Текст книги "Журнал "Компьютерра" №691"

Автор книги: Компьютерра Журнал

Жанры:

Прочая документальная литература

Прочая компьютерная литература

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 10 страниц)

Назад к карточке книги

По-видимому, первыми с термоакустикой столкнулись стеклодувы, еще в XIX веке. Они иногда слышали чистый звук, издаваемый неравномерно нагретыми сосудами. Тогда же эффект генерации звука при наличии перепада температур был изучен и описан в трудах классиков науки. Но на практике с термоакустической неустойчивостью серьезно начали работать лишь в середине прошлого века создатели ракетных двигателей, в соплах которых большие перепады температур приводили к самовозбуждению звуковых колебаний, способных разрушить всю конструкцию. И лишь в восьмидесятых годах было осознано, что можно использовать и обратный эффект перекачки тепла звуковыми волнами. На основе термоакустического эффекта стали разрабатывать тепловые насосы, то есть холодильники для спутников и радаров. Возник интерес и к термоакустическим генераторам электроэнергии.

Механизм работы термоакустического устройства легче всего понять на примере теплового насоса. В простейшем случае он состоит из настроенной в резонанс со звуковыми колебаниями трубы, в которую помещен кусок пористой керамики или пучок параллельных заполненных газом тонких трубок. С одной стороны трубы помещают динамик, похожий на тот, что используют в звуковых колонках. В возбуждаемых динамиком стоячих звуковых волнах газ колеблется взад и вперед, нагреваясь при сжатии и охлаждаясь при расширении. Этот перепад температур мал – всего две сотые градуса даже для громкого звука на болевом пороге нашего слуха (120 децибел). Но если правильно подобрать материал и размеры трубок, этого оказывается достаточно, чтобы обменивающийся с ними теплом газ создал в пучке необходимый градиент температуры.

Точно так же, но в противоположном направлении работает и термоакустический генератор, в котором звуковые колебания возникают при поддержании перепада температур в пучке трубок. А уже эти звуковые колебания нетрудно превратить в электрический ток с помощью того же динамика, который будет работать как микрофон, то есть линейный электрогенератор. Если же в качестве динамика использовать пьезопластину, в таком устройстве совсем не будет движущихся частей. Первые термоакустические холодильники и генераторы были примерно вдвое менее эффективны, чем обычные компрессорные холодильники и двигатели внутреннего сгорания. Однако постоянное совершенствование их конструкции позволило ликвидировать отставание, а в некоторых случаях даже добиться эффективности около 40%.

В "кухонном комбайне" для развивающихся стран будет два пучка трубок и один динамик между ними в общей трубе-резонаторе, которая конструктивно соединена с плитой. Горящие дрова одновременно с кастрюлями и сковородами будут нагревать один из концов первого пучка – в нем возникнут звуковые колебания с частотой, по предварительным расчетам, около пятидесяти герц. Эти звуковые колебания будут раскачивать генерирующий электричество динамик и создавать перепад температур во втором пучке, работающем как холодильник. Конструкция гениально проста, и будем надеяться, что она действительно окажется эффективной.

Такой генератор, наверное, придется весьма кстати, если понадобится подзарядить "стодолларовый ноутбук" ребенка. Однако не очень понятно, станет ли хорошая хозяйка в жаркой Африке день и ночь что-то жечь, чтобы работал ее холодильник. Впрочем, до конца этого проекта еще пять лет, а первые рабочие прототипы обещаны лишь через три года, так что за это время многое может измениться, включая и саму концепцию устройства. ГА

Беспроводная энергетика

Новую технологию беспроводной передачи энергии продемонстрировали физики из Массачусетского технологического института (МТИ). Две магнитные антенны диаметром 60 см, настроенные на одну резонансную частоту, обеспечили энергией лампочку мощностью 60 Вт.

Как дистанционно зарядить беспроводное устройство вроде ноутбука, сотового телефона или домашнего робота? Для передачи энергии можно использовать электромагнитные волны, но они будут уносить львиную часть энергии в окружающее пространство… Работающие на высоких частотах узконаправленные антенны или лазеры опасны. Не дай бог, что-то окажется на пути концентрированного пучка электромагнитного поля. А связанные, как в обычном трансформаторе, магнитные катушки эффективно работают только в непосредственной близости друг от друга.

