НТИ апрель 2012 Ч.1 Экология, Энергия, Электроника

Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!

 

В этом месяце я впервые столкнулся с тем, что едва удалось набрать нужное количество новостей. Поэтому их количество по разделам получилось разным. Не могу понять, с чем это связано. Но есть и позитив. По некоторым признакам в мае ожидается «наплыв» гораздо большего количества новостей.   

 

 

Продолжает функционировать раздел ЭКОЛОГИЯ. В то время, как разлив нефти на нашем Дальнем Востоке пытаются собрать китайским активированным углем, «Учёные испытали многоразовую супергубку для нефти», пишет 17 апреля www.membrana.ru.

«Новый пористый материал необычайно эффективно впитывает масло и нефть, разлитые на поверхности воды. Он способен хранить их в себе в больших объёмах и неограниченно долго, отдавать по требованию и снова впитывать много-много раз без потери своих свойств. Экспериментаторы из университетов Райса и Пенсильвании сумели вырастить макроскопические губки из углеродных нанотрубок, многократно пересекающихся между собой. Такого эффекта удалось достичь путём добавки бора на стадии выращивания нанотрубок методом химического осаждения пара. Обычно при такой технологии трубки растут прямо и независимо друг от друга. Но примесь бора заставляет их многократно изгибаться, переплетаться и скрещиваться, а главное — соединяться в самых различных точках (на атомарном уровне) за счёт создания ковалентных связей. Ранее учёные строили похожие сложные системы из нанотрубок за счёт обработки последних после этапа выращивания.

Преимущество предлагаемой технологии – простота. Макроскопический образец твёрдого материала с заданными свойствами получается непосредственно в процессе роста нанотрубок. В новых губках пустоты занимают более 99%. При этом материал оказался супергидрофобным. Несмотря на открытые поры микро- и нанометрового масштаба, попытка затолкнуть такую губку под воду заканчивается провалом – кусочек губки выскакивает на поверхность. В то же время нанотрубочные блоки вышли олеофильными, так что впитывают всяческие масла в количестве свыше 100 граммов на 1 г собственного веса. Достать содержимое из такой упаковки просто – губка получилась эластичной и упругой, так что её можно просто выжать. Другой вариант – поджечь губку. Масло или нефть сгорят, а сама губка останется нетронутой.

Создатели губки говорят, что она пригодится не только для очистки воды, но и найдёт применение в электротехнике (как электрод для батарей), машиностроении (как основа для полимерных композитов) и медицине (как строительные леса для биоимплантатов)».

«Микрокапсулы растительных спор для очистки от разлива нефти» описывает 16 апреля www.nanonewsnet.ru. «Исследователи из Великобритании модифицировали микрокапсулы растительных спор таким образом, что они получили возможность поглощать неполярные соединения, масса которой будет примерно в три с половиной раза больше, чем собственная масса таких капсул. Эта модификация, в перспективе, позволит использовать природные материалы в качестве сырья для очистки от разлива нефти. Грэм Макензи (Grahame Mackenzie) из Университета Халла с коллегами из компании Sporomex, компании, направление работы которой связано с разработкой микрокапсулированных систем для фармацевтических, пищевых и косметических препаратов, экстрагировали внешнюю оболочку спор плауна Lycopodium clavatum,удалив внутреннее содержимое капсулы с помощью простого нетоксичного процесса, а также модифицировали функциональные группы поверхности, сделав их более липофильными. На следующем этапе исследователи поместили микрокапсулы в эмульсию, содержащую капли жира в воде, вручную потрясли эту суспензию в течение 15 секунд, после чего, отфильтровав микрокапсулы, получили образец, практически свободный от жира. Микрокапсулы могут применяться двукратно или троекратно без потери эффективности удалению нефти из водной эмульсии; эту способность исследователи связывают с участвующим в образовании стен капсулы – полимером спорополленином (sporopollenin).

Преимуществом новой системы по сравнению с обычными методами, например, экстракцией с помощью растворителей или бумагой для фазового разделения является то, что для очистки в данном случае требуется всего лишь смешение эмульсии с модифицированными капсулами и фильтровании системы, такое разделение можно осуществить гораздо быстрее, чем очистку системы обычными способами. Макензи также подчеркивает, что споры являются природным материалом, они характеризуются однородным размером, что облегчает процедуру их фильтрования.

