Текст книги "Юный техник, 2009 № 10"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

РАССКАЖИТЕ, ОЧЕНЬ ИНТЕРЕСНО…
Небоскреб для… редиски?

В «ЮТ» № 5 за 2007 г. вы рассказали о проекте российских специалистов, которые предлагают строить высотные оранжереи. Как обстоят дела с этим проектом? Есть ли сдвиги?..

Иван Переверзев, г. Калининград

Коротко напомним суть дела. Во времена «холодной войны» перед лучшими умами российской оборонной промышленности была поставлена задача: создать сельскохозяйственные комплексы, которые бы помогли людям выжить после атомной войны. Зараженная радиацией почва, резкое похолодание из-за туч пыли, поднятой высоко в атмосферу вследствие ядерных взрывов, лежащие в развалинах города – все это могло обернуться тем, что оставшиеся в живых люди погибли бы от холода и голода.

Одним из решений проблемы стал проект «Экватор», который сейчас рассекречен и предлагается к повсеместному внедрению корпорацией «Союз технологий», президентом которой является известный космонавт Валерий Кубасов.

Внешне это диковинное сооружение похоже на древнеегипетскую пирамиду, только из стекла. По мнению одного из разработчиков проекта, Анатолия Подосинникова, ничего необычного в таком конструкторском решении нет.

«Около 80 процентов территории России относятся к так называемой зоне рискованного земледелия, – рассказал он. – Это значит, что, начиная по весне сельскохозяйственные работы, осенью можно не дождаться урожая. Так что не случайно в нашей стране все шире развивается система земледелия на закрытом грунте, позволяющая получать гарантированные урожаи в любое время года, независимо от погоды…»

Оранжереи XXI века имеют пирамидальную форму, поскольку на их стенах не держится снег, с них быстро скатывается дождевая вода. Облицованы они вакуумированными стеклопакетами, которые позволяют в 1,5 раза сократить потери тепла по сравнению с обычными окнами.

Кроме того, каждый модуль-пирамида имеет гелиоконцентраторы нового поколения на основе двухсторонних кремниевых панелей. Между панелями циркулирует вода, которая даже в условиях средней полосы нагревается до температуры кипения, что позволяет получить КПД установки около 80 %. Снабжены оранжереи и фотоэлементами с КПД около 20 % вместо обычных 5 – 10 %.

Таким образом, каждый модуль способен самостоятельно обеспечивать себя энергией круглый год. А системы кондиционирования следят за тем, чтобы внутри комплекса всегда была нужная атмосфера.

Каждая пирамида поделена на несколько этажей-ярусов. И здесь сказывается преимущество ее формы – на каждый ярус через стеклянные стены попадает достаточное количество солнечного света.

На самом нижнем ярусе располагаются пруды для разведения ценных пород рыб. Каждый модуль, к примеру, способен давать в год до 180 т осетра или до 600 кг сома с каждого кубометра пруда.

На втором и третьем ярусах комплекса – оранжереи для выращивания цветов, зелени, овощей. Все стадии процесса выращивания растений в автоматизированном режиме уже отработаны в ходе многолетних исследований по проекту «Космические оранжереи» лаборатории «Природа» Института имени Курчатова. Нашим специалистам удалось увеличить КПД фотосинтеза с обычных для природы 0,4 % до 16 %, используя поляризованное освещение в сочетании со сбалансированным питанием растений и созданием соответствующего микроклимата.

Сельдерей, петрушка, укроп в гидропонных установках «Светокультура» дают гарантированные еженедельные урожаи до 10 кг с 1 кв. м площади. Урожаи салатов, редиски – до 12 кг в месяц. Томаты, баклажаны и другие овощи можно снимать до 6 раз в год, причем на каждом квадратном метре вырастает около 20 кг плодов.

Центр городского сельского хозяйства – уникальное сочетание жилого здания, бизнес-центра и колхоза. Существует, к сожалению, пока только на бумаге.

