В данном разделе представлена информация о высокотемпературной шахтной печи и выпуска продукции, которую будет производить предприятии.

На Рис.1 показана высокотемпературная шахтная печь и схема материальных потоков на заводе.

Рис.1 Схема ВШП

 

Печь имеет зону загрузки утилизируемых отходов и добавляемых к ним шихтовых материалов - колошник 1. Ниже колошника располагается зона сушки, нагрева и термического разложения органических материалов и известняка - шахта 2. Далее вниз, по ходу опускания шихты в печи, следует зона начала плавления неорганических компонентов шихты распар 3, зона полного плавления неорганических материалов - заплечики 4, зона горения углерода шихты в кислороде дутья и накопления расплавленных масс - горн 5. Перерабатываемая шихта (отходы, известняк, топливо и другие возможные добавки) загружается скипами 6 в приемную воронку 7 без какой-либо предварительной подготовки в том виде, в котором отходы поступают на завод в мусороуборочных машинах. Днищем приемной воронки 7 служит малый конус 8. Когда малый конус опускается, шихтовые материалы ссыпаются в загрузочную камеру 9. Днищем камеры 9 служит большой конус 10, который также может опускаться для загрузки шихты в печь. После ссыпания шихты в печь большой конус 10 поднимается и герметично закрывает печь. Малый конус опускается после загрузки на него материалов из каждого скипа. Большой конус опускается после загрузки на него нескольких скипов шихты. Такая возможность накапливать на большом конусе различные массы шихты (4-8 скипов) имеет существенное значение для формирования столба шихтовых материалов в шахте печи с оптимальной газопроницаемостью.

Дутье подводится в горн печи 5 через фурмы 11, расположенные выше уровня жидких продуктов плавки в печи, и фурмы 12 нижнего ряда, подающие дутье под ванну жидкого шлака 14. Сюда же через фурмы 12 загружаются горновым засыпным устройством 15 уголь, те компоненты шихты, которые по технологии процесса требуется загружать в печь не через колошник, а сразу в горн (например, отходы хлорвиниловых материалов и других веществ, дающих большое количество токсичных выделений при разложении), а также корректирующие добавки шихтовых материалов. Наличие горнового засыпного аппарата делает печь малоинерционной, по сравнению с обычными доменными печами, не имеющими таких устройств. Кислород дутья, если таковым, например, является воздух, нагретый до 1000°С, попадая в горн 5, реагирует с углеродом отходов и угля в соответствии с реакцией

С + 0.5 O2 +1.88 N2 = СО + 1.88 N2 + Q кал.

Продукты сгорания имеют температуру около 2000°С и не имеют таких окислителей, как O2, CO2, H2О. Такая температура создает достаточно высокий термический потенциал в горне для расплавления неорганических компонентов шихты. Высокая восстановительная способность горновых газов и раскаленного углерода коксовых остатков шихты, поступающей в горн из заплечиков, создают условия для полного восстановления из окислов таких металлов, как железо, марганец, цинк, свинец и частичного восстановления кремния.

Горячие горновые газы, поднимаясь вверх навстречу опускающимся шихтовым материалам, отдают свое тепло и покидают печь через четыре газоотвода 16 с температурой 100-400°С. Из газоотводов 16 газы поступают в сухой пылеуловитель 17, затем — в мокрый скруббер 18 и устройство для тонкой очистки газов 19 (чаще всего это бывает электрофильтр). После этого часть газа (около 80% от общего количества) направляется в энергоблок 20 для производства тепловой и/или электрической энергии. Другая часть газа (около 20%) направляется в регенеративные воздухонагреватели 21 для нагрева дутья. Воздух для сжигания этого газа подается вентилятором 22.

Блок воздухонагревателей состоит из трех аппаратов, любая пара из которых способна полностью обеспечить нагрев дутья. Газ воздушная смесь для нагрева керамической насадки воздухонагревателей подается в камеры сгорания нагревателей горелками, снабженными против пульсационными устройствами, обеспечивающими полноту сгорания газов и предотвращение пульсаций давления газов в горелке и вибраций оборудования при помощи системы контроля и управления технологическими параметрами на основе микро ЭВМ. Продукты сгорания, покидающие аппараты 21, имеют температуру около 200°С и, проходя через дымовой боров 23, уходят в дымовую трубу 24. В эту же трубу подаются и продукты сгорания из энергоблока 20 по дымовой трассе 25.

