НТИ Октябрь Ч.1 Экология Энергия

 

Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!
 
 
Поток любопытных научно-технических новостей в октябре был еще больше, чем в сентябре. Этот поток с трудом удалось уместить в жесткие рамки разделов, «отбраковывая» многие новости . Особенно в этом смысле «повезло» разделам «Транспорт», «Изобретения» и «Новые материалы». При этом, как обычно, «за бортом» остались интересные, но все-таки уступающие отобранным (по моему мнению)  новости.
В разделе ЭКОЛОГИЯ всего одна новость, но весьма поучительная. «Биополимеры загрязняют природу при производстве сильнее нефтяной пластмассы», пишет 25 октября //popnano.ru. «Несмотря на то, что биополимеры считаются в использовании более экологически чистым материалом по сравнению с нефтяной пластмассой, процесс производства последней менее обременителен для природы.Авторы исследования Микеланджело Табоне и Эми Лэндис из Университета Питсбурга (США) вместе с коллегами изучили 12 пластмасс: семь полимеров на нефтяной основе, четыре биополимера и один гибрид. В лабораторных условиях был воспроизведён жизненный цикл унции (28 г) каждого из них. Биополимеры оказались самыми плодовитыми загрязнителями окружающей среды на этапе производства. На выращивание растений уходит огромное количество удобрений и пестицидов, не говоря уже о сельскохозяйственных площадях. Кроме того, им требуется более интенсивная химическая обработка. Как будто этого мало, все четыре биополимера внесли наибольший вклад в разрушение озонового слоя. Два испытанных биополимера на основе сахара (стандартный продукт на полимолочной кислоте PLA-G и его вариант PLA-NW, изготавливаемый компанией NatureWorks из Миннесоты; оба являются самыми распространёнными видами биопластика в США) максимально поучаствовали в эвтрофикации — явлении, при котором переполненные удобрениями водоёмы уже не могут поддерживать жизнь. Биополимер на основе кукурузы PHA-G стал победителем среди подкислителей. Наконец, биопластик превысил показатели большинства нефтяных полимеров по экотоксичности и выбросу канцерогенов. С другой стороны, на этапе использования по назначению биополимеры оказались более экологически чистыми. Лучше всех себя проявил PLA-NW, а вездесущий полипропилен (PP), являвшийся самым чистым в производстве, опустился на девятое место на этапе потребления. Любопытно, что хуже всех показал себя гибрид биополиэтилентерефталат (B-PET). Он стал самым вредным на этапе производства (12-е место), а на этапе потребления занял не менее почётное 8-е место».
В разделе ЭНЕРГИЯ – сначала о солнечных элементах, а потом о глобальных проблемах. 12 октября на www.nanonewsnet.ru помещена заметка «Грядут эффективные и недорогие пластиковые солнечные элементы». «Американские учёные обнаружили новые свойства полупроводниковых материалов, которые могут привести к созданию эффективных и недорогих пластиковых солнечных батарей. Физик Виталий Подзоров и его коллеги из Университета Ратджерса (США) первыми наблюдали, как экситоны — квазичастицы, которые образуются при поглощении фотонов полупроводниками, — путешествовали в органическом ПП рубрене на расстояние от двух до восьми микрон, что сравнимо с поведением экситонов в неорганических материалах — кремнии и арсениде галлия, используемых в солнечных элементах. Ранее наблюдалась диффузия всего на масштабе 20 нанометров. В один прекрасный день солнечные элементы на основе этой технологии могут заменить кремниевые батареи. Органические полупроводники очень перспективны не только для солнечной энергетики, но и других целей — к примеру, изготовления видеодисплеев, ибо их можно производить на больших листах, — подчёркивает г-н Подзоров. — Но ограниченная фотогальваническая эффективность не позволяет им развернуться. Мы ожидаем, что наше открытие станет новым стимулом к исследованию и использованию этих материалов». Экситоны состоят из электрона с отрицательным зарядом и дырки, то есть положительного заряда. Они могут генерировать фотонапряжение, попадая на границу или стык полупроводника, после чего электроны движутся в одну сторону, а дырки — в другую. Если диффузия экситона составляет лишь десятки нанометров, то фотонапряжение может возникнуть только вблизи стыка или границы. Этим и объясняется низкая эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую в органических элементах. Хотя исключительно чистые кристаллы рубрена, изготовленные американскими физиками, пригодны только для проведения лабораторных экспериментов, исследования показывают, что ограничения органических полупроводников можно снять, разработав новые материалы. Учёные обнаружили, что экситоны в кристаллах рубрена вели себя скорее как экситоны, наблюдаемые в неорганических кристаллах — экситоны Ванье — Мотта, которые представляют собою связанное состояние электрона проводимости и дырки в полупроводнике. Ранее специалисты полагали, что в органических полупроводниках был представлен