Год назад научная группа из МТИ предложила использовать так называемые нераспространяющиеся (evanescent) электромагнитные волны. Они быстро затухают вблизи излучателя и не уносят энергии в пространство, но их энергию можно использовать, если на расстоянии меньше длины волны от источника поместить настроенный в резонанс приемник.

И вот теперь эта идея была впервые реализована. Две резонансные катушки, настроенные на частоту десять мегагерц, что соответствует длине волны тридцать метров, были размещены в двух метрах друг от друга. К одной был присоединен передатчик, а к другой приемник и лампочка. Вокруг излучающей катушки возбуждается в основном магнитное поле, которое в отличие от электрического слабо взаимодействует с большинством тел, если в них нет ничего настроенного с этим полем в резонанс. Поэтому такая антенна практически безопасна, а любое электронное устройство, помещенное между антеннами, не помешает передаче энергии и будет нормально работать. Настроенные в резонанс антенны оказываются сильно магнитно связаны, и энергия передается приемнику с эффективностью около сорока процентов. Остальные шестьдесят процентов поглощаются излучателем.

Результаты демонстрационных экспериментов хорошо совпали с предсказаниями теории. Но полуметровая антенна великовата для использования в быту, и в ближайшее время ученые обещают продемонстрировать передачу энергии на более компактные приемные антенны. Кроме того, шестьдесят процентов потерь при передаче – чересчур большая плата за беспроводное удобство. И хотя пока трудно сказать, найдет ли эта технология практическое применение, начало исследований получилось многообещающим. ГА

Казимиру жидкости покорны

Американские физики экспериментально доказали, что эффект Казимира проявляется не только в вакууме, но и в жидкостях. Эту работу выполнили Джереми Мандэй и Федерико Капассо (Jeremy Munday, Federico Capasso), работающие в Гарвардском университете.

Эффект, о котором идет речь, в 1948 году предсказал голландский физик-теоретик Гендрик Казимир. Он показал, что между двумя идеально отражающими параллельными зеркалами, помещенными в глубокий вакуум, возникает сила притяжения чисто квантовой природы. Согласно гейзенберговскому соотношению неопределенностей, в вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные фотоны электромагнитного излучения. Спектр энергий тех квантов, которые могут появиться между зеркалами, чуть уже энергетического спектра свободного пространства, поскольку некоторые состояния этих квантов в межзеркальной щели запрещены. Энергия виртуальных фотонов вносит вклад в суммарную энергию физического вакуума, которая считается нулевой. Поскольку в пространстве между пластинами этих фотонов меньше, нежели вовне, плотность вакуумной энергии там отрицательная. По этой причине в вакууме возникнет негативное давление, направленное перпендикулярно зеркалам, которые в результате начнут притягиваться друг к другу.

Эффект Казимира довольно трудно измерить. Сила казимировского притяжения обратно пропорциональна четвертой степени ширины щели, так что зеркала должны находиться очень близко друг к другу. Кроме того, идеальные зеркала существуют только в теории. На практике приходится пользоваться тщательно отполированными металлическими поверхностями, которые неодинаково отражают фотоны разных частот, что уменьшает силу Казимира. Впервые ее существование было экспериментально подтверждено лишь в 1958 году, а затем со все возрастающей надежностью – в 1997-м и в последующие годы. Новейшие измерения подтвердили теоретические вычисления с точностью до одного процента.

Все эти эксперименты проводились в глубоком вакууме. Теперь Мандэй и Капассо проверили, в какой степени сила Казимира экранируется жидкой средой. Они положили на дно ванночки с этанолом отполированную золотую пластинку и подвесили над ней позолоченный пластиковый шарик диаметром 40 мкм. Благодаря силе Казимира, шарик несколько сместился по направлению к пластине, что зарегистрировал лазер сенсора. Обработка результатов показала: когда дистанция между шариком и пластинкой составила 50 нм, сила Казимира оказалась вдвое меньше вакуумного значения. Это ослабление имеет ту же физическую природу, что и влияние неидеальности зеркал. Этанол изменяет спектр флуктуаций виртуальных фотонов и тем самым влияет на величину казимировского притяжения. АЛ

