В интервале пяти лет появятся инновации, которые сегодня кажутся фантастикой
Аннотация
Статья представляет собой обзор различных инноваций в области медицины, экологии, военного дела и промышленности. Рассмотрев разнообразные виды научных проектов, создающихся учеными Великобритании и США, автор приходит к выводу, что эти новые разработки только небольшая часть исследований, позволяющих революционно изменить технологии в промышленности и медицине.
Ключевые слова: инновации, исследования, наноматериалы, наночастицы, перспективные разработки.Ключевые слова:
Фраза, послужившая заголовком настоящего обзора, была произнесена не учёным, не футурологом, а вполне ответственным финансистом – директором департамента программ и проектов Российской венчурной компании Андреем Введенским. С его точки зрения "Прорывы, интереснейшие достижения будут в секторе авиационной и космической отрасли. Об этом говорят уже появляющиеся перспективные разработки, которые есть и в России, и в мире. Я думаю, что в интервале трех-пяти лет появятся и выйдут на рынок технологии «нового поколения». Одна из возможностей для рывка — это сделать рынок авиации и космоса более доступным для бизнеса. Сейчас он в основном обслуживает государство: программы военно-специального назначения, оборонные и международные космические инициативы. Тенденция такова, что космос, как и небо будут становиться ближе к потребностям общества. С точки зрения других секторов, безусловно, фармацевтика и биотехнологии приведут нас к новым достижениям. И я не исключаю, что эти открытия могут отменить все предыдущие. Сейчас многие эксперты говорят о фундаментальных открытиях и возможностях, которые таит в себе неклассическая медицина. Не исключаю, что и здесь могут быть сюрпризы, в хорошем смысле этого слова, и для фармотрасли, и для потребительского рынка. Кроме того, в нашей повседневной жизни будут все больше использоваться встроенные вычислительные системы. Полагаю, что в интервале пяти лет нам будут доступны такие технологии и инновации, которые сегодня многим кажутся фантастикой".
И как всегда первыми достижениями науки пользуются военные. Так, сетевые технологии изменили саму суть ведения войны. Оснащение войск коммуникационными сетями вроде американской MTS (Movement Tracking System), которая использовалась в ходе «Бури в пустыне», разворачивает перед всеми участниками военного конфликта полную картину происходящего. Благодаря радиоизлучающим чипам RFID, GPS и беспроводному доступу в тактическую компьютерную сеть командующие, тыловики, командиры боевой машины пехоты, летчики и т.д. непрерывно получают всю информацию о ходе операции. Армия, владеющая сетевыми технологиями ведения войны, фактически «просачивается» во враждебное государство, действуя малыми подразделениями. Раньше такая тактика считалась самоубийственной: небольшие группы наступающих быстро погибли бы в глубине вражеской территории, отрезанные от союзных частей, артиллерийской и авиационной поддержки. Однако коммуникационная сеть позволяет тысячам мелких групп действовать как единое целое на обширной территории, заставляя противника распылять силы. Сетевая армия всегда будет иметь преимущество перед «традиционной» – середины ХХ-го века, поскольку больше знает об обстановке на поле боя, а также обладает более высокой маневренностью и возможностями вызова авиа- и артподдержки. Опасность «дистанционной» войны – в чрезвычайной легкости принятия решения о применении военной силы. С этого момента до нанесения первых ударов пройдут считанные часы, и противопоставить дистанционной атаке можно лишь аналогичный удар по территории нападающего. Неуязвимые для ПВО гиперзвуковые ракеты вроде X-51A Waverider, стратосферные беспилотные бомбардировщики типа Falcon HTV-2, БПЛА X-47B и другие сверхсовременные виды оружия позволяют практически безнаказанно наносить удары по территории стран, не обладающих стратегическим ядерным оружием. Единственные потери, которые понесут агрессоры, будут