Известно, что спорополленин представляет собой очень эластичный полимер, поэтому исследователи изучили механизм высвобождения жира из капсул под воздействием давления. Было обнаружено, что возможно медленное высвобождение жира в результате механического воздействия,это позволяет предположить возможность применения микрокапсул в качестве систем для доставки препаратов в фармацевтике и косметической промышленности. Мириам Рафаилович (Miriam Rafailovich), эксперт по разработке наноразмерных материалов из Университета Стони Брукс (США) отмечает, что главное достижение работы Макензи – удаление содержимого споры и получение полой микрокапсулы без применения токсичных растворителей. Тем не менее, он подчеркивает, что поскольку эти споры в естественной среде могут играть роль аллергенов, необходимо детально изучить особенности воздействия микрокапсул на высшие организмы. Сам Макензи полагает, что недостатком новой системы по очистке воды от нефти может стать высокая стоимость и невозможность получения достаточного количества спор для промышленного производства капсул».

В разделе ЭНЕРГИЯ описаны нетрадиционные ее источники, в том числе, гибридные.

«Высотный ветрогенератор-дирижабль - источник дешевой возобновляемой энергии» описан в заметке от 18 апреля на www.nanonewsnet.ru. «Представители компании Altaeros Energies объявили о первых успешных испытаниях опытного образца ветряной энергетической установки Airborne Wind Turbine (AWT), которая с первого взгляда является гибридом дирижабля и ветряной мельницы. Во время испытаний летающий генератор установки AWT был поднят на высоту 107 метров, где он провел некоторое время, вырабатывая электроэнергию, после чего установка благополучно была опущена назад на поверхность Земли. Испытания показали, что турбина, поднятая на указанную высоту, способна выработать в два раза больше энергии, чем обычные ветрогенераторы, устанавливаемые на высотных башнях. Немногим позже специалисты компании Altaeros Energies собираются произвести еще одни испытания установки AWT, во время которых она будет поднята на высоту более 300 метров, на высоту, где дуют в пять раз более сильные ветра, чем у поверхности. По предварительным расчетам, такая высота и использование относительно недорогой установки AWT позволят на целых 65 процентов снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

«В течение десятилетий для строительства ветрогенераторов использовали мощные конструкции и подъемное оборудование. Башни ветрогенераторов поднимались на сотню метров выше поверхности, но даже на этих высотах ветра могут быть еще медленными и порывистыми» – объясняет Бен Глас (Ben Glass), генеральный директор компании Altaeros Energies, организованной выпускниками Гарвардского университета и Массачусетского технологического института. – «Мы продемонстрировали то, что современные материалы и технологии создания надувных конструкций позволят создавать ветрогенераторы, поднимаемые на большие высоты, где дуют быстрые и постоянные ветры. При этом наша энергетическая установка получилась весьма компактной, она умещается в стандартном прицепе грузового автомобиля. Ее можно незамедлительно доставить в место, где требуется электроэнергии и развернуть в рабочее состояние очень быстро».

Установка AWT состоит из оболочки, заполненной гелием, что позволяет поднимать этот необычный дирижабль на большие высоты. Ветрогенератор и его лопасти, разработанные совместно со специалистами компании Doyle Sailmakers, изготовлены с таким расчетом, что бы оказывать минимальное воздействие, в том числе и шумовое, на окружающую среду. Предполагается, что такие ветроэлектрогенераторы, требующие минимального обслуживания, в будущем станут заменой дизельным электростанциям, потребляющим дорогое топливо, используемым в удаленных местах, в сельской местности и в районах ведения боевых действий».