более локализованный вид экситонов — экситоны Френкеля (возбуждение электронной системы отдельной молекулы). Экситоны Ванье — Мотта быстрее проходят через кристаллическую решетку. Виталий Подзоров отмечает также, что его группой подготовлена новая методика измерения экситонов на основе оптической спектроскопии. Так как экситоны не связаны с переносом электрического заряда и массы, их трудно измерить с помощью обычных методов. Исследователи разработали технологию, которая диссоциирует экситоны на поверхности кристалла и вызывает большой фототок. Она может быть применима и к другим материалам». «В MIT создали «бумажные» солнечные батареи», сообщает //popnano.ru 21 октября. «В Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT) создали солнечные батареи на бумажной основе. Это результат исследовательского проекта, финансируемого итальянской нефтяной компанией Eni. Гибкие и тонкие солнечные батареи, несмотря на довольно низкий КПД (около 1%), способны генерировать ток, достаточный для питания небольшого светодиодного дисплея. Технология изготовления батарей заключена в послойном (до 5 слоев) нанесении полупроводников на бумажную основу. В отличии от традиционных кремниевых элементов, новая технология не требует высоких температур для осаждения слоя на подложку. Руководитель проекта Карен Глисон (Karen Gleason) говорит, что процесс напоминает образование кристалликов льда зимой на окнах в виде узоров. Главным достоинством «солнечной бумаги» Глисон считает дешевизну изготовления, которая позволит использовать солнечные батареи в качестве штор, жалюзи или даже покрытия ноутбуков. В планах исследователей поднять коэффициент преобразования таких батарей до 4%, а коммерческое использование «солнечной бумаги» может начаться через пять лет». «Революция в энергетике: новый материал непосредственно превращает тепло в электричество». Такая заметка появилась на www.nanonewsnet.ru 6 октября. «Физики из Университета Аризоны обнаружили новый способ превращения тепла в электрическую энергию. Это может совершить революцию в энергетике, причем без значительной переделки инфраструктуры. Американские ученые создали компьютерную модель молекулярного термоэлектрического материала, открывающего большие перспективы для создания высокоэффективных тепловых машин, которые будут перерабатывать почти все тепловые выбросы в электричество. Кроме того, это сделает ненужным озоноразрушающие хлорфторуглероды. «Термоэлектричество позволяет преобразовать тепло непосредственно в электрическую энергию с помощью устройства без движущихся частей, – поясняет один из авторов открытия докторант Джастин Бергфилд (Justin Bergfield). – Наши коллеги уверены, что наш моделируемый термоэлектрический материал может быть построен. Мы ожидаем, что генерируемое напряжение будет в 100 раз выше, чем у самых совершенных существующих лабораторных образцов». Вопрос потери энергии в виде тепла волнует ученых очень давно, но до сих пор эта проблема не имеет приемлемого решения. Множество устройств выделяют тепло, которое бесполезно рассеивается в воздухе, да еще и создает проблему перегрева различной аппаратуры. В отличие от существующих тепловых преобразующих устройств, таких как холодильники и паровые турбины, материал Бергфилда не требует механики и озоноразрушающих химических веществ для охлаждения. Это просто похожий на резину полимер между двумя металлическими электродами. Узлы автомобиля или заводская труба, покрытые этим материалом толщиной менее 254 нм, начнут вырабатывать электроэнергию из «дармового» тепла. Для более наглядного представления о пользе этого крайне эффективного термоэлектрического материала, достаточно узнать, что, используя тепло от двигателя автомобиля, можно будет получить мощность 20 кВт! Это повысит КПД автомобиля более чем на 25% и станет настоящим «подарком» для машин с гибридным приводом. Ученые сделали свое открытие, когда исследовали поливиниловые эфиры – молекулы, которые спонтанно соединяются в полимеры. Основой каждой молекулы поливинилового эфира является цепь бензольных колец, содержащих атомы углерода. Цепь выступает в роли «молекулярного провода», по которому могут перемещаться электроны. Используя компьютерное моделирование, ученые вырастили «лес» молекул между двумя электродами и подвергли его нагреву. В результате, по мере увеличения числа бензольных колец в каждой молекуле, выработка электрической энергии увеличивалась. Секрет способности молекул перерабатывать тепло в электричество заключается в конструкции молекул. Как вода, огибающая опору моста, поток электронов, идущий вдоль молекулы, разделяется при столкновении с бензольным кольцом. Если изменить одну из цепей бензольного кольца таким образом, чтобы один поток электронов двигался дольше, то оба потока электрона при соединении будут в разных фазах. В момент уравновешивания они будут находиться в процессе квантовой интерференции. Когда в схеме присутствует разница температур, это прерывание потока электрического заряда приведет к накоплению электрического потенциала, т.