финансовыми, что на войне часто не имеет особого значения. Высокотехнологичная армия невозможна без средств отображения визуальной информации. Тяжелые и хрупкие кинескопные телевизоры были слишком громоздки и потребляли слишком много энергии, чтобы их можно было устанавливать в тесных салонах боевых машин. Появление плоских LCD-мониторов позволило значительно увеличить осведомленность бойца об окружающей обстановке. В кабине самолетов несколько плоских экранов с высоким разрешением заменили множество приборов со стрелками, летчик получил возможность видеть картинку с мощных оптических сенсоров и различить даже отдельных людей на расстоянии в десятки километров. Простой пехотинец с ноутбуком или смартфоном может своими глазами увидеть фотоснимки с разведывательного спутника, а не ждать пока его командиру пришлют копии фотографий. Цифровая революция и внедрение сетевых технологий были бы невозможны без плоских мониторов. Огромный скачок сделало военное обучение. Тренажеры типа COMBATREDI или Virtsim компании Motion Reality полностью погружают солдата в виртуальную реальность и имеют исключительное значение в плане подготовки бойца. Виртуальное моделирование боевых действий позволяет привыкнуть к незнакомой местности и лишить противника преимущества в знании собственной территории. Внедренная под кожу электроника с помощью беспроводных технологий может контролировать солдат и их состояние. Команда ученых различных направлений, основу которой составляют исследователи из университетов Кента и Манчестера, при поддержке Военной научно-технической лаборатории (Defence Science and Technology Laboratory, DSTL) и госпиталя Грейт Ормонд Стрит (Great Ormond Street Hospital, GOSH), взялась за реализацию новой программы EPSRC. Целью программы EPSRC являются исследования, направленные на создание электронных устройств, внедренных в кожу человека, способных осуществлять обмен данными с помощью технологий беспроводной связи. «Человеческое тело является не самым подходящим "контейнером" для любой радиоэлектроники. Поскольку люди являются своего рода "оболочками" для большого количества соленой воды, их тела имеют очень высокое значение диэлектрической постоянной. Из-за этого тело человека имеет большую электрическую емкость, что обуславливает большие потери мощности и высокий уровень помех при попытках организации радиосвязи» – рассказывает доктор Джон Бэчелор из Кентского университета в интервью издательству "The Engineer». Военные применения подобных «татуировок» будут заключаться в получении и анализе биометрических данных, получении данных об усталости и нагрузках, текущем положении солдата в режиме реального времени. Более поздние и более совершенные устройства, согласно планам исследователей, смогут помочь командованию контролировать действия солдат и передавать им команды и необходимую информацию прямо в мозг, минуя промежуточные стадии. Тем временем, работа, выполняемая в госпитале GOSH, будет направлена на более мирное использование разрабатываемой технологии в медицинских целях.
Израильские учёные разработали интересные методы слежения за мобильными телефонами. Американские спецслужбы воспользовались этими новациями для получения «голосового автографа» тех, кто имел непосредственный доступ к лидеру «Аль-Каиды». Таким образом, «охотники» за бен Ладеном получили возможность определить, кто и когда с ним говорил. На следующем этапе был зафиксирован и голос самого лидера «Аль-Каиды». Если выслеживается серьезный объект, то в ХХI веке основным техническим элементом, который при этом используется, становится телефон. Сегодня для спецслужб, обладающих соответствующей техникой, нетрудно определить, не только кто и откуда звонит, но и с кем говорят. В случае сотового телефона сигнал передается несколькими близко расположенными антеннами. Затем сопоставляются расстояния и сила сигналов, а с помощью триангуляции (топологического определения местоположения) вычисляется адрес мобильника. С точностью до сантиметра!
