Текст книги "Юный техник, 2011 № 11"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 6 страниц)

КСТАТИ…
Наш пострел везде поспел

Провинциальный студент, 23-летний Антон Ласточкин из Перми, без связей и богатых родственников получил высшее образование в США, Европе и Азии. Как ему это удалось?

Сам Антон не видит в своей судьбе ничего сверхординарного. Родом он из обычной семьи: папа – учитель пения; мама – врач. Особым достатком семья никогда не отличалась. И когда в девятом классе Антон вдруг заикнулся, что хотел бы учиться за границей, родители популярно объяснили, что исполнить свою мечту он может только сам. Помочь ему старшее поколение мало чем может.

Первый шаг к мечте был таким. В школе Антон изучал немецкий язык. Но тут начал штудировать еще и английский. Причем за 2 года самостоятельных занятий достиг такого совершенства, что смог выиграть грант на годичное обучение в США.

«Як тому времени окончил первый курс Пермского государственного технического университета, так что в Америку поехал учиться в колледж по специальности «информатика», – пояснил Антон.

В Штатах его поразило, сколько свободы дается американским студентам. По каждой специальности есть огромный список курсов, из которых каждый может выбирать определенный минимум. Выбирает себе студент и преподавателя, к которому записывается на лекции и семинары. Поэтому среди преподавателей существует своего рода борьба за студентов; каждый заинтересован, чтобы к нему пришло побольше – от этого зависит его престиж и заработок.

Проучившись год, Антон был вынужден оставить США: второго гранта на продолжение образования ему не досталось, а платить ежегодно крупную сумму ни он сам, ни родители не могли. Можно было, конечно, вернуться в Пермь, но Антона, что называется, уже заело. Он решил попытать счастья в другом заграничном вузе.

«Я выяснил, что в Германии для иностранцев плата за обучение около 600 евро за семестр, – пояснил Антон. – Я решил, что это мне по карману – смогу платить за счет подработки в свободное от учебы время…»

Так он отправился на три года во Фрайбургский университет имени Альберта-Людвига, чтобы получить звание бакалавра информатики. По прибытии на место практически сразу же устроился на работу – помощником профессора там же в университете. «Немецкие студенты немного ленивы, так что конкурентов на эту должность у меня не было», – вспоминает Антон.

В общем, пришлось крутиться, словно белка в колесе – каждая минута на счету. Но Антон выдержал испытание и стал бакалавром. И… захотел стать магистром. Причем не где-нибудь, а в Гонконге – уж очень ему понравился город, увиденный однажды по телевидению.

Для осуществления своей мечты упрямый студент, наряду с английским и немецким языками, стал осваивать и китайскую грамоту. Еще будучи в Германии, за 2 месяца он освоил китайский самоучитель, старался побольше общаться со студентами из Китая, которые помогли ему усовершенствовать произношение и расширить лексикон.

«В Гонконг меня повлекла не только экзотика, но и практические соображения, – сказал Антон. – В Германии на магистра приходится учиться 2 года, в Гонконге – год». И платить за обучение надо меньше – 2000 евро за семестр. Кроме того, жизнь здесь дешевая – хороший обед в студенческой столовой стоит на наши деньги около 80 рублей».

Степень бакалавра позволила Антону получить в Гонконге работу программиста – так он смог оплачивать учебу и жизнь. А приемная комиссия Гонконгского университета науки и технологий сочла его подготовку достаточной, чтобы принять его на дальнейшее обучение.

После выпуска собирается вернуться в Россию, надеясь, что с его-то образованием и подготовкой он найдет себе хорошую работу без особого труда. А не получится – для него теперь дороги во всем мире открыты.

ПО СЛЕДАМ СЕНСАЦИЙ
Сочинители жизни

Чаще всего ученые, проектируя новые организмы, отталкиваются от форм существующих, уже известных. Но можно ли создать жизнь, биологически отличную от всего, что мы знаем? Датчанин Стин Расмуссен и его коллеги из американской Национальной, лаборатории в Лос-Аламосе намерены ответить на этот вопрос экспериментально.