Воздуходувка 26 подает холодный воздух в воздухонагреватели 21. Оттуда горячее дутье поступает в линию горячего воздухопровода 27, идущую к кольцевому распределительному трубопроводу 28. Последний имеет ряд отводов 29 и 30, расположенных равномерно по окружности горна и подводящих дутье к фурмам 11, расположенным выше уровня жидких продуктов плавки в горне, и к фурмам 12, через которые дутье подается в жидкую ванну металла в горне.

Давление газа в печи, создаваемое воздуходувкой 26, имеет такую величину, которой достаточно для проталкивания газов по всему тракту от горна 5 до дымовой трубы 24.

Предлагаемая схема получения газообразного топлива из отходов и угля, последующая очистка газов в специальной системе 17, 18, 19, сжигание газа в энергоблоке 20 и воздухонагревателях 21 обеспечивает полное уничтожение вредных и токсичных промежуточных продуктов разложения отходов, пыли и других материалов в дымовых газах до выхода их из дымовой трубы в атмосферу.

Комплексная система очистки отходящих газов отвечают самым строгим требованиям санитарных стандартов ведущих европейских стран.

Уловленная пыль, шлак и другие отходы собственного производства снова загружаются в печь горновым загрузочным устройством.

Выплавляемые шлак и металл накапливаются в горне 5 двумя слоями. Шлак - в верхнем слое 13, металл - в нижнем слое 14. Их удаление из печи производится периодически через шлаковую летку 31 и летку для металла 32. Часть металла - мертвый слой - 33 постоянно сохраняется в печи, а при необходимости может быть выпущена из печи через летку 34. Шлак при выпуске из печи стекает в шлаковый ковш 35, а металл в ковш 36. Затем шлак транспортируется в отделение переработки шлака 37, а металл - в отделение переработки металла 38.

Товарная продукция производится из жидких продуктов плавки без их дополнительного подогрева, так как они получают в печи достаточный перегрев.

Продукция из шлака и металла инертна и безопасна.

Следует отметить, что в предлагаемой системе переработка отходов может производится успешно и без загрузки в печь известняка и угля. Повышенная температура продуктов плавки за счет подачи дутья в жидкий металл гарантирует нормальную работу печи. Но при этом сильно сужается перечень видов продукции, изготовляемой из шлака и металла и заметно ухудшаются экономические показатели работы предприятия. Уголь, загружаемый в печь, только газифицируется, что само по себе экономически выгодно, а также стабилизирует тепловой режим печи при достаточно сильных колебаниях содержания горючих компонентов в перерабатываемых отходах, которые практически всегда имеют место на мусороперерабатывающих предприятиях, сжигающих отходы без предварительной сортировки их. Предварительная же сортировка бытовых отходов на заводах всегда сопровождается распространением в районе расположения завода неприятных запахов, образующихся при загнивании органических компонентов шихты, так как для проведения процессов сортировки отходов последние приходится много раз перелопачивать, раскрывая все новые и новые поверхности перерабатываемой массы, способствуя этим увеличению испарения вредных газов.

Калорийность горючего газа, образующегося в ВШП, равна 1655 ккал/м3, температура горения с холодным воздухом - 1930° С. Этого вполне достаточно, чтобы иметь возможность подогревать дутье в воздухонагревателях, работающих на этом газе, до 1800° С, если это потребуется.

Производственный план.

Общая площадь территории предприятия может составлять до 20 га. Предусмотрено выполнение работ по вертикальной планировке, подсыпке гравием проездной части и ее асфальтированию. В настоящем бизнес-плане приняты на уровне допущения следующие условия: здания приобретаются предприятием и монтируются на земельном участке, который выделяется Администрацией на срок не менее 25 лет. Сроки выполнения строительно-монтажных работ и работ по подготовке производства ориенти­рованны на завершение строительства в части основных производств определяются согласно Графика Финансирования.