Исследователи в США разработали оригинальную схему, благодаря которой можно будет получать лазерный луч, достаточный для сжигания цели, от сравнительно небольшого и лёгкого устройства. Лазерное оружие Excalibur – это проект агентства по перспективным оборонным исследованиям Пентагона (DARPA). Инженеры намерены получить установку с мощностью луча порядка 100 кВт, питаемую от бортовой электросети носителя (самолёта, беспилотника, бронетранспортёра или автомобиля).Нужно пояснить, что пока самые мощные боевые лазеры относятся к химическому типу. Для «залпа» им нужны реактивы. Таковы мегаваттный Airborne Laser, сбивший в полёте баллистическую ракету, или комплекс ПВО Skyguard. Но военные не очень-то стремятся иметь дело с оружием, требующим подвоза небезопасных реагентов. Генералы запрашивают боевые лазеры, питаемые «от розетки». К сожалению, пока 100-киловаттная (по выходному лучу) твердотельная система занимает столько места, что может быть поставлена разве что на грузовик. Для истребителя, штурмовика или вертолёта она слишком велика. «Лазерная пушка» Excalibur пытается обойти это ограничение. В её основе лежат массивы одномодовых лазерных диодов, работающих самостоятельно или скомбинированных с волоконными лазерными усилителями (рассматриваются разные варианты). Такие излучатели должны объединять свои пучки в общий луч без потери его качества. Этот принцип обеспечивает больший КПД установки, а значит, она потребляет меньше энергии, нежели единичный крупный твердотельный лазер с диодной накачкой. Расплата за эффективность – проблемы со сведением множества лучиков в один, не теряющий низкую расходимость и высокую яркость. Тут мешают дифракция, интерференция и всяческие нелинейные эффекты.
Для решения этой проблемы учёные создали световой аналог фазированной антенной решётки (ФАР). В современных радарах ФАР позволяет не только фокусировать луч, но и управлять углом его отклонения без поворота самой антенны. На основе «лазерных ФАР» можно собирать устройства различной мощности, пригодные как для систем целеуказания, связи и локации, так и для лазерного оружия 100-киловаттного класса, полагают разработчики системы. Подобную аппаратуру можно будет аккуратно вписать в обводы самолёта. DARPA пишет, что по размеру и весу оружие, построенное по программе Excalibur, окажется в десять раз меньше, чем химический лазер аналогичной мощности.
Новое устройство, разрабатываемое в течение более чем семи лет компанией Optics1, дает солдатам тепловое видение, подобное тому, которое было продемонстрировано в серии научно-фантастических фильмов «Хищник /Predator». Устройство COTI (Clip On Thermal Imager) не является отдельным и самодостаточным устройством, оно просто добавляет функции теплового видения к существующим ныне системам ночного видения. Человеческие глаз может видеть свет в диапазоне от 400 до 700 нанометров, обычные приборы ночного видения позволяют расширить этот диапазон до 900 нанометров, что почти приближается к инфракрасному диапазону. А более длинноволновая тепловая инфракрасная технология COTI расширяет зрение до невиданного доселе диапазона, до 8–10 микрометров, позволяя солдатам видеть в абсолютно темных помещениях при полном отсутствии какого-либо света. Использование диапазона световых волн от 8 до 10 микрометров дает солдатам возможность видеть сквозь дым, туман, дождь, листву и другие препятствия, там, где обычные приборы ночного видения полностью теряют свою работоспособность. В то время, как некоторые виды защитного камуфляжа могут "одурачить" приборы ночного видения, такой камуфляж не сможет обойти способность устройства COTI обнаруживать источники тепла. С помощью нового прибора можно даже обнаружить следы на земле, оставленные недавно прошедшими людьми, следы прикосновений, к примеру, на дверных ручках и оставленные взрывные устройства. Помимо всего вышеперечисленного возможности устройства COTI позволяют обнаружить скрытое под одеждой человека оружие и взрывное устройство. Конструкция устройства COTI рассчитана на применение в экстремальных условиях военных действий. Устройство компактно, оно легко умещается в ладони, его вес составляет всего 165 грамм, от одной батареи устройство может работать в течение трех часов, а при использовании дополнительной внешней батареи – до одиннадцати часов. В то время, как большинство приборов ночного видения обеспечивают отображение изображения характерного зеленого света, изображение, генерируемое устройством COTI является полностью настраиваемым, как с точки зрения яркости, контрастности, так и с точки зрения отображаемых цветов. У устройства COTI, помимо военного применения есть еще широкий ряд применений в других областях. Прибор будет невероятно полезен спасательным службам, пожарным, которые смогут видеть в условиях окружающей среды, затянутой плотным дымом. А модели устройства COTI следующего поколения будут изготавливаться с учетом требования установки их на оружие в качестве ночных прицелов.