Расмуссен, впрочем, не первый, кто интересуется этой проблемой. Более 100 лабораторий в мире ведут подобные исследования. Так, например, Стивен Крейг, ставший знаменитым после того, как десять лет тому назад первым расшифровал геном человека, в 2009 году публично объявил, что заканчивает синтез бактерии, подобных которой никогда не было в природе.

Однако Крейг и его коллеги собирали новые бактерии из уже готовых частей, комбинируя их примерно так же, как школьники экспериментируют с элементами конструктора. Но инициаторы нового проекта китайца Ляохая Чэна собрались создавать жизнь «на пустом месте» – в мензурке, где в растворе есть лишь неорганические соединения и молекулы. В результате должна получиться протоклетка. Она, возможно, будет примитивнее даже бактерии, но все же должна будет обладать главными особенностями живого организма: сможет производить собственную энергию, развиваться и давать потомство.

Когда в 2005 году ученый задумал проект, то отбросил учебники биологии и спросил себя: «Какова самая простая живая система, которую я могу вообразить?» Он составил список минимально необходимых частей для искусственного организма: некая система обмена веществ, чтобы производить энергию, подобная ДНКмолекула, чтобы хранить «инструкции», и мембрана, чтобы служить оболочкой и скреплять все части. В результате он и придумал протоклетку, которая не напоминает ни одну из известных форм жизни.

Казалось бы, просто. Но скоро Расмуссен понял, что он должен еще упростить конструкцию. Даже примитивные одноклеточные организмы с их мембранами, в которых проложены каналы, чтобы транспортировать питательные вещества, оказались слишком сложны, чтобы пытаться воссоздать их аналог.

И тогда ученые использовали известный в изобретательском деле метод инверсии. То есть, говоря проще, они как бы вывернули всю конструкцию наизнанку, поместив несколько молекулярных машин на внешней стороне синтетической клетки и таким образом покончив с необходимостью создания мембраны. В итоге протоклетка представляет собой по существу лишь комочек жирных кислот. «Это нечто похожее на использованную жевательную резинку», – наглядно пояснил Расмуссен. Так появилась некая «капля» – мицелла; конструкция, проще которой пока не придумали.

Объясняя схему ее действия, ученый привел аналогию с мыльной пленкой на поверхности воды, где молекулы создают силы, вызывающие их некую организацию. Ну, а поскольку мыла как такового в природе не существует, Расмуссен и его команда стали искать заменитель. Далее, большинство природных организмов работает с генетическим материалом – нуклеиновыми кислотами ДНК или РНК. Расмуссен планирует использовать искусственную нуклеиновую кислоту по имени ПНК (PNA), или пептидную нуклеиновую кислоту. Ее синтезировал Питер Нильсен из университета Копенгагена еще в начале 90-х годов прошлого века. Сейчас Нильсен работает вместе с Расмуссеном.

Кстати, существует гипотеза, что самыми ранними формами жизни на Земле были существа, основанные на ПНК. Главное преимущество ПНК состоит в том, что она является электропроводной, что поможет запустить обмен веществ, то есть весь комплекс необходимых процессов в протоклетке.

Схема протоклетки Расмуссена: пять стадий ее создания и развития.

По идее, на один конец цепи ПНК можно посадить фоточувствительную молекулу. Когда на нее попадает свет, она выпускает электрон, который бежит на другой конец ПНК. Там он может вызвать химическую реакцию с неким веществом, которое ученые намерены поместить в мензурку в качестве пищи.

«Пища» эта состоит из молекул-предшественников, которые протоклетка преобразует в новые жирные кислоты и молекулы ПНК. Эти вновь созданные жирные кислоты будут включены в мицеллы, заставляя их расти, пока они не разделятся на две протоклетки. Причем каждая взрослая протоклетка будет иметь размер всего 5 – 10 нанометров.

На бумаге и в компьютере все действительно выглядит весьма несложно. Но химия, которая должна превратить теорию в практику, куда сложнее. Мицеллы должны впитать молекулы пищи, создавая «склады», преобразовывать их в одиночные спирали ПНК, которые должны цепляться за внешний край мицеллы и находить там дополнительные цепочки ПНК, также созданные организмом. И кто знает, как все эти молекулы поведут себя фактически?