Переработка ТБПО и организация производств по выпуску продукции определяют следующую структурную компоновку основных производств. Ниже на Рис.2 приведена структурная схема технологического процесса.

Продуктами, выходящими собственно из ВШП, являются горючий газ, жидкий металл и жидкий шлак и производимые из них продукты.

ГОРЮЧИЙ ГАЗ может быть использован для получения тепла, предназначенного для обогрева жилых домов и горячего водоснабжения, для организации тепличных хозяйств, выращивающих продукцию для населения. При сжигании газа под котлами электростанций может вырабатываться электрическая энергия, 10% которой уходит на полное самообеспечение завода, а остальные 90% - на продажу сторонним потребителям. При переработке горючего газа возможно получить синтетические моторные топлива.

ЖИДКИЙ МЕТАЛЛ может перерабатываться в литые изделия типа труб для канализации, крышек городских земляных колодцев, узорчатых оград для парков и различных учреждений. Металл может также поставляться на металлургические предприятия в виде металлодобавок в различных отраслях деятельности этих предприятий.

ЖИДКИЙ ШЛАК может перерабатываться в изделия из каменного литья, в керамическую облицовочную плитку, в черепицу для кровли, теплоизоляционные материалы (керпен), базальтовую нить и т.п.

Все виды продуктов ВШП с экономической точки зрения могут рассматриваться одновременно как готовая продукция, так и полуфабрикаты для дальнейшей их переработки в товары широкого спроса. Наличие возможности вариации номенклатуры товарной продукции является существенным фактором, обеспечивающим устойчивость деятельности предприятия в условиях постоянно меняющегося рынка.

Рис. 2.Структурная компоновка основных участков завода

 

Цех по приему ТБПО

Цех по изготовл-ю изделий из металла

Цех переработки металла

Цех по изготов- лению керпена

Цех по изготов- лению базальта

Бункерная эстакада

Цех переработки шлака

Высокотемпературная шахтная печь

Высокотемпературные воздухонагреватели

Газовый цех

Энергоблок

Водоочистные сооружения

 

Завод стройматериалов, на основе новой, экологически чистой и высокорентабельной российской технологии создаётся в целях:

 безотходной переработки широкого класса ТБПО и решения на этой основе задачи санитарной очистки городских и прилегающих территорий и вновь возникающих свалок, организации планомерной переработки ТБПО;

 производства из ТБПО ценных товарных продуктов, пользующихся неограниченным спросом на рынке: горючего газа (может использоваться для производства электроэнергии, тепла или для бытовых и технологических нужд), широкого класса строительных материалов и изделий из шлака (минеральная составляющая ТБПО), литейные конструкции и изделия из чугуна для нужд коммунального хозяйства (металлическая составляющая ТБПО);

Переработка ТБПО производится в специальной высокотемпературной шахтной печи, куда они загружаются из приёмной бункерной эстакады; туда же дополнительно подается небольшое количество низкосортного угля и известняка. В нижнюю часть печи вдувается воздух, подогретый в специальных воздухонагревателях до 1200-1500°С.

Сгорание углерода отходов и угля в горячем воздухе создаёт в нижней части шахтной печи температуру порядка 2000°С, обеспечивающую полную деструкцию любых видов отходов.

Наличие в шихте добавок угля приводит к стабилизации температуры в печи, без чего, как известно, выходили из строя лучшие американские заводы системы " Андко-Торрекс", построенные в США и Западной Европе в 70-е годы.

Наличие в шихте известняка обеспечивает очистку от серы, фтора и хлора. В основной части шахты, кроме зоны деструкции, создаётся восстановительная среда. Экологические показатели работы завода удовлетворяют практически всем существующим в мире нормам по вредным выбросам.

Основное оборудование, необходимое для создания завода, выпускается серийно для таких отраслей, как чёрная металлургия, энергетика, нефтепереработка и др.

Сырье.

В Табл. 5.3.1 приведены данные сырьевых потребностей предприятия в период реализации проекта.

