Применение квантового туннельного эффекта код

Редактор Сергей Ким

Корректор Мария Черноок

Дизайнер обложки Мария Ведищева

© Илья Зайцев, 2022

© Мария Ведищева, дизайн обложки, 2022

ISBN 978-5-0056-5554-7

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Введение

Оценивая сегодняшнее положение дел и перспективы развития космической энергетики, стартовой энергетики далее относительно стыковки космической энергетики и энергетических систем планеты, мы видим, что в настоящее время основными топливными ресурсами на планете являются органические ископаемые топлива: нефть, газ и каменный уголь. Рост численных значений используемого планетарной энергетикой в целом органического топлива говорит о том, что в ближайшем будущем нас ждет энергетический кризис, и гигантский механизм, если его не менять и не совершенствовать, останется без базы своего существования, энергетического носителя.

Одним из вариантов выхода из данного положения предлагаю использование в стартовой, космической энергетике топливом низкомолекулярные неорганические соединения, наиболее распространенные геологически на планете. Примером такого химического соединения является вода.

Данное химическое соединение обладает следующими свойствами. Вода – устойчивое в условиях планетарной среды, кислородной атмосферы эндотермическое соединение. То есть на разложение воды необходимо затратить энергию, численно равную энергии, выделяющейся в процессе горения водорода в кислороде, и при этом вода не горит в кислороде с выделением энергии. Мы видим, что низкомолекулярные неорганические соединения методом химических превращений, то есть на химическом уровне свойств материальных объектов, химических соединений, устойчивы и энергетически инертны. Но есть множество физических и физико-химических свойств материи, позволяющих иметь выход энергии от данных молекулярных формаций.

Для примера рассмотрим одно из данных свойств материи – динамику ядерного уровня. Доказательством того, что вода – энергетически эффективное соединение и от нее возможно получить колоссальный энергетический выход, является факт выделения энергии в ходе реакций термоядерного синтеза. Разложив воду одним из имеющихся методов с выходом водорода и направив газ в установку термоядерного синтеза токамак либо другую, на выходе мы получим, что на разложение воды мы затратили меньше энергии, чем имеем в результате термоядерного синтеза.

Выходит, применяя другие свойства материальных объектов, субстрата, отличающиеся от свойств химического уровня, мы имеем выход энергии от данных молекул. В нашей исследовательской работе рассматриваются квантовый уровень материи и применение квантовых физико-химических свойств материальных объектов, стыковка квантового уровня с физико-химическим, применение туннельной эмиссии вырожденной плазмы, электронного газа в процессах каталитической обработки ракетных топлив, в энергетических устройствах, химической технологии, процессах воздухоочистки, космической технике, далее построение энергетического устройства (ЭУ) на основе применения данных, квантовых свойств материальных объектов и применение ЭУ в аэрокосмической промышленности, исследованиях космического пространства.

Физические свойства квантового уровня материальных объектов позволяют нам иметь положительный выход энергии от взаимодействия процессов, обусловленных свойствами данного уровня с химическими объектами, и, соответственно, низкомолекулярные неорганические соединения энергетически эффективны и могут быть использованы в качестве источника энергии.

Доказательство эффективности применения данных свойств материальных объектов в процессах выработки энергии следующее. Рассмотрим один из физических процессов, обусловленных свойствами квантового уровня материальных объектов, – туннельный эффект, преодоление квантовыми частицами энергетического барьера, носителем туннельного эффекта, то есть рабочее тело, материальный объект на физико-химическом уровне обозначен, полупроводник (см. лит. 3, 13).

Энергетическая трата в процессе катализа, применяя данный квантовый эффект, небольшая и позволяет нам разложить воду на составляющие – водород и кислород; далее, направив водород на сжигание, на выходе энергетического устройства мы можем иметь выход энергии, вероятно, больше, чем нами затрачено на разложение воды. Рассмотрим в качестве носителя эффекта арсенид галлия и далее аппаратную схему, применяемую для креации физико-химического процесса туннельного каталитического лизиса воды. Прежде всего нам необходим контакт туннельного эффекта с материальным объектом, для данного процесса применяем следующую аппаратную схему.

Так как нам необходим контакт туннельного эффекта с химической системой, мы применяем отличающийся от процесса в твердом теле, то есть контакта проводник-полупроводник, процесс туннельной эмиссии электронов (примеры электронной эмиссии на поверхность полупроводника – см. лит. 3, 13), выход электронной плазмы на поверхность твердого тела в результате преодоления квантовыми частицами энергетического барьера. Квантовой частицей, преодолевающей энергетический барьер, туннелирующей, в данной энергетической системе является электрон (лептон).

