При производстве современных литиевых аккумуляторов для электротранспорта, как поясняет сайт CleanTechnica, сейчас используется метод предварительного заряда с использованием слабой силы тока, но исследования Университета Вашингтона и Стэнфордского университета, проводимые при участии корпорации Toyota, позволили обнаружить простой способ увеличения эффективного срока использования тяговой батареи на 50 %.

Сейчас свежевыпущенную батарею принято заряжать слабым током в течение десяти часов, чтобы способствовать формированию на отрицательном электроде полутвердотельного слоя, который защищает оставшийся в электроде литий от нежелательных химических реакций. При медленной первичной зарядке и формировании данного слоя теряется до 9 % лития, и чем выше сила тока, тем больше теряется ионов лития. Между тем, американские исследователи после экспериментов почти с двумя сотнями литийионных ячеек пакетного типа пришли к выводу, что кратковременная зарядка при повышенной силе тока позволяет увеличить дальнейший эксплуатационный ресурс батареи в среднем на 50 %, причём у наиболее удачных экземпляров аккумуляторов прирост достигал приличных 70 %.

Недостатком данного метода, который подразумевает переход к 20-минутной зарядке при высоких силах тока, является высокая потеря ионов лития, которая может достигать 30 %. Впрочем, продолжительность срока службы аккумуляторов по мере распространения электромобилей начинает обретать большую важность, поэтому в данном случае производители батарей должны определиться, что для них важнее. Более долговечные батареи, с одной стороны, сделают электромобили более привлекательными на вторичном рынке, особенно с учётом высокой удельной доли стоимости батареи в цене машины.

Кроме того, если одна и та же батарея сможет пережить несколько электромобилей, на рынке появится больше сторонников концепции сменных тяговых аккумуляторов. Сейчас подобные станции распространяет в Китае и за его пределами компания Nio. На замену тяговой батареи на автоматизированной станции уходит не более пяти минут, водителю даже не приходится при этом выходить из машины. Электромобиль Nio можно приобрести без батареи, а затем арендовать её за определённую месячную плату. При необходимости преодоления большого расстояния за короткий промежуток времени можно арендовать аккумулятор повышенной ёмкости. Если же стандартизованная тяговая батарея будет оставаться в собственности у автовладельца после смены электромобилей, это позволит снизить затраты на такой обмен.

Будущее аккумуляторов за соединениями марганца, уверены учёные из Массачусетского технологического института, что сделает их дешевле и ёмче. Чтобы доказать это, исследователи создали катодный материал с высоким содержанием этого минерала, который в 30 раз дешевле кобальта. Но дело не только в цене. Потенциально катоды с высоким содержанием марганца обеспечат более высокую плотность запасаемой энергии и ряд других преимуществ.

Источник изображения: MIT

В своей работе над более совершенными электродами аккумуляторов исследователи изучали так называемые материалы с разупорядоченной структурой каменной соли (disordered rock salt, DRX). Это не та каменная соль, которая называется ещё поваренной. Как правило, DRX — это оксиды, например, оксид лития, но не обязательно. Учёные уже подтвердили необычно высокий потенциал DRX-материалов для изготовления анодов и катодов аккумуляторов. Но у них обнаружился существенный недостаток — низкий уровень циклирования. Они быстро истощались — приходили в негодность как накопители и проводники ионов.

«В катодных материалах обычно существует компромисс между плотностью энергии и стабильностью циклирования ... и в этой работе мы стремимся выйти за рамки, разработав новую химию катодов, — поясняют изобретатели. — (Представленное) семейство материалов обладает высокой плотностью энергии и хорошей стабильностью при циклировании, поскольку в нём используются два основных типа катодных материалов — каменная соль и полианионный оливин, поэтому оно обладает преимуществами обоих».

Иными словами, учёные подобрали такое соотношение DRX и полианионов (это большой спектр соединений с избытком отрицательно заряженных групп), при котором сохранялась бы высокая плотность энергии и возможность множественного перезаряда. Некоторой проблемой стала высокая подвижность кислорода в катоде при заряде аккумуляторов высоким напряжением — ещё одна изюминка новых аккумуляторов, однако она была решена введением связывающего кислород вещества — фосфора.

