New Scientist
Новые успехи в освоении нанотехнологий
В октябре ученые Гарвардского университета продемонстрировали широкой публике свою новую разработку в области нанотехнологий. Им удалось создать уникальную нанонить, преобразующую солнечный свет в электрическую энергию. Нанонить по структуре похожа на коаксиальный кабель и состоит из нескольких слоев кремния. Ученые утверждают, что им удалось разработать первую солнечную батарею наномасштаба.
Нанонить – солнечная батарея.
Попытки создать солнечные батареи наномасштаба (к нанотехнике относятся объекты размером менее 100 нанометров, 1 нанометр равен 10 метрам) предпринимались разными группами ученых. Но не одной из этих групп не удалось приблизится к показателям эффективности обыкновенных солнечных батарей, которые преобразуют 20-25% энергии солнечного света в электричество.
Кроме того, разрабатываемые ранее батареи не могли считаться в полной мере нанобатареями, так как представляли собой сочетание элементов как наномасштаба, так и более крупных.
Нанонить, разработанная в Гарварде, представляет собой полностью законченную солнечную батарею, не требующую еще каких либо не нанокомпонентов. В центре нанонити расположен кристалл кремния в виде стержня диаметром около 100 нанометров. Стержень покрыт тончайшим слоем бора. Вокруг вся конструкция обернута еще несколькими слоями поликристаллического кремния и фосфора.
Ученые объясняют происходящие в нанонити процессы следующим образом. Когда луч света падает на нить, электроны из кристаллической решетки кремния покидают свои места и движутся к наружным слоям нанонити. Соответственно положительно заряженные «дырки» (места, где были электроны) начинают движение к центру нити.
Поток электронов и «дырок» становится упорядоченным, если нанонить подключена к электрической цепи.
Созданная нить преобразует в электрическую энергию только 3% энергии солнечного света. Но на данном этапе важны не эти 3%, а сам факт создания полностью нанометрической солнечной батареи.
Ученые уже наметили для себя следующие цели. Они будут работать над устранением дефектов в кристалле кремния, что сможет увеличить эффективность преобразования солнечного света до 15%.
Далее перед исследователями стоит еще более важная задача: нанонить должна обеспечить питание для работы наноэлектронных устройств разного назначения. Расчеты показали, что вполне реально разработать солнечную батарею – нанонить мощностью 50-200 пиковатт (то есть 10 Вт).
Science
Парниковые газы душат планету
Международная группа ученых провела новое исследование с целью выяснить, как изменился объем выбросов парникового газа CO2 в атмосферу в последнее время и насколько экосистема земли способна справляться с таким объемом.
Результаты исследования обескураживают: растущая экономика планеты производит парниковых газов все больше, несмотря на все усилия правительств по снижению эмиссии.
Климат планеты имел тенденцию к потеплению в течение всего XX века. Особенно ускорился этот процесс в последние 40 лет, что в первую очередь связано с деятельностью человека.
В течение второй половины XX века ученые постоянно отслеживали изменение климата планеты в разных географических районах земли. Это позволило построить математическую модель для прогнозирования климата на земле в зависимости от интенсивности выбросов парниковых газов. Однако, сверив реальные результаты замера параметров климата с расчетными, ученые пришли к выводу, что прогноз модели оказался очень заниженным. Реальное потепление на планете опережает предсказанное математической моделью.
Как сообщает международная группа ученых, мировая экономика производит СО2 все больше. С 2000 года объем выбросов СО2 в пересчете на один доллар мирового ВВП возрастает на 0,3 % ежегодно. В тоже время, если провести расчет такого показателя за последние 30 лет, окажется, что он снижается в среднем на 1,3% в год.
В докладе ученых указано, что концентрация СО2 в атмосфере земли с 2000 года увеличивается на 1,93 частей на миллион каждый год, то есть растет самыми быстрыми темпами с 1959 года (момент начала расчетов этого показателя). В 80-х годах темпы роста составляли 1,58 частей на миллион, в 90-х его удалось снизить до 1,49.
По поводу ошибочности математической модели учены заявили, что она, очевидно, не учла скорости мирового экономического роста и тот прорыв, который произошел в индустрии развивающихся стран.
Группа ученых призвала мировое сообщество серьезно отнестись к проблеме эмиссии парниковых газов. Если выбросы будут продолжаться в том же объеме, что и сейчас, глобальной экологической катастрофы человечеству не избежать.
Alternative Energy
В 2008 году в Норвегии компанией Statkraft будет запущена опытная электростанция, впервые в мире использующая так называемое «осмотическое давление».
Разработка идеи такой станции была инициирована желанием использовать давно известное природное явление смешивания морской и пресной воды. При впадении реки в море из-за разности в плотности соленой морской воды и пресной речной огромные массы воды начинают перемешиваться, создаются потоки, которые на первый взгляд незаметны, но, тем не менее, обладают огромной энергией.
Полупроницаемая мембрана разделяет раствор (морскую воду) и чистый растворитель (пресную воду), концентрация растворителя в растворе оказывается менее высокой, поскольку там часть его молекул замещена на молекулы растворенного вещества (морская соль). Вследствие этого переходы частиц растворителя из отдела, содержащего чистый растворитель, в раствор будут происходить чаще, чем в противоположном направлении. Соответственно, объём раствора будет увеличиваться (а концентрация уменьшаться) тогда, когда объём растворителя будет соответственно уменьшаться.
На электростанцию будет подаваться пресная и морская вода. После фильтрования она направляется в мембранный модуль, который состоит из двух емкостей, разделенных тонкой мембранной. Мембрана пропускает через себя только пресную воду. Под действием осмотического давления пресная вода проходит в ту часть резервуара. где течет вода морская. Создается избыточное давление, которое срабатывается в гидротурбине.
Соленая морская вода теоретически способна создать осмотическое давление в 26 бар, что соответствует подъему воды на высоту 270 м.
Ожидается, что на электростанции будет достигнуто давление 11-15 бар, что в итоге даст 1 МВт мощности на один кубический метр пресной воды. При пересчете на квадратный метр площади мембраны мощность составит около 5 Вт.
Ключевой и самый дорогой элемент всей установки – это мембрана. Для того чтобы увеличить ее долговечность, необходима фильтрация воды. Пресная вода не должна содержать частиц размером более 50 мкм. При таких условиях период эксплуатации мембраны составит 7-10 лет.
Statkraft – крупнейшая энергетическая компания Норвегии, обеспечивающая около 600 тысяч потребителей энергии. Концерн эксплуатирует как традиционные источники энергии, так и возобновляемые. Компания более 10 лет разрабатывала осмотическую электростанцию. В 2008 году она откроет опытную станцию мощностью 2-4 кВт.
