Уважаемые коллеги, читатели «Методолога»!

 

В сентябре количество интересных научно-технических новостей было велико. Одной из главных моих задач в сентябре было распределить эти новости более-менее равномерно по разделам. При этом выбор, как правило, делался в пользу готовых материалов и устройств и прикладных разработок перед фундаментальными. И по-прежнему я стараюсь дать минимум собственных комментариев.

Новости раздела ЭКОЛОГИЯ продолжают традицию и рвутся в космос. «Мусорщик: Первый на орбите». Так называется заметка, помещенная 28 сентября на www.popmech.ru. «Вчера (т.е. 27.09) на орбиту выведен первый спутник американской системы SBSS – первый орбитальный аппарат, созданный для постоянного мониторинга космического мусора. Изготовленный корпорацией Boeing и обошедшийся ВВС США в полмиллиарда долларов спутник запущен с базы ВВС Ванденберг в Калифорнии. В связке с другими аппаратами, которые образуют систему SBSS, он должен обеспечить постоянный мониторинг орбитального «трафика». До сих пор ученые, военные и техники вынуждены были довольствоваться данными наземных радаров и телескопов, работа которых прерывается при неподходящих погодных условиях и не все из которых способны следить за ситуацией на высоких и геосинхронных орбитах. SBSS будет состоять из целой группировки спутников – первый же, готовый к запуску, назван Pathfinder, «Первопроходец», «Следопыт». Понятно, что система имеет «двойное» назначение, основной ее заказчик – американское военное ведомство, но данные эти пригодятся при подготовке и вполне мирных космических миссий. Тем более что уже сегодня на орбите становится тесновато: здесь насчитывается порядка тысячи действующих спутников и около 20 тыс. обломков, фрагментов и разнообразного мусора…SBSS Pathfinder будет действовать на высоте 627 км над Землей. Он оснащен оптической камерой на подвижном креплении, что позволяет быстро и легко менять поле зрения спутника, не тратя время и энергию на разворот всего аппарата. Насколько зорким будет аппарат, не разглашается. Но если учесть, что современные средства позволяют военным США обнаруживать на орбите объекты порядка 10 см в поперечнике, новый SBSS Pathfinder позволит уменьшить эту цифру». Следующая заметка возвращает нас из космоса в земную атмосферу. "Кристаллические губки" поглощают CO2», сообщает 24 сентября //popnano.ru. «Исследователи из школы химии в Сиднейском университете разработали кристаллы, полные множества крошечных отверстий, которые могут фильтровать и поглощать газы, такие как углекислый газ. Ведущий исследователь Дианна Д'Алессандро (Deanna D'Alessandro) сообщила, что такие «кристаллические губки» для среды значительно полезнее, чем используемые ранее фильтры. «Это значит, что мы сможем использовать их на электростанциях, где они будут поглощать CO₂, сказала она. - Сегодня порядка 25-40% вырабатываемой энергии используется только на то, чтобы поглотить углекислый газ». Таким образом, ученым, кажется, удалось создать наиболее эффективный экологичный материал для этой цели. Помимо CO₂ кристаллы могут поглощать и хранить водород». 

