Текст книги "Юный техник, 2012 № 12"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 5 страниц)

СОЗДАНО В РОССИИ
Раскинули крылья ветряки…

Правы люди, утверждающие, что электрические ветрогенераторы полезны. Но правы и те, что утверждают, что они вредят природе. Впрочем, обо всем по порядку.

Крупные ветряные электростанции, хотя и представляют меньшую опасность для экологии, чем традиционные источники энергии, все же оказывают влияние на изменение климата. К такому выводу пришли ученые из Университета штата Нью-Йорк, проанализировавшие работу «ветряных ферм» в Техасе за последнее десятилетие.

Выводы таковы: за это время среднегодовая температура в окрестностях поднималась на 0,72 градуса летом и 0,45 зимой. Причина тому – энергия, выделяемая вращающимися ветро генераторами, а также турбулентность, которая возникает в результате вращения роторов турбин. Она нарушает дневные и сезонные циклы циркуляции воздуха, объяснили ученые.

Ночью, когда массы холодного воздуха опускаются ближе к земной поверхности, лопасти турбин создают «воздушный штопор», в котором эти потоки перемешиваются с теплым воздухом. В местах компактного расположения ветрогенераторов образуются «устойчивые острова тепла», утверждает профессор Нью-Йоркского университета Лиминг Гоем.

Тем не менее, ветроэнергетика переживает бурное развитие в США и в других странах. Скажем, в Китае каждый день вводят в строй около 40 новых ветрогенераторов. Только за 2012 год суммарная мощность всех ветрогенераторов выросла примерно на 20 %, составив 238 ГВт. По прогнозам экспертов отрасли, к 2016 году их мощность вырастет еще, как минимум, вдвое.

Как снизить наносимый ими вред? Об этом, в частности, думают и исследователи нашей страны. Например, в Исследовательском центре им. М.В. Келдыша создают оригинальные конструкции не только для авиации и космонавтики. Одна из них – ветроустановка с машущим четырехлопастным ротором, лопасти которого могут быть изготовлены, например, из пенопласта. Перед началом работы две лопасти поднимают вертикально вверх, а две другие располагают горизонтально и направляют в противоположные стороны. Под воздействием ветра лопасти начинают описывать сложные траектории, напоминающие пространственные «восьмерки».

КПД установки увеличивается здесь за счет полного использования напора ветра, действующего перпендикулярно на плоскости сменяющих друг друга лопастей.

С выходного вала крутящий момент передается потребителю мощности. При шквальном ветре (21–25 м/с) расположенное под хвостовым оперением подвижное крыло переводит установку в положение, когда лопасти оказывают наименьшее аэродинамическое сопротивление ветру. Когда скорость ветра уменьшается, установка возвращается в рабочее положение.

Один из создателей новой конструкции, П.А. Богданов, построил такую установку у себя на даче в Подмосковье. При скорости ветра 10 м/с и размахе лопастей ротора 0,8 м электрогенератор дает электрическую мощность порядка 450 Вт.

Подобные ветряки подходят для районов с умеренным климатом и среднегодовыми скоростями ветра от 3 до 15 м/с, полагает другой разработчик новой конструкции, кандидат физико-математических наук Н.Н. Иванов. Ветроустановку можно использовать, например, для подъема воды из колодца. В переносном варианте она пригодится жителям отдаленных сел и деревень, геологам-поисковикам, чабанам, таежным охотникам и строителям. А смонтированная, например, на горном ручье или речке, установка с водонепроницаемым ротором будет работать как малая ГЭС, причем не только летом, но и зимой, подо льдом.

Еще одну оригинальную ветроустановку мне довелось видеть в г. Зеленограде. Ее создатели – сотрудники ООО «АС и ПП», которая занимается разработками и производством в сфере силовой электроники, альтернативной энергетики, возобновляемых источников энергии и энергосберегающих технологий.

Только за два последних года предприятием получено более десяти патентов на технические решения, воплощенные в разных разработках. Новая ветроустановка – одна из них.