Перерабатывается отходов	т	60 000	171,4	7,14
Расходуется угля	т	17 040	48,7	2,1
Расходуется известняка	т	19 700	56,0	2,3
Расходуется металлолома		9 000	25,0	1,1
Расходуется дутья в печь	м^3	53 016 317	151 475	6 311
Расходуется воздуха на воздухонагревателях	м^3	26 980 000	76 800	3 200
Расходуется воздуха энергоблоке	м^3	127 313 917	363 754	15 156
Расход оборотной воды	т	600 000	1 714	71,4
Всего

 

Для обеспечения различных по масштабу переработки ТБПО задач предлагается мощностной ряд установок с производительность по ТБПО 60000 т/г, 200000 т/г и 500000 т/г., из которых может компоноваться завод любого масштаба.

 

В качестве первого, головного завода по переработке ТБПО предлагается модуль с производительностью 60000-100000 т/г ТБПО. Площадь, занимаемая таким заводом, составляет порядка 2, 0 гектаров, его стоимость в ценах 1999г. составит порядка 45 млн. ЕВРО.

 

Все технологические процессы на таком заводе максимально автоматизированы. Режим работы завода непрерывный, круглосуточный, с 15-суточной ежегодной остановкой на профилактический ремонт.

 

Количество обслуживающего персонала зависит от номенклатуры выпускаемой продукции и может колебаться для модуля на 60000-100000 т/год от 120 до 150 человек.

 

В зависимости от выбранной номенклатуры выпускаемой продукции срок окупаемости завода колеблется в пределах 1.5 - 2.5 лет.

Экспертный Совет при Правительстве Российской Федерации принял решение № П39 – 630 от 26.10.95 г.: «Одобрить предлагаемую уникальную разработку и рекомендовать включить её в проект Федеральной целевой программы «ОТХОДЫ».

 

В соответствии с поручением Правительства Московской области специалистами ГУП «Экосистема» и сотрудниками рабочей группы НТС ГУП «Экосистема» рассмотрено предложение по строительству данных комплексов на территории Московской области (№01-93 от 09.07.2003 г.): «ГУП «Экосистема» в целом поддерживает предложение о строительстве указанного комплекса и готово принять участие в его реализации».

 

Управлением организационно-методического обеспечения Государственного экологического контроля Министерства Природных Ресурсов Российской Федерации Проект признан наиболее перспективным, а решение при помощи предлагаемой технологии проблемы утилизации твёрдых бытовых и промышленных отходов вопросов экологической безопасности – своевременным и целесообразным. (№33-01-1/340 от 27.03.2002 г.).

 

По заключению Экологической экспертизы Министерства Природных Ресурсов Республики Беларусь (№117 от 2004 г.) предлагаемая технология переработки твёрдых бытовых и промышленных отходов признана уникальной и рекомендована к внедрению на территории Республики Беларусь.

 

Правительство Московской области Постановлением № 232/15 от 22.04.2004 года включило настоящий Проект в Программу «Утилизация и переработка бытовых отходов на территории Московской области на период 2004-2010 г.г.» для первоочередной реализации в Коломенском, Сергиево-Посадском и Одинцовском районах Московской области.

 

Положительное Экспертное заключение по экологической безопасности Проекта за № 117 Министерства Природных Ресурсов Республики Беларусь было согласовано 30 апреля 2004 года.

 

Советом Министров Республики Беларусь принято решение о проведении подготовительной работы по строительству заводов ТБПО – 60 в городах: г. Минске, г. Витебске, г. Полоцке и г. Новополоцке.

 

ТЕХНИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА ПРОЕКТА ОБЕСПЕЧИВАЮТСЯ:

 Новой концепцией утилизации /переработки/ твёрдых бытовых и промышленных отходов без предварительной подготовки и сортировки. Данные операции не сопровождаются увеличением выделений вредных газов и запахов в окружающую атмосферу и рабочее пространство помещений, где работает персонал;

 полностью безотходным производством работ на заводе;

 высокой чистотой отходящих газов, достигаемой без применения каких-либо химических реактивов для очистки газов. В свою очередь это предотвращает увеличение дополнительных расходов средств на обеспечение проведения этих работ.