Уменьшение ширины энергетического барьера до величины, преодолимой квантовыми частицами, производим воздействием на полупроводник внешним электромагнитным полем, то есть относительно рабочего тела производим процесс туннельной эмиссии электронного газа, плазмы (вырожденной плазмы, далее – плазмы) на поверхность твердого тела, полупроводника воздействием внешнего электромагнитного поля. Холодная плазма, так как ее температура относительно невысока, поступает на поверхность рабочего тела, где образует пленку, контактный слой электронного газа.

Данное образование, физическое тело, пленка вырожденной плазмы, взаимодействует с низкомолекулярным неорганическим соединением, водой, так что энергия химических связей молекул соединения меньше, и, соответственно, энергетическая трата на разложение воды, то есть на разрыв химических связей, уменьшается. Процесс эффективного энергетического и массообмена плазмы с низкомолекулярным неорганическим соединением для данного взаимодействия материальных объектов креанируется максимально большой площадью контакта плазмы с химическим соединением, мы применяем контакт тонкой пленки жидкости с плазменной пленкой на поверхности твердого тела полупроводника, эмиттера электронного газа (см. лит. 16).

Рассмотрим химизм взаимодействия. В процессе взаимодействия тонкой водяной пленки поверхность полупроводникового эмиттера, покрытая плазмой, выполняет функцию щелочного металла на первой стадии процесса взаимодействия с водой, то есть до химического взаимодействия ядер атомов с реагентом, ионов металла, процесс взаимодействия электронных оболочек атомов щелочного металла с водой. Полупроводниковый (арсенид-галлиевый) эмиттер выполняет функцию катализатора – восстановителя молекул обрабатываемого ракетного топлива.

Рассматриваем несколько вариантов образования пленок жидкости в данной аппаратной схеме. Первый вариант ЭУ, техническая схема стационарная. По поверхности эмиттера, стационарной пластины, покрытой тонким слоем полупроводника, расположенной под определенным углом и установленной на горизонтальной твердой поверхности, стекает жидкость, процесс образования и движения пленки свободного истечения жидкости по твердой поверхности. Стационарный вариант необходим для предварительного расчета энерговыхода от энергетического устройства, то есть в опытной установке рассмотрим вариант формирования тонкой пленки расчетной толщины, в данном процессе распределение жидкости в пространстве-времени расчетное, то есть массообмена на поверхности твердого тела.

В данной схеме для формирования пленки необходимых заданных параметров используем вращаемое от привода твердое тело, экран-эмиттер, на поверхность объекта подается заданное количество жидкости под определенным давлением. В данном варианте процесса мы формируем пленку и, соответственно, массообмен жидкости с необходимыми расчетными параметрами. И второе: так как применяем центробежные силы, процесс частично независим от действия гравитационного поля, то есть процесс выработки энергетической установкой энергии независим от расположения ЭУ в пространстве.

Применение воды в энергетических устройствах методологическое, не является самоцелью, существует огромное количество устойчивых эндотермических соединений, в том числе водородсодержащих соединений, в квантовых энергетических устройствах применимо в том числе огромное количество других соединений. Развивается водородная энергетика, СВЧ-энергетика.

Часть первая

Глава первая
Применение туннельной эмиссии вырожденной плазмы, электронного газа, свойств вырожденной плазмы в процессах каталитической обработки ракетных топлив, в энергетических устройствах, химической технологии, процессах воздухоочистки, космической технике

Ближайшая перспектива освоения нами космического пространства – это дальние пилотируемые полеты на Марс. В долговременной космической экспедиции есть следующие области, входящие в общую схему процесса исследования космического пространства: первое – обеспечить максимальное количество массы полезного груза относительно массы космического корабля и энергоносителя, то есть научно-исследовательской аппаратуры.

В данную схему вписывается рассматриваемое энергетическое устройство.

В первую очередь устройство компактно, имеет малую массу, вырабатывает энергию. Геометрическая форма ЭУ – диск, в условиях укладки и расположения устройства в замкнутых, цилиндрической формы частях, оболочках космического корабля форма эргономически, геометрически удобна. Далее – ближайшая перспектива: организация на Марсе постоянных поселений с целью проведения научно-исследовательских работ.

Рассмотрим вариант применения энергоустройства. Топливо – неорганические соединения, находящиеся в планетарной, космической среде, применяем в процессах исследования космоса автоматическими и пилотируемыми устройствами.

