Текст книги "Юный техник, 2010 № 05"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Энергетика на уровне молекул

Для плеера или мобильного телефона нужны аккумуляторы. А какими должны быть источники питания для наноприборов, размеры которых в сотни и тысячи раз меньше? Одним из первых над подобным вопросом задумался Чжун Линь Ван– директор Центра исследования наноструктур Технологического института штата Джорджия.

Он отнюдь не новичок в наномире. В 1998 году он создал самые маленькие в мире нановесы, а в 2000 году – наноленты, о которых пойдет речь ниже.

«Сегодня мы начинаем создавать чрезвычайно малые устройства отбора энергии для мира наномасштабных систем, где размеры исчисляются миллиардными долями метра, – рассказал профессор Чжун Линь Ван. – Мы называем эти устройства наногенераторами и нанобатарейками. Поскольку наноустройства требуют очень мало энергии, то можно подумать и о таких наноисточниках, которые не потребуют периодической замены или подзарядки»…

Такие источники весьма пригодились бы, например, во вживляемых наносенсорах для непрерывного контроля уровня сахара в крови пациента-диабетика, в автономных датчиках, измеряющих механические напряжения в пролетах мостов и мачтах электропередачи или датчиках содержания токсичных веществ в воде и воздухе.

Подобные же источники энергии необходимы и для нанороботов, микроэлектромеханических систем (МЭМС) и во многих других случаях. И вот когда исследователи всерьез задумались над проблемой, выяснилось, что вокруг нас довольно много «бесплатных» источников энергии. Взять хотя бы нас с вами.

Исследователь Чжун Линь Ван.

Человеческое тело постоянно нагрето до температуры 36,6 градуса Цельсия, что обычно на десятки градусов превышает температуру окружающей среды. Стало быть, наручные часы, те же вживляемые датчики, кардиостимуляторы, в принципе, могут работать на разности температур; нужно лишь использовать соответствующие термопары.

Датчики напряжений мачт электропередачи могут использовать в качестве источника питания случайные вибрации самой конструкции. Датчики движения на дорогах – колебания почвы от проезжающих автомобилей. Метеодатчики – разность температур грунта на поверхности и в глубине (температура грунта на глубине нескольких метров почти постоянна). Есть также предложения использовать в качестве источников энергии городской шум или звуки волн прибоя.

В конце 90-х годов прошлого века стали появляться и первые экзотические источники питания. Скажем, экспериментаторы Массачусетского технологического института разработали обувь на основе пьезоэлектрического эффекта. Человек шагает по улице и одновременно подзаряжает свой мобильник.

Еще один вариант – создание пьезоэлектрического вибрационного микрогенератора. В нем используется двухслойная консоль из цирконата-титаната свинца с грузиком на свободном конце, напоминающим ныряльщика на краю трамплина. При сотрясениях грузик раскачивается. При этом, когда консоль изгибается вниз, верхний пьезоэлектрический слой испытывает деформацию растяжения, а нижний – сжатия. В результате один слой получает положительный потенциал, а другой – отрицательный. При изгибе вверх процессы идут с противоположными знаками. А в итоге при колебании массы генерируется переменное напряжение.

Можно также использовать миниатюрные генераторы, главным элементом которых будет подвижный магнит или катушка. Подрагивая на пружине, такой индуктор опять-таки генерирует переменное электрическое напряжение.

Однако с уменьшением размеров подобных конструкций они работают все хуже. Грузик весом в микрограммы уже не столь подвержен воздействию сил гравитации, как, скажем, массивная гиря. Поэтому для создания наномасштабного генератора для питания автономных устройств необходим особый подход. Тогда профессор Чжун Линь Ван предложил использовать наноленты и нанопроволочки, которые получают путем спекания оксидов таких металлов, как цинк, при температурах от 900 до 1200 °C в особой инертной атмосфере.

При тщательном изучении оказалось, что нанопроволочки из оксида цинка представляют собой совершенные кристаллы в форме шестигранной призмы. И когда такие проволочки диаметром от 30 до 100 нм и длиной от 1 до 3 мкм изгибаются под действием внешних причин – случайных вибраций, сотрясений воздуха, – они, словно обычные пьезоэлементы, вырабатывают микроток.