 

Следует подчеркнуть, что базовые компоненты нового оборудования и принципиальные процессы предложенной технологии были исследованы, проверены в промышленном эксперименте и отработаны в ходе научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проведенных Институтом высоких температур Академии наук СССР на ряде ведущих металлургических комбинатов и заводов в 70-80 гг. прошлого столетия.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРОЕКТА заключается в том, что предлагается техническое решение поставленной задачи - уничтожение ТБПО - не только в виде уничтожения образующихся в населенных пунктах отходов, ухудшающих экологическую ситуацию, но и в организации безотходной переработки отходов в товарную продукцию широкого спроса. Технология предусматривает безболезненное потребление отходов с любыми колебаниями в них содержания горючих компонентов вплоть до их полного отсутствия. Других таких технологий сегодня в мировой практике нет.

 

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ПРОЕКТА заключается в том, что предлагается техническое решение утилизации ТБПО не только для предотвращения загрязнения земельных участков складированием отходов, но и возвращение земельных площадей и ликвидации ныне существующих (как уже закрытых, так и действующих) полигонов и захоронений ТБПО, затраты на содержание которых достигают во всем мире весьма значительных сумм.

Обеспечивается возможность производства новой экологически чистой продукции в этой отрасли, реализация которой позволяет извлекать валютные ресурсы, достаточные как для возмещения капвложений и текущих технологических расходов, так и для получения прибыли, что позволяет превратить предприятия для утилизации ТБПО в элементы обычной производственной рентабельной отрасли, способной самостоятельно развиваться.

В перспективе появляется возможность уйти от необходимости требовать плату за переработку отходов от их поставщиков и, наоборот, платить им за поставку сырья. Это может в корне изменить положение дел с загрязнением территории жилых массивов в сторону их кардинальной очистки от отходов.

 

СОЦИАЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ от реализации ПРОЕКТА:

 в отсутствии выбросов в атмосферу вредных и токсичных веществ, пагубно влияющих на здоровье людей;

 в возвращении ранее загрязненных участков земельных площадей и рекультивированных полигонов хранения, соблюдении новых полигонов хранения в экологически чистом состоянии;

 в исключении попадания твёрдых бытовых и промышленных отходов в грунтовые воды с последующим восстановлением качества грунтовых вод;

 в приведении всех показателей состояния экологии окружающей среды в соответствие с требованиями санитарных норм наиболее благополучных в экологическом отношении государств мира;

 в производстве новых экологически чистых композиционных и строительных материалов для целого ряда отраслей народного хозяйства;

 в создании значительного числа высоко квалифицированных рабочих мест в различных отраслях промышленности;

 в возврате значительных отработанных материальных и энергетических ресурсов в экономику государства.

Предложенный метод переработки ТБПО является уникальным, экологически чистым, не имеющим прямых аналогов в мировой практике. Технология переработки сравнительно проста, базируется в основном на элементах промышленно освоенного оборудования.

Технология переработки отходов на ТБПО-60 является уникальной, экологически чистой и не имеет аналогов в мировой практике.

 

=========================================================

 

ИСТОРИЯ РОЖДЕНИЯ ВСЕЛЕННОЙ.

Основное прибежище плазмы на нашей планете — ионосфера. За её пределами плазма порождается в ходе некоторых природных процессов (например, грозовых разрядов), а также во время работы научных и бытовых приборов и технологических установок (например, дуговых сварочных аппаратов). Ионы имеются даже в пламени обычной спички, но их концентрация составляет ничтожные доли процента, поэтому о настоящей плазме тут не может быть и речи. Зато во Вселенной плазменное состояние обычной (не тёмной) материи отнюдь не редкость, а самая, что ни на есть, норма.

Космос — это настоящий океан плазмы, она буквально везде — от звездных недр и окрестностей до практически пустого межзвездного пространства.

В последние годы астрофизики и космологи пришли к единой точке зрения относительно того, что происходило в нашей Вселенной, когда её возраст перевалил за одну микросекунду (более ранние события всё ещё служат предметом дискуссий).

Возраст Вселенной составлял 10^–34 сек.