Рассматриваемые планетарные топлива – вода, диоксид углерода. На Марсе, вероятно, будет открыта в антропном, необходимом количестве вода, диоксид углерода обнаружен. Рассматриваемое устройство применяем для обеспечения исследовательских экспедиций и работы автоматических исследовательских устройств в различных областях Марса, рассматривая баланс в грунте Марса вода/углекислотный лед, так что энергоноситель – низкомолекулярные неорганические соединения. Применяя схему установки выработки энергии из воды, мы проводим процесс лизиса жидкого диоксида углерода в тонкой пленке на туннельном эмиттере до монооксида углерода, то есть топливная смесь, состоящая из монооксида углерода, водорода и кислорода, формируется из добываемой на поверхности Марса углекислоты.

Второе: схему и метод, применяемые в установке, мы можем использовать в модифицированном устройстве – датчике обнаружения на Марсе воды. А это значит, что если в марсианской атмосфере есть мельчайшие водяные кристаллы, применение туннельного эмиттера, определенным образом настроенного, и газоанализатора водорода креацинирует нам методику обнаружения данного соединения.

Третье: в условиях орбитального полета вокруг Земли либо других планет мы можем применить ЭУ-диск, где полукамера синтеза, эмиттер, есть генератор реактивной тяги в качестве искусственного спутника планеты, запускаемого с космического корабля экипажем либо автоматически, и в качестве топлива для устройства использовать диоксид углерода либо жидкость (воду). Данный технический аспект применения энергетических устройств, работающих в условиях космического полета, особенно эффективен, так как в условиях открытого космоса наблюдается дефицит топлива (субстрата), максимальный относительно планетарных условий.

Описание работы энергетического устройства, работающего в условиях Марса. В схему работы энергореактора, ЭУ включены следующие технические узлы, элементы и процессы. Процесс термолиза низкомолекулярного неорганического соединения, углекислоты в тонкой пленке импульсами электромагнитного (ЭМ) поля, СВЧ на быстровращаемом экране-эмиттере – параболоиде.

В техническую и физико-химическую структуры рабочего тела экрана-эмиттера вырожденной плазмы вложены следующие свойства. Материал поверхности экрана, обращенной к источнику СВЧ-поля, туннельный полупроводник.

Импульсы ЭМ поля генерируют в массиве полупроводника электрический ток, изменяют форму энергетического барьера, электронный газ туннелирует на поверхность эмиттера, и на поверхности параболоида образуется тонкая пленка холодной электронной плазмы. Жидкий диоксид углерода, поступая через штуцер на быстровращаемый экран-эмиттер, образует на его поверхности тонкую пленку, молекулы диоксида углерода взаимодействуют с электронной плазмой, так что химические связи ослабевают и, соответственно, трата энергии на процесс термолиза жидкой пленки существенно уменьшается. Физический процесс туннелирования электронного газа необходим для приведения энергетического баланса физико-химического процесса генерации и горения монооксида углерода и ЭУ в целом к энергетически выгодному экзовыходу энергии.

Экран-эмиттер подключен к «внешнему» источнику электрического тока, то есть включен в электрическую цепь. Данный контакт массива экрана с источником электрического тока необходим для возобновления реагирующего с молекулами жидкости электронного газа-катализатора. «Ниже» экрана-эмиттера расположены источник СВЧ-поля и камера сгорания топливной смеси. В условиях Марса диоксид углерода находится в твердом состоянии, углекислоту мы переводим в жидкое состояние на выходе к экрану.

Рассмотрим процесс взаимодействия дисперсированного углекислотного льда с плазменной пленкой на поверхности туннельного эмиттера в полой трубке, так что есть образование жидкой пленки. Есть два процесса, креанирующих жидкий диоксид углерода: взаимодействие твердой углекислоты с электронной (вырожденной) плазмой и растворение твердого диоксида в жидкой углекислоте. Рассмотрим данные процессы.

Первое: процесс в вакууме. Испаряем твердую углекислоту в вакууме, так как есть взаимодействие льда с плазмой, соответственно, креанируем давление газа, соответствующее поддерживающему жидкое агрегатное состояние диоксида углерода. Далее рассмотрим физико-химический процесс взаимодействия плазмы с молекулами твердого диоксида углерода.

Молекула диоксида углерода в целом не поляризована, электроны плазмы взаимодействуют с атомами кислорода в целом неполяризованными, так как в линейных молекулах идет процесс компенсации дипольных моментов молекулами твердого диоксида углерода, атомы кислорода и в процессе компенсации электроотрицательны, далее диоксид переходит в жидкое состояние. В случае обнаружения в определенных областях Марса постоянной концентрации в поверхностном грунте твердого диоксида углерода мы можем применить данный грунт в качестве топлива, выделив углекислоту и применив подачу диоксида углерода на экран туннельного эмиттера ЭУ.

