Гравитационные волны

Связь на гравитационных волнах

Гравитационно-волновая связь упоминается как атрибут техники далёкого будущего в ряде произведений научно-фантастической литературы (например, С. Снегов Люди как боги, К. Булычёв Похищение Тесея, С. Лукьяненко Именем Земли и др.).

Коллапс планетных и галактических систем

Эти волны описываются метрикой вида

Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

где -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

где удовлетворяют уравнению

Цилиндрические волны Эйнштейна — Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид

Закон всемирного тяготения

Основные положения закона всемирного тяготения

Материал из Знание.Вики

Общая теория относительности

• Введение
• История
• Математическая формулировка
• Предсказания

Специальная теория относительности

• Пространство-время
• Принцип эквивалентности
• Мировая линия
• Псевдориманово многообразие

…

Гравитация и космология

См. также: Проект:Физика

Швейцарская компания Energy Vault сообщила о завершении строительства и сдаче в эксплуатацию первого в мире коммерческого гравитационного аккумулятора энергии.

Гравитационный аккумулятор энергии

Установка построена в Китае. Её мощность достигает 25 МВт, а ёмкость — 100 МВт·ч. Она переводит электрическую энергию в кинетическую при поднятии бетонных блоков на высоту и снова высвобождает её при спускании блоков на землю.

Хранилище гравитационной энергии

Построенное в Китае хранилище гравитационной энергии — это первое такое сооружение коммерческих масштабов. До этого в Швейцарии компания Energy Vault построила демонстрационную установку мощностью 5 МВт, но реализованный в Китае проект затмевает её. Более того, на волне успеха Китай требует построить ещё пять подобных накопителей общей ёмкостью 2 ГВт·ч.

Гравитационные накопители

Гравитационные накопители по физике процесса напоминают гидроаккумулирующие электростанции, но без насосов и капризного оборудования. Груз в виде монолитных 24-т блоков поднимается на высоту до 100 и более метров и спускается в часы, когда требуется энергия. Это неплохой буфер для источников энергии из возобновляемых ресурсов и, прежде всего, от Солнца и ветра.

КПД гравитационной станции Energy Vault

КПД гравитационной станции Energy Vault начинается с 75 % и может превышать 80 %. Загрузка блоков (запасание энергии) может продолжаться от 2 до 12 часов и более в зависимости от задач и источников.

Эксплуатация в провинции Цзянсу

Вводимая в эксплуатацию система в провинции Цзянсу недалеко от Шанхая будет работать в течение 4 часов. К сети электропередачи она будет подключена в четвёртом квартале текущего года. Местным властям так понравился проект, что они заказали ещё один такой накопитель.

Поляризованная гравитационная волна

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО). Впервые они были обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами обсерватории LIGO. Косвенные свидетельства существования гравитационных волн были известны с 1970-х годов.

Описание гравитационных волн

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими движущееся возмущение метрики пространства-времени. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

Амплитуда и свойства

Амплитудой гравитационной волны является относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов в Солнечной системе весьма малы. Слабая (линейная) гравитационная волна переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу.

Видео о гравитационных волнах

Смотреть видео

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Данная статья имеет статус готовой. Однако, если вы хотите улучшить статью — правьте смело!

Energy Vault: инновационные гравитационные аккумуляторы

Швейцарская компания Energy Vault к лету завершит строительство самых масштабных в мире площадок по аккумулированию электрической энергии в гравитационных системах. Один аккумулятор строится в США, а второй — в Китае.

Особенности гравитационных аккумуляторов:

• Просты и надежные
• Собираются из местных комплектующих
• Могут работать в любых климатических условиях без сложного климатического оборудования

Энергия будет запасаться при подъёме 24-тонных блоков на высоту свыше 100 метров. Её выработка будет происходить в процессе контролируемого спуска блоков на уровень земли.

Строительство и работа аккумуляторов:

По словам проектировщиков, в момент избытка электрической энергии 24-т блоки подаются к лифтам и поднимаются на высоту. В США сооружение будет достигать в высоту 140 м, а в Китае — 120 м.