По подсчетам экономистов, при стоимости проекта около 7,5 млн. рублей уже через 5 лет общая прибыль составит порядка 22 млн. рублей. При этом конфигурация оранжерей может меняться в зависимости от потребностей и возможностей заказчика.

После нашей публикации в редакцию несколько раз звонили заинтересованные люди, спрашивали, как найти создателей этого уникального проекта. Дело как будто двинулось с мертвой точки.

Подобные работы ведут и за рубежом. «Людей на нашей планете становится все больше, а свободных земель под выращивание сельскохозяйственных культур – все меньше», – рассуждает профессор Колумбийского университета Диксон Депомье, если не приступить к строительству на окраинах городов-миллионников небоскребов-оранжерей или вертикальных ферм, как называет их автор идеи, то будущее человечество все же ждет голод.

На каждом земледельческом этаже такой фермы может быть размещено несколько уровней «земли», на которой растут столь необходимые нам картошка, лук и редиска. На других этажах можно расположить животноводческие хозяйства и даже сады. По оценке Депомье, продукции одной такой фермы достаточно, чтобы в течение года кормить и поить 50 тысяч человек, причем все необходимые технологии для организации такого производства уже существуют.

Городские фермы удобны не только тем, что максимально упрощают доставку продуктов и сокращают необходимость в складских площадях. Они также могут перерабатывать в электричество органические отходы, которых в любом крупном городе предостаточно. Кроме того, для орошения можно использовать очищенную воду канализационных стоков.

Схема очистки выглядит следующим образом: сначала вода проходит через систему фильтров, главная задача которых – задержать осадок. Затем происходит вторая фильтрация с помощью растений, которые не предполагается употреблять в пищу. И, наконец, в финале к делу приступают речные дрейссены – моллюски, хорошо известные владельцам аквариумов своими «очищающими» качествами.

Идея вертикального земледелия посетила Депомье еще восемь лет назад. Четыре года у него ушло на детальную разработку и оформление проекта. Однако ни одной вертикальной фермы пока еще не построено. На Западе тоже, оказывается, умеют откладывать перспективные идеи в долгий ящик.

Тем не менее, в начале 2009 года стало известно, что работами Депомье заинтересовались инвесторы из Лас-Вегаса. По их оценке, стоимость и прибыльность вертикальной фермы сравнима с… казино. При стоимости строительства 200 млн. долларов ожидается ежегодная прибыль в 25 млн. долларов. Плюс еще 15 миллионов долларов первые год-два принесут туристы, желающие посетить чудо-ферму.

Сооружение аналогичного агронебоскреба планирует начать и нью-йорский магнат Скотт Стрингер. Он уже открыл финансирование строительства агрокомплекса, который будет стоить около 30 млн. долларов.

Вполне возможно, интерес Стрингера стал следствием экономического кризиса. Многие фирмы резко сократили площади своих офисов, перевели своих сотрудников на домашний режим работы. А потому строительство ферм-небоскребов обещает стать выгоднее строительства офисных центров или жилых домов.

В. ЧЕТВЕРГОВ

ВОЗВРАЩАЯСЬ К НАПЕЧАТАННОМУ
Робот строит дом

Под таким заголовком в «ЮТ» № 2 за 1995 год мы рассказали об интересной разработке молодых дизайнеров, предложивших строить дома… автоматически. Ну, а какова дальнейшая судьба этой идеи?..

Первоначально она выглядела так. Представьте: у котлована, вырытого под фундамент двухэтажного коттеджа, монтируют оборудование. Затем бригадир нажимает кнопку, и робот-манипулятор вытягивает свою телескопическую «руку» со шлангом, из которого ровным потоком течет тягучая бетонная смесь.

Манипулятор мерно, круг за кругом, перемещает раструб шланга по всему периметру фундамента, оставляя за собой слой бетона. К тому времени, когда заканчивается очередной виток, предыдущий слой успевает загустеть. И так круг за кругом, пока не будет готов весь фундамент. После этого следует переключение на новый режим работы, и робот приступает к формовке стены. Если его своевременно обеспечивать бетонной смесью, к вечеру остов дома будет готов.