«Ученые разработали самоподдерживающийся солнечный реактор, который производит водород», пишет 11 апреля www.nanonewsnet.ru. «…Докторант в области машиностроения из университета штата Делавэр разработал новый тип реактора, который производит водородное топливо, используя только более концентрированный солнечный свет, оксид цинка и воду. Эрик Кепф построил большой цилиндрический реактор из теплоизоляционных керамических материалов. Концентрированный солнечный свет, по энергетической светимости равный примерно 1000 Солнцам, проникает через кварцевое окно и кольца диафрагмы, нагревая реактор до температуры в 3000 градусов по Фаренгейту. Затем в реактор из 15 бункеров одновременно подается порошок оксида цинка, который в результате реакции превращается в цинковые пары. На заключительном этапе процесса цинк реагирует с водой, образуя водород…

Как говорит разработчик, новый солнечный реактор является самоподдерживающейся структурой, благодаря тому, что оксид цинка может быть повторно использован в процессе сколько угодно раз. Это означает, что после вывода реактора на полную мощность он будет вырабатывать водород без взаимодействия с внешними процессами. «Идея состояла в том, чтобы создать небольшой, хорошо изолированный резервуар и воздействовать на него высококонцентрированным солнечным светом», – объясняет Кепф в своем пресс-релизе. Если тестирование нового реактора пройдет успешно, то ученый может уверенно заявить о серьезном прорыве в технологии производства действительно экологически чистого вида топлива без вредных выбросов. Советник Кепфа, профессор Аджай Прасад, уже предполагает создать огромные массивы этих устройств в пустыне для производства водородного топлива в промышленных масштабах».

«Новые солнечные батареи могут поглощать 99,7 процента света», утверждает 24 апреля www.nanonewsnet.ru. «Ученые из компании Natcore Technology, штат Нью-Джерси создали черный кремниевый солнечный элемент, который имеет средний коэффициент отражения равный 0,3 процента. По сравнению с наиболее эффективными солнечными элементами, существующими сегодня на рынке, разработка Natcore Technology имеет в десять раз меньшее отражение солнечного спектра. Это является главной предпосылкой улучшения энергоэффективности солнечных батарей и, как следствие, повышения их конкурентоспособности по сравнению с традиционным ископаемым топливом.

Ученые создали черную поверхность кремниевых пластин, используя относительно простой процесс плавки в жидкой ванне. Получившаяся пористая поверхность пластины почти не отражает свет. Это очень ценная характеристика солнечного элемента, поскольку известно, что чем меньше отражение падающего света, тем больше солнечной энергии может быть преобразовано в электричество. Также разработчики отмечают, что черные кремниевые солнечные элементы способны производить больше энергии, чем традиционные солнечные батареи, в любых условиях. Так, новые элементы более эффективны утром и вечером, когда солнце светит под углом, и даже когда небо затянуто облаками – в этом случае они максимально используют рассеянный свет. В крупномасштабных солнечных установках разница между существующими и новыми солнечными панелями может проявиться еще больше.

Недавно компания Natcore Technology получила эксклюзивную лицензию от Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) Министерства энергетики США на исследования и вывода на рынок черных кремниевых солнечных элементов на основе патента NREL. (Ранее ученые из NREL снизили коэффициент отражения солнечных панелей до двух процентов, однако, Natcore Technology удалось понизить его практически до нуля). В настоящее время компания работает с двумя поставщиками оборудования для разработки производственной линии для новых солнечных элементов, и даже появились потенциальные клиенты в Европе и Азии. Еще одним весомым преимуществом новой технологии Natcore Technology является полная безопасность готовых панелей, поскольку в процессе их производства не используются опасные химические вещества».

«Новая объемная конфигурация солнечных батарей позволит получать в 20 раз больше электроэнергии», сообщает 9 апреля www.nanonewsnet.ru. «Исследователи из Массачусетского технологического института попытались решить задачу увеличения эффективности весьма оригинальным и нетрадиционным способом. Вместо использования традиционных плоских фотогальванических поверхностей они использовали трехмерные формы, включая кубическую и другие сложные формы. Это не только позволило увеличить эффективную площадь, но и повторно направить на батарею свет, отраженный другими элементами.

Конечно, стоимость таких панелей выше, чем у обычных плоских панелей, за счет использования большего количества фотогальванических элементов. Но, как говорится, «овчинка стоит выделки». Такие трехмерные панели в состоянии выработать в 20 раз больше электроэнергии нежели обычные панели, а стоимость самих панелей в любом случае не превышает 35 процентов от общей стоимости энергетической установки.