Военные инженеры США ведут испытания беспилотников размером с насекомые на военной базе в штате Огайо. Планируется, что эти беспилотные микроаппараты, в отличие от нынешних, смогут летать и выполнять задания самостоятельно, без помощи человека. Также их можно будет запрограммировать на то, чтобы наносить удары по определенным мишеням, вести поиск ядерного оружия и даже искать пострадавших от стихийных бедствий. Для их разработки инженеры взяли за образец движения птиц и насекомых. Причем ученых больше заинтересовали крылья насекомых, например бабочки-бражника, а не крылья птиц. Дело в том, что траектория движений пернатых гораздо более сложна, а летающих жуков скопировать куда проще. «Мы ищем способы сделать так, чтобы наши устройства остались незамеченными на виду у всех», – рассказывает инженер Грег Паркер. Держа в руках модель маленького беспилотника, инженер пояснил, что этот "механический ястреб", издающий при полете угрожающее жужжание, управляется компьютером. Пентагон резко увеличил использование беспилотных самолетов за последние два года. Как сообщается, ведомство уже запросило у Конгресса США почти $5 млрд. для покупки беспилотных летательных аппаратов в следующем году.
Весьма интенсивно ведутся исследования в области экологии и охраны окружающей среды. Так химики из Университета Калифорнии в Санта-Крус разработали новый тип материала, который "вылавливает" отрицательно заряженные ионы загрязняющих веществ. Новый материал под названием SLUG-26 (этандисульфонат гидроксида меди) может использоваться для очистки загрязненной воды с помощью ионообменного процесса, похожего на умягчение воды. В процессе умягчения воды отрицательно заряженная ионообменная смола притягивает положительно заряженные загрязнители и освобождает нетоксичные положительно заряженные ионы натрия. В свою очередь SLUG-26 представляет собой положительно заряженное вещество, которое может притягивать отрицательно заряженные частицы загрязняющих веществ. Работа по созданию SLUG-26 длилась 12 лет и имела своей целью разработку материалов, способных задерживать опасные и трудно извлекаемые из воды вещества. SLUG-26 имеет слоистую структуру, состоящую из положительно заряженных двумерных листов с высокой способностью к проведению отрицательных ионов. В настоящее время исследователи пытаются использовать SLUG-26 для улавливания радиоактивного металла технеция, который является одной из основных проблем долгосрочного захоронения радиоактивных отходов.
Cамоизвлекающаяся игла шприца разработана британскими специалистами из Университета Ноттингем Трент и компании Olberon Medical Innovations. Глава проекта Амин аль-Хабиби рассказал, что при протыкании стенки сосуда повышение давления сдвигает перемычку в шприце, которая активирует пружинный механизм. Он и выталкивает иглу обратно. Игла помещена в специальную пластиковую трубочку (канюлю), которая расширяет стенки сосуда и позволяет быстро ввести препарат непосредственно в кровоток. Как заявляют изобретатели, работа с новой иглой ничуть не сложнее, чем с обычной. Да и её стоимость должна будто бы остаться на прежнем уровне. Ранее в этом году Olberon Medical Innovations представила шприц, который анестезирует место инъекции перед введением иглы.