Как мы уже говорили, не обходят вниманием исследователи и термоэлектрические генераторы, работа которых основана на использовании эффекта Зеебека; электродвижущая сила (ЭДС) возникает в контуре, состоящем из двух разнородных проводников, контакты между которыми имеют разные температуры. Эта ЭДС пропорциональна разности температур между местами контакта проводников. Основанные на этом принципе термопары широко применяют для измерения температур, а теперь могут использоваться и в качестве наноисточников энергии.

А. Нанобатарейка из микроволокон оксида цинка.

В. Схема нанобатарейки.

С. График напряжения в милливольтах.

Наконец, весьма интересным для исследователей оказался тот факт, что ряд не являющихся электроактивными в обычном состоянии материалов начинает проявлять неожиданные свойства при переходе к наноразмерам.

Так, скажем, оксид титана в обычном состоянии имеет весьма незначительное количество ионов лития при комнатной температуре. Однако при переходе в наносостояние ситуация изменяется кардинальным образом. При размере частиц около 15 нм наноструктурированный оксид титана можно использовать в качестве отрицательного электрода в литий-ионных аккумуляторах!

Очень перспективными источниками энергии для устройств с размерами порядка 10 ^-9– 10 ^-8м являются и водородные элементы. Так, например, в наноструктуре на основе углеродных нанотрубок с примесью титана оказалось очень удобно хранить водород, атомы которого могут составлять до 8 % от общей массы комплекса.

Конечно, наногенераторы вряд ли когда-нибудь станут постоянными источниками электроэнергии для наших жилищ; ведь даже для питания карманных фонариков их мощность слишком мала. Но системы нанопроволочек могут стать идеальными генераторами для устройств, от которых требуется лишь периодическая работа, например для медицинских сенсоров, которые должны собирать и передавать данные в течение одной секунды раз в минуту.

Связка наногенераторов при изгибе дает ток.

Возможно, в будущем наногенераторы будут преобразовывать энергию, которую теряем в нашей повседневной жизни, например, в результате изменений давления в автомобильной шине, шума и вибраций движущегося автомобиля и даже от давления ветра на стенки походной палатки.

Вообще количество малых источников энергии, которые нас окружают, неисчислимо. Вот, например, вы перелистнули страницу и… выработали при трении бумажных листов электричество, которого хватило бы на полчаса работы, например, датчика уровня сахара в крови.

Публикацию подготовил Я. ГРУШИН

Кстати…

НАНОБАТАРЕЙКИ

Профессор Корнеллского университета (США) Амит Лал по заказу DARPA – военного Агентства перспективных исследовательских проектов – создал нанобатарейку на основе радиоактивного изотопа никель-63. Размер ее с песчинку, то есть не более 1 куб. мм. Период радиоактивного полураспада изотопа составляет около 100 лет.

Как заявил профессор Лал, этот источник энергии не менее полувека сможет давать энергию для питания мобильного телефона, коммутатора или плеера.

Это не единственный источник такого рода. Профессор Квон Чжэ из университета Миссури изобрел атомную батарею размером с цент. Он полагает, что такой источник в миллионы раз эффективнее, чем современные химические источники, которые используются в мобильных телефонах. Что же касается радиоактивной опасности, то она, как полагает ученый, сильно преувеличена. Изотопные источники уже многие годы используются в медицине, на космических спутниках и подводных лодках и прекрасно себя зарекомендовали.

А в университете Тулса создана нанобатарейка толщиной всего 500 мкм. Такой источник, состоящий из 25 000 параллельно соединенных батарей, представляет собой диск, который по диаметру вдвое меньше копеечной монеты.

НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ
Возвращение паровика?

Паровые двигатели, казалось бы, остались в далеком прошлом. Но это не так.

Сегодня уж мало кто помнит, что в начале XX века несколько рекордов скорости было поставлено не только паровозами и пароходами, но и паромобилями. Да и вообще первый в мире механический тягач француза Николя Жозефа Кюньо работал именно на пару и предназначался для транспортировки артиллерийских орудий.