«Я думаю, что подобные инновационные идеи и решения могут стать важной составляющей солнечной энергетики будущего» – говорит Джеффри Гроссман (Jeffrey Grossman), профессор в области разработки энергетических систем Массачусетского технологического института. Создавая трехмерную форму солнечных батарей исследователи проводили тщательное компьютерное моделирование, которое позволило им обеспечить максимальное поглощение солнечного света при любом угле падения солнечных лучей. Помимо высокой эффективности, такие вертикальные солнечные обладают и еще одним важным преимуществом, они занимают очень мало места, которое в некоторых случаях является большим дефицитом. Так же такие панели имеют меньшую парусную площадь, поэтому их владельцам не стоит особенно беспокоиться за их целостность во время сильных ветров. Ну а в случаях ураганов или при транспортировке панелей с места на место их конструкция позволяет просто их сложить, после чего они превращаются в небольшие пакеты, не занимающие много места».

«Солнечные элементы на основе хны изобретены в Бахрейне», пишет 2 апреля www.strf.ru. «Считается, что солнечные элементы на основе искусственно синтезированных красок имеют большое будущее. Они относительно недороги и просты в изготовлении: достаточно покрасить, например, дом краской, приготовленной из квантовых точек диоксида титана, чтобы получить гигантскую солнечную батарею. Такие технологии успешно разрабатываются. Но вместе с тем учёные ищут ещё более незатейливые, дешёвые и, главное, абсолютно безопасные способы создания подобных устройств. Группа учёных из Университета Бахрейна и Университета Ахлиа в статье, опубликованной в свежем номере Journal of Nanotechnology, сообщила о разработке солнечных элементов на основе природных красителей. По сути они моделируют процесс фотосинтеза и выступают как генераторы экологически чистой, «зелёной» энергии.

Солнечный элемент – устройство, которое превращает фотоны с определённой длиной волны в электричество. В настоящее время в фотоэлектронике в основном применяются полупроводники, в том числе кристаллический кремний. Однако считается, что большие перспективы имеет другой менее сложный и дорогостоящий путь создания солнечных элементов: внедрение молекул красителя в широкую запрещённую зону полупроводниковых электродов. Немецкие учёные в своё время стали лидерами в разработке таких устройств на основе плёнок нанокристаллического оксида титана с металлоорганическим комплексом. Но, несмотря на внешнюю простоту этого способа изготовления солнечных элементов, синтез искусственных красителей оказался делом довольно сложным и не таким дешёвым, как того хотели учёные.

Коллектив авторов из двух вузов маленького арабского королевства Бахрейн – Университета Бахрейна и Университета Ахлиа – придумал, как усовершенствовать «солнечную краску». Исследователи обнаружили, что сама природа может быть источником натуральных, нетоксичных и дешёвых красителей с высоким уровнем адсорбции в ультрафиолетовой, видимой и ближней инфракрасной областях. Объектом их исследования стали бахрейнская и йеменская разновидности хны. Экспериментально авторы доказали, что оба типа красителей имеют высокую степень светопоглощения во всех областях солнечного спектра. Это указывает на то, что хна может стать перспективным светопоглощающим материалом для наноструктурированных солнечных элементов.

Учёные изготовили такие элементы из четырёх частей: электрода, противоэлектрода, слоя наноструктурного оксида титана, молекул красителя и электролита. Электроды при этом покрывали тонким прозрачным проводящим слоем оксида олова; нанокристаллический оксид титана осаждали на проводящий электрод (такой электрод называется фотоэлектродом) для обеспечения необходимого пространства, на которое, в свою очередь, адсорбировались молекулы красителя.

Средняя оценка эффективности солнечных элементов на основе природных красок, согласно измерениям учёных, оказалась равной десяти процентам – именно такое количество падающего солнечного света преобразовывалось в электроэнергию. В целом для фотоэлементов это весьма посредственная величина, но для устройств на основе натуральных красителей – довольно приличная, во всяком случае, она позволяет применять элементы в сборных солнечных модулях, обеспечивающих электрической энергией крупные промобъекты. Главное преимущество солнечных элементов на основе природных красок в том, что они экологически чистые, а значит, могут быть без опаски интегрированы в здания для их самообеспечения электроэнергией».