Полимерные наносистемы медицинского направления становятся всё популярными. Однако многие учёные полагают, что лекарственные препараты, инкапсулированные в наночастицы, могут выводиться из организма в систему канализации, откуда могут попадать в окружающую среду, угрожая экологической безопасности. Такая обеспокоенность небезосновательна – результаты нового исследования демонстрируют, что полимерные наносистемы, уже использующиеся в медицине, могут адсорбироваться на поверхностях, типичных для окружающей среды. Мустафа Акбулут (Mustafa Akbulut) из Сельскохозяйственного и Технического Университета Техаса отмечает, что в настоящее время на рынке присутствует около двух десятков наномедицинских систем, при этом более сотни уже проходят клинические или предклинические испытания, однако мало что известно о судьбе наномедицинских систем в окружающей среде. Акбулут поставил задачу выяснить – могут ли выведенные «естественным путем» наномедицинские препараты адсорбироваться на растительной целлюлозе, которая, в свою очередь, может стать пищей животных или бактерий. Ранее была обнаружена тенденция к увеличению концентрации наночастиц при движении от подножия к вершине пищевой пирамиды, при этом в организм животных уже может попасть такое количество наночастиц, которое будет опасно для этих организмов. Акбулут подчеркивает, что целлюлоза представляет самую распространенную органическую молекулу в окружающей среде, поэтому, если существует опасность «утечки» наночастиц в окружающую среду, в первую очередь необходимо выяснить возможность взаимодействия наночастиц именно с целлюлозой.
Для моделирования возможного взаимодействия растений с выведенными из организма наночастицами исследователи из группы Акбулута изучили адсорбцию и десорбцию на поверхности целлюлозы полиэтиленгликолевых наночастиц, заполненных молекулами болеутоляющего препарата – ибупрофена. Поскольку полиэтиленгликоль является одним из немногих полимеров, чьи наночастицы прошли необходимую для использования в медицинских приложениях сертификацию, именно наночастицы из полиэтиленгликоля применяются в медицинской практике США чаще всего. Учёные получили наночастицы с размерами от 46 до 271 нм и изучили скорость их адсорбции на целлюлозе, а также – с какой скоростью наночастицы с различным размером будут десорбироваться с поверхности целлюлозы под действием омывающего эту поверхность потока воды. С помощью взвешивания на микровесах и атомно-силовой микроскопии было обнаружено, что для меньших по размеру наночастиц наблюдается лучшая адсорбция на целлюлозной поверхности.
Давно известно, что асбест вреден для клеток человеческого организма: его волокна протыкают клетки насквозь, подобно копьям. Однако было неясно, почему асбест и другие наноразмерные материалы, которые явно велики для клеток, так их привлекают. И вот теперь группа ученых из университета Брауна объяснила, что происходит. С помощью молекулярных моделирований и экспериментов ученые установили, что определенные наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки, входят в клетку наконечником и почти всегда под углом 90 градусов. Это обманывает клетку, которая из-за округлого наконечника принимает частицу за сферу, а не длинный цилиндр. К тому моменту, когда становится ясно, что для поглощения частица слишком велика, уже бывает слишком поздно. «Это как если бы мы проглотили леденец вместе с палочкой, длина которой превышает наш рост», сказал профессор Huajian Gao. Важность исследования высока в особенности потому, что наноматериалы, в том числе углеродные нанотрубки, рассматриваются в качестве средства поставки лекарственных препаратов в организме. Если ученые поймут окончательно, как частицы взаимодействуют с клетками, они смогут создать материалы, которые будут помогать, а не вредить нам.
Однако учёным Великобритании удалось изобрести защитную капсулу, которая благополучно транспортирует "хорошие" бактерии в кишечный тракт организма человека. Это может вызвать стремительный рост производства пробиотиков. Ученые из Университета Вулверхэмптона разработали специальный тип биополимера, который защищает пробиотические бактерии от губительного воздействия желудочного сока и благополучно доставляет их в кишечник, где те начинают выполнять свою функцию. Новый биополимер полностью разлагается микроорганизмами, устойчив к воздействию желудочного сока и растворяется в кишечнике, обогащая флору живительными бактериями. Ученые продемонстрировали это на опыте, поместив штаммы лактобацилл и бифидобактерий, покрытых оболочкой, в смоделированный раствор желудочного сока на четыре часа. Бактерии без капсулы сохраняли жизнеспособность всего на протяжении двух часов и затем погибали. В своих исследованиях ученые использовали новые съедобные и нетоксичные биополимеры, способные защищать бактерии в течение срока годности препарата и после его приема внутрь. Ученые считают, что их открытие может произвести настоящий переворот в мире пробиотической индустрии. Существуют непрекращающиеся споры по поводу целесообразности производства пробиотиков, так как нынешние препараты не могут обеспечить транспортировку достаточного количества живых бактерий в кишечный тракт. Поэтому изобретение продукта, который бы стабильно доставлял одинаковое количество бактерий в кишечник, существенно изменит отношение к этому вопросу и поспособствует производству более качественных пробиотических продуктов питания, предотвращающих гастроэнтерологические, зубные и респираторные заболевания. Новый биополимер имеет также потенциал для клинического применения за пределами пробиотической индустрии. Например, для повышения степени всасываемости кальция в кишечнике, что благоприятно скажется на структуре костей и общем физическом состоянии организма. Полимер также можно использовать в производстве нестабильных препаратов, которые растворяются в желудочно-кишечном тракте.