Опасения такого рода привели к тому, что по мере продвижения исследований их все больше засекречивают. Ученые отдают себе отчет, что, кроме научного интереса – получения ответа на один из главных вопросов: «Действительно ли возникновение жизни было случайностью или это все же неизбежность, присущая Вселенной?» – у их исследований есть немало и побочных последствий. Так, Расмуссен размышляет о практическом применении принципиально новых форм жизни как поставщиков лекарств к клеткам человека или как биологических очистителей, перерабатывающих токсины, смертельные для той жизни, которую мы знаем, или даже как биологический компонент механических систем, способных на самозаживление при повреждении.

Но не будем забывать, что теми же протоклетками можно воспользоваться и для создания биологического оружия, против которого нет противоядия. Ведь эволюция на нашей планете в свое время пошла совсем иным путем… Между прочим, и создание новых форм жизни идет там же, где некогда было создано самое страшное оружие в истории планеты.

Г. МАЛЬЦЕВ

Кстати…

МИЛЛЕР БЫЛ ПРАВ?

В 1952 году студент-дипломник Чикагского университета Стенли Миллер под руководством лауреата Нобелевской премии по химии Гарольда Юри провел серию экспериментов, целью которых было найти природные условия, при которых из имеющихся элементов могли образоваться первые аминокислоты. Группа химиков из Калифорнийского университета под руководством Джефри Бада решила ныне повторить эксперименты более чем полувековой давности. И вот что из этого вышло…

Эксперимент Миллера заключался в том, что он наполнил стеклянную колбу смесью газов, из которых, по предположениям ученых, некогда состояла атмосфера Земли. В колбе была смесь водорода, метана, водяного пара, двуокиси углерода и аммиака. Через электроды, впаянные в стекло, сквозь колбу пропускали электрические искры, моделируя таким образом грозы на древней Земле. Через неделю на стенках колбы и на ее дне обнаружился осадок, в котором нашли некоторые аминокислоты, то есть элементы белка. «Возможно, так началась жизнь на нашей планете», – сделали вывод студент и его учитель. Всего Миллеру в 1952–1953 годах удалось получить 12 аминокислот.

В 1958 году ученый вернулся к экспериментам и добавил к смеси газов сероводород. Он предположил, что источником сероводорода на молодой планете были многочисленные вулканы, которые тогда были намного активнее, чем сейчас. Именно благодаря вулканическим выбросам сформировались оазисы, в которых зародилась примитивная жизнь.

В 2007 году ученый скончался. Но эксперимент его был продолжен. Совершенствование аналитических методов позволило его последователям существенно улучшить результаты опытов многолетней давности.

В 2008 году повторный анализ образцов Миллера с использованием современных методик выявил 10 аминокислот, которые не были обнаружены ранее.

В новых экспериментах химикам удалось выявить в реакционной смеси 23 аминокислоты. Ученые пришли к выводу, что условия, в которых возникли первые аминокислоты, могут быть широко распространены во Вселенной. Соотношение аминокислот, полученных в результате эксперимента, оказалось близко к аминокислотам, обнаруженным в составе метеоритов. По мнению исследователей это указывает на то, что жизнь могла как зародиться на Земле, так и быть привнесенной из космоса.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
«Сосуды» для электричества

Первым таким сосудом была, как известно, лейденская банка. Но заряд в ней держался недолго. А потому на смену ей ученые изобрели аккумуляторы. Причем усовершенствование их не закончено и поныне. И вот почему…

Бомба в багажнике

В фантастическом романе «Пикник на обочине» братья Стругацкие описали идеальный источник энергии – вечный аккумулятор «этак», мечту современных автомобилистов. Садясь в машину, водитель достает из кармана небольшой предмет, не больше портсигара, вставляет его в гнездо вместо ключа зажигания и трогается с места.

Ну а что мы имеем сегодня? По расчетам доктора химических наук Александра Скундина из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН, чтобы соперничать с автомобилями, силовой агрегат электромобиля должен иметь мощность хотя бы 10 кВт. Запас хода пусть будет на 10 часов езды. Значит, электромобилю потребуется батарея емкостью 100 киловатт-часов. Ныне удельная емкость свинцового аккумулятора составляет порядка 30 Вт/ч на килограмм веса. То есть для электромобиля он будет весить… 3(!) тонны.

