Текст книги "Юный техник, 2004 № 08"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

НАД ЧЕМ РАБОТАЮТ УЧЕНЫЕ
Эпоха горящего металла

Почти все металлы способны гореть. Хорошо горят Аl, Мg, еще лучше – щелочные металлы Li, К, Na. Горит даже железо.

Использовать металл в качестве топлива для обогрева энергетически, конечно, невыгодно – на его производство приходится тратить гораздо больше энергии, чем можно получить при сгорании. И все же горение железа в технике широко используют. Чтобы в толстом стальном листе прорезать отверстие, достаточно разогреть его в одном месте добела и направить туда струю чистого кислорода. «Рисуя» на листе струей, удается получать отверстия самой замысловатой формы.

Горение всех металлов, особенно магния, сопровождается ослепительно ярким светом. Этим еще в XIX веке воспользовались фотографы. На полочку фотовспышки (рис. 1) клали зажженную селитровую бумагу. Она медленно тлела, пока фотограф не нажимал на резиновую грушу.

Струя воздуха выдувала магниевый порошок, и он ослепительно вспыхивал. В Германии для освещения дворцов и театров применяли лампы с магниевой лентой, подававшейся часовым механизмом. Одного мотка ленты хватало на десять часов.

В 1894 г. немецкий изобретатель Г.Гольдшмит создал горючую смесь – термит. Она состояла из окиси железа и алюминиевого порошка. При нагревании термита алюминий начинал гореть, отнимая кислород у окиси железа. Смесь сгорала ослепительно ярким пламенем, образуя при этом чистое расплавленное железо.

Первоначально термит применяли для сваривания рельсов. Достаточно было в промежуток между ними положить термитную шашку и поджечь, как он тотчас заполнялся расплавленным железом, которое, застывая, намертво соединяло рельсы. Сегодня существует множество термитных составов, пригодных как для ремонта авианосца в походе, так и для латания дыр в кузове автомобиля своими силами.

В 1923 году один из основоположников нашей космонавтики, Ф.А.Цандер, предложил сжигать ставшие не нужными в полете стабилизаторы и крылья, которые работают лишь в плотных слоях атмосферы, опустевшие топливные баки. Как показали его расчеты, это позволило бы значительно повысить скорость ракеты, получить аппарат, способный достичь Марса и вернуться обратно. Оставалось, правда, решить технические проблемы. Например, чтобы расплавить бак, его нужно предварительно как-то смять, сложить и подать в плавильную печь. Да и печь эта должна быть в сотни раз легче обычной, ведь стоит она на ракете.

Между тем сама по себе идея сжигания металлов в реактивных двигателях оказалась для ракетной техники весьма плодотворна.

Вот как устроен, например, ракетный двигатель твердого топлива РДТТ. В тонкостенном корпусе из углепластика расположен заряд твердого топлива, состоящего из веществ, содержащих кислород и водород, а также алюминиевый порошок. При сгорании углеводородов образуются газы, а горение алюминия повышает их температуру до 3000 °C. Продукты сгорания вытекают из такого двигателя со скоростью 2500–2600 м/с. Эта скорость достаточна, чтобы применять РДТТ в межконтинентальных и космических ракетах.

Американский космический корабль «Спейс Шаттл», например (рис. 2), оснащен двумя РДТТ весом по 568 т каждый на твердом топливе с большим содержанием алюминия. Они помогают ему разогнаться до скорости 1390 м/с.

Металлы могут гореть не только в кислороде, но и во фторе, выделяя при этом больше энергии. За рубежом ведутся работы над ракетным двигателем, в котором первоначально во фторе сжигается расплавленный литий, а затем к продуктам реакции подмешивается водород. Достигнута скорость истечения более 5000 м/с. Такой двигатель позволил бы сократить взлетный вес космических ракет в 1,5–2 раза.

Как полагают энергетики, металлическое топливо смогло бы решить и их давнюю проблему. Вы знаете, наверное, что перед энергетиками постоянно стоит задача «консервировать» излишки электроэнергии, не востребованные потребителями, скажем, в ночное время. Не останавливать же электростанцию!

Чаще всего проблему предлагают решить, получая водород электролизом воды. Но хранить этот газ трудно. Гораздо выгоднее производить алюминий или натрий. Судя по значительному числу патентов, эта идея занимает умы изобретателей США и Японии.