Раздел ЭНЕРГИЯ, как и в прошлом обзоре, начинаем с фундаментальных проблем (как же без них). 24 сентября на www.nanonewsnet.ru помещена заметка «Вердикт специалистов MIT: биотопливо опаснее ископаемого топлива». «Исследовательская группа с участием специалистов Массачусетского технологического института (MIT) под руководством Джерри Мелилло (Jerry Melillo) из Морской биологической лаборатории в г. Вудс Хилл (США, штат Массачусетс) провела системный анализ альтернатив, связанных с использованием для выработки энергии либо ископаемого органического (нефти, газа и т.д.), либо так называемого биотоплива. В новом исследовании для оценки трудно поддающихся количественному учёту косвенных воздействий массового производства биотоплива на биосферу Земли учёные использовали, в частности, статистические методики. Учёт всей совокупности факторов, влияющих на биосферу и экологии Земли в том и другом случаях, показывает – биотопливо, зачастую ассоциируемое в общественном сознании с «экологической чистотой» и с уменьшением выброса в атмосферу парниковых газов, на самом деле таковым не является. Без правильного и жёсткого регламентирования процессов производства биотопливо его массовое использование не улучшит, а лишь ухудшит экологическую ситуацию на нашей планете. Так, использование биотоплива вместо производимого из нефти бензина не уменьшит, но, наоборот, удвоит выброс в атмосферу парниковых газов. Один из важных факторов пессимистичного вывода – прогрессирующее сведение лесов на нет из-за необходимости обеспечить производство продуктов питания после переориентации сельскохозяйственных земель на культивирование технических культур – «растительного горючего». По совокупности параметров, по оценке учёных, вреда от биотоплива может быть в два-три раза больше, нежели от обычного бензина. Несмотря на обескураживающие оценки, авторы исследования подчёркивают – полученные результаты сами по себе не означают, что переход к производству биотоплива – идея изначально порочная. Надо лишь правильно и недвусмысленно сформулировать нормативные требования и обеспечить жёсткое соблюдение природоохранных мер – защиты лесов от вырубки, контроля режимов землепользования, и особенно – использования азотных удобрений». «Устаревшие РЛС тормозят развитие ветровой энергетики», пишет www.nanonewsnet.ru  7 сентября. «Развитие ветровой энергетики — благое и благодарное дело, но не всё так просто. Для оптимального функционирования турбины размещаются в самых открытых местах, где они могут беспрепятственно подставить лопасти ветру, не стеснённому зданиями или горами. К сожалению, эти же условия оптимальны и для воздушных судов, взлётов и посадок, в результате чего между энергетиками и авиаторами наблюдаются некоторые трения. Дело в том, что ветряки блокируют сигналы радаров или же создают нежелательное отражение, в результате чего возникают помехи. Добавьте к этому то обстоятельство, что далеко не везде используется новейшая радиолокационная техника. Результат — замедление, а в некоторых случаях — и прекращение строительства новых ветровых электростанций. Британская ассоциация энергии ветра считает, что 6 ГВт запланированных новых мощностей сдерживаются возражениями со стороны авиапрома. Это гигантская цифра, если учесть, что общая мощность ветроэнергетики Великобритании на конец 2009 года составляла 4,1 ГВт. В июне помощник заместителя министра обороны США Дороти Робин на слушаниях в палате представителей заявила, что новые ветроэлектростанции могут помешать радарам Североамериканской аэрокосмической обороны. Они были установлены десятилетия назад, а некоторые — ещё до Второй мировой войны (!), и многие используют аналоговые (!!) сигнальные процессоры. Если Министерство энергетики США и впрямь хочет с помощью ветра обеспечить 20% потребности страны в электричестве, эту проблему надо решить как можно скорее. Прежде всего, конечно же, необходима установка передовых цифровых сигнальных процессоров, которые могут управляться с большими объёмами данных и тем самым определять и отфильтровывать сигналы, образующиеся под влиянием турбин. Обычно радиолокационная система отправляет и получает один пучок радиоволн на низкой или высокой частоте, которые могут быть расшифрованы с привлечением минимального количества вычислительной мощности. В 2006 году Национальная служба воздушного движения Великобритании заказала компании Raytheon создание