Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!

В августе поток научно-технических новостей еще усилился по сравнению с июлем. Я попытался извлечь из этого мощного потока самое интересное и поучительное. Хочу надеяться, что это мне удалось.

Начнем наше повествование с примечательного юбилея. «Полвека назад Белка и Стрелка слетали в космос», напоминает 19 августаwww.strf.ru. «Полвека назад две симпатичные дворняги Белка и Стрелка, отправляясь в космический полет, и не подозревали, что впишут свои имена в историю мировой космонавтики. Запущенные в космос 19 августа 1960 года на борту прототипа корабля «Восток», они стали первыми живыми существами планеты Земля, которые пролетали в безвоздушном пространстве более суток и благополучно вернулись домой. Белка и Стрелка входили в отряд четвероногих космонавтов, созданный по указанию главного конструктора Сергея Королева в 1951 году, за шесть лет до запуска первого искусственного спутника Земли. Прежде чем отправить в космос первого человека, ученые должны были убедиться в безопасности пребывания живого организма в условиях невесомости, и помочь им в этом были призваны лучшие друзья людей — собаки. Успешное путешествие Белки и Стрелки доказало возможность живых организмов переносить все факторы космического полета. После приземления собаки чувствовали себя хорошо и даже приняли участие в пресс-конференции для отечественных и зарубежных журналистов... Благодарные потомки не забыли о четвероногих космических первопроходцах. Так, на севере Москвы появился трехметровый памятник первой «космической путешественнице» — маленькой дворняжке Лайке, которая в 1957 году положила свою жизнь на алтарь науки. А Белку и Стрелку в прошлом году «увековечили» в полнометражном 3D-мультфильме, где повествование ведется от лица «исторического персонажа» — щенка Стрелки по имени Пушок, которого по личному распоряжению Никиты Хрущева подарили дочери президента США Джона Кеннеди». Добавим, что у Белки со Стрелкой были менее удачливые предшественники. Выяснять, как перенесет живое существо полет на ракете, Сергей Павлович Королев начал почти сразу после того, как на советских заводах удалось воспроизвести трофейное фашистское оружие - ракету Вернера фон Брауна (она же «Фау-2»). В качестве подопытных взяли собак: отечественные физиологи издавна использовали их для опытов, знали, как они себя ведут, понимали особенности строения организма. Кроме того, собаки не капризны, их легко тренировать. Первый собачий старт состоялся 22 июля 1951 года на только-только переданном ракетчикам полигоне Капустин Яр, что под Астраханью. Всего с июля 1951-го по сентябрь 1962-го состоялось 29 собачьих полетов в стратосферу на высоту 100-150 километров. Восемь из них закончились трагически. Собаки гибли от разгерметизации кабины, отказа парашютной системы, неполадок в системе жизнеобеспечения. Первой «рассекреченной» собакой стала дворняга Лайка. 3 ноября 1957-го Лайка отправилась на орбиту. Несколько часов она жила в невесомости, а потом, как гласят официальные сообщения, «космонавтку» усыпили. Но это было благообразное вранье. В полете корабль сильно нагрелся, отводить лишнее тепло еще не умели. Собачка умерла от жары. Еще несколько месяцев второй советский спутник с погибшей Лайкой накручивал витки и только в апреле 1958-го он вошел в плотные слои атмосферы и сгорел. После старта Лайки в Советском Союзе почти три года не отправляли на орбиту биологические объекты: шла разработка возвращаемого корабля, оснащенного системами жизнеобеспечения. В начале 1960-го он был разработан. О первом собачьем экспериментальном полете в космическом корабле советская пресса аккуратно промолчала. 28 июля 1960 года на 19-й секунде полета у ракеты «Восток» отвалился боковой блок, она упала и взорвалась. В катастрофе погибли собаки Чайка и Лисичка. Их дублеры Белка и Стрелка удачно слетали на следующем корабле и стали знаменитыми. Помимо собак, на борту находились две белые крысы и несколько мышей. Старт состоялся с космодрома Байконур в 15 часов 44 минуты. На следующий день, 20 августа, спускаемый аппарат с животными на борту благополучно приземлился в заданном районе. Собаки-космонавты остались жить в институте и умерли своей смертью. Стартовавшим вслед за ними на третьем корабле 1 декабря 1960 года Пчелке и Мушке тоже не повезло. Они погибли от удушья и жары после того, как их «шарик» из-за сбоя тормозной системы перешел на более высокую орбиту. На следующих кораблях собак запускали уже по одной. Последней в космосе за три недели до старта Гагарина побывала Звездочка. Именно на ней отрабатывали все этапы полета, которые предстояло чуть позже выполнить первому космонавту-человеку. Больше собакам подняться в космос было не суждено. Следует еще заметить, что 28 мая 1959 года кратковременный полет на американской ракете совершили шимпанзе Эйбл и Бейкер, отправленные с мыса Канаверал. Однако этот полет, в отличие от орбитального полета наших собак, был суборбитальным.