Правда, свинцовые аккумуляторы ныне все чаще заменяют литий-ионными, у которых характеристики получше – 100–200 Вт/ч на килограмм. Но и при этом электромобиль вынужден был бы возить источник энергии массой в 500 кг. Причем пока не делает никто больших литий-ионных аккумуляторов. Их используют разве что в мобильниках и прочих подобных устройствах.

И это не случайно. Во-первых, мощную батарею придется составлять из нескольких сотен малых аккумуляторов, а хорошо известно: чем больше элементов в системе, тем менее она надежна. Литий-ионный аккумулятор боится холода, его нельзя перегревать – при 100 градусах он может взорваться. В-третьих, литий чрезвычайно бурно вступает в реакцию с водой. И если батарея весом в полтонны попадет при аварии в воду – взрыв будет такой, что мало никому не покажется за сотни метров в округе.

Наконец, помимо большого веса слабое место аккумулятора – необходимость его периодически заряжать. А это процесс не быстрый – ныне даже малые литий-ионные аккумуляторы для мобильных устройств заряжаются не менее часа.

Кроме того, если брать энергию для зарядки от обычных промышленных ТЭЦ, то все разговоры об экологичности электромобилей превращаются в миф. Какая, собственно, разница, загрязняют ли атмосферу в городе выхлопные газы автомобилей или дымовые трубы ТЭЦ?

Компромиссная комбинация

Именно поэтому ныне создатели автомобилей все чаще обращают свои взоры на комбинированные установки, каждая из которых включает в себя электродвигатель, аккумулятор и какой-то мобильный источник энергии. Ныне самый дешевый – бензиновый двигатель. На худой конец – солнечная батарея либо топливный элемент.

Почему «на худой»? Да потому, что стоят такие батареи и топливные элементы весьма дорого, а КПД у них невелик. Поэтому специалисты из Объединенного института высоких температур РАН предлагают в таких случаях использовать сменные одноразовые химические батареи. Их удельная емкость в несколько раз больше, чем у литий-ионных аккумуляторов.

«Если наладить систему сбора и переработки батарей, такое решение окажется совсем не плохим, – полагает один из разработчиков, Борис Клейменов. – Мы считаем, что основой успеха послужит не сам по себе аккумулятор, а энергетическая установка, которая состоит из аккумулятора и химического генератора…»

Химический генератор дает основную часть энергии и для двигателя, и для заряда аккумулятора, который служит для того, чтобы покрывать пиковые нагрузки, например, при разгоне с места. Возможно в схеме и наличие суперконденсатора. В отличие от аккумулятора, он заряжается и разряжается чрезвычайно быстро, давая высокую мощность для быстрого разгона.

Наши специалисты даже сделали образец такой машины. Она имеет алюминиево-воздушный генератор, который позволяет получать электричество за счет окисления алюминия, и обычные свинцовые аккумуляторы. «В итоге удельная энергоемкость составляет 140 Вт/ч на килограмм. Это совсем не плохо, хотя с литиевым аккумулятором получилось бы 200–300 Вт/ч», – пояснил Клейменов. Заправка такой машины будет занимать не больше времени, чем бензинового автомобиля. Просто техник на станции техобслуживания устанавливает взамен разряженного новый генератор, и можно ехать. Разряженный же генератор промывают, заполняют свежим алюминием, и он снова готов к работе. Отходы же отправляют на переработку, получая в итоге электролиза опять-таки алюминий.

Правда, расчет показывает, что при нынешних ценах на алюминий стоимость 100 км пути в городе на таком электромобиле составит 500 рублей. Это, конечно, дороговато. Но с учетом того, что цены на бензин все растут, а технологии совершенствуются, со временем такое решение может оказаться экономически вполне оправданным.

Никель-кадмиевые аккумуляторы.

Литий-ионные аккумуляторы.

Аккумуляторная батарея для автомобиля

Алюминиево-воздушный аккумулятор.

Энергетическая экзотика

Да и сами эксперименты с алюминием вовсе не означают, что разработчики иных «сосудов для электричества» уже опустили руки. Изобретатели продолжают совершенствовать и уже известные аккумуляторы, и придумывают новые.