В идеальном случае электроды на основе DRX-материалов могут обеспечить до 350 мА·ч/г, тогда как традиционные катоды обеспечивают плотность хранения энергии не выше 200 мА·ч/г. Добавка полианионов обеспечит им стабильность множества циклов заряда и разряда, а использование марганца вместо никеля и, особенно, кобальта, сделает производство аккумуляторов дешевле. Но всё это в будущем. Еще предстоит много исследовательской работы, чтобы коммерческое производство электродов из DRX-материалов стало реальностью.

Как сообщают учёные, вскоре обычная утренняя пробежка позволит надолго заряжать батареи гаджетов. В этом поможет удивительный наногенератор, разработанный сотрудниками Университета Суррея (University of Surrey). Устройство как минимум в 140 раз мощнее всех ранее предложенных решений в этой области, что в перспективе может позволить отказаться от солнечных панелей для зарядки множества вещей и датчиков.

Источник изображения: University of Surrey

Этот наногенератор относится к так называемым трибоэлектрическим генераторам, когда энергия извлекается в процессе движения или трения. Прорыв был совершён в области, которая позволяет регенерировать и усиливать заряд, достигая рекордного уровня плотности генерируемой мощности. Если альтернативные схемы позволяют вырабатывать до 10 мВт энергии, то предложенное британскими учёными решение обещает довести её до 1000 мВт (1 Вт). Это означает, что наногенераторы на основе сбора энергии от движения и вибраций смогут легко питать даже смартфоны, не говоря о микродатчиках и встроенных в тело чипов. Вот он, Святой Грааль для адептов чипирования человечества!

Учёные из Университета Суррея разработали схему генерации, которая чем-то похожа на эстафету с передачей палочки следующему бегуну, как поясняют разработчики.

«Мечта наногенераторов — улавливать и использовать энергию от повседневных движений, таких как утренняя пробежка, механические вибрации, океанские волны или открывание двери. Ключевым новшеством нашего наногенератора является то, что мы усовершенствовали технологию с помощью 34 крошечных коллекторов энергии с использованием лазерной технологии, которая может быть расширена для производства с целью дальнейшего повышения энергоэффективности», — поясняют изобретатели.

«Что действительно интересно, так это то, что наше маленькое устройство с высокой плотностью сбора энергии может в один прекрасный день сравниться по мощности с солнечными батареями и может быть использовано для управления чем угодно — от датчиков с автономным питанием до систем "умного дома", которые работают без необходимости замены батареи», — уверены учёные.

Добавим, статья о разработке свободно доступна на сайте журнала Nano Energy.

Исследователи с факультета физики Оксфордского университета разработали революционный подход для повсеместного распространения солнечной энергетики. Они создали многослойное мультиспектральное покрытие в 150 раз тоньше обычной кремниевой солнечной панели. Такое покрытие можно наносить на рюкзаки, задние панели телефонов, автомобили и стены зданий, в корне меняя подход к производству электричества.

Источник изображений: Oxford University

«Всего за пять лет экспериментов с нашим подходом к укладке или многопереходной [компоновке] мы повысили эффективность преобразования энергии примерно с 6 % до более чем 27 %, что близко к пределам того, чего сегодня могут достичь однослойные фотоэлектрические системы, — сказал доктор Шуайфэн Ху (Shuaifeng Hu), научный сотрудник Оксфордского университета по физике. — Мы считаем, что со временем такой подход позволит фотоэлектрическим устройствам достичь гораздо большего КПД, превышающего 45 %».

Задолго до публикации работы об исследовании, команда учёных получила сертификат на свой фотоэлемент от Японского национального института передовых промышленных наук и технологий (AIST). Согласно документу AIST, созданный командой из Оксфорда тандемный фотоэлемент на основе перовскита обладает КПД свыше 27 %. Но эффективность — не главный конёк изобретения. Самое важное, что команда разработала технологию нанесения тончайших фотоэлементов едва ли ни на любую основу.

Более того, 14 лет назад из стен университета вышла компания Oxford PV, которая занимается коммерциализацией фотоэлектрических разработок учёных Оксфордского университета. Компания имеет производственное предприятие в пригороде Берлина. На этом заводе, если верить заявлениям учёных, уже стартовало производство опытных партий тонких и гибких тандемных перовскитных солнечных элементов с заявленными выше характеристиками.