РЛС с расширенными возможностями цифровой обработки сигналов и данных. Иными словами, систему необходимо было научить разбираться в пучках с высокой и низкой частотой одновременно, что позволило бы получать огромное количество данных и различать доплеровские сигналы, создаваемые турбинами и воздушными судами. Этим летом новая технология прошла первые испытания; результаты тестов пока не проанализированы. Другие компании предлагают подойти к проблеме с противоположной стороны, то есть сделать ветряные турбины менее видимыми для радаров. Датский производитель ветряков Vestas Wind Systems и группа QinetiQ (ранее входила в состав научно-исследовательского агентства Министерства обороны Великобритании) работают над радар-поглощающим покрытием и композиционными материалами, содержащими проводящие элементы (железо и углерод). Испытания прототипа «стелса» начались около года назад, и компания планирует начать продавать их в следующем году. Конечно же, полностью невидимыми для радаров они не будут». Следующие две заметки посвящены солнечным батареям. «Эффективные солнечные батареи нового поколения на основе сверхтонкой полимерной пленки». Такая заметка размещена 30 сентября на www.nanonewsnet.ru. «Ученые из Стенфордского университета выяснили, что сверхтонкая пленка органического полимера может поглощать больше энергии солнечного света. Это означает, что есть возможность создания солнечных панелей с эффективностью, о которой ранее не приходилось и мечтать. Все дело в том, что свет в материалах толщиной около нанометра ведет себя не так, как в толстых кремниевых панелях. Опыты стенфордских инженеров показывают, что свет «рикошетит» внутри сверхтонкой полимерной пленки совсем не так, как в более толстой. При правильном подборе толщины различных слоев, можно создать солнечную панель, которая будет поглощать в 10 раз больше энергии, чем предсказывают теоретические расчеты. Ключ к этому лежит в создании условий, при которых солнечный свет останется внутри панели достаточно долго. Ученые сравнивают это с хомяком, крутящим генератор: если вы хотите получить больше энергии, нужно, чтобы хомяк бежал как можно дольше и не убегал из колеса. В современных кремниевых пластинах «хомяка» заставляют бегать подольше с помощью шероховатой поверхности, т.е. заставляют фотоны переотражаться внутри пластины как можно дольше. Однако все усилия по повышению эффективности кремниевых панелей упираются в ряд труднопреодолимых технологических барьеров, которые серьезно отражаются на стоимости солнечной энергии. Сосредоточившись на наноуровне, ученые обнаружили, что для повышения эффективности солнечной энергетики требуется больше внимание уделить свету, как волне, а не потоку частиц. Видимый свет имеет длину волны от 400 до 700 нм, и после применения материалов меньших размеров стало возможным задержать свет на более длительное время, увеличив поглощение энергии в макромасштабе. Новая солнечная панель представляет собой «сэндвич» из трех слоев, между которыми находится ультратонкая пленка. Два верхних слоя собирают и направляют свет в сверхтонкую пленку, где солнечные лучи задерживаются для переработки в электричество, нижний слой является зеркалом. Варьируя параметры различных слоев, исследователи смогли достичь 12-кратного увеличения количества поглощаемого света. Американские ученые заявляют о больших перспективах новой технологии: органический полимер дешев в производстве, и солнечные панели на его базе получатся компактными и мощными. Главное – подобрать правильное, коммерчески выгодное соотношение параметров». 8 сентября www.membrana.ru пишет о том, что «Создан прототип самозалечивающейся солнечной батареи». «Фотоэлектрохимические комплексы нанометрового масштаба показали способность к самосборке и саморемонту. В перспективе эти наноячейки могут стать основой долговечных батарей. Группа исследователей из четырёх университетов и институтов США, возглавляемая Майклом Страно из Массачусетского технологического (MIT), использовала натуральные фотосинтетические реакционные центры. И хотя самой идее применения биологических молекул в фотоэлектрических панелях уже много лет, здесь был сделан радикальный шаг вперёд. Американцы подумали об одном из важных недостатков экзотических ячеек — быстрой деградации их под действием света и кислорода. Растения решают проблему долговечности "батареек" просто — они постоянно разрушают комплексы белков, захватывающих фотоны, и тут же строят их заново. Нечто похожее удалось воспроизвести и в новой ячейке. Учёные взяли реакционные центры, добавили фосфолипиды (компоненты клеточных мембран), углеродные нанотрубки и поверхностно активные вещества (ПАВ), после чего просто перемешали всё это. К удивлению экспериментаторов, как только они начали удалять ПАВ из смеси, остальные молекулы принялись самостоятельно собираться в фотоэлектрические панельки нанометрового поперечника, причём при подключении контактов они оказались способны "делегировать" толику электронов в сеть.