Руководитель проекта Д.А. Дуюнов рассказывал мне об истории создания этой оригинальной ветроустановки. В свое время известный фантаст Александр Казанцев описал оригинальную ветроустановку, которую соорудили полярники на одной из зимовок. Умельцы разрезали вдоль пустую металлическую бочку, сдвинули немного половинки одну относительно другой и закрепили в таком виде на центральной оси. Ну, а саму ось поместили в подшипниках, чтобы могла свободно вращаться. Такая конструкция удобна тем, что ее не нужно разворачивать, словно флюгер, при изменении направления ветра.

Конечно, в нынешнем своем виде ветроустановка уже далеко не похожа на ту бочку. Конструкция была скрупулезно просчитана математически, выверена на моделях. И лишь после этого был построен демонстрационный образец.

Когда он был готов, его подняли на крышу, установили на опору, а тут и рабочий день кончился. Решили отложить окончание монтажа до утра, с тем и разошлись по домам. А когда назавтра вернулись на крышу, то ветряка там не обнаружили. Куда делся?

Нашли его во дворе. И тогда догадались, в чем дело. Оказывается, ночью подул ветер, ветряк закрутился и, словно вертолет, отправился в самостоятельный полет.

Хорошо еще, что не улетел чересчур далеко…

Работает ветряк практически бесшумно. А как он выглядит, вы можете увидеть на фото. Сотрудники фирмы готовы заключить договор на производство подобных ветряков с заинтересованными фирмами и организациями.

Причем заказчик может указать выходную мощность ветроэлектростанции и иные нужные ему параметры.

С. НИКОЛАЕВ

ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Живой… лазер

Мало того, что ныне лазеры применяются где угодно, начиная от указок и кончая новейшими видами вооружения, так теперь исследователи пытаются создать квантовые генераторы на основе живых клеток.

Подробности тут таковы…

Без лазеров современная жизнь уже немыслима. Но при этом не стоит и забывать, что лазер – это, попросту говоря, усилитель света. Действие его, как известно, основано на «накачке» атомов рабочего тела и переводе их на более высокий энергетический уровень. Затем возбужденные атомы возвращаются на первоначальный уровень, излучив полученную энергию в виде фотонов.

Фотоны, сталкиваясь с другими возбужденными атомами, также выбивают из них новые кванты света, имеющие ту же частоту и фазу, что и исходные. В итоге излучение растет лавинообразно и, прорываясь сквозь полупрозрачное зеркало, создает характерный узконаправленный лазерный луч.

И вот на днях гарвардские ученые Мэльт Гэтер и Сек Хыон Юнь нашли способ применить эту схему в живой биологической клетке. «Когда мы только приступили к задаче, создание «биологического лазера» можно было счесть чем-то вроде научной забавы, – поясняет профессор Гэтер. – Но оказалось, что такой лазер может оказаться полезным…»

Ключевым компонентом предложенной учеными схемы стал зеленый флюоресцентный белок (GFP), весьма популярный среди современных биологов. Белок этот, ген которого выделен из клеток медузы и легко переносится в другие организмы, светится зеленым при освещении синим светом.

Мы уже рассказывали вам (см. «ЮТ» № 2 за 2009 г.) о том, что за «открытие и применение различных форм зеленого флюоресцентного белка» была присуждена Нобелевская премия по химии за 2008 год японцу Осаме Симомуре, а также американцам Мартину Чалфи и Роджеру Тснену. Поведали и о том, что обычно биологи использовали светящийся белок в качестве удобной и наглядной световой метки во время своих экспериментов.

Так, ученые Эдинбургского университета (Шотландия) вживили ген медузы в картофель. В итоге получилось растение, которое светится в ультрафиолетовых лучах.

Генетики полагают, что такую картошку имеет смысл высаживать по краям поля, где она будет выполнять роль своеобразного датчика, сигнализируя об испытываемой собратьями жажде. Ведь светиться куст начинает лишь при недостатке влаги в почве.

В 1997 году токийские ученые внедрили светящийся ген подопытным мышам, чтобы было удобно изучать процесс распространения в организме новых лекарственных препаратов. Используются светящиеся гены в качестве маркеров и в ряде других научных исследований.

Ну, а теперь Мэльт Гэтер и Сек Хьюн Юнь не только перенесли кодирующий GFP ген в культуру человеческих клеток, но и затем стимулировали в них синтез этого белка и поместили клетки в узкое – шириной примерно в размер одиночной клетки – пространство между двумя зеркалами.