Это только первый шаг к тому, чтобы уйти от тяжёлого и неудобного для повсеместного использования кремния в солнечной энергетике, верят исследователи, и обещают ещё многократно улучшить характеристики своей разработки.

Британская компания QuInAs сообщила о получении средств на подготовку к производству нового типа энергонезависимой памяти UltraRAM. Деньги в размере £1,1 млн ($1,42 млн) сроком на один год предоставил государственный инвестиционный фонд страны. Эти средства станут первым серьёзным вкладом в подготовку к производству новой памяти на пластинах большого диаметра. Британская компания станет на шаг ближе к революции в мире хранения и обработки данных.

Строение ячейки памяти UltraRAM. Источник изображения: QuInAs

Память UltraRAM ворвалась в сферу энергонезависимого хранения данных около пяти лет назад. Как и все другие типы инновационной «флеш-памяти» — ReRAM, SST-MRAM, 3D XPoint и прочих — она обещает скорость работы на уровне оперативной памяти DRAM и беспрецедентную устойчивость к перезаписи на фоне способности сотни лет хранить информацию в ячейках без подачи питания. Для Великобритании создание подобной памяти означает вхождение в клуб передовых разработчиков полупроводниковых решений, аналогов которым нет.

Основную научную работу по проектированию UltraRAM провели исследователи из британских университетов Ланкастера и Уорвика. Отцом памяти называют профессора физики Ланкастерского университета Мануса Хейна (Manus Hayne). Зимой 2023 года Хейн создал компанию QuInAs для коммерциализации UltraRAM. В названии компании отражены термины «квантовый» и «арсенид индия». Память UltraRAM работает на эффекте квантового туннелирования электронов через энергетический барьер в ячейку. Барьер создаётся чередованием тонкоплёночных слоёв антимонида галлия (GaSb) и антимонида алюминия (AlSb).

По словам разработчиков, UltraRAM при переключении на единицу площади будет потреблять в 100 раз меньше энергии, чем DRAM, в 1000 раз меньше, чем NAND-флеш и в 10 000 раз меньше, чем «другие типы инновационной памяти». При этом ячейка UltraRAM может быть перезаписана не менее 10 млн раз, а также сможет удерживать информацию 1000 лет.

Прототипы ячеек UltraRAM изобретатели создавали на университетском производстве. Оно ограничено пластинами диаметром 75 мм. Также университетский комплекс не располагает передовыми установками для наращивания слоёв (кристаллов) на пластинах. Поэтому технологию необходимо адаптировать для воспроизведения в заводских условиях. Для этого британский производитель полупроводников — компания IQE — получит большинство из выделяемых компании QuInAs на этот год средств. На эти деньги она сможет подготовиться к производству тонкоплёночных покрытий GaSb и AlSb на 150-мм пластинах.

Первоначально компания QuInAs будет создавать затравки для роста кристаллических слоёв на университетских мощностях. В дальнейшем IQE должна найти возможность выращивать слои на собственном оборудовании. Параллельно в QuInAs будет совершенствовать память UltraRAM и работать над её масштабированием в сторону уменьшения площади ячеек, а также трудиться над переносом производства памяти на 200-мм пластины. Со стороны объём работ представляется огромным и не одну пятилетку. Но путь UltraRAM начался всего лишь пять лет назад с рядовой научной статьи в Nature, а она уже шагнула в сферу производства.

Группа британских учёных обосновала возможность обнаружения частиц тёмной материи на Земле в лабораторных условиях. Для этого они рассмотрели модель квантового детектора и усилителя, охлаждённых жидким гелием-3. До сих пор частицы тёмной материи искали в диапазоне от 5 до 1000 масс атомов водорода. Британская установка поможет обнаружить кандидатов в тёмную материю в диапазоне от 0,01 до нескольких масс атома водорода.