Вот одна из идей (см. рис. 3).

Представьте: в цилиндр двигателя через канал в керамическом изоляторе подают алюминиевую проволоку. В момент, когда поршень находится в верхней мертвой точке и воздух сильно сжат и нагрет, производится электрический разряд. Он распыляет небольшую порцию металла, которая тут же воспламеняется и сгорает. Разряды могут следовать один за другим, и при этом всякий раз будет точно и вовремя распыляться нужная порция металла, что позволит вести процесс расширения при постоянном давлении или температуре. А это даст возможность получать от двигателя очень высокий КПД. Добавим к этому, что для получения одного и того же количества тепла алюминию нужно почти в два раза меньше воздуха, и вспомним еще, что окись алюминия твердая; ее можно полностью выловить из выхлопной трубы и собрать, как пыль в мешке пылесоса.

А.ИЛЬИН

Рисунки автора

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Как горошины в стручке

Многие десятилетия ученый мир был уверен: углерод существует лишь в трех формах – уголь, графит и алмаз. Однако в 1985 году была открыта еще одна, четвертая, форма углерода – полые шары-фуллерены, состоящие из 60 и более атомов углерода. С той поры исследователи открывают и синтезируют все новые формы и виды углеродных структур. Вот, например, что пишет по этому поводу авторитетный научный журнал «Nature».

Фуллерены принято причислять к довольно обширному классу наноструктур – то есть образований, размеры которых не превосходят миллиардных долей метра. Тут фигурируют множество частиц – от малых «шариков», состоящих из нескольких десятков атомов углерода, до гигантских по понятиям наномира многооболочечных фуллеренов – так называемых углеродных «луковиц», состоящих из сотен и даже тысяч атомов.

Некоторые исследователи, например, доктор химических наук А.Л. Ивановский, даже говорят о том, что сейчас можно составить своего рода периодическую систему фуллереновых элементов. Синтезированы уже фуллереновые полимеры, пленки, кристаллы разных видов…

Более того, в 1991 году были открыты полые нанотрубки, и все началось снова. Число работ и публикаций, посвященных и этим углеродным наноструктурам, перевалило за многие сотни. Из уникальных объектов загадочного наномира они за последние годы превратились во вполне привычные объекты научных исследований, которые находят все большее практическое применение. Помимо множества разнообразных нанотрубок, существуют и их ассоциаты – «жгуты», кристаллы и т. д.

Из нанотрубок получают также очень интересные материалы, например, уникальной прочности нанобумагу или нанонитки, которые в 50 – 100 раз прочнее стали. Собираются наладить и производство канатов для космических «лифтов».

Так выглядят пиподыпод оком электронного микроскопа.

Некоторое время «наноклубки»-фуллерены и нанотрубки использовали порознь. А уже в XXI веке исследователям пришлось удивиться еще раз. Оказалось, что фуллерены и нанотрубки могут реагировать не только с себе подобными, но и друг с другом. При этом возникают симбиозные структуры – нанотрубки, внутри которых находятся фуллерены.

Впервые такую структуру обнаружили с помощью электронного микроскопа американские исследователи в 1998 году, когда изучали материал, полученный при лазерном испарении графита при наличии металлических катализаторов. На снимках они увидели нечто вроде рентгенограмм горохового стручка, трубка которого заполнена горошинами-фуллеренами. В специальной литературе такие наноструктуры вскоре стали называть «углеродными пиподами»; peapodsв переводе с английского – горошины в стручках.

Фуллерены внутри нанотрубок при малом увеличении и не рассмотришь…

Новый объект, конечно же, поставил перед учеными новые вопросы. Как наладить технологию получения пиподов? Все ли фуллерены и трубки могут образовывать такие формы? Можно ли делать из пиподов что-нибудь полезное?..