Когда выработка электрической энергии падает, что актуально в случае солнечной и ветряной энергетики, блоки спускаются на лифтах вниз, раскручивая роторы генераторов и вырабатывая электричество.

Производительность и характеристики:

За время спуска блока размерами 3,5 × 2,7 × 1,3 м со скоростью 2 м/с вырабатывается примерно 1 МВт электричества с КПД более 80 %. Здания гравитационного аккумулятора можно строить не только вверх, но и вширь, таким образом наращивая ёмкость хранения энергии.

Например, хотя китайский аккумулятор будет ниже строящегося в США, за счёт большей площади сооружения он может хранить до 100 МВт·ч электричества, тогда как американский — всего 36 МВт·ч.

Строительство и материалы:

Блоки для запасания энергии изготавливаются на месте из прессованной земли. Добавляются только скрепляющие растворы не более 1 % на вес блока. Система простая и неприхотливая в эксплуатации. Разработчик даёт 35 лет гарантии на работу гравитационной аккумулирующей системы.

Эксплуатация и расширение платформы:

В Швейцарии компания Energy Vault с 2020 года эксплуатирует опытный аккумулятор ёмкостью 5 МВт·ч. Он подключён к местной электросети и является не просто демонстратором, а рабочим инструментом.

Два новых проекта — один в США в Снайдере (штат Техас) и второй в Китае к северу от Шанхая — станут доказательством хорошего и надёжного масштабирования платформы.

Заключение:

Гравитационные аккумуляторы Energy Vault представляют собой инновационный подход к хранению электрической энергии, который обладает значительными преимуществами в эффективности и экологичности. Компания продолжает развивать свои проекты, что делает их одними из самых перспективных в области возобновляемых источников энергии.

Источник изображения: Energy Vault

Однако проделать то же самое на микроуровне (в квантовом мире) с частицами, которые находятся друг от друга на маленьких расстояниях и имеют такую же массу, непросто. Отчасти из-за слабости гравитации, которая возникает между этими крошечными объектами, но также и потому, что более крупные тела поблизости могут зашумлять гравитацию более мелких тел. Поэтому ученые пока точно не знают, что происходит с гравитацией на микроскопическом уровне, где доминируют квантовые эффекты. Уже давно многие физики ищут способ, который позволил бы провести результативные измерения квантовой гравитации в лабораторных условиях.

Международная команда физиков из Великобритании, Нидерландов и Италии под руководством Хендрика Ульбрихта (Hendrik Ulbricht) из Саутгемптонского университета (Великобритания) разработала устройство, позволяющее измерить гравитационное притяжение в небольших масштабах. О своем изобретении ученые рассказали в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

Эти измерения удалось провести с помощью левитирующей магнитной частицы, состоящей из трех склеенных магнитов Nd 2Fe14B 0,25×0,25×0,25 миллиметра и массой 0,43 миллиграмма (разумеется, это все еще много для квантового мира). Частица поднималась в воздух под действием магнитного поля, чтобы противодействовать гравитации Земли. Магнитное поле создавали сверхпроводящие устройства — электромагнитные экранированные ловушки.

Чтобы исследовать поведение частицы, ученые поместили рядом с ней другой объект, большей (испытуемой) массой — около килограмма, который воздействовал на нее своим слабым гравитационным полем. Ученые смогли измерить это воздействие. Выяснилось, что под действием гравитации крупного тела частица смещалась на нанометры, а сила, действующая на частицу, составила всего 30 аттоньютонов (аттоньютон — одна миллиардная миллиардной доли ньютона). Это самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в экспериментах на сегодняшний день.

Во избежание влияния электрических сил и внутреннего воздействия тепла, ученые охладили частицу почти до абсолютного нуля — до около минус 273 градусов по Цельсию. Также физики использовали систему пружин для изоляции внешних вибраций, создаваемых вторым телом.

По мнению авторов исследования, результаты их работы в будущем приведут к новым открытиям в науке о гравитации и квантовом мире.

Наша новая техника, которая использует чрезвычайно низкие температуры и устройства для изоляции вибрации частицы, вероятно, сможет существенно продвинуть измерения в области квантовой гравитации, — пояснил Ульбрихт.