Источник изображения: Lancaster University

Искать невидимую и не обнаруживаемую в электромагнитном спектре частицу тёмной материи можно по её взаимодействию с обычной материей. Но это будет крайне слабое взаимодействие, которое, как показывает моделирование, доступно для детектирования датчиками с квантовыми состояниями. Чрезвычайная чувствительность установки будет достигнута за счёт трёх факторов: охлаждения гелием-3 в сверхтекучем состоянии, самого датчика и квантового усилителя сигнала. Расчёты показывают, что установка сможет обнаружить частицы-кандидаты в тёмную материю вплоть до 0,01 масс атома водорода.

Более того, предложенная схема эксперимента может позволить найти ещё более лёгкого кандидата в частицы тёмной материи — аксион. Аксионы должны быть в миллиард раз легче атомов водорода и поэтому их поиск ведётся по иной программе. Предполагается, что в сильном электромагнитном поле аксионы распадаются на фотоны, которые можно детектировать привычными средствами и затем усиливать этот сигнал.

С учётом теоретической плотности расположения тёмной материи во Вселенной и вокруг нас, через наши тела ежесекундно пролетают триллионы частиц этой невидимой субстанции. Не нужно лететь в глубины Вселенной для поиска тёмной материи. Просто подождём, и она сама попадёт в сети учёных. С «сетями» пока проблема. Возможно, в этом поможет создаваемая в Великобритании установка с охлаждёнными квантовыми детекторами.

Исследователи из Калифорнийского университета в Санта-Круз разработали метод, позволяющий запускать большие языковые модели искусственного интеллекта (LLM) с миллиардами параметров при значительно меньшем потреблении энергии, чем у современных систем.

Источник изображения: Stefan Steinbauer/Unsplash

Новый метод позволил запустить LLV с миллиардами параметров при энергопотреблении системы всего в 13 Вт, что эквивалентно потреблению бытовой светодиодной лампы. Это достижение особенно впечатляет на фоне текущих показателей энергопотребления ИИ-ускорителей. Современные графические процессоры для центров обработки данных, такие как Nvidia H100 и H200, потребляют около 700 Вт, а грядущий Blackwell B200 вообще может использовать до 1200 Вт на один GPU. Таким образом, новый метод оказывается в 50 раз эффективнее популярных сегодня решений, пишет Tom's Hardware.

Ключом к успеху стало устранение матричного умножения (MatMul) из процессов обучения. Исследователи применили два метода. Первый — это перевод системы счисления в троичную, использующую значения -1, 0 и 1, что позволило заменить умножение на простое суммирование чисел. Второй метод основан на внедрении временных вычислений, при котором сеть получила эффективную «память», позволившую работать быстрее, но с меньшим количеством выполняемых операций. Работа проводилась на специализированной системе с FPGA, но исследователи подчёркивают, что большинство их методов повышения эффективности можно применить с помощью открытого программного обеспечения и настройки уже существующих на сегодня систем.

Исследование было вдохновлено работой Microsoft по использованию троичных чисел в нейронных сетях, а в качестве эталонной большой модели учёные использовали LLaMa от Meta✴. Рюдзи Чжу (Rui-Jie Zhu), один из аспирантов, работавших над проектом, объяснил суть достижения в замене дорогостоящих операций на более дешёвые. Хотя пока неясно, можно ли применить этот подход ко всем системам в области ИИ и языковых моделей в качестве универсального, потенциально он может радикально изменить ландшафт ИИ.

Немаловажно, что учёные открыли исходный код своей разработки, что позволит крупным игрокам рынка ИИ, таким как Meta✴, OpenAI, Google, Nvidia и другим беспрепятственно воспользоваться новым достижением для обработки рабочих нагрузок и создания более быстрых и энергоэффективных систем искусственного интеллекта. В конечном итоге это приведёт к тому, что ИИ сможет полнофункционально работать на персональных компьютерах и мобильных устройствах, и приблизится к уровню функциональности человеческого мозга.

Учёные представили новую технологию хранения энергии, которая использует недорогие материалы: воду, цемент и технический углерод. Дороги и фундаменты домов теперь смогут стать источником энергии в виде углеродно-цементных суперконденсаторов.

Источник изображения: Simone Hutsch/Unsplash

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Института биологической инженерии Висса Гарвардского университета разработали инновационный способ хранения энергии, используя воду, цемент и технический углерод (сажу), сообщает BBC. Как выяснилось, технология имеет потенциал для решения проблемы хранения возобновляемой энергии и снижения зависимости от природных ресурсов, таких как литий.