В разделе ЭКОЛОГИЯ мы ведем речь о морском и космическом мусоре. «Ученые потеряли в океане тонны мусора», сокрушается 24 августа //popnano.ru. «Ученые проанализировали динамику накопления пластиковых отходов на западе Северной Атлантики и в Карибском море и выяснили, что, несмотря на постоянно растущее производство пластиковых изделий, количество мусора в океанических водах за последние 22 года не изменилось…Пластиковые изделия попадают в воды океана с берега, откуда их сдувает ветром и смывает прибоем, и с проплывающих судов. Мусор скапливается в нескольких "мертвых зонах" - районах, куда "стекаются" течения. Исследователи собирали данные о мусоре, плавающем в одном из таких участков океана, с 1986 по 2008 годы. Специалисты анализировали, что попадает в их сети для ловли планктона - более 60 процентов кораблей, несущих такие сети, собирали также фрагменты пластика размером в несколько миллиметров (всего исследователи анализировали улов 6136 кораблей). Изредка исследователи находили в своих сетях более крупные объекты, например, зубные щетки или упаковки от чего-либо. В общей сложности ученые собрали более 64 тысяч фрагментов. Химический анализ выловленных фрагментов показал, что они сделаны в основном из полиэтилена и полипропилена - полимеров, которые используются для производства упаковок молока и пакетов. За все годы наблюдений специалисты не заметили существенного прироста ежегодно собираемого количества мусора. Пока ученые не могут объяснить, почему уровень загрязнения океана пластиковыми отходами остается неизменным - по одной из версий, часть пластиковых фрагментов может захватываться планктонными организмами или более крупными животными. В этом случае исследователям еще предстоит оценить уровень отравления фауны океана. Кроме того, не исключено, что пластик разлагается на фрагменты размером меньше миллиметра и в итоге проходит сквозь сети.Атлантический океан - не единственное место, где скапливается мусор. Более известным является Большое тихоокеанское мусорное пятно, находящееся в северной части Тихого океана. Его точные размеры неясны, но, по некоторым оценкам, оно превосходит по площади штат Техас». «Предложено убирать космический мусор шарами-гигантами», сообщает 9 августа www.membrana.ru. «Отработавшие своё спутники представляют реальную опасность для других орбитальных объектов. Новый метод увода аппаратов-ветеранов с орбиты и их уничтожения предложили на днях инженеры американской корпорации Global Aerospace. Как считают специалисты, оптимальным решением может стать крупный воздушный шар, закреплённый в сложенном состоянии на борту спутника. Когда последний исчерпает свои возможности, шар должен наполниться гелием (либо другим газом). Большая оболочка создаст измеримое аэродинамическое сопротивление даже в разреженных остатках атмосферы. По расчётам инженеров Global Aerospace, такой шар диаметром 37 метров всего за год в состоянии увести зонд массой 1,2 тонны с начальной орбиты, условно принятой за 830 километров, и заставить его сгореть в атмосфере. В естественных условиях процесс торможения может занять не одно столетие. Проект получил название "Лёгкое как паутинка устройство понижения орбиты" (Gossamer Orbit Lowering Device – GOLD). Предположительная общая масса оболочки шара и оборудования, необходимого для надува, – 36 килограммов. Единственным серьёзным недостатком идеи, который признают и сами конструкторы, является то, что она не подходит для геостационарных орбит и будет работать только на высоте менее 1500 километров. С другой стороны, именно ниже указанной отметки (в диапазоне 750-900 километров) и расположен основной "загруженный" спутниками орбитальный пояс, где год назад уже произошло столкновение аппаратов США и России, породившее кучу опасных обломков».