Следующий этап эксперимента — уменьшение испытуемой массы объекта до массы магнитной частицы, чтобы можно было измерить гравитационное притяжение, пока частица показывает квантовые эффекты, такие как запутанность или суперпозиция. Ульбрихт отметил, что добиться этого будет сложно, поскольку такие малые массы потребуют невероятной точности всех составляющих опыта, например, точного расстояния между частицей и воздействующим объектом.

Также необходимо учитывать возможные погрешности, связанные с такими факторами, как температура и магнетизм. По словам физика, на достижение этих целей может уйти как минимум десятилетие.

Отметим, что опыты, проведенные группой Ульбрихта, не первые в своем роде. В 2021 году физики измерили силу гравитационного притяжения божьей коровки, а точнее, золотого шарика с аналогичной массой — 90 миллиграммов. На тот момент это была самая маленькая сила тяготения, когда-либо измеренная в эксперименте.

Международной команде физиков удалось измерить гравитационное притяжение магнитной частицы массой в 200 с лишним раз меньше массы божьей коровки. Авторы надеются, что в скором будущем их изобретение позволит понять, как работает гравитация в квантовом мире.

В наше время весьма активно развиваются возобновляемые источники энергии, включая солнечные элементы, ветроэнергетику, геотермальную энергетику, энергию приливов волн и т. п. Но всё это — способы получить энергию. А вот с накоплением всё немного сложнее.

Так, те же литиевые аккумуляторы дорогие, достаточно «грязные», включая как производство, так и утилизацию. Да и жизненный цикл их не такой уж и большой. А ещё запасы лития на Земле вовсе не бесконечны. Так что учёные ищут новые способы хранения энергии, и, кажется, это им удаётся. Одна из относительно новых технологий — гравитационные аккумуляторы.

Новое — хорошо забытое старое

Сегодня поговорим лишь о разновидности гравитационных аккумуляторов, где используются только твёрдые материалы, в основном бетон и металл. Дело в том, что накопительные гидроэлектростанции — вовсе не новая технология, существуют они десятки лет. Но их использование предполагает наличие определённой конфигурации местности и большого количества воды. Возвести НГЭС непросто, это дорогое удовольствие.

А вот бетонные аккумуляторы — отличный вариант. Они работают по известному принципу: при наличии избытка энергии система накапливает её, в данном случае поднимая груз на определённую высоту. А когда энергии не хватает, груз опускается, преобразуя потенциальную энергию в кинетическую, а затем в электрическую при помощи генератора.

Главное достоинство концепции в том, что такие аккумуляторы можно строить везде — хоть в пустыне, хоть в условиях прохладного климата. Есть там вода или нет, не суть важно. Да и основные материалы, как и говорилось выше, — металл и бетон. Они относительно дёшевые, их много, плюс служить они могут гораздо дольше, чем химические батареи. Стоимость эксплуатации такой системы меньше, чем НГЭС, а если что-то сломается, можно быстро починить.

А уже есть примеры работающих систем?

Да, и самый показательный пример — крупная гравитационная накопительная установка, которая построена швейцарцами в Китае. Разработка реализована компанией Energy Vault, которая имеет большой опыт в проектировании и создании подобных систем. Проект получил название EVx.

Работает она просто — используется принцип подъёма и опускания бетонных блоков для всё того же накопления высвобождения потенциальной энергии. Накопить можно до 100 МВт*ч. Эта станция построена в провинции Цзянсу, и на данный момент она является первым в мире коммерческим гравитационным аккумулятором. Энергия запасается при подъёме 24-тонных блоков на высоту свыше 100 метров.

Кстати, в этой установке используется система лифтов, а не кранов с блоками, как было раньше. Краны использовались в прототипе EV1 компании Energy Vault, который был построен в Швейцарии в 2020 г. с характеристиками 5 МВт и 35 МВт*ч.

По словам создателей системы, её эффективность составляет 75%. То есть аккумулятор возвращает около 75% накопленной кинетической энергии. Конечно, желательно повысить этот показатель, но для такого рода накопителей 75% — отличный результат. Достоинство системы в том, что она простая, надёжная, собирается из местных комплектующих, включая блоки, и может работать в любых климатических условиях без специального контроля и сложного климатического оборудования.