«Ученые испытали первые гибридные солнечные батареи», утверждает 19 апреля www.nanonewsnet.ru. «Британская компания Naked Energy разработала Virtu — гибридную систему, сочетающую фотоэлементы и солнечный водонагреватель. Производство электричества в ней для одного фотоэлемента выросло на 40–45%, а суммарный — тепловой и электрический — КПД добрался до 70%. Когда фотоэлемент солнечной батареи нагревается выше 25 ˚C (а в солнечный день это происходит быстро), на каждый дополнительный градус КПД фотоэлемента падает примерно на 0,5%. Это важно не только для Сахары: в майский полдень в южной Англии батареи раскаляются до 50 ˚C и выше — а значит, в самое продуктивное время суток они имеют минимальный КПД.

Да, зимой, ранним утром и поздним вечером эффективность остаётся высокой, вот только солнечное излучение в это время минимально. Что делать? — Обратиться к опыту Naked Energy, которая готова привить солнечным батареям водяное охлаждение, одновременно являющееся водонагревательным бойлером термосифонного типа (запатентован самой компанией). И вот, пожалуйста: даже в жаркий день разница температуры воды в термосифоне и у фотоэлемента не превышает двух–трех градусов.

В ходе серии опытов, которые велись параллельно производителем и проверявшим его Имперским колледжем Лондона, с одной и той же площади фотоэлемента получалось на 40–45% больше электроэнергии, чем на контрольном, без водяного охлаждения, работающем рядом. Речь идёт о среднем показателе: когда на контрольной стандартной батарее температура достигла 65 ˚C (полдень), охлаждаемая Virtu выдавала на две трети больше электричества. И это не считая тёплой воды, которую в данной схеме стоит рассматривать как бонус. Общая (тепловая и электрическая) энергия, получаемая с единицы поверхности, доходит до 70% от падающей солнечной.

Разумеется, есть и ограничения. Получаемая вода несёт низкопотенциальное тепло — а значит, его транспортировка на расстояние не имеет смысла. Для большой гелиоэлектростанции это не подходит, так как делать с этой водой там нечего. Поэтому Naked Energy продвигает продукт именно как средство комплексного энергообеспечения частных домохозяйств и иных городских зданий. Иными словами, перед нами средство не столько промышленной, сколько автономной энергетики. Опять же в зимние периоды в северных странах метод неприменим: вода просто замёрзнет в безсолнечный день. Да и в солнечный нагреть её будет непросто. Однако перспективы новой технологии в Калифорнии и Австралии действительно высоки: водяное охлаждение должно дать эффект повышения выработки даже больший, чем в английский полдень».

 

Раздел ЭЛЕКТРОНИКА  в этот раз содержит две заметки.

«Благодаря нанотехнологиям литий-серные батареи выходят на новый уровень», утверждает 12 апреля www.nanonewsnet.ru.«...Поскольку потенциал для дальнейшего улучшения «классических» литий-ионных батарей практически исчерпан, специалисты проявляют всё больше интереса к литий-серным батареям, «новым и многообещающим». В качестве важного шага на пути дальнейшей разработки этого типа аккумуляторов научная группа под руководством Томаса Байна из Мюнхенского университета (Германия) и Линды Назар из Университета Ватерлоо (Канада) предлагает использовать пористые углеродные наночастицы, абсорбирующие молекулы серы для достижения наибольшей аккумуляционной эффективности.

В прототипах литий-серных батарей ионы лития обмениваются между литий- и сероуглеродным электродами. Сере в этой системе отведена очень специфическая роль: при идеальном стечении обстоятельств она способна абсорбировать два иона лития на каждый свой атом. Таким образом, потенциально это прекрасный материал для аккумуляции энергии, в том числе благодаря низкому весу. В то же время (к величайшему сожалению) сера — слишком плохой проводник. Чтобы улучшить эту простую, но, увы, малопригодную конструкцию, учёные подготовили серу таким образом, чтобы максимально увеличить эффективную площадь контакта для облегчения трансфера электронов, соединив её с наноструктурным проводящим материалом.