Неприкосновенные

Первым взрывчатым веществом (ВВ), которое применил человек, был дымный порох, изобретенный в Китае где-то в VII веке. Примерно через пять веков дымный порох проник в Европу. С тех пор химия ВВ – наука о том, «как взорвать что угодно» – хоть и продвигается вперед, но далеко не теми семимильными шагами, которые делают другие области химического знания. Это вызвано в первую очередь очень жесткими требованиями, предъявляемыми к современным ВВ: они должны быть, с одной стороны, достаточно мощными, а с другой – удобными для использования в технологических процессах, нечувствительными к случайным внешним воздействиям и при этом дешевыми.

Сам взрыв является следствием быстропротекающей экзотермической окислительно-восстановительной реакции. Реакция инициируется в какой-то точке ВВ (детонация) и распространяется с высокой скоростью, в результате весь объем ВВ вовлекается в реакцию и взрывается как единое целое. В ходе реакции образуется большое количество газообразных продуктов, молекулы которых разлетаются в разные стороны от точки взрыва, обладая высокой кинетической энергией, то есть температурой. Чем больше газов и чем выше температура взрыва, тем больший разрушительный эффект можно ожидать. Часто для того, чтобы удовлетворить всем требованиям, применяют различные сочетания ВВ с другими компонентами, но сейчас речь идет об индивидуальных ВВ, о молекулах, которые буквально двигают горы своей спрятанной до поры энергией.

Рекордсменами взрывной мощности и, следовательно, важнейшими ВВ являются нитропроизводные различных органических молекул. Нитроглицерин (скорость детонации 7650 м/с), очень чувствительный к удару и входящий в состав динамита, получен А. Собреро еще в 1846 году. Тринитротолуол (тротил, скорость детонации 6700–7000 м/с) получен Й. Вильбрандом в 1863 году и до сих пор является одним из основных ВВ, применяемых как в чистом виде, так и в смеси с небезызвестным гексогеном (скорость детонации 8360 м/с), синтезированным в 1890 году. Последний более мощен и чувствителен к внешним воздействиям, чем тротил. Скоростью детонации в 9124 м/с может похвастаться октоген, который был впервые обнаружен Райтом и Бахманом в 1941 году как примесь к гексогену. Органические нитропроизводные объединяет то, что окислитель и восстановитель в них входят в состав одной и той же молекулы. В качестве окислителя выступают нитрогруппы (NO2), а восстановителем служат атомы углерода органических групп, таких как метиленовая (CH2), то есть "взрывная" окислительно-восстановительная реакция в данном случае может протекать как по внутримолекулярному, так и по межмолекулярному механизму. Именно поэтому упомянутые соединения можно использовать в чистом виде. В ходе взрыва образуются CO2, N2 и H2O.

В 1999 году в Чикагском университете Филипп Итон и Мао-Си Чжан (Philip Eaton, Mao-Xi Zhang) синтезировали октанитрокубан, самое мощное ВВ, порожденное химией на сегодняшний день: скорость детонации 9800 м/с, температура взрыва 5800 °С. Получение этого соединения – значительное достижение не только технологов ВВ, но и химиков вообще. Молекула октанитрокубана, C8(NO2)8, представляет собой куб из атомов углерода, причем к каждой углеродной вершине куба присоединена одна нитрогруппа. Рекордная мощность этого ВВ обусловлена не только большим количеством нитрогрупп, приходящихся на одну молекулу, но и напряженностью кубического углеродного каркаса, которая при его распаде приводит к выделению дополнительной энергии. Однако октанитрокубан пока не получил широкого применения, так как его синтез довольно сложен и дорог, поэтому химики не прекращают поиск.