Великая Аннигиляция: согласно общепринятым космологическим теориям, после выхода из фазы инфляционного расширения Вселенная (ее возраст составлял тогда 10^–34 с) содержала совершенно одинаковые количества материи и антиматерии. Затем имели место процессы, которые полностью освободили ее от антиматерии, но сохранили часть материи.

Таким образом образовалась популяция протонов, нейтронов и электронов, которая в дальнейшем стала сырьем для изготовления всех атомов нашего мира.

В настоящее время на каждые 5 м³ космического пространства приходится в среднем по миллиарду квантов реликтового электромагнитного излучения, одному электрону и одному протону, состоящему из трех кварков. Число нейтронов всемеро меньше, и в свободном состоянии они не встречаются. А вот позитроны, антипротоны и антинейтроны хоть кое-где и рождаются, но в таком малом количестве, что в космологических масштабах ими можно пренебречь. Но так было отнюдь не всегда.

 

Возраст Вселенной составлял 10^–6 сек.

Когда возраст Вселенной приблизился к миллионной доле секунды, на каждый миллиард квантов приходилось примерно 3 млрд антикварков и 3 млрд и 3 кварка. Они вступили в аннигиляцию, «съевшую» все антикварки, но оставившую в живых ничтожную часть кварков, которые не нашли антипартнеров.

Уцелевшие кварки объединились в протоны и нейтроны, на что потребовалось не больше четырех-пяти микросекунд.

 

Возраст Вселенной составлял 1 сек.

Когда возраст мироздания достиг одной секунды, аннигилировали и исчезли позитроны, пребывавшие в таком же ничтожном дисбалансе с электронами. Вот так и возникла Вселенная, в которой плотность антиматерии практически не отличается от нуля.

Но если дисбаланса по частицам и античастицам сначала не было, то как же он возник? Физики и космологи спорят об этом вот уже несколько десятков лет, но до сих пор не пришли к единому мнению. Однако в последние годы была предложена теория, которая вроде бы более убедительна, чем конкурирующие модели. В качестве объяснения она привлекает квантовые превращения, происходящие с участием нейтрино очень высоких энергий.

 

В это время случилась так называемая Великая аннигиляция тогда ещё свободных кварковых частиц, которая уничтожила все антикварки, однако пощадила возникший до этого мизерный избыток кварков.

К тому времени, когда возраст мироздания достиг 10 микросекунд, кварки слились в тройки (порождая барионы — протоны и нейтроны) и пары (нестабильные мезоны, в основном пионы). На каждый барион приходилось около миллиарда высокоэнергетичных фотонов, температура которых в те времена составляла порядка 4 трлн градусов. На десятой микросекунде Вселенная заполнилась сверхгорячей плазмой чудовищной плотности (примерно 100 млн тонн на кубический сантиметр), состоящей в основном из высокоэнергетичных лептонов — электронов и позитронов, порождаемых из-за высокой температуры гамма-квантами. По сей причине эту фазу ранней истории Вселенной называют лептонной эрой (а предшествующую ей — кварковой). Размер наблюдаемой Вселенной тогда был меньше сотни астрономических единиц, то есть сильно уступал размерам современной Солнечной системы.

Лептонная эра продолжалась до тех пор, пока гамма-квантам хватало энергии для порождения электронов и позитронов. По мере расширения Вселенной температура фотонного газа постоянно снижалась и достигла 10 млрд градусов, когда возраст мироздания составлял примерно одну секунду. Образование пар (во все меньшем и меньшем количестве) продолжалось за счет «горячего хвоста» фотонного спектра, однако спустя несколько секунд, когда температура фотонов спустилась ниже 4 млрд градусов, оно полностью прекратилось. К моменту, когда Вселенной исполнилось 10 секунд, лептонная эра уже ушла в прошлое, оставив после себя очень горячую плазму плотностью 5 кг/см3, преимущественно состоящую из фотонов. Началась новая космическая эра, когда плотность электромагнитного излучения превышала плотность вещества. Эту эру так и называют — радиационной.

Возраст Вселенной составлял 3 минуты.