Раздел ЭНЕРГИЯ начинаем с фундаментальных проблем. 4 августа сайт www.popmech.ru поместил заметку «Паритет достигнут: Большое событие в «малой» энергетике». «Сегодня целью любой альтернативной энергетики остается «сетевой паритет», момент, когда стоимость получаемого с ее помощью электричества сравняется с ценой электричества из сети, добываемого традиционными станциями – тепловыми, гидро- и атомными. Еще недавно эксперты относили приход к этому паритету к 2020-м годам, позднее приблизили до середины нынешнего десятилетия. Недавнее исследование американских ученых показало, что, по крайней мере, с ядерной энергией солнечная может сравниться уже сегодня.Стоимость фотоэлементов, преобразующих энергию солнечного излучения в электричество, неуклонно и непрерывно падает уже много лет: сейчас она вдвое ниже, чем в 1998 г. Поддержка ряда государств, налоговые и иные льготы, растущие потребности в энергии, активное освоение этой сферы многими компаниями – все это снижает стоимость солнечной энергии постоянно.

 

 

С другой стороны, ужесточающиеся требования к безопасности приводят к существенному росту затрат на возведение атомных электростанций. И вот – результат. Джон Блэкберн (John Blackburn) и Сэм Каннигхэм (Sam Cunningham) провели исследование стоимости электроэнергии из различных современных источников и пришли к выводу, что «исторический момент» уже наступил. По крайней мере, в штате Северная Каролина энергия, которую можно получить из новых солнечных станций будет дешевле, чем из планируемых АЭС. Этот момент особенно интересен еще и потому, что Северная Каролина – далеко не самый «солнечный» из штатов. Для таких мест, как Аризона, Калифорния, Колорадо, Техас, Невада, Юта, выигрыш должен быть еще более значителен. Кроме того, расчеты производились, исходя из традиционных подходов к получению солнечной энергии. Обычно стоимость производства электричества оценивается по цене произведенного киловатт-часа. Эту цифру можно примерно представить, как деньги, которые придется затратить, чтобы жечь 10 обычных 100-ваттных ламп накаливания в течение 1 часа. По словам Блэкберна и Каннингхэма, для солнечной энергии эта планка опустилась ниже 16 центов, сравнявшись с ценой электричества, получаемого АЭС, но предприятия Северной Каролины уже предлагают солнечную энергию по цене даже 14 центов за Квт*ч». «Придумана упаковка энергии в криогенных газах», информирует 12 августа www.membrana.ru. «Мощность электростанций избыточна ночью, но днём сеть испытывает резкие пики потребления. Решений проблемы известно немало, но идеальных — нет. Новый способ запасания энергии предложили Юйлун Дин (Yulong Ding) из университета Лидса и его коллеги из Китайской академии наук. Учёные решили, что оптимальный, чистый и притом дешёвый метод аккумуляции — "превращение" электричества в криогенные газы. Избытки мощности во время спадов, по мнению авторов концепции, следует направлять в установки, вырабатывающие жидкие азот и кислород. Последние нужно накапливать в ёмкостях тут же на территории тепловой электростанции. Во время пиков нагрузки жидкий азот можно закачивать в теплообменник и доводить до кипения энергией атмосферы, а также бросовым теплом от обычных энергоустановок. Азот будет крутить резервные турбогенераторы. Жидкий кислород следует впрыскивать вместе с горючим в традиционные котлы. Это ещё сильнее повысит отдачу станции, полноту сгорания топлива, снизит выбросы вредных веществ, в частности оксидов азота. А ещё на выходе (при кислородном сжигании, к примеру, природного газа) пойдёт (помимо водяного пара) концентрированный поток CO₂, который гораздо легче будет захватить для последующего использования или захоронения. Используя такую интегрированную систему, можно сократить на 50% количество топлива, необходимого