Осталось «накачать» систему синим светом, для чего был использован цветной лазер, пульсирующий слабыми, с энергией около 1 нДж, импульсами. Как и в обычных условиях, такая стимуляция заставляет GFP флюоресцировать, испуская фотоны во всех направлениях.

Однако внутри «лазерной установки» фотоны отражаются, возвращаясь на GFP и усиливая его свет, создавая когерентный луч зеленого цвета.

По мнению экспертов, подобные «биолазеры» могут найти применение в медицине будущего, послужат эффективными сенсорами и инструментнми, способными работать внутри человеческого организма – скажем, точно уничтожая клетки раковой опухоли.

С. ЗИГУНЕНКО

ПОДРОБНОСТИ ДЛЯ ЛЮБОЗНАТЕЛЬНЫХ
Как чует нос, что жареным запахло?

Мы уже не раз рассказывали вам о том, как наш нос распознает запахи, об их природе. В частности, мы уже писали о работе лауреатов Нобелевской премии Ричарда Акселя и Линды Бак, которые были удостоены высшей научной награды именно за изучение механизма обоняния. Но как ныне выясняется, предложенная ими теория – не единственная в своем роде.

Впрочем, лучше все по порядку.

Где замок, там и ключ…

Изучением запахов наука занимается очень давно. Скажем, еще древний грек Тит Лукреций Кар, автор поэмы «О природе вещей», написанной свыше 2000 лет назад, предложил такое объяснение чувству обоняния.

Он полагал, что в полости носа есть маленькие отверстия-поры, различные по размерам и формам. Всякое пахучее вещество испускает крошечные частицы, которые входят в соответствующие поры полости носа, словно ключ в замочную скважину.

Позднее природу запахов ученые попытались объяснить особенностями химического состава вещества. Частицы Лукреция получили название молекул. Каждая молекула, дескать, имеет свою пространственную форму, отсюда и разница в запахах. Однако довольно скоро выяснилось, что в природе есть немало соединений, которые имеют почти одинаковое строение, состоят из одних и тех же атомов, а пахнут совершенно по-разному.

Теория «ключа и замка» оказалась верной лишь в самом первом приближении. Пахучее вещество действительно должно обладать рядом определенных свойств.

Скажем, оно должно быть летучим, только тогда его молекулы смогут достичь органов обоняния. Что же касается формы молекул, то исследования с помощью самой современной аппаратуры показали, что между формой молекулы и ее запахом нет такого уж строгого соответствия.

Тем не менее, даже человек с его несовершенным обонянием способен различать тысячи различных запахов.

А, скажем, собаки с их изощренным чутьем различают сотни тысяч запахов. Как им это удается? В этом и попытались разобраться Ричард Аксель, Линда Бак и их последователи.

Нобелевские лауреаты на молекулярном уровне изучили нейрофизиологический механизм обоняния, позволяющий живому существу легко различать в среднем около 10 000 запахов. Сама Линда Бак пояснила этот механизм так: «Распознавание запахов начинается в полости носа, на том участке слизистой оболочки, где расположены миллионы специализированных сенсорных клеток, которые атакуют молекулы пахучих веществ. Сигналы от них передаются затем в соответствующий отдел головного мозга, именуемый обонятельной луковицей. А оттуда – в другие отделы головного мозга, которые, в конце концов, и позволяют нам осознанно различать запахи, испытывать связанные с ними эмоции…»

Все дело в генах?

Такое описание, правда, следует признать не очень точным, лишенным многих подробностей. А они таковы. Обоняние, как уже говорилось, долгое время оставалось наиболее загадочным из чувств. Эксперименты, в ходе которых животным давали нюхать самые различные пахучие вещества, измеряя при этом электрическую активность обонятельных нейронов, не принесли особой ясности. Одни и те же клетки реагировали на разные запахи с неодинаковой интенсивностью.

Успех пришел лишь после того, как Аксель и Бак подошли к проблеме с другой стороны. Они решили выявить и описать обонятельные рецепторы. То есть протеины, расположенные снаружи на мембране обонятельных клеток и способные улавливать молекулы пахучих веществ-одорантов.

Отыскать те гены, которые кодируют эти белки, оказалось не очень сложной задачей. Оставалось определить, какие из них активны в обонятельных клетках, и только в них.

Однако из этой затеи тоже ничего не вышло. Почему?

