią słoneczną jest nadal panel słoneczny. Systemy, które wytwarzają około 2000 watów, mają teraz mniej niż 5000 USD i zapewniają około 175–375 kWh na miesiąc. Przy około 125 milionach gospodarstw domowych w Stanach Zjednoczonych budżet w wysokości 600 miliardów dolarów mógłby zapewnić jeden z tych systemów dla każdego gospodarstwa domowego w kraju, w którym przeciętny Amerykanin zużywa 920 kWh miesięcznie.

Nie rozwiązałoby to naszych potrzeb energetycznych, ale znacznie zmniejszy obciążenie naszej sieci elektrycznej i radykalnie zmniejszy zużycie paliw kopalnych. I zadziałałoby to natychmiast, a przynajmniej tak szybko, jak moglibyśmy wyprodukować tyle paneli słonecznych.

Hipotetyczny nowy akcelerator, długi liniowy lub otaczający Ziemię, może przyćmić energię LHC. Nawet przy tym nie ma gwarancji, że znajdziemy coś nowego. Zdjęcie: współpraca ILC.

4.) Krajowy akcelerator cząstek 40 razy silniejszy niż LHC. Więc myślałeś, że LHC było fajne? Osiągnął zderzenia proton-proton przy 14 TeV energii w tunelu o długości 27 km pod ziemią, i to za całkowitą cenę około 10 miliardów dolarów. Co możemy zbudować za sześćdziesiąt razy tyle? Wierzcie lub nie, są tylko dwa wolne parametry, które określają, jak wysoko w energii twój akcelerator kołowy może uruchomić protony: siła elektromagnesów użytych do sterowania nimi i obwód twojego pierścienia.

Za 600 miliardów dolarów moglibyśmy zbudować tunel około 1000 kilometrów i osiągnąć zderzenia proton-proton o wartości ponad 500 TeV. Jeśli nasza technologia elektromagnesów będzie się nadal poprawiać, możemy w końcu złamać granicę PeV (gdzie 1 PeV = 1000 TeV). Następnym krokiem od tak dużego pierścienia byłby „Fermitron”, po raz pierwszy przewidziany przez Enrico Fermiego, akceleratora cząstek na obwodzie całej Ziemi. Jeśli LHC odkryje coś nowego poza bozonem Higgsa, będzie silny argument naukowy do zbadania następnego poziomu na granicy energii.

Symulowany widok tej samej części nieba, z takim samym czasem obserwacji, zarówno w Hubble (L), jak i LUVOIR (R). Różnica zapiera dech w piersiach, a to tylko wzrost współczynnika gromadzenia światła 40-krotnie. Źródło zdjęcia: G. Snyder, STScI / M. Listonosz, STScI.

5.) „Super-Hubble” ponad 100 razy mocniejszy niż dzisiaj. Kosmiczny Teleskop Hubble'a był rewolucyjnym obserwatorium i pod wieloma względami jest nadal najlepszym psem w dziedzinie astronomii i astrofizyki. Ale przy średnicy zaledwie 2,4 metra osiągnęła już maksymalną rozdzielczość. W rzeczywistości, aby zobaczyć obiekty dziesięć razy słabiej, trzeba je obserwować 100 razy dłużej! Ale gdybyśmy zbudowali teleskop kosmiczny dziesięć razy większej od średnicy, na 24 metrach, nie tylko miałby dziesięć razy większą rozdzielczość, ale zobaczyłby w ciągu zaledwie 2 godzin, co zajmie Hubble w ciągu tygodnia.

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba z jego podzieloną na segmenty konstrukcją, osłoną przeciwsłoneczną i zautomatyzowaną robotyczną technologią może służyć jako dowód koncepcji takiej misji, ale czynnikiem ograniczającym jest finansowanie. Uzyskanie rozmiaru, jakości obrazu oraz możliwości uruchamiania i serwisowania niezbędnych do stworzenia takiego giganta wymagałoby ogromnej inwestycji. Za 600 miliardów dolarów możemy być w stanie osiągnąć średnicę od 30 do 40 metrów, ale „100 razy mocniejszy niż Hubble” jest bardzo ostrożnym szacunkiem. To, a technologie, które opracowalibyśmy, byłyby równie rewolucyjne dla ludzkości, jak wszystko, co wyszło z programu Apollo.

Ilustracja tego, jak mogłaby wyglądać ludzka kolonia na Marsie, nawet jeśli wykonano ją tanio. Źródło zdjęcia: Mars One (rendering).

Oczywiście za dużo, znacznie mniej niż 600 miliardów dolarów, moglibyśmy wnieść nadzwyczajny wkład w każdą z nich jednocześnie. ITER, międzynarodowy eksperymentalny reaktor termojądrowy, jest wciąż w budowie, a jego całkowity koszt szacuje się na 40 miliardów dolarów w całym okresie jego eksploatacji, który powinien sięgać lat 30. XX wieku. Pojedyncza misja z załogą na powierzchnię Marsa, podróż w obie strony, mogłaby być odpowiedzialnie wykonana za zaledwie 50 miliardów dolarów, w tym ogromny rozwój infrastruktury powierzchni Marsa. Rooftopowe instalacje słoneczne o mocy 2 kW są dostępne w handlu za mniej niż 5000 USD za sztukę i mogą obniżyć średni rachunek za prąd o 25% za każdy miesiąc jego działania. „Mniejsze” superkumulatory są szacowane w przedziale 20–40 miliardów dolarów i osiągnęłyby poziomy energii wielokrotnie wyższe niż LHC. A LUVOIR, najbardziej ambitna propozycja teleskopu kosmicznego o 40-krotnej sile przyciągania światła Hubble'a, prawdopodobnie spadłaby w granicach około 15 miliardów dolarów.

Projekt koncepcyjny teleskopu kosmicznego LUVOIR umieściłby go w punkcie L2 Lagrange, gdzie 15.1-metrowe zwierciadło pierwotne rozwijałoby się i zaczynało obserwować Wszechświat, dostarczając nam niezliczonych naukowych i astronomicznych bogactw. Zdjęcie: zespół koncepcyjny NASA / LUVOIR; Serge Brunier (tło).

Koszty spełnienia naszych naukowych marzeń są rzeczywiście astronomicznie wysokie, ale wypłaty są jeszcze większe. Już w jednym pokoleniu inwestycja na taką skalę w naukę i technologię może przekształcić nasz świat w sposób, jakiego nigdy wcześniej nie widzieliśmy. Tylko roczny budżet wojskowy - ogromna suma 600 miliardów dolarów - może ponad dwukrotnie zwiększyć naszą inwestycję w kosmos i podstawowe badania naukowe w ciągu najbliższych 25 lat. Zrobiłoby to więcej niż tylko uczynienie Ameryki wielką. Sprawiłoby, że świat byłby wielki w sposób, w jaki nic innego nie może; w sposób, jakiego ludzkość nigdy wcześniej nie widziała.

Gra Starts With A Bang jest już dostępna na Forbes, a dzięki naszym zwolennikom Patreon została ponownie opublikowana na poziomie Medium. Ethan jest autorem dwóch książek, Beyond The Galaxy, oraz Treknology: The Science of Star Trek, od Tricorderów po Warp Drive.