для удовлетворения пикового спроса. И выбросы парниковых газов будут ниже. "На бумаге эффективность значительна. Теперь нам нужно проверить такую систему на практике", — признаёт Дин». Добавим, что при возрастании потребности в электроэнергии жидкий азот вскипает (сам по себе или подогретый избыточным теплом, которого на электростанциях много) и, почти мгновенно возвращаясь в газообразное состояние (температура кипения азота — минус 196 ˚C, а избыточное тепло электростанции может дать температуру нагревательных элементов в 70–100 ˚C), расширяется, чтобы крутить лопасти турбины. Вскипевший кислород смешивается с некоторым количеством природного газа, поступает в камеру сгорания и толкает поршни. Оксида азота образуется во много раз меньше, чем при сгорании воздушно-газовой смеси. Ну а углекислый газ легко улавливается и превращается в сухой лёд. 17 августа www.membrana.ru сообщает, что «В Шотландии показана самая большая приливная турбина». «Воды Северного моря близ Оркнейских островов в скором времени станут пристанищем для самой большой в мире приливной турбины. 1300-тонную махину с двойным ротором уже доставили в порт отбытия в городе Инвергордон. Создала турбину Atlantis Recources Corporation (стоимость проекта составила $25 миллионов). Высота AK1000 равна 22,5 метра. Диаметр ротора — 18 м. И это самая большая из всех лопастных турбин такого типа. Двойная система лезвий позволяет собирать энергию как прилива, так и отлива. Кстати, AK1000 не слишком помешает жизни морских обитателей: скорость вращения винтов будет низкой, всего около 6-8 оборотов в минуту. Номинальная мощность громадины составляет один мегаватт (при скорости движения воды 2,65 м/с). Получается, что одна эта установка сможет питать тысячу домов. Однако энергию океана направят не в жилые районы, а в компьютерный центр обработки данных, расположенный на севере Шотландии. Он будет предоставлять свои ресурсы нескольким компаниям, питаясь не от государственной электросети, а от гигантской приливной турбины». «Новые аккумуляторы перезаряжаются под действием света», пишет 13 августа www.nanonewsnet.ru. «Исследователи из Великобритании разработали новую молекулярную систему, которая может использоваться в качестве основы для аккумуляторов, которые будут перезаряжаться не от электрической сети, а под действием света. В новой молекуле под действием света генерируется электрический заряд, который может быть храниться длительное время, пока в нем не возникнет необходимость. В обычной фотогальванической ячейке образовавшийся в результате воздействия света свет должен использоваться незамедлительно, или же происходит его быстрая спонтанная нейтрализация. Исследователи из группы Айфора Самуэля (Ifor Samuel) из Университета Святого Андрея синтезировали древоподобный органический полупроводящий дендример с катионным ядром на основе цианиновых пигментов; заряд этого ядра компенсируется зарядом йодид-анионов. Полученную систему в виде тонкого слоя размещали между двумя электрическими контактами. При облучении светом цианиновая основа поглощает его, переходя в возбужденное состояние – экситон, которое первоначально не имеет электрического заряда. Разделение зарядов происходит при переносе электронов с катионной системы на анион. Исследователи предполагают, что хранение заряда возможно благодаря тому, что в заряженном состоянии цианиновая система образует стабильный конформационный изомер. При подключении к контактам электрической схемы цепь замыкается, заряд движется к контактам и дендримерная система разряжается. Самуэль отмечает, что при испытаниях было проведено десять циклов зарядка (светом) - разрядка, после десятого цикла производительность нового аккумулятора практически не уменьшалась, исследователи надеются, что, работая в составе