Американские химики создали "зеленую" батарейку из водорослей, заменив применяемый в литий-ионных аккумуляторах фторопласт, производство которого наносит урон окружающей среде, о чём заявили в статье, опубликованной в журнале Science. «Мы полагаем, что дешевые, емкие и долгоживущие "зеленые" батареи оставят свой след в жизни человечества. Такие аккумуляторы можно будет использовать для производства "долгоживущих" электромобилей, мобильных телефонов и ноутбуков – и при этом производство таких устройств не будет вредить окружающей среде», – заявил один из авторов работы Глеб Юшин из Технологического института штата Джорджия (США). Группа ученых под руководством Игоря Лузинова из университета города Клемсона (США) установила, что алгинаты хорошо проводят электрический ток. Эти соединения извлекаются из бурых водорослей и используются в пищевой промышленности и фармацевтике в качестве загустителей или антацидов – нейтрализаторов кислот. «Мы обратили наше внимание на водоросли, которые растут в соленой воде – в ней концентрация ионов особенно высока. Электроды в аккумуляторе погружены в раствор электролита – жидкость, в которой "растворено" большое количество ионов. Мы подумали, что водоросли, живущие в такой агрессивной среде как морская вода, могут быть идеальным кандидатом для "клея", который соединяет электроды в аккумуляторе», – пояснил Лузинов. Как правило, анод – отрицательный полюс литий-ионных аккумуляторов – изготавливается из графитового порошка и полимерного загустителя. Такая конструкция может проводить ток даже в застывшем виде – при движении и тряске электролит в таком аккумуляторе не прольется. Считается, что кремниевый порошок примерно в 10 раз эффективнее графита в качестве активного вещества анода. С другой стороны, частицы кремния расширяются и сжимаются при изменении емкости батареи – через несколько циклов такой анод разваливается. Лузинов и его коллеги обнаружили, что загуститель из алгинатов сжимается и расширяется вместе с кремнием, и анод остается целым. Как отмечают ученые, экспериментальный источник питания с кремниевым анодом оказался примерно в 8 раз эффективнее, чем «обычный» литий-ионный аккумулятор. В отличие от них, "зеленая" батарея не теряла своей емкости даже после 1300 циклов перезарядки – за это время современные аккумуляторы могут потерять от 10 до 40% своей емкости. Кроме перспективных «кремниевых» батарей, эти вещества могут применяться и для производства литий-ионных аккумуляторов с графитовым анодом.
По своему энергетическому потенциалу батареи, основанные на сочетании магния и серы, способны обойти литиевые. Но до сих пор никто не мог заставить эти два вещества дружно работать в аккумуляторной ячейке. Теперь, с некоторыми оговорками, это удалось группе специалистов в США. Учёные из тойотовского исследовательского института в Северной Америке (TRI-NA) попытались решить главную проблему, стоящую на пути создания магниево-серных батарей (Mg/S). По информации Green Car Congress, для задействования магния в роли анода химикам до сих пор удавалось применять только нуклеофильные электролиты, что исключало работу в паре с данным металлом электрофильных катодов, таких как сера. Ведь указанные электролиты сразу выводили катод из строя, вступая в ненужные реакции. Фактически для пары Mg/S до сих пор не существовало никакого приемлемого электролита, который был бы совместим с обоими элементами. А ведь такой аккумулятор очень привлекателен, поскольку его теоретическая плотность энергии – более 4000 Вт-ч/л. Создать подходящий ненуклеофильный электролит авторам работы удалось в реакции гексаметилдисилазид хлорида магния и трихлорида алюминия. Получились кристаллические частицы [Mg2(μ-Cl)36THF]+, способствовавшие стабилизации и активности электролита. Учёные собрали опытную батарейку размером с монетку, применив магниевый анод, сепаратор, катод из серы, смешанной с сажей и полимерным связующим, и новый электролит. Фактически получился первый перезаряжаемый аккумулятор типа Mg/S. Удельную энергоёмкость литий-воздушных батарей удалось значительно повысить.