Кюньо тогда не повезло: во время испытаний механик не справился с управлением, паровик врезался в стену и котел его взорвался. И это была первая, но вовсе не последняя авария парового котла, и потому, в частности, паровики не выдержали конкуренции с двигателями внутреннего сгорания. Но некоторое время паромобили все-таки успешно конкурировали с автомобилями и даже ставили мировые рекорды скорости. Так, в 1910 году именно паромобиль первым в мире преодолел рубеж скорости 200 км/ч. Столь быстро в ту пору не летали даже аэропланы…

А чтобы показать преимущества паровой машины перед двигателем внутреннего сгорания, американцы в начале прошлого столетия демонстрировали такой рекламный трюк.

Паромобиль упирали передним бампером в прочную стену, давали полный газ – и колеса крутились на месте, пока не протирались и не взрывались покрышки. Двигателю же подобные перегрузки были нипочем. Более того, паромобиль не имел коробки скоростей, а смена хода с переднего на задний производилась одним движением.

Развести пары тоже было минутным делом. Автоматический котел разогревался всего за минуту, а не за 30–40 минут, как того требовали, скажем, паровозные котлы. И, тем не менее, как сказано, от паровых котлов все же пришлось отказаться из-за низкой надежности.

Р. Стирлинг– один из изобретателей двигателя внешнего сгорания.

Макет двигателя внешнего сгорания и его схема.

_{Цифрами обозначено: 1– холодный воздух; 2– поршень; 3– горячий воздух.}

«Все это уже в прошлом», – уверяет Оливер Меллер, вице-президент немецкой фирмы Enginion, которая недавно продемонстрировала всему миру серьезность своих намерений в отношении пара, установив экспериментальный паровой двигатель нового поколения под капотом автомобиля Idea-Fabia.

Итоги испытаний показали, что современные паромобили по надежности вряд ли уступят обычным авто. При этом они практически не будут загрязнять окружающую среду, поскольку дают на выхлопе чистую воду.

Компания  Enginionнадеется, что со временем паровая тяга, вытеснив все прочие двигатели, вернется даже на железную дорогу. А что касается надежности… Не стоит бояться, что паровой котел взорвется. Хотя бы потому, что в привычном понимании его попросту нет…

Дело в том, что еще в начале XX века американскими изобретателями братьями Добль был создан и серийно выпускался до 1914 года особый агрегат – парогенератор. Он состоял из десятка плоских трубчатых змеевиков, размещенных в корпусе из жаропрочной стали, стенки которого для уменьшения потерь тепла с внутренней стороны также были увиты трубками с водой. Горелка помещалась сверху, выхлоп – снизу. Парогенератор отличался от обычного котла прежде всего тем, что воду в него под давлением накачивали насосом. Количество ее очень невелико и точно соответствовало потребностям паровой машины в данный момент. Такой способ работы делал парогенератор абсолютно взрывобезопасным.

В случае же разрыва трубки пар спокойно вытекал в топку, а автоматика отключала горелку. Подобный случай, к слову, произошел лишь однажды после пробега в 200 000 км. А узнали об этом лишь случайно, начав выяснять, почему машина не заводится. Ремонт занял не более часа и свелся к замене вышедшего из строя змеевика.

Раз уж мы заговорили о надежности, добавим к сказанному, что в США сохранились два «Добль-Беслера», выпущенных в 20-е годы XX века. Они и поныне в работоспособном состоянии, хотя пробег каждого уже превысил 900 000 км.

Одна из моделей двигателя Стирлингаи ее детали (внизу).

А еще паровая машина интересна тем, что «всеядна». Вместо высокооктанового бензина пар можно получать с помощью дров, угля, газа, нефти и нефтепродуктов… В общем, всего, что только может гореть.

Именно это, кстати, недавно продемонстрировала компания Cyclone Power Technologies, которая разработала двигатель внешнего сгорания Cyclone, объединивший современные материалы с паровыми технологиями XIX века.