е. напряжению между двумя электродами. В первую очередь новый материал использует волновую природу электрона для превращения его в полезную энергию. По своей конструкции материал полностью самодостаточен: он не требует обслуживания, прост и дешев в изготовлении. «Просто возьмите пару металлических электродов и "покрасьте» их одним слоем молекул! – Говорит Джастин Бергфилд. – В результате мы получим термоэлектрическое устройство, которому не нужны охлаждающие агенты, такие как жидкий азот, фреон или любые другие". Еще одно уникальное свойство материала – масштабируемость. Термоэлектрический генератор может быть любого размера – от гигантского на панели солнечной батареи, до миниатюрного в сенсоре микроскопического размера. Сфера применения нового материала огромна: везде, где нужно что-то охладить или есть избыточное тепло, и в любой среде – от космоса до глубин океанов. Большая выдаваемая мощность позволит сэкономить значительное количество топлива и существенно повысить КПД машин. Остается только ждать запуска технологии в массовое производство». «Шатающаяся консоль вырабатывает ток из света», пишет 21 октября //popnano.ru. «Новое устройство может превращать в электричество солнечный свет, тепло, вибрации и даже дуновения ветерка. Проекты таких интегрированных "сборщиков" даровой энергии мы видели не раз. Но новичок выделяется на их фоне: все указанные источники без запинки переваривает одна и та же деталь. Она заменяет несколько генераторов разного типа.Авторы изобретения — доктор Лун Цюэ (Long Que) и его команда из технологического университета Луизианы (Louisiana Tech). Пришли они к идее генератора случайно. Экспериментируя с микроскопическими устройствами на основе разных материалов, учёные заметили автономные колебания крохотной консоли, покрытой слоем из углеродных нанотрубок. Поставив серию опытов, исследователи убедились, что колебания действительно происходят "сами собой" до тех пор, пока на консоль падает свет. Причём это мог быть и свет от лампы, и обычный солнечный — на улице. Разобравшись с тонкостями процесса, физики создали генератор, использующий удивительное свойство этой консоли. В основу устройства легла тончайшая плёнка из армии нанотрубок (carbon nanotube film — CNF). Именно она изгибается под действием света. Причём реагирует на волны как видимого, так и инфракрасного диапазона (на последний — особенно хорошо). Как только консоль достигает максимального смещения, оно уменьшается, потом вновь возрастает. И так цикл за циклом. Без излучения перемещение исчезает. Наблюдаемый эффект учёные окрестили самостоятельным возвратно-поступательным движением (self-reciprocation). Физики говорят, что оно обусловлено поглощением фотонов, а также тем, что консоль обладает высокой электропроводностью и быстро рассеивает полученное тепло в окружающую среду. Теперь осталось только придумать, как преобразовать эти микроскопические колебания в ток. В качестве генератора авторы работы использовали известный более полувека пьезоэлектрический материал — цирконат титанат свинца (PZT). Эта керамика применяется в датчиках, конденсаторах, ультразвуковых излучателях и многих других изделиях. В новом генераторе PZT разместили между тонкими и гибкими электродами, а сверху покрыли тем самым слоем CNF. Опыт с устройством размером с монетку показал: будучи освещённым с интенсивностью 0,13 Вт/см2, оно вырабатывает мощность 2,1 микроватта при разности потенциалов до 10 вольт. При этом Лун Цюэ со товарищи полагают, что дальнейшая оптимизация конструкции (в частности, снижение внутреннего сопротивления) приведёт к повышению мощности. Эксперименты также помогли выяснить, что консоль аналогично реагирует и на механические вибрации, и на слабые потоки воздуха. Получается, что одного этого прибора достаточно, чтобы получать энергию из нескольких источников. Так можно подпитывать, к примеру, миниатюрные беспроводные датчики, медицинские устройства, чипы для разных систем связи и так далее. Ранее изобретателям, мечтавшим о подобной "жатве", приходилось или выбирать какой-то один путь выработки электричества (микроскопические солнечные батареи, термоэлектрические генераторы, сборщики вибраций), или втискивать их все в единый корпус. Это слишком сложный подход. Вибрирующая консоль — явно проще.Из других интересных работ в области миниатюрных генераторов можно вспомнить кремниевый нанолес (его раскачивал ультразвук) и фотоячейку, одновременно обращающую в ток свет и тепло. Обе эти системы, довольно хитро устроенные, скрещивают разные явления. Но всё равно они не претендуют на энергетическую всеядность. По сочетанию простоты и достигаемого эффекта прибор из Луизианы обошёл их все». 
Продолжение следует

 

Алфавитный указатель: 

Рубрики: 

Subscribe to Comments for "НТИ Октябрь Ч.1 Экология Энергия"