Немецкие специалисты по ВВ Томас Клапотке (Thomas Klapotke) и Буркхард Крумм (Burkhard Krumm) из Университета Мюнхена совместно с химиком-кремнийоргаником Райнхольдом Таке (Reinhold Tacke) из Университета Вюрцбурга задались вопросом: а что, если заменить некоторые атомы углерода в обычных ВВ на атомы кремния, который в некоторых отношениях является химическим аналогом углерода? Ученые получили Si(CH2ONO2)4 и Si(CH2N3)4, являющиеся кремнийорганическими аналогами давно известных ВВ – пентаэритриттетранитрата С(CH2ONO2)4 и пентаэритриттетраазида С(CH2N3)4. Новые соединения оказались чрезвычайно чувствительны к внешнему механическому воздействию: даже осторожное прикосновение к веществу специальным пластиковым шпателем может привести к взрыву. Несмотря на все предосторожности, один из образцов взорвался прямо на предметном столике микроскопа, – к счастью, обошлось без жертв. По сравнению с этой кремнийорганикой нитроглицерин покажется образцом устойчивости. Столь высокая чувствительность пока не позволяет получить для новых молекул ряд важных физико-химических характеристик и, естественно, препятствует какому бы то ни было практическому применению. Сейчас ученые пытаются снизить чувствительность полученных соединений. Как отмечают немцы, кремнийорганические ВВ менее токсичны, нежели их органические аналоги, и технология их получения экологически более приемлема.

Несмотря на оптимизм ученых относительно применения новых веществ, остается ряд концептуальных вопросов. Во-первых, при взрыве обычных органических ВВ образуется CO2, а при взрыве кремнийорганического ВВ, кроме того, получается SiO2, и не совсем ясно, в каком виде. Во-вторых, при использовании этих веществ в качестве добавок к топливу тот же SiO2 может откладываться в камере сгорания и нарушать ее работу. ЕГ

Фирма веников не вяжет

Оригинальный способ сжатия углеродных нанотрубок в тугой пучок предложили физики из Ренсселерского политехнического института. Такие связки в перспективе смогут заменить медь в компьютерных чипах и даже стать основой новых микросхем с трехмерной структурой.

Одна углеродная нанотрубка без дефектов может быть великолепным проводником для электрического тока. К сожалению, ее сечение невелико, и сколько-нибудь большой ток по одной нанотрубке не передашь. Для этого трубки нужно как-то связать в пучок, и основные потери, как предсказывает теория, возникнут на контактах между ними. Тем не менее и такой пучок, если он достаточно плотный, может иметь сопротивление заметно меньше, чем у меди. Но пока лучшие образцы свитых из нанотрубок проводов с трудом дотягивают лишь до алюминия.

Нанотрубки обычно выращивают как не слишком густой лес на подложке. Чтобы сжать их в тугой пучок, ученые придумали залить их жидкостью – например, изопропиловым спиртом. Затем, медленно испаряя спирт, нанотрубки можно сблизить капиллярными силами, а когда спирт совсем испарится, они будут удерживаться вместе уже молекулярными силами Ван-дер-Ваальса. Но оказалось, что этот процесс не так прост и сильно зависит от многих параметров – например, от длины нанотрубок. Если они слишком коротки, то и вовсе не могут сблизиться, если слишком длинны, то перепутываются и не образуют плотный пучок, и лишь "в золотой середине" процесс идет как надо.

Ученые уже научились сжимать этим способом пучки нанотрубок в 5–25 раз (верхнее фото: справа – сжатый пучок). Но несмотря на явные успехи, "медный порог" хоть и близок, но еще не преодолен. На полученных сканирующим туннельным микроскопом изображениях видно, что между нанотрубками все еще остается много пустот (нижнее фото) и контакты между ними пока оставляют желать лучшего. Но исследователи продолжают совершенствовать технологию, ведь такие пучки нанотрубок могут работать не только как обычные провода. Их можно использовать как электроды с большой площадью в конденсаторах, аккумуляторах и топливных элементах, как "тепловые трубы" для отвода тепла и во многих других ситуациях, когда требуется высокая тепло– и электропроводность и большая механическая прочность материала. ГА

К новым рекордам

Новый рекордно далекий квазар обнаружили канадские астрономы из Оттавского университета. Объект, получивший не очень романтичное имя CFHQS J2329-0301, удален от нас в пространстве и времени на 13 млрд. световых лет и моложе самой Вселенной менее чем на 870 млн. лет.