Для ясности добавим, что двигатель внешнего сгорания использует цикл Рэнкина. Выглядит это так. Перед сжиганием твердое топливо (трава, ветки, опилки и т. д.) измельчается в пыль, а жидкое топливо, если таковое вдруг окажется поблизости, просто впрыскивается в камеру сгорания вместе с воздухом. Электрическая искра поджигает горючую смесь.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, Cyclone позволяет топливу гореть долго, почти как дровам в печи или в камине. Сгорая, топливо нагревает трубки, по которым циркулирует вода. Жидкость переходит в состояние перегретого пара с температурой около 600 °C. Затем через систему клапанов пар под давлением более 200 атм попадает в полдюжины паровых цилиндров, которые и обеспечивают вращение главного вала. Покинув цилиндры, пар отправляется в конденсор, охлаждаемый вентилятором, и вновь превращается в воду. Попутно пар подогревает воздух, подаваемый в камеру сгорания в составе горючей смеси, чтобы облегчить зажигание.

Сконденсировавшаяся вода направляется помпой высокого давления вновь в пароперегреватель, и цикл повторяется.

Двигатель Cycloneработает по замкнутому циклу Рэнкина и не требует дозаправки водой.

Схема цикла Рэнкина.

_{Цифрами обозначено: 1– вход тепла; 2– теплообменник; 3– турбина/генератор; 4– помпа; 5– конденсатор; 6– отработанное тепло.}

У двигателя внешнего сгорания есть масса достоинств. Во-первых, его мощность (для Cycloneона составляет 100 л.с.) не зависит от качества топлива; он может работать практически на чем угодно. Во-вторых, паровые цилиндры, как уже говорилось, дают максимальный крутящий момент на любых оборотах двигателя, начиная с самых малых, поэтому им не нужна сложная трансмиссия с коробкой передач – вал можно напрямую подсоединять к колесам или к генератору электрического тока. В-третьих, двигатель работает по замкнутому циклу – вода в нем циркулирует в замкнутом объеме и не нуждается в восполнении, как это было с паровозами.

Ныне этот двигатель проходит всестороннюю обкатку на мобильной платформе, которая представляет собой шестиколесное шасси от беспилотного транспортера MULE, разработанного компанией Lockheed Martin. Таким образом, в одной конструкции объединились паровой двигатель и новейшие разработки компьютерщиков XXI века, создающих первые образцы кибершоферов,

которые, как надеются их создатели, уже лет через 10–15 смогут взять на себя управление наземными экипажами точно так же, как работают в небе автопилоты, а на море – киберштурманы.

Новой разработкой, кстати, весьма заинтересовалось Агентство перспективных исследований DARPA при Пентагоне, эксперты которого надеются, что, соединив паровой двигатель с киберводителем, они смогут получить безотказную боевую машину, которая не будет нуждаться в экипаже.

Публикацию подготовил А. ПЕТРОВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

КТО БОЛЬШЕ, ТОТ УМНЕЙ?По мнению ученых из Кембриджа, даже тараканы и муравьи, чей мозг едва достигает размеров булавочной головки, обладают сознанием и, возможно, столь же сообразительны, как и несравненно более крупные представители животного мира.

Компьютерное моделирование показало, что сложные мыслительные процессы могут возникнуть в нейронных системах даже мельчайших размеров. Достаточно всего нескольких сотен нервных клеток, чтобы насекомое обрело способность считать. А поскольку в голове мухи уместилось несколько тысяч клеток, то это уже не «живой робот», а насекомое, наделенное сознанием и хорошо ориентирующееся в окружающей среде.

«Совсем не обязательно животные с большим объемом мозга умнее мелких, – пишет профессор Ларе Читка. – Часто в большом мозге мы не обнаруживаем никакой усложненности. Нет никаких оснований считать, что большой мозг лучше мыслит, чем маленький».

ДЕТЕКТОР СТРАХА. Британские ученые создают прототип прибора, который будет «вынюхивать» террористов и контрабандистов в толпе людей. Технология состоит в улавливании феромона, выделяемого вместе с потом, когда человек чего-то опасается. Предполагается, что устройство сможет эффективно выявлять террористов, наркокурьеров, а также скрывающихся от правосудия преступников.

Разработчики из Лондонского университета утверждают: как бы ни старался человек, у которого совесть нечиста, сохранять внешнее спокойствие, организм выдаст его, выделяя сигнальный феромон страха. Правда, пока созданный прототип прибора часто сбивают с толку духи, дезодоранты и прочие посторонние запахи.