Ради этого были созданы взаимосвязанные сферические мезопористые углеродные наночастицы, характеризующиеся широкими порами с размером от 3 до 6 нм, которые позволяют распределить молекулы серы максимально равномерно по всей этой углеродной сетке. В этом случае, как оказалось, практически каждая молекула серы доступна для взаимодействия с ионами лития и одновременно достигается максимальный контакт между серой и проводящим углеродом.

Словом, учёным удалось достичь начальной ёмкости в 1 200 мА•ч/г и достойной стабильности циклов перезарядки. Но более неожиданным плюсом применённой схемы с пористыми наночастицами стало, пожалуй, то, что углеродная структура заодно уменьшает проблему полисульфидов, которые образуются в качестве промежуточных продуктов в электрохимическом процессе и могут оказывать необратимое негативное влияние на циклы зарядки–разрядки. Исследователи сумели покрыть углеродный материал тонким слоем оксида кремния, способным эффективно препятствовать образованию полисульфидных депозитов без снижения проводимости».

«Прозрачная электроника» - название заметки, размещенной 17 апреля на www.nanonewsnet.ru. «Ученые из лаборатории Кавендиша Кембриджского университета создали уникальный органический полупроводник, пригодный для изготовления прозрачных электронных схем. Полимеры, обладающие свойствами проводников и полупроводников, известны еще с 1970-х. И пластиковой электронике, использующей вместо стандартных кремниевых чипов полимерные органические материалы, давно прочат большое будущее. Среди ее несомненных достоинств — возможность изготавливать прозрачные и гибкие схемы. Кроме того, освоение пластиковой электроники позволит снизить капитальные затраты:

Заводы традиционной кремниевой электроники требуют больших площадей и серьезных инвестиций. А полимерные технологии позволят изготавливать микросхемы в лабораторных условиях, печатая их наподобие обычных чернил на принтере. Но до сих пор реализации коммерческого потенциала пластика мешали принципиальные ограничения: низкая — до нескольких сотен герц — скорость работы и необходимость высокого — до 100 В — напряжения. Это ограничивало его применение в наиболее лакомой области — мобильной электронике.

Британские физики предложили использовать полимерный полупроводник на основе селенофена — пятичленного ароматического гетероцикла с одним атомом селена. Исследователям удалось добиться рекордной частоты 182 кГц при напряжении 50 В. В дальнейшем они планируют снизить напряжение до значения стандартной батареи — 9 В. Новый материал характеризуется высокой гибкостью, надежностью и легкостью использования в производстве. Это открывает возможность как для совершенствования уже существующих продуктов, таких как метки RFID, так и для создания совершенно новых устройств, например навигаторов, встроенных в автомобильные стекла.

 Ауке Кронемайер, один из участников работы, отмечает: «Наше исследование показывает, что можно производить электронные схемы с использованием нового класса амбиполярных органических материалов, которые значительно упрощают процесс изготовления по сравнению с традиционными. Как правило, для изготовления высокопроизводительных пластиковых электронных схем необходимы два различных активных вещества. Наша технология получает тот же самый результат, используя только одно. Надежность и гибкость нового материала дает возможность для развития различных интеллектуальных продуктов, например предметов одежды, которые взаимодействуют со своим владельцем».

Но удивить потребителя будет непросто. Его интерес уже давно разогрет и концептами прозрачных гибких гаджетов, таких как представленная публике еще в 2008 году Nokia Morph, и не раз анонсированными прозрачными OLED-дисплеями. Однако пока развитие технологий пластиковой электроники существенно отстает от полета фантазии дизайнеров и маркетологов».

Продолжение следует

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Комментарии

Re: НТИ апрель 2012 Ч.1

Изображение пользователя blandux.

«Высотный ветрогенератор-дирижабль - источник дешевой возобновляемой энергии» ???

Если такие начнут выпускать, то самолётам и вертолётам будет ещё опаснее летать над землёй. Количество крушений самолётов резко возрастёт.

Subscribe to Comments for "НТИ апрель 2012 Ч.1 Экология, Энергия, Электроника"