В истории мироздания очень важна трехминутная отметка. На этой стадии впервые появилась возможность формирования составных ядер — ядер дейтерия (протон плюс нейтрон). Энергия связи такого ядра равна 2,2 МэВ, что соответствует температуре в 25 млрд градусов. Температура упала до этой величины, когда Вселенной было всего четверть секунды. Можно подумать, что дейтерий начал образовываться уже тогда, но такой вывод будет ошибочным. Электромагнитное излучение Вселенной еще долго содержало достаточное количество горячих фотонов, которые разбивали новорожденные ядра дейтерия. Дейтерий смог «выжить», лишь когда доля фотонов с энергией более 2,2 МэВ сократилась до одной миллиардной (общее число фотонов в полтора миллиарда раз превышало число подлежащих объединению барионов!).

Это произошло, когда возраст Вселенной достиг одной минуты, а еще через две минуты процесс синтеза дейтерия пошел в полную силу. Новорожденные ядра этого изотопа принялись присоединять по одному протону и одному нейтрону (в любом порядке) — так появились альфа-частицы, ядра гелия. Этот процесс занял всего несколько минут и охватил практически все нейтроны (очень небольшая их часть пошла на не переработанный в гелиевом синтезе дейтерий, гелий-3 и литий-7). Исходное соотношение числа протонов и нейтронов равнялось 7:1, и каждая новая альфа-частица оставляла после себя 12 незадействованных протонов. Так космическое пространство оказалось заполненным ядрами водорода (75% общей массы) и гелия (25%). В наше время эти показатели равны 74% и 24% - оставшиеся 2% приходятся на более тяжелые элементы, порожденные процессами звездного нуклеосинтеза.

При синтезе гелия выделяется изрядная энергия (за счет этого горят звезды и взрываются водородные бомбы). Всего за несколько минут во вселенской термоядерной печи сгорело в сто раз больше водорода, чем потом во всех звездах нашей Вселенной. Однако при этом ничего особенного не произошло — Вселенная лишь немного нагрелась, после чего продолжала остывать входе дальнейшего расширения. Поскольку потепление охватило весь объем космоса, оно не породило компактных областей горячего сжатого газа в более холодной и разреженной среде, которые возникают при детонации любого заряда (хоть химического, хоть атомного).

Таким образом, гигантское выделение энергии в ходе первичного нуклеосинтеза практически не сказалось на эволюции Вселенной (к слову, то же самое можно сказать и о двух еще более сильных прогревах космоса во время аннигиляции кварков и антикварков, а затем электронов и позитронов).

Первичный нуклеосинтез вновь преобразовал состав горячей плазмы юной Вселенной.

 

Когда Вселенной стукнуло 57 000 лет, плотность лучевой энергии сравнялась с плотностью энергии частиц, а потом начала от нее отставать — наступил конец радиационной эры.

Возраст Вселенной составлял 400000 лет.

А вот потом в течение 400 000 лет она не претерпевала никаких качественных превращений. Все это время, во-первых, остывал радиационный фон, причем весьма быстро, пропорционально четвертой степени растущего линейного размера Вселенной. Во-вторых, уменьшалась плотность и обычной, и темной материи, но несколько медленней (как третья степень). Плотность фотонной энергии падала быстрее, поскольку растяжение пространства не только рассеивало кванты по все большему и большему объему, но и увеличивало длины их волн, тем самым снижая частоты.

Каким тогда казался бы космос разумному наблюдателю, если бы таковой существовал?

Когда Вселенной стукнуло 50 000 лет, она впервые засветилась видимым для нас голубым светом (до этого реликтовые фотоны были ультрафиолетовыми, а еще раньше, когда возраст Вселенной двигался от полутора минут к 600 годам, — рентгеновскими).

К 200 000 лет цвет фотонного фона сместился от голубого к желтому,

еще через 200 000 лет стал оранжевым, а по достижении миллиона лет сделался темно-красным.

В возрасте Вселенной 5 млн лет ее температура упала до 600 К, практически все реликтовые фотоны перешли в инфракрасную зону и в космическом пространстве настала беспросветная тьма.

Она начала рассеиваться лишь после появления самых первых звезд, где-то через 200 млн лет после Большого взрыва.

