Новости энергетики

Специалисты синтезировали высокоэнтропийный оксид, содержащий атомы иттрия, европия, гадолиния, лантана и эрбия. Для этого использовали метод контролируемого совместного осаждения — химического процесса, при котором из растворов осаждают гидроксиды нужных металлов.

Для синтеза оксида полученный осадок нагревали два часа при температуре 200–680 градусов. Оптимальной оказалась температура 680 градусов, когда порошки перешли из аморфного состояния (с хаотично расположенными атомами) в кристаллическое — с регулярной структурой и упорядоченной атомной решеткой. Такая структура обеспечила равномерное распределение ионов, что улучшило оптические свойства материала: свечение стало интенсивнее более чем в четыре раза. Улучшились и другие свойства — например, возросли прозрачность материала и диапазон длин волн, которые могут распространяться по нему.

Яркость используемых светодиодов снижается при нагревании — при длительном использовании они «выцветают». Новый материал долговечен, светится ярким красно-оранжевым цветом и стабилен при высокой температуре. Ученые надеются, что на основе их материала удастся создавать новые типы оптоэлектронных устройств, способных работать дольше в экстремальных условиях.

Как ученые пишут в научном журнале Nature, они достигли минимальной толщины металла, расплавив его и сжав между двумя ван-дер-ваальсовыми «наковальнями» — слоями дисульфида молибдена (MoS2), выращенными на сапфировой (искусственной кристаллической) подложке. За счет наковален металл смогли сжать под экстремальным давлением свыше 300 гигапаскалей — почти три миллиона атмосфер.

Метод годится для производства разных металлов ангестремовой толщины. Его опробовали на висмуте, олове, свинце и галлии. Как показали исследования, получившиеся металлы обладают уникальными свойствами. Так, электропроводность сверхтонкого висмута на 23% выше, чем у висмута обычной толщины.

В будущем, отмечают ученые, методика позволит создавать на основе сверхтонких металлов новые модели транзисторов и высокочастотных устройств — например, индукционных и СВЧ-печей, медицинского и промышленного оборудования.

Основа датчика — композитный материал, который включает подложку из карбида кремния и напыление из оксида вольфрама. Оба вещества относятся к тугоплавким. При взаимодействии с водородом оксид вольфрама меняет свои электрофизические свойства. По их анализу можно сделать вывод, есть водород в среде или нет.

Главная задача датчика — контроль наличия водорода в ядерных и термоядерных реакторах, а также на металлургическом производстве, где избыток водорода может ускорить износ оборудования и повлиять на безопасность работы. Например, на атомных электростанциях вода циркулирует при температуре свыше 300 градусов, что может вызывать образование пузырьков водорода. Эти пузырьки могут провоцировать микровзрывы и разрушать стенки трубопроводов.

Технология запатентована и испытана в лабораториях университета. Ученые работают над созданием датчика, способного выдерживать температуру до 850 градусов.

Как ученые объяснили в научном журнале Energy, одними из самых перспективных для производства биотоплива сегодня считают катализаторы из оксида калия (K2O). Однако они плохо работают с жирными кислотами, быстро утрачивая свои свойства. Чтобы решить эту проблему, специалисты создали катализаторы на основе оксида калия, оксида алюминия (Al2O3) и липазы, полученной из дрожжей рода Candida rugosa. Ученые покрыли оксид калия тонким слоем оксида алюминия, получив пористую подложку. В многочисленные поры поместили липазу. В результате получились катализаторы двойного действия: липаза расщепляет жирные кислоты, а калий преобразует исходные соединения в биотопливо.

Как показали исследования, новые катализаторы позволяют достичь выхода биотоплива из отработанного жирного кулинарного масла в объеме 69,06%, что выше, чем с использованием других добавок. Биотопливо не требует дополнительной очистки — оно сразу соответствует международным стандартам.