Сама же идея новой технологии родилась довольно случайно. Как рассказал автор проекта, дизайнер Сергей Дудин, дело было так: «Ехал я как-то по Подмосковью, вдоль дороги ряд строящихся коттеджей. Подумалось: «Себе бы такой! Да где взять столько денег! Значит, надо подумать об удешевлении строительства»…

Стал Дудин в памяти перебирать, какие дома ему известны: глинобитные, саманные, деревянные, каменные, кирпичные, бетонные, наконец – последние самые прочные. Причем если строить из готовых бетонных панелей, дом растет прямо на глазах. Однако для производства самих панелей нужен специализированный завод. И везти такие панели с производства на место строительства довольно накладно…

Между тем сырье для производства бетона есть почти всюду. Не проще ли бетонную смесь готовить прямо на стройке – в бетономешалке. И тут же отливать фундамент, стены. Тогда весь процесс можно механизировать.

Кстати, сам по себе метод монолитного железобетона известен довольно давно. Но до сих пор он требует большого количества ручного труда – опалубку нужно поставить, прутья арматуры разместить…

Вот тут-то бы и пригодилась помощь промышленного робота. Вон их собратья в цехах даже автомобили на конвейере собирают. Конструкция же дома не в пример проще…

Сергей Дудин поделился своими соображениями с коллегами, и они вместе стали создавать новую технологию. От опалубки они решили по возможности отказаться. «Дело в том, что застывающий бетон – материал с весьма интересными физико-химическими свойствами, – рассказал Сергей. – Например, при схватывании на его поверхности выделяется так называемое «молочко», препятствующее сцеплению с новой порцией смеси.

Строителям это известно, но, как правило, никто не знает, в какой именно момент выделяется это «молочко». При исследованиях, проведенных Сергеем Дудиным совместно со специалистами МХТИ имени Д.И. Менделеева, удалось подобрать раствор такой густоты, что при укладке его слоем сантиметров в десять он не оплывает, не растекается и сцепляется с предыдущим витком. При подобной укладке стало возможно отказаться от опалубки, шире использовать механизмы. Роль укладчика работники фирмы вместе со специалистами ВНИИ физико-технических проблем решили доверить роботу. Он-то уж обеспечит ровный слой, его «рука» не дрогнет и может без устали работать хоть сутки.

Управлять механизмом тоже просто – заложил в память компьютера программу, и робот будет отливать стены словно по линейке, филигранно соблюдая как ширину, так и толщину…

Модель «механического строителя» конструкции С. Дудина.

Роботизированный строительный комплекс, согласно расчетам, способен построить двухэтажный коттедж площадью в 130 кв. м, высотой 8 м (на два этажа с цоколем) и толщиной стен в пол метра менее чем за 10 часов. А несколько роботов смогут за неделю-другую построить целый поселок. При этом стоимость работ по сравнению с обычной технологией снижается примерно в 2–3 раза. Комплекс оправдает себя уже в первый сезон работы.

Вот такой разговор состоялся у нашего корреспондента с разработчиками весьма перспективной технологии еще в 1994 году. Ну, а что случилось дальше? А ничего…

Схема действия «механического строителя» конструкции С. Дудина:

_{1– бетонная масса; 2– разрез бетонной массы по стрелке А; 3– раструб, из которого выдавливается бетон; 4, 5– стрелки, показывающие возможности перемещения отдельных частей робота.}

Нашим строителям так и не удалось найти инвестора. И дело застыло на мертвой точке. Но ведь не зря же говорят, что идеи витают в воздухе. По странному стечению обстоятельств, в том же 1994 году на другом краю Земли, в Лос-Анджелесе, штат Калифорния, случилось очередное землетрясение. И в стене дома профессора университета Южной Калифорнии Бероха Хошневиса появилась большая трещина.