не прототипных, а серийных аккумуляторов, дендримерная система сможет выдержать большее количество циклов. Самуэль подчеркивает, что хотя новая система может запасать лишь незначительный заряд, результаты работы его исследовательской группы стоит пока расценивать как демонстрацию возможности нового принципа, добавляя, что много современных технологий начинали с «малого шага», однако при дальнейшем исследовании были модернизированы в значительной степени. Исследователь из Университета Святого Андрея заявляет, что аккумуляторы, перезаряжающиеся под действием света будут весьма полезны – несмотря на «дармовую» энергию Солнца она не всегда доступна – например, ночью. Имеется реальная необходимость запасать конвертированную в электрическую энергию света, и прототип нового устройства справляется сразу с обеими задачами – и преобразованием энергии света в электрическую и хранением полученной энергии. Такой подход, реализованный по принципу «два в одном» позволит создать боле компактные системы питания, которые проще будет интегрировать с электронными устройствами и гаджетами. Хироюки Нисиде (Hiroyuki Nishide), специалист по материалам для электроники из Университета Васеда (Япония) разделяет мнение Самуэля, пордчеркивая, хотя плотность энергии и плотность заряда нового устройства можно увеличить, новая концепция аккумулятора задает направление исследования органических материалов для электроники».

Раздел ЭЛЕКТРОНИКА  тематически связан с предыдущим. И это не удивительно. 25 августа на //popnano.ru размещена заметка «Микросуперконденсатор - сверхмощный накопитель энергии». «Крошечный конденсатор с набором выдающихся свойств удалось построить группе учёных из США и Франции, используя элементы нанотехнологии. На единицу своего объёма новичок обладает мощностью, сравнимой с электролитическими конденсаторами, запасом энергии на порядок большим, а электрической ёмкостью — большей на четыре порядка. А ещё при разряде напряжение на электродах устройства способно падать со скоростью 200 вольт в секунду, что в тысячу раз быстрее, чем у обычных суперконденсаторов. Такие устройства запасают энергию в слоях ионов, насыщающих высокопористые электроды. В конструкции последних учёные и пытаются совершить прорыв. Ранее исследователи пробовали применять в этой роли углеродные нанотрубки. А физики из университета Дрекселя (Drexel University) и научно-исследовательской организации CNRS пошли дальше. В новом элементе электроды изготовлены путём осаждения на подложку из диоксида кремния мириад нанолуковиц. Слово «лук» используют сами авторы работы, поскольку эти частицы диаметром 6–7 нанометров состоят из множества концентрических сфер, вложенных одна в другую. Сферы, в свою очередь, составлены из атомов углерода. «Луковицы» образуют слой толщиной в несколько микрометров. Это обеспечивает высокое отношение площади поверхности обкладок к их объёму. Кроме того, здесь удалось обойтись без применения органических связующих и полимерных сепараторов, что дополнительно облегчило перемещение ионов в процессе заряда и разряда. Новая технология может быть использована для создания мощных и ёмких накопителей энергии, которые пригодятся и карманной электронике, и гибридным автомобилям». «В Германии создан самособирающийся наноматериал для солнечных батарей», пишет 23 августа www.nanonewsnet.ru. «Немецкие ученые научились получать сверхтонкие листы полупроводникового материала сульфида свинца с высокой фоточувствительностью напрямую в процессе синтеза нанокристаллов этого вещества, эти пластины могут найти применение в конструкциях фотодетекторов, а также солнечных батарей и других возобновляемых источников энергии. Авторы изобретения показали, что в процессе синтеза нанокристаллы PbS, имеющие размеры не более трех