Но что же все-таки произошло через 380 000 лет после Большого взрыва? Несколькими десятками тысяч лет ранее электроны начали объединяться с ядрами. Сначала альфа-частицы присоединяли к себе по единственному электрону и превращались в однократно ионизированные атомы, а затем и по второму, так что получались нейтральные атомы гелия. Позднее это же случилось и с протонами, которые положили начало атомам водорода. Подобные слияния стали возможными потому, что в лучевом фоне сократилось количество фотонов с энергией больше энергии ионизации атомов гелия и водорода. Процесс рекомбинации растянулся на 80000 лет и практически завершился, когда температура фотонного фона упала ниже 3000 К. Повторилась трансформация, имевшая место в односекундной Вселенной: тогда пространство стало прозрачным для нейтрино, а теперь — для квантов электромагнитного излучения. Остывшие фотоны уже не могли рассеиваться на нейтральных атомах и, как некогда нейтрино, отправились в беспрепятственное путешествие по космосу. Эти реликтовые фотоны, остывшие с тех пор до 2,7 К, мы называем фоновым микроволновым излучением.

В итоге в космическом пространстве не стало свободных заряженных частиц — то есть плазма, в той или иной форме существовавшая как минимум с микросекундного возраста Вселенной, исчезла!

В результате рекомбинации она на многие миллионы лет уступила место нейтральному водородно-гелиевому газу, соседствовавшему (и взаимодействовавшему посредством гравитации!) со столь же нейтральными частицами темной материи. Когда Вселенная состарилась до 100 млн лет, а температура фонового излучения опустилась до 80К, темная материя начала стягиваться за счет собственного тяготения во все более и более плотные сгустки. Еще через 100 млн лет эти сгустки смогли втягивать в себя частицы космического газа, из которых сформировались коллапсирующие облака, положившие начало первым звездам. Уже предшественники первого поколения таких светил, так называемые протозвезды, возродили плазменное состояние материи, которое с тех пор и доминирует в космосе.

Плазма космических пустот

Хотя звездная и околозвездная плазма вносит основной вклад в энергетику Большого космоса, в общей массе барионной материи ее доля не превышает нескольких процентов.

Большая часть барионной материи (порядка 80%) приходится на заряженные частицы, рассеянные в пространстве между галактиками и их скоплениями. Еще около 10% составляет вещество, заполняющее внутригалактическое пространство, которое тоже проявляет типичные плазменные свойства. «Межгалактическая среда по составу чрезвычайно проста. Она преимущественно состоит из одиночных протонов и электронов, но включает частицы гелия и более тяжелых элементов, — объясняет Эллен Цвейбел, профессор астрономии Висконсинского университета в Мэдисоне. — Это самое разреженное вещество во Вселенной — на 1 м³ пространства не приходится и одной протонно-электронной пары (вблизи галактик и галактических кластеров этот показатель выше на один-два порядка). Именно поэтому межгалактическую плазму трудно наблюдать с помощью астрономических приборов. Кое-какую информацию удается получить при изучении спектров поглощения фотонов атомами элементов тяжелее водорода. Протоны и электроны межгалактической плазмы, как и любые заряженные частицы, взаимодействуют с космическими магнитными полями. Такие поля точно имеются вблизи галактик, но до сих пор не известно, существует ли единое фоновое магнитное поле, пронизывающее Вселенную. Некоторые астрофизики полагают, что такое поле существует, хоть мы не понимаем механизма его возникновения и не в состоянии измерить, так как его напряженность очень мала, меньше триллионной доли тесла. Возможно, что эту задачу со временем удастся решить, изучая поведение частиц межгалактической плазмы».

Плазма внутри галактик гораздо плотнее — в среднем 1 млн частиц на 1 м³, холоднее межгалактической и богаче тяжелыми элементами. В ее состав входят микропылинки, которых нет в межгалактической среде. К тому же межзвездная газовая среда преимущественно состоит из нейтральных атомов и молекул, концентрация которых может в сотни и тысячи раз превышать концентрацию заряженных частиц. Тем не менее такая среда хорошо проводит электричество и посему является вполне доброкачественной плазмой. Гравитационные поля стягивают частицы межзвездного газа в газо-пылевые облака, из которых рождаются звезды и планетные системы.