Например, корпорация «Сони» недавно разработала экспериментальный образец заряжаемой ионно-литиевой батареи, в которой вместо редких металлов типа лития используются вытяжки… из кукурузных и кофейных зерен!

Двух экспериментальных батареек нового типа, как утверждают разработчики, достаточно, чтобы в течение часа давать энергию портативному музыкальному плееру. Корпус новой батареи также изготовлен из растительных волокон, которые легко утилизируются.

Уже есть технологии, позволяющие повысить емкость такой батареи примерно в 100 раз и заряжать ее также до ста раз. Однако разработчикам еще предстоит решить проблемы, связанные с чрезмерной уязвимостью растительных компонентов к нагреву, повысить долговечность и стабильность работы новых устройств.

Еще один способ улучшить характеристики литий-ионных аккумуляторов связан с… мылом! Да-да, не удивляйтесь, исследователи из департамента энергетики Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США обнаружили, что обычные мыло и воск обладают некими «секретными» свойствами.

Как известно, к трем основным компонентам литий-ионного аккумулятора относятся два электрода – анод и катод, а также электролит. Положительно заряженный анод изготавливается из графита, а катод (заряжен отрицательно) часто выполняется из оксидов металлов – например, кобальта и никеля. В свою очередь электролит – это литиевая соль в органическом растворителе. Причем обычные литий-ионные батареи не могут похвастаться длительной работой, сохранением одинаковой работоспособности на протяжении всего жизненного цикла. Поэтому специалистам американской лаборатории захотелось большего.

Перебрав несколько вариантов, они решили провести эксперименты с фосфатом марганца-лития. Согласно теории, фосфат марганца-лития может обеспечить аккумулятору очень высокую емкость в 171 ма/ч на грамм материала, однако до сих пор ученым удалось приблизиться к показателю лишь в 120 ма/ч на грамм. Куда деваются целых 30 % емкости? Исследователи пришли к выводу, что дело в молекулярной структуре катода, которую надо усовершенствовать.

Для этого экспериментаторы смешали немного воска и мыла с компонентами электрода, доведя нагревание этой смеси до 400 °C. В результате парафин, состоящий из длинных прямых молекул, позволил молекулам металлов тоже выстроиться в «линии». А олеиновая кислота (компонент мыла) помогла равномерному распределению кристаллов из них. Выполнив свою благородную миссию, вспомогательные материалы испарились. А получившийся в результате катод показал на испытаниях 168 ма/ч на 1 г материала.

И хотя таких показателей удалось добиться лишь при медленной зарядке и разрядке усовершенствованного аккумулятора в течение двух дней, специалист по материаловедению Дейвон Чой и его коллеги поспешили заявить, что при такой емкости будущие батареи смогут весить меньше стандартных аналогов. Кроме того, обещано, что время зарядки будет сокращено, а сама методика еще усовершенствована.

Наконец, совсем недавно Альберт Михранян и его коллеги из Американского химического сообщества объявили о проекте создания легких, экологичных и недорогих батарей, полностью состоящих из неметаллических компонентов. Самым многообещающим материалом для создания сверхтонких батарей исследователи признали электропроводимый полимер полипиррол.

Раньше полипиррол считался коммерчески невыгодным из-за низкой энергоемкости, однако ученые нашли способ улучшить этот показатель в новых батареях.

Секрет состоит в том, что полипиррольное покрытие распределено внутри целлюлозы гомогенными нанослоями, толщина которых меньше диаметра человеческоговолоса в 50 тысяч раз! Данные слои пронизывают отдельные волокна целлюлозы, создавая пористый материал с отличной электропроводимостью.

Правда, мощность батарей пока настолько невелика, что использовать их можно лишь в самых экономичных устройствах. Тем не менее, бумажные аккумуляторы имеют ряд неоспоримых преимуществ перед ионно-литиевыми батарейками. Во-первых, они характеризуются рекордной легкостью – всего несколько граммов веса на 3 мм толщины. А во-вторых, новые аккумуляторы заряжаются полностью меньше чем за минуту.

Так что, как видите, «сосуды для электричества» все еще продолжают совершенствоваться.