Профессору не оставалось ничего иного, как взять в руки мастерок и самому заделать ее – профессиональные строители в тот момент были нарасхват. Орудуя мастерком, он и задумался: «А нельзя ли создать механическую руку, которая бы выполняла подобную работу вместо человека?»

Будучи по природе человеком настойчивым, профессор стал думать над созданием подобной конструкции. И вот, в конце концов, до чего додумался.

На место очередного землетрясения он теперь предлагает посылать не только бригады строителей, но специальные конструкции, отдаленно напоминающие портальные краны.

После окончания монтажа машины оживают и начинают двигаться взад-вперед по проложенным рельсам, словно обычные строительные краны. Только вместо крюка каждая стрела заканчивается «хоботом», по которому подается бетонная смесь. А на конце хобота раструб с узкой щелью. Двигаясь вперед и назад по рельсам, роботы манипулируют хоботом, из щели которого бетон выдавливается, словно зубная паста из тюбика. Компьютер с помощью телеглаз следит за процессом и контролирует его. И вот уже дома на месте бывшей трагедии начинают расти словно грибы.

Поскольку профессор, по всей вероятности, ничего не знал о разработке москвичей, то в его конструкции есть свои отличия. Так, например, он предлагает вести строительство не одной, а сразу 2–3 механическими руками. Первая отливает внешнюю и внутреннюю части стены. Когда эти, скажем так, панели затвердеют, то они послужат опалубкой, которая будет держать основную часть бетонной смеси, заливаемой внутрь третьей рукой. А предшествующая ей вторая рука будет монтировать в пока еще пустом пространстве все необходимые трубопроводы и коммуникации.

Управлять же форсунками, выделяющими бетонную смесь, профессор предложил по тем же алгоритмам, которые ныне используются в так называемых 3D-принтерах.

Мы уже рассказывали о технологии объемной печати (см. «ЮТ» № 4 за 2008 г.). Она позволяет не только печатать тексты и рисунки, но и наращивать слой за слоем по определенной программе объемные, трехмерные объекты.

Таким образом, по мнению калифорнийских конструкторов, устройство Contour Craftingсможет возвести одноэтажный дом общей площадью 200 кв. м менее чем за сутки! При этом вся работа будет проведена под руководством одного оператора, сидящего у дисплея.

Впрочем, и в Калифорнии дальше создания действующих моделей нового оборудования дело пока не продвинулась. Причина все та же – нужны инвестиции для создания опытной конструкции, налаживания ее серийного производства.

При наличии денег команда Бероха Хошневиса надеется построить с помощью машины Contour Craftingпервый дом уже к концу 2009 года.

Однако, учитывая инерционность строительной индустрии, профессор полагает, что «звездный час» для технологии Contour Craftingнаступит, когда человечество начнет строить базы на Луне – с тем чтобы затем перенести накопленный опыт на Марс.

А возможности строительства на Луне сильно ограничены вместимостью лунных модулей. На спутник Земли не повезешь с Земли кирпичи, цемент и все то, что необходимо для строительства. Кроме того, выполнять строительные работы в лунном скафандре вряд ли будет удобно.

Так что волей-неволей придется максимально использовать местные материалы и применять для строительных работ автоматику. Именно в этих направлениях ведут сегодня исследования конструкторы из Университета Южной Калифорнии.

В качестве связующего материала для бетона на Луне можно использовать выработанный из местных материалов аналог портлендского цемента, поскольку главный его компонент – оксид кальция – присутствует в лунном стекле, базальте и анортите.

Основной проблемой при этом остается вода, которую на Луне упорно ищут. Везти воду с Земли тоже не рационально, поэтому рассматривается возможность получения ее путем восстановления оксидов с помощью водорода.

Уже сегодня в лаборатории Университета Южной Каролины из керамической пасты изготавливаются элементы конструкций самых причудливых форм.