Причина стала понятна лишь после того, как исследователи выяснили: рецепторов этих огромное множество и все они разные. А главное, они синтезируются в организме в ничтожных количествах. Так что выловить их – весьма сложная задача.

Впрочем, поиск генов, кодирующих обонятельные рецепторы, значительно упростился после того, как Бак сформулировала основные критерии, которым они должны были удовлетворять. В частности, выяснилось, что эти рецепторные протеины имеют определенную структуру.

Круг поиска сузился, и в итоге удалось обнаружить целые семейства подобных генов. Причем оказалось, что их свыше 1000! Тем не менее, теперь стало понятно, какие именно гены и как отвечают за обоняние. Больше всего научный мир поразило, что их столь много – три процента всего генома. И это у человека. А ведь у животных нюх куда острее. А стало быть, и генов обоняния должно быть куда больше.

В носовой полости на площади всего нескольких квадратных сантиметров (у человека, например, около 6 кв. см) расположено около 30 млн. клеток обонятельного эпителия. Причем каждая из них имеет на поверхности мембраны лишь один какой-то вид рецепторного белка.

И, стало быть, способна воспринимать ограниченное количество родственных запахов.

Упрощенная схема, покалывающая различие между теорией «замка и ключа» (слева) и теорией вибраций (справа).

Таким образом, теория «ключа и замка», о которой некогда писал Лукреций Кар, все-таки отчасти верна.

Данный рецептор-«замок» срабатывает лишь в том случае, если ощущает определенный запах-«ключ». Лишь в этом случае от данного рецептора поступает соответствующий сигнал в обонятельную луковицу головного мозга. Здесь расположено около 2000 узкоспециализированных образований – так называемых клубочков; они осуществляют прием сигналов от соответствующих рецепторов, их обработку и передачу информации в другие отделы мозга.

Вариации вибраций

На том вроде бы можно было и успокоиться. Да не тут-то было! Похоже, кое-кто вовсе не прочь получить еще одну Нобелевскую премию за расшифровку секретов запаха. Во всяком случае, биофизик итальянского происхождения Лука Турин, живущий ныне в США, недавно обнародовал еще одну, так называемую «вибрационную», теорию распознавания запахов. Научный сотрудник Массачусетского технологического института еще в 1996 году предположил, что запах разных веществ определяется не формами молекул, а частотой колебаний атомов в них.

Видимо, электроны молекулы пахучего вещества способны перейти к рецептору только при определенной частоте, полагает Турим. Иначе на пути частиц вырастает энергетический барьер. В случае, когда «аромат» подходит рецептору, возникают квантовые эффекты, происходит туннелирование частицы.

Для проверки своей теории ученый решил научить дрозофил различать «ароматы» одинаковых по форме молекул. Для этого он и его коллеги соорудили Т-образный лабиринт, в котором мушка могла выбрать одно из направлений. Первый коридор пах ацетофеноном (одним из распространенных в парфюмерии душистых веществ). Второй исследователи «надушили» тем же веществом, но в нем атомы водорода были заменены на дейтерий.

Если бы дрозофилы ориентировались только по форме молекул, то они не смогли бы различить запахи, уверяет Турин. Однако эксперимент показал, что ацетофенон без дейтерия был мушкам больше по душе. Как они его выявили?

Лука Турин полагает, что все дело в частоте колебаний молекул. Когда атом водорода заменяется атомом дейтерия, общая форма молекулы вещества остается той же. Но лишний нейтрон дейтерия увеличивает массу атома, как следствие изменяется частота колебаний молекулы.

Однако дрозофилы в роли экспертов убедили далеко не всех ученых. Даже если мушки и в самом деле различают изотопы одного и того же элемента, это отнюдь не означает, что дело в вибрациях. Вполне возможно, что различия в неких иных свойствах веществ, полагают скептики.

Биохимик Лука Турин.

Впрочем, Турин с коллегами намерены доказать свою правоту. Сейчас они проводят генетические исследования дрозофил, чтобы определить, какие аминокислоты в рецепторах помогают им различать изотопы. Их поддерживают и ученые из Лондонского университетского колледжа, которые оценили вероятность туннелирования электронов и пришли к выводу, что этот процесс теоретически возможен. Однако и они считают, что теорию неплохо бы подкрепить еще и экспериментами.