КОГДА-ТО ЧЕЛОВЕК БЫЛ СИЛЬНЕЕ И БЫСТРЕЕ. К такому выводу пришел австралийский антрополог Питер Макалистер. По его мнению, даже первобытные женщины физически были намного сильнее нынешних мужчин. Свои выводы он основывает, в частности, на исследовании австралийских аборигенов, которые, как оказывается, бегали быстрее, чем нынешняя звезда мирового спринта с Ямайки У. Болт. Ученый тщательно изучил хорошо сохранившиеся отпечатки ног в австралийской пустыне. Они принадлежали группе из шести аборигенов-охотников, которые 20 000 лет тому назад, преследуя добычу, пробежали по мягкой глинистой грязи, навеки зафиксировавшей отпечатки их ног.

По ним Макалистер и определил, что самый быстрый бегун из этой группы двигался со скоростью 23 мили (около 37 км) в час. Это лишь немногим меньше, чем скорость мирового рекордсмена в забеге на 100 метров. А ведь древний охотник явно бежал уже не первый километр.

ГОНЯТЬ НА КАБРИОЛЕТЕ – ОЧЕНЬ ОПАСНО. К такому выводу пришли британские специалисты. И не только потому, что машина с открытым верхом имеет кузов меньшей прочности, чем автомобиль с жесткой крышей. Свист ветра в ушах может не только вызвать простуду, но и со временем привести к потере слуха.

СЛЕДИМ ЗА СОБЫТИЯМИ
«Зоопарк» на орбите

По радио говорили, что в январе нынешнего года российские космонавты из экипажа МКС-22 – Максим Сураев и Олег Котов, возвращаясь из открытого космоса, взяли на станцию контейнер с биообъектами. Известны ли вам какие-то подробности?

Иван Кузнецов, г. Калининград

Мы уже рассказывали вам (см. «ЮТ» № 2 за 2010 г.) о фантастической приспособляемости тихоходок – крошечных членистоногих размером от 0,1 до 1,5 мм, сумевших выжить в открытом космосе после полета на борту российского беспилотного аппарата «Фото-МЗ». Оказывается, они не единственные рекордсмены по выживанию в космическом пространстве.

Еще в июне 2007 года на внешней поверхности модуля «Звезда» космонавт Котов и его напарник по экипажу МКС-15 Федор Юрчихин установили несколько контейнеров, в которых более 30 месяцев в открытом космосе находились споры бактерий и грибов, семена растений, а также мельчайшие ракообразные и личинки насекомых.

Вся эта живность, по словам научного руководителя Института медико-биологических проблем академика Анатолия Григорьева, в рамках эксперимента «Биориск» должна была показать, насколько велики пределы приспособляемости живого к неблагоприятным условиям существования.

Комар-хирономид. Его личинки провели в космосе более года.

Космический контейнер для подопытной живности.

«Если в первой части эксперимента на внешней стороне станции были выставлены лишь простейшие микроорганизмы, то теперь биологические объекты стали более сложными, – рассказал ученый. – И выясняется, что, несмотря на колоссальные перепады температур, вакуум, ионизирующее излучение, многие особи в этих невероятных условиях все же выживают»…

При этом специалисты не только оценивают пределы устойчивости живых организмов к экстремальным условиям.

Полученные знания имеют огромное значение и для понимания возникновения жизни на Земле. В частности, эксперимент подтвердил, что органические вещества и даже бактерии могли быть занесены на нашу планету из космоса.

«Кроме чисто теоретического интереса, эксперимент имеет прикладное значение, – подчеркнул академик. – Если мы когда-нибудь полетим на другие планеты, например, на Марс, то среди прочего члены этой экспедиции, во-первых, не должны будут занести на Красную планету земные микроорганизмы. А, во-вторых, они не должны привезти оттуда на Землю неизвестные нам микробы, способные дать вспышки невиданных нам болезней. Ведь, как показали опыты, микрофлора обладает исключительной устойчивостью к космическим воздействиям».

Владимир БЕЛОВ