Устройство преобразовывает химическую энергию органических веществ в электричество, окисляя глюкозу, которая содержится в физиологических жидкостях. Концентрация глюкозы в организме поддерживается примерно на одном уровне благодаря естественной саморегуляции — гомеостазу. При этом устройство потребляет мало биохимической энергии, поэтому на гомеостаз нес влияет.

Биотопливный элемент очень компактен: он состоит из двух электродов, которые вживляют в ткани пациента, а также контактов, подключаемых к устройству, которое нужно запитать. На аноде находится катализатор — фермент глюкозооксидаза, который окисляет «топливо»-глюкозу и при этом сам не расходуется. В результате образуются протоны и электроны. Протоны отправляются к катоду по электролиту (им выступает кровь или спинномозговая жидкость), чтобы восстановить кислород до воды. Электроны же попадают во внешнюю цепь, питая энергией устройство.

Анод изготовили из композитных материалов, которые содержат в том числе углеродные нанотрубки. Они помогают собрать и прочно закрепить на электроде как можно больше фермента, не допустив его распространения в кровь или спинномозговую жидкость.

Устройство со «сладкой подзарядкой» успешно протестировали на лабораторных крысах. Биотопливный элемент показал удельную мощность 51,8 микроватта на квадратный сантиметр и напряжение открытой цепи порядка 200 милливольт.

В основе метода лежит управление расположением ионов в кристаллической решетке материала. Для экспериментов взяли кристалл со структурой людвигита — минерала, который представляет собой борат магния и железа (Mg2FeBO5). Она нестабильна, благодаря чему при синтезе в ней можно управлять распределением атомов металлов.

В качестве сырья мы использовали соединения, включающие оксиды металлов и растворы на основе тримолибдата висмута (Bi2Mo3O12). Их смешали и подвергли температурной обработке при 1000 градусах. Так удалось вырастить кристаллы с заданной структурой. 

Михаил Платунов, старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований центра «СКИФ» Института катализа РАН

Как показали эксперименты, изменяя температуру синтеза и соотношение исходных компонентов, можно контролировать расположение атомов металлов в кристаллической решетке материала и менять его магнитные свойства. Новые магниты размагничиваются под воздействием внешнего магнитного поля высокой напряженности и удерживают намагниченность свыше 9 тесла при низких температурах. При этом у широко применяемых неодимовых и диспрозиевых магнитов этот показатель составляет 4–6,5 тесла.

По словам Михаила Платунова, в будущем по новому методу можно будет создавать мощные магниты нового поколения, не уступающие современным аналогам и не содержащие редких компонентов.

Плазменные ракетные двигатели работают только в вакууме, поэтому сейчас их не используют для доставки грузов на Международную космическую станцию, а применяют для удержания спутников в определенной точке. При этом такие двигатели рассматривают для совершения быстрых космических перелетов. Они позволят разогнать ракету до скорости, которая недоступная химическим двигателям, и сэкономят топливо. Их разработка ведется с середины XX века, первый прототип испытали в 1961 году.

Удельный импульс плазменных двигателей гораздо больше, чем у большинства других типов ракетных двигателей. Например, у двигателя Холла он составляет около 8 тысяч секунд, а один из последних испытанных прототипов моделей VASIMR — VX-200 — выдал удельный импульс 5 тысяч секунд при мощности 200 киловатт. Ожидается, что импульс нового поколения этих двигателей составит 12 тысяч секунд. Еще больше надежд возлагают на двигатель DS4G: 250 киловатт мощности, 2,5 ньютона тяги и 19,3 тысячи секунд удельного импульса. Модели последних высокомощных двигателей плазменного типа в лабораторных условиях продемонстрировали тягу до 5,4 ньютона.

Для испытаний прототипа «Росатома» в Троицке монтируют экспериментальный стенд. Диаметр его вакуумной камеры составит 4 метра, длина — 14 метров. Камеру оснастили системами вакуумной откачки и отведения тепла, чтобы сымитировать условия космоса.