Таким образом, ставить окончательную точку в исследованиях запахов еще рано. Продолжение следует…

А. ПЕТРОВ

Кстати…

ЧЕМ ПАХНЕТ КОСМОС?

Американские ученые, опросив астронавтов, похоже, выяснили, какой запах у космическопространства, пишет газета Daili Mail.

«Когда я был на МКС, я чувствовал аромат прожаренного мяса, запах горячего металла и сварки», – описал свои ощущения один из членов экспедиции на Международную космическую станцию Тони Антонелли.

Его коллега Томас Джонс, вернувшись с орбиты, помимо перечисленных Антонелли запахов, прибавил, что он на борту станции чувствовал привкусы «слабого едкого запаха», напоминающего серу.

Еще один астронавт – Дон Петтит – отметил, что почувствовать запах непосредственно в космосе, конечно, невозможно, но по возвращении внутрь корабля многие явственно ощущают необычные запахи, исходящие от поверхности скафандра, шлема, рукавиц и приборов, которые побывали за пределами станции.

Химики NASA предполагают, что металлический «привкус» запаха может исходить при высокоэнергетических колебаниях ионов. Другое объяснение – запах создают полициклические ароматические углеводороды; эти органические соединения образуются при горении, которое происходит во время гибели звезд. На Земле этот запах сопровождает любой термический процесс, связанный со сжиганием органического сырья – например, при жарке мяса.

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ЛАЗЕРЫ ПРОТИВ АСТЕРОИДОВ. Метеориты продолжают падать на нашу планету и по сей день. Большинство из них достаточно мелкие, чтобы не нанести вреда ни самой планете, ни ее обитателям. Иное дело, если на Землю вдруг упадет астероид диаметром в несколько километров. А такая вероятность есть…

Для защиты Земли от астероидов ученые предложили организовать астероидный патруль. Он будет состоять из множества спутников с телескопами, радарами и лазерами на борту. Как только приборы наблюдения засекут астероид, который нацелится на нашу планету, в дело вступят мощные лазеры. Их излучение испарит часть вещества на поверхности астероида. При этом возникнет реактивная сила, которая заставит небесное тело изменить траекторию своего движения.

И астероид благополучно пролетит мимо нашей планеты.

ЛЮБИТЕЛЬ COCA-COLA. Как ни странно, это вовсе не человек или животное, а… мобильник. Фирма Daizi Zheng продемонстрировала недавно концепт сотового телефона, работающего на Coca-Cola. И телефон функционирует! А дело в том, что элементы питания мобильника генерируют электрическую энергию из углеводов (в конкретном случае – из сахара), которые содержатся в напитке. Впрочем, как утверждают разработчики, телефон будет успешно работать и на любой другой жидкости, содержащей сахар.

Для того чтобы подзарядить телефон, его владельцу необходимо всего лишь залить в него Coca-Cola или просто сладкую воду. Потенциал экологически чистой биобатареи, по расчетам, в 9–4 раза выше, чем у обычного литиевого аккумулятора.

Телефоны с таким необычным источником питания намерена выпускать компания Nokia.

МЫ САМИ – МАРСИАНЕ? Новые исследования помогли ученым не только по-другому посмотреть на геологическую историю Красной планеты, но и заявить с большей уверенностью, чем раньше, что когда-то, очень давно, жизнь на Марсе все же существовала. Так, во всяком случае, полагают сотрудники Университета Нью-Мексико (США), возглавляемые профессором Френсисом Маккабином.

Они пришли к такому заключению на основании исследований нескольких десятков марсианских метеоритов, некогда упавших с Красной планеты на Землю.

Метеориты, прилетевшие с Красной планеты, разделены учеными на три вида: Shergottites, Nakhlites и Chassignites.

В своем недавнем исследовании ученые изучали именно метеориты класса Shergottites. Именно они показали не только высокую кон центрацию воды, но и остатки неких соединений, которые можно отнести к биологическим.

Профессор Маккабин даже высказал предположение, что, возможно, именно марсианские метеориты занесли на нашу планету те «семена жизни», с которых и началась вся эволюция. «Так что, возможно, мы с вами – потомки тех «марсиан», которые некогда прибыли на нашу планету с метеоритами», – сказал профессор.