Новый рекорд ученые установили благодаря расположенному на Гавайях канадско–французскому телескопу с главным зеркалом диаметром 3,5 м. Этот телескоп сильнее стоящего на горе Сакраменто в Нью-Мексико 2,5-метрового аппарата Sloan Digital Sky Survey, которому принадлежит предыдущий рекорд. Впрочем, судя по красному смещению квазаров 6,43 вместо 6,41, результат улучшен не так уж и сильно, и новые рекорды у более мощного телескопа вероятно еще впереди.

Квазары, то есть похожие на звезды радиоисточники, обладают гигантской светимостью, превосходящей в сотни раз светимость целых галактик. Именно поэтому они являются самыми удаленными объектами, которые удается наблюдать во вселенной. Излучение от них приходит из компактной области, не превышающей размерами Солнечную систему. Считается, что квазары представляют собой гигантские черные дыры, засасывающие окружающее вещество. Именно это падающее на дыру вещество, разгоняясь почти до скорости света, обеспечивает яркое свечение.

Согласно оценкам авторов, масса черной дыры в новом квазаре в пятьсот миллионов раз превышает массу нашего Солнца. И не очень понятно, как такая большая дыра успела образоваться в юной Вселенной, которой еще не исполнилось и миллиарда лет. Возможно, детальное излучение спектров нового квазара поможет лучше понять, что творилось в те давние времена. ГА

Новости с зиккурата

Руку помощи историкам, изучающим древнюю Месопотамию, протянул американский астроном Брэд Шефер (Brad Schaefer). Благодаря его исследованиям удалось уточнить сроки и место проведения астрономических наблюдений, зафиксированных в известном клинописном сборнике MUL.APIN, в котором содержится около двух сотен записей.

В своей работе Шефер не использовал никаких новейших научных приборов. Соблюдая принципы наблюдений тех давних времен, ученый смотрел на небо из одного и того же места по утрам, фиксируя события буквально на глаз.

Солнце в своем годичном движении по эклиптике в направлении с запада на восток уступает на предрассветном небе место все новым и новым созвездиям, к срокам первого появления которых и привязывались древние календари. Так как Солнце перемещается по созвездиям Зодиака, то в большом количестве случаев в схожих наблюдениях указывались именно эти созвездия, и MUL.APIN здесь не исключение. Современная зодиакальная дюжина к тому времени еще не утвердилась, поэтому в таблицах упоминаются семнадцать названий созвездий, которым и уделил внимание американец.

Главной задачей на этапе наблюдений было соблюсти примерно ту же точность, которой достигли его коллеги из давнего прошлого. При этом Шефер не довольствовался единичными данными, а собрал внушительную статистическую выборку, дабы учесть возможные погрешности, неизбежно возникающие при наблюдении лишь отдельных звезд. Наблюдения велись в горах Дэвиса, с территории обсерватории Макдональд в Техасе, что очень близко по широте к Ассирии.

Собрав информацию, Брэд Шефер прибег к возможностям уже современной астрономии. Как известно, из-за прецессии земной оси небесные полюса и экватор все время меняют свое расположение, от чего меняются и условия видимости тех или иных звезд. Анализ древних астрономических записей позволяет датировать их как раз по этой причине, особенно если в записях не упоминаются сроки затмений. Одной из причин ошибок в определении дат, по мнению Шефера, является перенос современных наблюдательных возможностей на ту эпоху без учета разницы в точности. В частности, предполагалось, что таблицы MUL.APIN основаны на наблюдениях, проведенных около 2300 г. до н. э. Шефер же показал, что историки ошибались на тысячелетие. По новым данным, наблюдения велись в 1370 г. до н. э. с примерно вековой погрешностью. Более того, удалось выявить, что древние астрономы работали в пределах полосы шириной двести километров, с центром на 35,1° северной широты.

Таким образом, клинописные таблицы MUL.APIN, изготовленные в Вавилоне в 687 г. до н. э., скорее всего были копией записей наблюдений, которые велись несколько севернее – возможно, в древних Ниневии или Ашшуре где-то в XIV веке до н. э. Эти города входили в Хеттское государство, а время около 1370 г. ознаменовано правлением там царя Суппилулиума и его сына. В те годы хетты воевали за территорию современной Сирии с Египтом, где в те же сроки правили сначала Эхнатон, а затем и его вдова. Жрецы же своим чередом искали предзнаменования побед и поражений царей на звездном небе. АБ