нанометров, самоорганизуются в тонкие двумерные структуры микронных масштабов, напоминающие листы толщиной всего 2–3 нанометра. Эти листы, будучи собраны из отдельных фрагментов, тем не менее, ведут себя как единый кристалл и обладают высокой фоточувствительностью, прозрачностью и электропроводностью, что может быть использовано для создания солнечных элементов на их основе. Как показала группа Хорста Веллера (Horst Weller) из Гамбургского университета в Германии, для того, чтобы запустить процесс самосборки нанолистов сульфида свинца, ученым необходимо всего лишь добавить еще один растворитель в реакционную смесь, где протекает реакция синтеза. Нанокристаллы сами по себе являются чрезвычайно нестабильными частицами, а потому проявляют немалую склонность к «слипанию» в большие неупорядоченные «комки». Чтобы этого не происходило в реакционной смеси, в нее, как правило, добавляют стабилизаторы – специальные химические соединения с длинной неполярной углеродной цепочкой, имеющей полярную функциональную группу на одном конце. Примером такого вещества является олеиновая кислота. Эти молекулы «прикрепляются» одним концом (полярным) к нанокристаллу, создавая вокруг него «шубу» из неполярных отростков, которая и предохраняет вновь синтезированные нанокристаллы от слипания. Веллер показал: если на начальной стадии синтеза в реакционную смесь добавить какой-нибудь дополнительный хлорсодержащий растворитель (например, дихлорэтан), то он не только ускорит скорость формирования новых нанокристаллов, но и окажет воздействие на «шубу» из олеиновой кислоты. В результате она разделится на две половины, покрывающие нанокристаллы с противоположных сторон. Такие нанокристаллы, как показали ученые, могут приближаться друг к другу с боковых сторон, а также вступать во взаимодействие и образовывать большие по размерам плоские кристаллы сульфида свинца нанометровой толщины. Как показали электрофизические измерения, проведенные в лаборатории Веллера, эти листы обладают прекрасным фотооткликом именно за счет своей плоской структуры, а потому могут найти широкое применение в качестве материалов для фотодетекторов и элементов конструкции солнечных батарей. Получаемые таким образом нанолисты могут сразу применяться для создания фотодетекторов без дополнительной обработки", – пишут авторы исследования в своей статье». 11 августа www.nanonewsnet.ru сообщает, что «Создан прототип солнечного элемента, размещаемого на оконном стекле». «Норвежская компания EnSol AS и Лестерский университет (Великобритания) образовали совместную группу, которая займётся разработкой тонкоплёночных фотоэлементов на основе наночастиц. Вывод новых солнечных элементов на рынок намечен на 2016 год. По принципу действия эти фотоэлементы отличаются от кремниевых, — рассказывает сотрудник Лестерского университета Крис Биннс (Chris Binns). — Поскольку они имеют вид прозрачной плёнки, их можно размещать даже на оконных стёклах. Разумеется, какая-то часть излучения будет поглощаться, но прозрачность стекла изменится незначительно, да и для южных стран коэффициент пропускания всего в 8–10% вполне привычен». Материал для изготовления элементов разработан в EnSol AS; он содержит металлические наночастицы диаметром около 10 нм. Получением этих наночастиц и займутся специалисты из Лестера. Прототипы фотоэлементов уже созданы, и теперь мы будем постепенно совершенствовать технологию, — рассказывают в EnSol AS. — Нам необходимо достичь заданной эффективности, которая установлена на уровне 20%. Вместе с британскими коллегами мы наладим производство опытных партий элементов с активной областью размером более 16 см². За этим последует этап тестирования и экспериментов, и в результате мы должны получить экологичную, экономичную и готовую к промышленному применению технологию».