Ответить на эти и другие подобные им вопросы попытались профессор Али Яздани и его студент Даниэль Хамбакер из Университета Иллинойса, профессор Дэвид Луззи и его группа из Университета Пенсильвании и некоторые другие исследователи. Благодаря предварительной теории пиподов, предложенной профессором физики Еуджином Мейлом совместно с иллинойской группой исследователей, вскоре стало понятно, что наибольший научный и практический интерес представляют те материалы, которые имеют постоянные характеристики. А вот пиподы, полученные 8 первых экспериментах, стандартам не отвечали. Все дело в том, что количество «горошин» в «стручках» было различным. Зачастую они заполняли всего лишь 5 – 10 % пространства нанотрубок, располагались по принципу «то густо, то пусто». Кроме того, в одной трубке могли оказаться «горошины» разных размеров. В общем, прежде чем изучать пиподы, находить им практическое применение, требовалось наладить такие методы их синтеза, при которых бы трубки одного диаметра заполнялись стандартным количеством фуллеренов одного типа и размера.

Довольно скоро выяснилось, что лучше всего для производства пиподов подходят нанотрубки диаметром от 1,3 до 1,5 нм. Если диаметр трубки меньше, то шарики-фуллерены в ней деформируются. В чересчур же больших трубках шарики не размещаются по центру, прилипают к стенкам, что опять-таки сказывается на качестве пипода.

Модель идеального пипода – это цепь фуллеренов [С60]°°, то есть шарики, имеющие по 60 атомов углерода, которые расположены по оси цилиндрической углеродной трубки бесконечной длины. Расстояние между центрами соседних фуллеренов составляет около 0,97 нм, а расстояние между фуллереном и стенкой трубки – 0,35 нм.

Впрочем, внутри трубок могут помещаться и более крупные фуллерены, не обязательно имеющие строго сферическую форму. При нагревании до температуры выше 800 °C, соседние фуллерены могут слипаться, образуя димеры, тримеры, а затем превращаются в вытянутые нанокапсулы и трубчатые фрагменты цилиндрической формы. Когда температура достигает 1200 °C, отдельные фуллерены практически полностью исчезают, а пипод превращается в коаксиальную трубку – две углеродные трубки, вложенные одна в другую.

Таких превращений технологи добиваются при облучении нанотрубок лазером или электронным пучком, в присутствии металлических катализаторов (например, калия). При этом, как выяснилось, слипание фуллеренов происходит только внутри трубки-стручка, которая служит своего рода нанореактором. А это, в свою очередь, наводит на мысль, что подобным образом можно изготовлять, скажем, нанокабели – тончайшие проводники, расположенные внутри изолирующей оболочки.

Словом, пиподы на сегодняшний день – весьма перспективные структуры для наноэлектроники, производства нанодиодов, транзисторов, логических схем…

И список этот еще далеко не закрыт…

В.ЧЕТВЕРГОВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Виртуальная эволюция

Мы уже рассказывали, как исследователи пытаются понять механизмы, в результате действия которых из неорганических соединений зародилась органическая жизнь, как она затем развивалась и эволюционировала. Не так давно к химикам, биологам присоединились еще и компьютерщики, решив воссоздать своими средствами процесс сотворения жизни.

По аналогии с биологическим термином in vitro, что в переводе с латыни означает «в стекле», опыты с новой жизнью получили название in silico, то есть «в силициуме», в кремнии, который, как известно, является основой многих элементов микроэлектроники. Основателем нового научного направления считают Кристофера Гейла Лэнгстона, который начиная с 80-х годов XX века вел опыты по компьютерному моделированию в Лос-Аламосской национальной лаборатории.

Прежде чем Лэнгстона приняли в столь престижное научное учреждение, ему пришлось пережить немало приключений. В детстве и юности он производил на окружающих впечатление человека, как говорится, не от мира сего. Обычному времяпрепровождению он предпочитал сидение у компьютера.

Поступив в университет Аризоны, Лэнгстон продолжал свои занятия и вскоре нащупал тему, которая стала делом всей его жизни. Тут стоит сказать доброе слово об известном кибернетике Джоне фон Неймане. Когда молодой компьютерщик пришел к нему, великий ученый не только нашел время выслушать молодого энтузиаста, но и благословил на продолжение исследований по воссозданию в недрах компьютера жизни. Со временем примитивные картинки на экране дисплея, с которыми начинал работать Лэнгстон, превратились в неких псевдосуществ, которые помогают понять, не только как работают законы эволюции, но и как зародилась жизнь на нашей планете.

Подобно богам, ученые порождают новые, на сей раз виртуальные миры – населяют их искусственными организмами и наблюдают за тем, с какой изобретательностью их творения борются за выживание, пресекая любые происки конкурентов.