Процесс шёл полностью самостоятельно. Фосфолипиды формировали крошечные диски, с одной стороны которых прицеплялись нанотрубки, а с другой фоточувствительные белки (напоминает самосборку сложных наночастиц, только в том опыте действовали магнитные силы, а здесь — межмолекулярные). Для "лечения" такой батареи достаточно вновь добавить ПАВ и немного белков на замену, а затем откачать ПАВ. Наночастицы распадутся и снова соберутся, отремонтировав любой дефект. КПД ячеек пока скромен, но их авторы считают, что технологию можно усовершенствовать, повысив концентрацию молекулярных комплексов». И еще одно сообщение с «биологическим уклоном». 13 сентября //popnano.ru информирует, что «Созданы батареи на основе вирусов». «Команда исследователей из Массачусетского Технологического Института и Университета Мериленда использовали два разных вируса для создания катода и анода в литий-ионной батарее. Если успех будет сопутствовать команде из Мериленда, части литий-ионных батарей можно будет выращивать прямо на табачных полях. Если повезет команде MIT, батареи будут встраивать в тканый материал, чтобы обеспечивать энергией множество различных электронных устройств. «Сегодняшние солдаты должны тащить по несколько килограмм батарей. Если их одежду превратить в батарею, они бы освободились от многих тяжестей, - говорит доктор Марк Аллен из MIT. - То же касается бизнесменов и коммивояжеров, проводящих много времени в дороге».

Вирусы крайне эффективны в том, что касается проникновения в клетку, захвата и использования ее механизма для копирования самих себя. В течение многих веков врачи делали все возможное, чтобы остановить или замедлить действие вирусов. Сегодня ученые оборачивают эту способность производить огромное количество одинаковых микроскопических структур на пользу человечества. Они уже научились создавать такие структуры, но уступают вирусам в скорости и производительности. "Обычно для такого производства требуется какая-нибудь нисходящая технология, вроде литографии, - говорит доктор Джеймс Калвер из Университета Мериленда, соавтор недавней статьи в журнале ACS Nano, в которой детально описывается создание кремниевого анода для литий-ионной батареи. - У нас есть вирусный раствор, мы оставляем его на ночь, а вирус делает всю работу". Ученые использовали два вируса, безопасных для человека: в MIT использовали M13 – вирус, который поражает бактерии; в Мериленде использовали вирус табачной мозаики (TMV) - патогенный микроорганизм, широко распространенный на табачных полях. Объекты, куда внедряется вирус, могут различаться, но форма вирусов похожа: длинная, тонкая, цилиндрическая. Как сообщил Аллен на заседании Американского Химического Общества, M13 можно подправить и использовать для производства катода из фторида железа.

Аллен и его коллеги со временем надеются расширить производство, чтобы легкие, перезаряжаемые и долговечные литий-ионные батареи можно было наносить с помощью спрея. Такие материалы будут использовать для зарядки целого ряда устройств - от военных роботизированных летательных аппаратов до гражданских мобильных телефонов. Новый катод MIT экологически безопасен, потому что все процессы происходят при комнатной температуре и в обычной воде. А эксперимент ученых из Мериленда оказался не только экологичным, но и буквально зеленым. «Исходя из наших целей и в лабораторных условиях, мы можем делать с вирусом, что угодно , - говорит Калвер. – Выращивать их в полевых условиях – вот что интересует прежде всего. Это должно быть дешево и относительно просто». В ближайшее время Калвер не обещает, что фермеры будут собирать урожай из «батареек», но их новый анод уже показал свою мощь. Литий-ионная батарея с анодом на основе кремния дала примерно 10-кратное увеличение мощности по сравнению с существующим графитовым анодом».