Другой путь – использование вместо цементного раствора расплавленной серы, которая обильно представлена в лунных породах. Как показывают расчеты, «серный» бетон лучше обычного выдерживает сжатие и растяжение, быстрее застывает, более устойчив к солям и кислотам и почти не впитывает воду. В качестве армирующих элементов и для разного рода изолирующих покрытий можно использовать лунное стекло и изготовленное на его базе стекловолокно.

В общем, история эта вовсе не закончена. Как говорится, продолжение следует. И мы надеемся, что лет через 10–15 наши читатели узнают о ее счастливом завершении.

Публикацию подготовил С. СЛАВИН

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

СМОТРЕТЬ «УЖАСТИКИ» ПОЛЕЗНО.К такому неожиданному выводу пришел финский психолог Антти Ревонсуо, сообщает лондонская газета «Сан»: фильмы ужасов стали своеобразной заменой кошмарных снов о падении с высоты, потере зубов, неудачах на уроке, преследовании страшными животными. А эти кошмары, в свою очередь, являются наследием человеческой цивилизации, которая на протяжении тысячелетий была вынуждена противостоять самым различным и опасным вызовам, считает ученый.

В результате же снившихся кошмаров еще на заре цивилизации возник особый психологический механизм, когда во время сна мозг человека исследовал самые опасные ситуации и готовил его к неожиданным поворотам событий.

Следствием этого стал тот факт, что в реальной жизни человек был внутренне готов к самым различным поворотам событий. Ночные кошмары создавали в подсознании необходимые нервные связи, которые позволяли человеку в реальной жизни точно и эффективно, почти автоматически действовать в момент наивысшей опасности.

ПО ВИХРЕВОМУ СЛЕДУ. По следам на снегу легко узнать, кто проходил. Но, оказывается, следы остаются и в воде. Швейцарские зоологи Вольф Ханке и Хорст Блекман заметили, что за проплывавшими рыбами остается след в виде водяных вихрей. Он сохраняется еще минут пять после того, как рыба скрылась.

Возможно, что хищники, например те же акулы, гонятся за добычей, отслеживая водяные вихри особым органом чувств – боковой линией. Может быть, это открытие пригодится подводникам, для которых будут созданы особые сонары для выслеживания субмарин и боевых пловцов противника по оставленному ими вихревому следу.

РАДОСТИ СОДЕЙСТВУЮТ УСПЕХАМ.Именно так: не успехи приносят радости, а как раз наоборот – положительные эмоции, возникающие при взгляде на улыбающееся лицо собеседника, позволяют человеку шире смотреть на вещи, стимулируют абстрактное мышление. К такому заключению пришли Апарна Лабру из университета Чикаго (штат Иллинойс) и Ванесса Патрик из университета штата Джорджия.

Ученые провели эксперименты с участием студентов, во время которых изучали изменения в поведении и мышлении людей, которых просили вспомнить самые счастливые и самые печальные периоды своей жизни. Воспоминания о светлой полосе, как правило, стимулировали в участниках абстрактное мышление. При решении различного рода задач они переставали обращать внимание на досадные мелочи и пытались мыслить перспективно.

«Хорошее настроение позволяет нам мысленно дать себе передышку, посмотреть на ситуацию со стороны и осмыслить ее заново. Плохое настроение, наоборот, заставляет вас думать очень конкретно и в конечном счете принимать недальновидное решение», – подчеркивают авторы исследования.

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Бронированная паутина

Говорят, еще Наполеон Бонапарт возлагал большие надежды на паутину. Однажды ему подарили перчатки из необычной ткани – тонкой эластичной и весьма прочной. Узнав, что перчатки сотканы из паутины, император загорелся идеей изготовить из паутинной ткани паруса для своего флота. Но у него ничего не получилось. И вот почему…

Люди все еще не перестают удивляться поразительной изобретательности природы, создавшей массу удивительных существ, веществ и явлений. Взять хотя бы паутинное волокно. Оно выдерживает большую нагрузку на растяжение, чем стальная проволока того же сечения. Паутина эластичнее каучука и не уступает по гигроскопичности шерсти. Паутина не становится хрупкой при понижении температуры ниже нуля. Она не уменьшает своей прочности и не создает сколько-нибудь заметного сопротивления кручению, даже если подвешенный на ней предмет множество раз закручивать то в одну, то в другую сторону…