Именно таким образом Эндрю Парджеллис, исследователь из лаборатории Белла, сделал новый шаг в моделировании эволюционных процессов. Он доказал, что искусственная жизнь может, в принципе, зародиться сама собой – без участия творца.

Все опять-таки началось с «безумной идеи»: Эндрю вбил себе в голову, что программа, которая путем копирования транслирует себя с одного участка памяти компьютера на другой, отвечает важнейшему критерию, по какому мы отличаем живую материю от неживой – она размножается. И Парджеллису захотелось узнать, не может ли подобная, то есть наделенная репродуктивной способностью, программа возникнуть совершенно спонтанно?

Тогда он решил смоделировать процесс зарождения жизни на Земле. Ведь, как полагают, жизнь на нашей планете возникла около 4 млрд. лет назад из так называемого «первородного бульона» – смеси аминокислот.

Свой цифровой «бульон» Парджеллис создал собственноручно. Но когда смесь из двух десятков команд, которые как бы соответствовали 20 аминокислотам, содержащимся в «первородном бульоне», были заложены в компьютер, процесс пошел как бы сам собой. Теперь над составлением программы трудился Его Величество Случай. По всему объему памяти ЭВМ беспрестанно пробегали цепочки команд. Время от времени операционная система «освежала память»: выбраковывала старые программы и заменяла их новыми. Кроме того, операционная система моделировала мутации, то есть случайные изменения кода программы.

Хитрости эволюции и впрямь принесли свои плоды. Из безжизненного программного кода зародилась цепочка команд, которая размножалась словно живой организм и очень быстро заполняла своими отпрысками все свободные участки памяти. Следующий шаг в познании законов компьютерной жизни сделал не столь давно Томас Рэй, работающий над подобной проблемой в Гарвардском университете. Подобно своим коллегам, он заинтересовался «искусственной жизнью» еще во время учебы в университете.

Теперь он создал некую экосистему Tiierra(Тьерра), что в переводе с испанского означает «земля», «территория».

«Тьерра находится в «виртуальном компьютере», который как бы вложен в реально существующий, – поясняет Рэй суть работы своей программы. – Только таким образом можно безопасно «проигрывать» сценарии эволюции. А то ведь, не ровен час, электронные создания, подобно компьютерным вирусам, могут разбежаться по информационной сети и отловить их будет делом весьма нелегким»…

Блок памяти своего «виртуального компьютера» Рэй назвал Soup– в честь «первородного бульона», из которого, как уже сказано, возможно, и зародилась жизнь на Земле. В этот «бульон» Рэй время от времени запускает цифровые программы – «организмы Тьерры».

Кстати, чтобы компактно смоделировать самопродуцирующиеся программы, Рэю пришлось разработать специальный машинный код, который во многом напоминает генетический код человека. Так по существу родился элементарный «алфавит жизни»!

Кроме того, в программу заложена возможность изменений, то есть мутаций. А именно они, как полагают биологи, являются движущей силой эволюционного развития исходного организма. Причем мутации на Тьерре двух сортов: одни имитируют воздействие космического излучения, другие – ошибки при самовоспроизведении организмов.

Эквивалентом энергии на Тьерре служит компьютерное время. Оно выделяется каждой программе дозатором «по справедливости» – в зависимости от числа инструкций, которые ей надо выполнить для репликации. Если организм не укладывается в отпущенное время, его шансы на дальнейшее существование уменьшаются. Он может даже погибнуть.

Впрочем, некоторым тьеррианцам может и повезти – они набредают на источник «живой воды» в виде двух усложненных инструкций. Однако если организму удается выполнить их, он «омолаживается», продлевая себе жизнь. Но бессмертия на Тьерре все же нет. Присматривая за своим творением с помощью дисплея, Рэй с удивлением видел, как на Тьерре появляются все новые организмы, которых не было при запуске всей системы. Одни из организмов принялись наращивать свои размеры. Но их, как и динозавров на Земле, ждал печальный конец – достигнув предельных размеров, они вымерли, будучи не в силах бороться с компактными, быстро размножающимися конкурентами. Зато другие принялись откровенно паразитировать, подменяя своими кодами коды «хозяина». Нашлись и такие, которые воруют энергию у соседей и за счет этого размножаются быстрее…

Подводя итоги выполненной работы, Рэй считает, что сделанное на Тьерре можно сравнить с экспериментом, некогда воспроизведенным природой. «Я утверждаю, что Тьерра – не имитация жизни, как обычно делается в аналогичных системах, – это синтез жизни», – говорит он.