Первое: передвижная научно-исследовательская платформа получает постоянный источник энергии. Второе: мы исключаем загрязнение космоса и, в частности, других планет делящимися материалами, то есть радиоактивными веществами, так мы исключим долговременное взаимодействие техносферы Земли с аспектами космоса, нерасчетными заранее, такими как наличие на Марсе, других планетах жизни. Рассматривая перспективу освоения дальних планет, данное плазмохимическое ЭУ может быть использовано в качестве движителя орбитального научно-исследовательского спутника.

Большие планеты Солнечной системы обладают кольцами, и в данных образованиях, вероятно, содержится не только минеральная пыль, но и лед низкомолекулярных неорганических соединений. В процессе взаимодействия с холодной вырожденной плазмой эмиттера ледяная пыль превращается в газ, то есть возможно создание в зависимости от напряженности заряда в кулонах, равномерно распределенного по поверхности экрана-эмиттера, и концентрации на орбите кристаллов льда, содержащихся в кольцах планет, тяги расширения газа. Постановка эксперимента следующая: на борту самолета испытания невесомостью проводится процесс, в определенном временном интервале самолет находится в свободном падении. Построим на рассматриваемом техническом борту отдельную герметичную камеру, создадим в ней вакуум и далее поместим туда движитель расчетных размеров. В точке свободного падения и отрыва от поверхности подаем в вакуум поток ледяных кристаллов, соответствующий параметрам материального потока кольца дальней планеты, процесс движения аппарата снимаем на видеокамеру.

Применение модифицированного ЭУ в процессе исследования космического пространства. Рассмотрим конструкционную схему устройства, созданную на основе энергетического, так как данное устройство является детектором наличия в открытом космическом пространстве искомого низкомолекулярного химического соединения, воды. Камера сгорания, защитная оболочка, корпус-обечайка в данном устройстве не применяются. Основные конструкционные элементы детектора следующие: экран-эмиттер, покрытый туннельным полупроводником – арсенидом галлия, антенна излучения СВЧ электромагнитного поля, газоанализатор на водород.

Энергия, необходимая для функционирования устройства, поступает либо от космического корабля, либо от блока питания, либо от других хранящих или производящих энергию устройств. Схема работы устройства следующая: антенна излучения, источник СВЧ электромагнитного поля (примеры источников СВЧ – см. лит. 9, 10) облучает экран-эмиттер, диэлектрик, покрытый слоем полупроводника, далее в процессе взаимодействия с электромагнитным полем полупроводник испускает, туннелирует холодную электронную плазму, заряд.

Электронный газ равномерно распределен по поверхности эмиттера, кристаллы воды малых размеров на большой скорости сталкиваются с поверхностью и взаимодействуют с источником электромагнитного поля и плазмой, далее вода, разлагаясь на водород и кислород, взаимодействует с газоанализатором. На работу данного устройства энергетическая трата меньше, так как в работе детектора воды в открытом космическом пространстве применен туннельный эффект.

Глава вторая
Объекты эффекта и туннельный эффект в энергетическом устройстве

Рассмотрим объекты туннельного эффекта, то есть свойства и характеристики частиц субстрата, обуславливающие возможность обнаружения сторонним наблюдателем данного физического процесса и граничные условия существования, то есть осуществления данного процесса обнаруживаемыми наблюдателем частями, частицами материального субстрата.

Данная часть материального субстрата – газ, состоящий из квантовых частиц, лептонов, другими словами, электронов и далее более локализованных относительно стороннего наблюдателя частиц атомов, нуклонов, ядер части субстрата, твердого тела, определенного нами в целом, что объект есть кристалл полупроводника химического соединения, арсенида галлия. В целом мы можем утверждать, что данные лептоны и нуклоны организованы в пространстве-времени и образуют кристаллическую решетку.

Далее – силы, определяющие возможность взаимодействия между частицами субстрата, и обстоятельства, определяющие возможность обнаружения туннельного эффекта. Определяющая сила – сила взаимодействия между зарядами противоположного знака лептонов, электронов и нуклонов ядер кристалла полупроводника, и нам известно, что сила взаимодействия между зарядами нуклонов и ядер определяет химическую связь в веществе, химическом соединении и относительно туннельного эффекта, туннельной эмиссии – ширину энергетического барьера, преодолеваемого квантовыми частицами, электронами.