Дамиан Стефанюк (Damian Stefaniuk), один из ведущих исследователей проекта, описал момент, когда впервые загорелся светодиод, подключенный к бетонному суперконденсатору, как «чудесный день». Первоначально многие не верили, что это возможно, но последовательное соединение нескольких суперконденсаторов позволило получить напряжение 3 В, достаточное для питания светодиода. Далее исследователи увеличили напряжение до 12 В и даже смогли запитать портативную игровую консоль.

Источник изображения: Damian Stefaniuk

Суперконденсаторы обладают рядом преимуществ перед литийионными аккумуляторами, так как они заряжаются гораздо быстрее и не подвержены снижению ёмкости со временем. Однако, они также быстро разряжаются, что ограничивает их применение в устройствах, требующих стабильной зарядки в течение длительного времени, таких как смартфоны, ноутбуки или электромобили.

Тем не менее, исследователи видят большой потенциал в применении углеродно-цементных суперконденсаторов для хранения избыточной энергии, получаемых возобновляемыми источниками, главным образом на ветряных и солнечных электростанциях. Это позволит снизить нагрузку на электросеть в периоды, когда не дует ветер и не светит Солнце. Среди возможных вариантов применения указываются создание дорог, накапливающих солнечную энергию для беспроводной подзарядки электромобилей, и фундаментов домов, хранящих энергию для питания жилых помещений.

На данный момент, кубический метр бетонного суперконденсатора может хранить около 300 Вт·ч энергии, что достаточно для питания 10-ваттной светодиодной лампы в течение 30 часов. Исследователи планируют построить более объёмные версии оборудования, в том числе суперконденсатор до 45 кубических метров, способный хранить около 10 кВт·ч энергии, что достаточно для питания целого дома в течение дня.

Однако технология ещё не идеальна. Добавление большего количества технического углерода повышает ёмкость суперконденсатора, но одновременно снижает прочность бетона. Кроме того, производство цемента само по себе является источником до 8 % антропогенных выбросов CO₂ в мире. Тем не менее, исследователи работают над оптимизацией состава бетона и рассматривают возможность использования цемента с низким уровнем выбросов, производимого из побочных продуктов сталелитейной и химической промышленности.

Майкл Шорт (Michael Short), руководитель Центра устойчивой инженерии при Университете Тиссайд в Великобритании, считает это исследование многообещающей инновацией, открывающей множество интересных возможностей использования искусственной среды в качестве носителя энергии. Однако, он также отмечает, что часто новые открытия сталкиваются с проблемами при переходе от лабораторных условий к широкому развёртыванию. Дальнейшие исследования и разработки в этой области могут привести к созданию более эффективных и экологически чистых решений для хранения энергии.

Исследователи из Бристольского университета в Великобритании разработали самый маленький в мире квантовый детектор света на кремниевом чипе. Детектор тоньше человеческого волоса может помочь расширить масштабы реализации квантовых технологий вплоть до создания мощных вычислительных платформ.

Источник изображений: University of Bristol

В своём исследовании учёные решали три две связанные проблемы: уменьшение размеров детектора, снижение влияния квантового шума (квантовой неопределённости) и адаптация платформы к современному массовому производству чипов. Чем меньше датчик, тем он быстрее работает, но одновременно с этим растёт влияние электронного шума, которое снижает чувствительность. Также нужно думать о возможных техпроцессах выпуска датчиков, чтобы это было экономически выгодно и доступно.

Свою разработку британские учёные сравнивают с изобретением транзисторов в 50-е годы прошлого века, что стремительно ускорило развитие электроники и вычислительной техники. Миниатюрный по сравнению с электронными лампами полупроводниковый элемент привнёс революцию в отрасль и изменил в ней буквально всё. Новый детектор квантового света может оказать ту же услугу оптическим квантовым системам, считают разработчики.