В дальнейшем Рэй, наверное, попытается ввести на территорию Тьерры многоклеточные организмы, потом хищников… Со временем, возможно, встанет вопрос о создании столь сложных разумных организмов, какими являемся мы сами.

И все-таки виртуального Адама в ближайшем будущем не предвидится. Пока исследователи ограничиваются созданием невиданных в действительности компьютерных монстров. Однако польза от научных исследований уже есть. На основе подпрограммы «Стая», к примеру, калифорнийский компьютерщик Крейг Рейнольдс разработал бихейвиоральную анимацию. За этим причудливым термином скрывается возможность создания компьютерных мультиков, каждый персонаж которых обладает такой степенью свободы, что даже может сам определять свои будущие действия. С помощью этой программы уже делались фильмы «Бэтмен возвращается», «Скалолаз» и другие. Но это только пока.

А.ВИКТОРОВ

СЕКРЕТЫ НАШИХ УДОБСТВ
«Вечная» батарейка

Исследователи-ядерщики вот уже пол века обещают, что вот-вот непременно появится источник почти даровой энергии. На его доведение нужно потратить еще десяток, другой миллиардов долларов, и все будет в порядке.

Тем временем, тихо и незаметно произошла энергетическая революция. Американские исследователи создали микроскопическую батарейку, которая способна десятилетиями снабжать энергией такие устройства, как датчики дистанционного управления, наручные часы или, скажем, имплантируемые в тело человека кардиостимуляторы.

«Источник питания нового типа способен преобразовывать энергию радиоактивного вещества непосредственно в движение, – утверждает Амиль Лал, ассистент профессора в области электрических и компьютерных технологий при университете Корнелла в городе Итака (штат Нью-Йорк). – Он может также генерировать электричество или выдавать энергию в какой-то другой форме»…

Впервые о новых источниках заговорили в августе 2002 года, когда сотрудник Лала, Хью Ли, представил и описал в Детройте опытный образец на встрече исследователей DARPA – агентства по разработке передовых оборонных технологий. Он охарактеризовал этот образец как микроэлектронную электромеханическую систему, сокращенно – МЭМС.

Показанный в Детройте опытный образец выполнен из медной полоски длиной 2 см, шириной 1 мм и толщиной 60 мкм. (К слову, 1 мкм – это миллионная доля метра.)

Сделанная из полоски консоль располагается над тонкой пленкой изотопа никеля-63. По мере распада он излучает бета-частицы. Радиоактивное вещество, как известно, может излучать альфа-частицы, бета-частицы, то есть электроны, и, наконец, гамма-лучи. Однако в первом и последнем случае излучение небезопасно для людей. И для своего прибора Лал использовал изотопы, излучающие лишь бета-частицы, энергия которых настолько мала, что их задерживает даже лист бумаги, не говоря даже о коже человека. Излучаемые электроны собираются на медной консоли, обеспечивая ей отрицательный заряд, а изотопная пленка, теряя электроны, приобретает положительный заряд. Притяжение между плюсом и минусом клонит консоль книзу – до определенного положения. Затем силы упругости пластинки преодолевают электрическое притяжение, и медная пластинка возвращается в исходное положение. После этого все начинается снова.

Данный процесс чем-то напоминает работу дверного звонка, где электрическая цепь то замыкается, то размыкается, благодаря чему электромагнит приводит в движение рычажок звонка. Радиоактивный изотоп может оставаться источником энергоснабжения в течение достаточно длительного периода – от нескольких недель до нескольких десятилетий. К примеру, период полураспада никеля-63 – более сотни лет, и Лал утверждает, что батарейка на этом изотопе могла бы работать по меньшей мере лет пятьдесят.

Сейчас исследователи разрабатывают различные варианты новых источников энергии. Как говорит Лал, опытный образец, показанный в Детройте, – гигант по сравнению с теми, что сейчас в работе. Уже есть образцы, которые вместе с герметичной оболочкой занимают объем не более 1 куб. мм.

Понятно, что уменьшение источников питания повлечет за собой и дальнейшую миниатюризацию целого ряда устройств микроэлектроники.

И. ЗВЕРЕВ