Ещё один положительный момент в том, что при необходимости «ёмкость» такого накопителя энергии можно увеличить — как за счёт увеличения высоты конструкции, так и за счёт её расширения в стороны. Это относительно быстрый и безопасный для всей конструкции процесс.

Что касается бетона, то в случае Evx используется не он, а прессованный грунт. Для того чтобы его скрепить, добавляются специальные растворы — примерно 1% от массы блока. Накопитель достаточно надёжный, компания даёт сразу 35 лет гарантии на работу своей системы.

Не только Китай

Проекты гравитационных накопителей создавались и раньше, правда, они не были коммерческими. Но сейчас, одновременно со швейцарской компанией, предложение разработать такой аккумулятор поступило от команды исследователей из IIASA. Причём они предлагают минимум строительства: не возводить башни и здания для подъёма грузов, а, наоборот, строить накопители на базе шахт. Они есть почти во всех странах, причём заброшенных шахт больше, чем активных. Поэтому всё, что нужно — построить подъёмник и систему грузов.

Получив избыточную энергию днём от ветряков или солнечных панелей, ночью энергохранилище будет её отдавать

Это, во-первых, поможет накапливать энергию. Во-вторых, поддержит местные населённые пункты, ранее зависевшие от шахт. «Когда шахта закрывается, увольняются тысячи рабочих. Это разоряет сообщества, экономика которых зависит только от шахты. UGES создаст вакансии, поскольку шахта будет предоставлять услуги по хранению энергии после прекращения работы. Шахты уже имеют базовую инфраструктуру и подключены к электросети, что значительно снижает стоимость и облегчает внедрение станций UGES», — говорит Джулиан Хант, научный сотрудник программы IIASA по энергетике, климату и окружающей среде и ведущий автор исследования.

Кроме того, есть и ещё один способ — гравитационные накопители на базе вагонеток. Когда выработка энергии высока (ветер дует, солнце светит), вагоны с помощью электродвигателей заезжают в гору — накапливают потенциальную энергию. Если выработка энергии падает, а потребление растёт (вечер — ветер стих, солнце скрылось), вагоны скатываются, двигатели при этом работают в режиме генератора и отдают электроэнергию в сеть. Эффективность такой системы сравнима с китайской — около 86%.

Сейчас накопители энергии, подобные тем, что уже созданы в Китае, планируют построить и в других странах. Насколько можно судить, это перспективная технология, которая поможет оптимизировать энергоснабжение отдельных регионов. Так что в ближайшее время стоит ожидать появления коммерческих проектов гравитационных аккумуляторов по всему миру.

Только зарегистрированные пользователи могут участвовать в опросе. Войдите, пожалуйста.

Как вы считаете, это действительно перспективная технология?

Честно говоря, плохо разбираюсь в вопросе.

Нет, это совсем не так.

Свой вариант ответа, отпишусь в комментариях.

Проголосовали 200 пользователей. Воздержались 27 пользователей.

Гравитационное поле в общей теории относительности

В общей теории относительности (ОТО) гравитационное поле является не отдельным физическим понятием, а свойством пространства-времени, появляющимся в присутствии материи. Этим свойством является неевклидовость метрики (геометрии) пространства-времени, и материальным носителем тяготения является пространство-время. Тот факт, что гравитацию можно рассматривать как проявление свойств геометрии четырёхмерного неевклидова пространства, без привлечения дополнительных понятий, есть следствие того, что все тела в поле тяготения получают одинаковое ускорение («принцип эквивалентности» Эйнштейна). Пространство-время при таком подходе приобретает физические атрибуты, которые влияют на физические объекты и сами зависят от них.

Другие существенные отличия гравитационного поля ОТО от ньютоновского: возможность нетривиальной топологии пространства, особых точек, гравитационные волны.

Классические теории гравитации

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

где — гравитационная постоянная. Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Гравитационный коллапс двойной системы

Закон тяготения Ньютона

В рамках классической физики гравитационное взаимодействие описывается «законом всемирного тяготения» Ньютона, согласно которому сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками с массами и пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Здесь — гравитационная постоянная, приблизительно равная м³/(кг с²), — расстояние между точками.