Понятное дело, наличие столь богатого набора полезных свойств давно привлекает к паутине внимание технологов, конструкторов и материаловедов. Впрочем, не только их. Вспомним хотя бы о том же императоре Наполеоне. Ему пришлось отказаться от своей идеи по весьма простой причине. Даже все пауки планеты не смогли бы соткать достаточное количество паутины. Так что морякам приходилось довольствоваться парусами из парусины – прочной хлопчатобумажной ткани, пока ей на смену не пришли полотнища из нейлона и другой синтетики – легкие, прочные, быстро сохнущие и совершенно не поддающиеся гниению в морской воде.

Ну, а как обстоят дела с паутиной на сегодняшний день?

Недавно исследователи из Института физики микроструктур Общества имени Макса Планка в Галле (Германия) внедрили в структуру паутинного белка атомы металлов. Выяснилось, что при этом увеличивается как текучесть волокна, так и предел его прочности при растяжении.

А началось все, опять-таки, со случая. Увидев во дворе института паука, плетущего свою сеть, аспирант Март Кнез решил включить паутину в перечень тех материалов, на которых он испытывал новую технологию пленочного покрытия толщиной в один атомный слой.

Для неорганических материалов эта технология известна уже давно. Испарение металла в вакууме, приводящее к образованию таких пленок, позволяет защищать материалы от коррозии. Однако лишь в 2006 году Марту Кнезу впервые удалось осадить тончайшую пленку на паутину.

Новая технология предусматривала попеременное воздействие водяного пара и газа, состоящего из ионов металла и остатков органических молекул. Причем ученому пришлось несколько модифицировать и этот метод. В паутине атомы белка связаны между собой в прочную цепь атомами водорода. В той паутине, которая подверглась обработке по методу Кнеза, водородные атомы заменены атомами металла.

Экспериментируя с тремя металлами – титаном, алюминием и цинком, – ученому и его коллегам удалось увеличить прочность волокна на разрыв в 3–4 раза. Кроме того, металлизированное волокно вдвое эластичнее исходного. Это происходит потому, что сама паутина свернута в спираль, похожую на стальную пружину. И новая технология обработки, как оказалось, привела словно бы к увеличению числа витков этой пружины.

В общем, получилось уникальное волокно, использовать которое вовсе не прочь создатели многих изделий – тех же парусов, парашютных куполов, бронежилетов…

Однако остается нерешенной все та же проблема: где взять столько пауков, чтобы обеспечить потребности сразу всех?

Поэтому исследователи продолжают работу над созданием синтетических аналогов паутины. Говорят, многообещающей получается технология, основанная на последних достижениях генной инженерии.

Так, скажем, профессор Дэвид Каплан, заведующий кафедрой биомедицинского инжиниринга университета Тафтса, штат Массачусетс, и его коллеги решили искусственно синтезировать паутинную нить, взяв за основу паутину распространенного в США паука-ткача. Только теперь эту нить будут производить трансгенные бактерии, живущие в биореакторах. Причем в основу нового материала, кроме паутинного белка, входит теперь и пептид, позаимствованный у диатомовых водорослей.

Эти водоросли представляют собой одноклеточные организмы, заключенные в твердую оболочку из кремния – элемента, который, в частности, используется для получения тугоплавкого кварцевого стекла. Таким образом, пептид Р-5 должен был по идее еще улучшить свойства новой «паутинной нити», сообщив ей еще и жаропрочность. В итоге действительно удалось создать композит, в котором белковое волокно упрочнено минеральными компонентами.

И все же даже этого оказалось недостаточно. Для полной замены природной паутины нужно, чтобы искусственный материал имел не только состав, но еще и структуру природного волокна. А вот с этим пока неувязка.

В. ВЕТРОВ