Характеристики частиц субстрата, определяющие возможность наличия обстоятельств преодоления энергетического барьера, то есть силы взаимодействия между зарядами противоположного знака, рассмотрены далее (прим. см. лит. 3, 13). Заряд стационарных относительно наблюдателя нуклонов так организует электронный газ, что химическая связь в кристалле обобщена, то есть определенные электронные оболочки надмолекулярны, имеются общие для кристалла полупроводника в целом, внешние геометрически в пространстве-времени электронные оболочки, а графически в зонной теории строения твердых тел, есть зона проводимости, более нижняя электронная оболочка в пространстве-времени и графически в энергетическом спектре электронных уровней атомов кристалла расположенная ниже валентная зона.

Между ними «располагается» вакуум, то есть пустая, другими словами, запрещенная зона и в спектре энергетических уровней, геометрически «область» пространства-времени, окружающая нуклоны ядер атомов кристаллов с вероятностью нахождения в ней лептонов намного меньше единицы.

Наиболее внешняя геометрически, в пространстве, общая для всего кристалла полупроводника, и исходя из этого надмолекулярная электронная оболочка в спектре энергетических уровней, согласно зонной теории строения твердых тел, изображается выше всего, заполнена электронным газом и соответствующему функционально электронному газу, образующим металлическую связь в кристаллах проводников, то есть физико-химические процессы на данном электронном уровне (уровнях) характеристически соответствуют металлической связи, и функционально данный уровень обеспечивает проводимость электричества. Но так как есть дополнительные параметры и зависимости, то проводимость в полупроводнике, энергетический уровень отличается от имеющей место в металле, проводнике электрического тока.

Имеют существенное значение форма и величина потенциального барьера. Первое: форма потенциального барьера, согласно зонной теории строения твердых тел, становится треугольной, так как под действием внешнего электромагнитного поля наблюдаем наклон энергетических зон, соответственно, вероятность туннельного перехода увеличивается, общая величина энергетического барьера определяется физико-химической структурой полупроводника, процессом делокализации в поле заряда ядер атомов кристалла электронного газа.

Далее рассмотрим процесс туннелирования, просачивания туннельной частицы сквозь потенциальный барьер, и энергию, затрачиваемую квантовой системой на данный процесс. Данный процесс обусловлен волновыми свойствами квантовых частиц, то есть делокализацией в пространстве (пространстве-времени), такой что частица находится и на более высоком энергетическом уровне, и, соответственно, волновая функция частицы соответствует своим значением данному более высокому уровню.

Энергии на данный процесс квантовой системой не затрачивается, так как переход обусловлен квантово-волновым характером самой частицы, а не энергетическим взаимодействием со сторонней единицей субстрата.

Делаем следующий вывод исходя из имеющихся у нас данных: управлять данной квантовой системой с целью выработки энергии, применяя туннельный эффект, возможно тремя методами.

Первое: управлять физико-химической структурой материального объекта, то есть полупроводника, квантово-волновой структурой частиц субстрата адронов и лептонов, меняя ее так, что общая ширина энергетического барьера уменьшается. Второе: управляя квантово-волновой характеристикой. Частицы квантовых размеров отличаются квантово-волновым дуализмом отдельной частицы, в данном варианте электрона (лептона), так что частица становится более делокализованной и более соответствует высшему энергетическому уровню. Третье: управлять формой энергетического барьера.

Рассмотрим третье. Наклон энергетической зоны полупроводника во внешнем электромагнитном поле увеличивает вероятность прохождения электроном энергетического барьера. Соответственно, применяя воздействие электромагнитным полем на электронные оболочки полупроводника, энергетические зоны, продуцируем переход электрона в возбужденном состоянии на более высокий уровень с вероятностью более высокой. Для рассматриваемого устройства выбираем третий метод.

Для первых двух методов возможен иной подход: управлять не дуальностью поля, части поля, частицы, а изменять характеристики проводника поля, а именно пространства-времени, управлять мерностью пространства, то есть применять источники гравитационного поля для управления туннельным эффектом.

Энергия, затрачиваемая нами на туннельный эффект, есть энергия, необходимая для управления формой энергетического барьера, наклон энергетических уровней во внешнем поле, увеличивающий вероятность прохождения барьера квантовой частицей, и энергия на сам эффект квантовой либо другой системой не затрачивается, а затрачивается на процесс изменения граничных условий барьера, то есть на управление барьерными стенками. И если экспериментально доказать, что энергии на управление стенками потенциального барьера в сумме с энергией на лизис воды и энергии, затрачиваемой на подпитку системы, обусловленной уносом холодной плазмы-катализатора, затрачивается меньше, чем выделится в камере сгорания водорода в кислороде, то мы сможем утверждать, что данное устройство в космических условиях, ЭУ, находящееся на борту космического корабля, в пределах либо на поверхности изучаемой планеты, энергетически эффективно.