Новый тип аккумуляторов может запасать вчетверо больше энергии на единицу веса, чем традиционные литий-ионные накопители. Литий-воздушные батареи считаются перспективным средством аккумуляции энергии, которое может потеснить своих предшественников в различных областях. Их особенностью является катод из пористого углерода, который запасает находящийся в воздухе кислород. При разряде ионы лития движутся с литиевого анода через электролит и вступают в реакцию с кислородом, образуя оксид или пероксид лития. Параллельно с анода на катод движутся электроны, что в итоге и даёт ток. Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) использовали в качестве катода «ковёр» из углеродных волокон диаметром около 30 нм, выращенный на керамической подложке с помощью CVD-процесса. «Нам удалось получить структуру, в которой 90% объёма занимает свободное пространство для размещения участвующего в реакции материала», – рассказывает руководитель проекта Ян Шао-Хорн. Прежнее достижение годовой давности заключалось в создании более сложной углеродной структуры, в которой на долю «пустоты» приходилось 70% объёма. Удельная энергоёмкость новых аккумуляторов достигла 2 500 Вт•ч/кг; для сравнения: у литий-ионных батарей она составляет около 600 Вт•ч/кг. Ещё одним достоинством является упорядоченная форма углеродных волокон, благодаря чему можно наблюдать за поведением электрода под электронным микроскопом.
Комбинируя чередующиеся слои нанометровых и микрометровых частиц, команда инженеров из Университета Миннесоты смогла повысить эффективность солнечной панели на целых 26%. Новая конструкция фотоэлектрической панели основана на микроскопических сферах, в которых свет «рикошетит» и используется максимально эффективно. Ученые сосредоточили свои усилия на совершенствовании перспективных солнечных ячеек, известных как солнечные элементы на сенсибилизированном красителе (DSSC). Они изготавливаются из диоксида титана (TiO2), светочувствительного материала, который обходится дешевле, чем традиционные кремниевые солнечные батареи. Кроме того, современные солнечные панели быстро приближаются к теоретическому пределу своей эффективности, в то время как DSSC потенциально имеют намного больший КПД. К сожалению, до сих пор от DSSC удавалось добиться лишь на 10% большей эффективности, но открытие американских ученых может решить эту проблему. Одной из причин низкой эффективности является то, что свет инфракрасной части спектра плохо утилизируется солнечной ячейкой. Новый слоистый дизайн увеличивает путь света через солнечные ячейки и преобразует в электроэнергию больший диапазон электромагнитного спектра. Новые ячейки состоят из микронных сфер с нанометровыми порами между слоями наноразмерных частиц. Сферы, сделанные из TiO2, действуют как плотно упакованные пружинящие столбики в игре пинбол. Они «отфутболивают» фотоны и заставляют их метаться внутри поля сфер, после чего фотоны проходят через ячейку солнечной панели. Каждый раз, когда фотон ударяется об одну из сфер, производится небольшой электрозаряд. Интерфейс между слоями также помогает повысить эффективность преобразования света в электричество, действуя как зеркало и сохраняя свет внутри солнечной панели. Новая технология увеличения эффективности сбора и трансформации солнечного света в энергию может быть легко интегрирована в существующие коммерческие панели типа DSSC.
Эти новые разработки только небольшая часть исследований, позволяющих революционно изменить технологии в промышленности и медицине.