Решение задачи динамики в общем случае, когда тяготеющие массы нельзя считать материальными точками, подразделяется на два этапа: вначале рассчитывается гравитационное поле, создаваемое этими массами, а затем определяется его действие на массивные тела в изучаемой системе.

Расчёт гравитационного потенциала

Гравитационное поле является потенциальным. Его потенциал удовлетворяет уравнению Пуассона:

где — оператор Лапласа. Решение данного уравнения имеет вид:

Здесь — радиус-вектор точки, в которой определяется потенциал, — радиус-вектор элемента объёма c плотностью вещества , а интегрирование охватывает все такие элементы. На бесконечности .

В частном случае поля, создаваемого расположенной в начале координат точечной массой , потенциал равен

Этим же выражением описывается потенциал тела со сферически-симметрично распределённой массой , за его пределами.

где за начало координат принят центр масс тела, — главные моменты инерции тела, — момент инерции относительно оси . Эта формула несколько упрощается для астрономических объектов, представляющих собой сплюснутые сфероиды вращения с концентрически однородным распределением масс. У таких тел и где — угол между и плоскостью главных осей и . В итоге

Движение в гравитационном поле

Если потенциал поля определён, то сила притяжения, действующая в гравитационном поле на материальную точку с массой , находится по формуле:

В частном случае поля точечной массы , расположенной в начале координат (), действующая сила составит

Траектория материальной точки в гравитационном поле, создаваемом много большей по массе материальной точкой, подчиняется законам Кеплера. В частности, планеты и кометы в Солнечной системе движутся по эллипсам или гиперболам. Влияние других планет, искажающее эту картину, можно учесть с помощью теории возмущений.

Здесь: — угловой момент относительно центра масс, — равнодействующая моментов действующих сил относительно центра масс. Более общий случай, когда масса исследуемого тела сравнима с массой источника поля, известен как задача двух тел, и её формулировка сводится к системе двух независимых движений. Исследование движения более чем двух тел («задача трёх тел») разрешимо только в нескольких специальных случаях.

Недостатки ньютоновской модели тяготения

Практика показала, что классический закон всемирного тяготения позволяет с огромной точностью объяснить и предсказать движения небесных тел. Однако ньютоновская теория содержала ряд серьёзных недостатков. Главный из них — необъяснимое дальнодействие: сила притяжения передавалась неизвестно как через совершенно пустое пространство, причём бесконечно быстро. По существу ньютоновская модель была чисто математической, без какого-либо физического содержания. Кроме того, если Вселенная, как тогда предполагали, евклидова и бесконечна, и при этом средняя плотность вещества в ней ненулевая, то возникает гравитационный парадокс: потенциал поля всюду обращается в бесконечность. В конце XIX века обнаружилась ещё одна проблема: заметное расхождение теоретического и наблюдаемого смещения перигелия Меркурия.

На протяжении более двухсот лет после Ньютона физики предлагали различные пути усовершенствования ньютоновской теории тяготения. Эти усилия увенчались успехом в 1915 году, с созданием общей теории относительности Эйнштейна, в которой все указанные трудности были преодолены. Теория Ньютона оказалась приближением более общей теории, применимым при выполнении двух условий:

Регистрация гравитационных волн

Первый период наблюдения (сезон O1) — с 12 сентября 2015 по 19 января 2016. В это время действовал только детектор LIGO, и он обнаружил три гравитационных всплеска. После этого инструмент был остановлен для усовершенствования и повышения чувствительности.

После этого оба детектора были вновь остановлены для модернизации.

Третий период наблюдения (сезон O3) — с апреля 2019 года. Сейчас (ноябрь 2020) подведены итоги периода O3a: с 1 апреля по 1 октября 2019 (зарегистрированных событий: 39, рекордное количество); данные сезона O3b (1 ноября 2019 года — 27 марта 2020) ещё обрабатываются. В данный момент оба детектора остановлены на очередную модернизацию, что сделает их ещё более чувствительными; планируется, что они возобновят работу в 2021 году.