Новый встроенный в кремниевый чип детектор квантового света имеет размеры 80 × 220 мкм (сам светочувствительный элемент ещё меньше). Он работает в 10 раз быстрее аналогов, утверждают учёные и имеет высокий порог чувствительности к квантовому шуму. Это важный момент не только для квантовых платформ, но также для других применений подобных детекторов. Например, они используются в гравитационно-волновых обсерваториях, где позволяют выявлять малейшие отклонения в фазе и амплитуде световых сигналов, что может повысить чувствительность систем, регистрировать больше событий, связанные с рождением гравитационных волн, и делать это точнее.

«Мы создали детектор на коммерчески доступном производстве чипов, чтобы сделать его применение более доступным. Хотя мы невероятно рады возможностям применения целого ряда квантовых технологий, крайне важно, чтобы мы, как сообщество, продолжали решать проблему масштабируемого производства квантовых технологий. Без демонстрации действительно масштабируемого производства квантового оборудования влияние и преимущества квантовой технологии будут отложены и ограничены», — сказал ведущий автор работы профессор Джонатан Мэтьюз (Jonathan Matthews).

Недавно в журнале Science вышла статья авторов из инженерной школы Маккелви при Вашингтонском университете в Сент-Луисе, посвящённая исследованию гетерогенных тонкоплёночных структур для конденсаторов. Работая с сегнетоэлектриками, учёные случайно создали конденсатор с плотностью энергии в 19 раз выше, чем у обычных элементов. Фактически они разработали аккумулятор с фантастической способностью быстрой зарядки, чего не хватает современным батареям.

Источник изображения: Sang-Hoon Bae

Не секрет, что конденсаторы являются важнейшими элементами подсистем питания и стабилизации схем. В современных смартфонах может быть до 500 конденсаторов, а в ноутбуках — до 800 и более (колебательные контуры мы условно вынесем за скобки в данной статье, речь только о питании). Во всех случаях конденсаторы выступают как элементы, способные быстро разряжаться и заряжаться, чего не скажешь об аккумуляторах. Зато аккумуляторы отличаются высочайшей плотностью хранения энергии. Учёные давно пытаются найти золотую середину — высокоплотный аккумулятор с возможностью быстро заряжаться и разряжаться, но при этом оставаться целым и способным на множество циклов заряда. Похоже, учёные из США приблизились к открытию такого аккумулятора.

В ходе эксперимента с гетероструктурами на основе титаната бария (BaTiO₃) — в некотором роде перовскита — была открыта «новая физика», как выразились учёные. В целом исследователи получили возможность управлять временем разряда (релаксации) сегнетоэлектрического конденсатора. Эта возможность случайно проявила себя при изучении комбинации двумерных и трёхмерных материалов в комбинации 2D/3D/2D2 или бутерброда Au/MoS₂/BaTiO₃/MoS₂/Au. Сердцевина из титаната бария, окружённая двумя атомарно тонкими слоями, создаёт слой толщиной всего 30 нм или 1/10 обычного вируса. Точно подобранные химические и нехимические связи, а также зазоры между слоями стали тем ключом, который позволил получить контроль над временем разряда конденсатора-аккумулятора.

Благодаря сохранению кристалличности 3D-сегнетоэлектрика и минимизации потерь энергии, учёные смогли достичь плотности хранения энергии в этой многослойной гетерогенной структуре на уровне 191,7 Дж/см³ при КПД более 90 %. Точный контроль времени разряда открывает перспективы для широкого спектра применений и потенциально может ускорить разработку высокоэффективных систем накопления энергии.

«Мы создали новую структуру, основанную на инновациях, которые мы уже внедрили в нашей лаборатории с использованием 2D-материалов, — сказал ведущий автор работы Санг-Хун Бей (Sang-Hoon Bae). — Изначально мы не были сосредоточены на накоплении энергии, но в ходе нашего исследования свойств материалов мы обнаружили новое физическое явление, которое, как мы поняли, может быть применено для накопления энергии, и которое было одновременно очень интересным и потенциально гораздо более полезным».

«Мы обнаружили, что время релаксации диэлектрика может регулироваться или индуцироваться очень небольшим зазором в структуре материала, — объяснил Бэй. — Это новое физическое явление — то, с чем мы раньше не сталкивались. Это позволяет нам манипулировать диэлектрическим материалом таким образом, чтобы он не поляризовался и не терял способность заряжаться».

Учёные не скрывают, что впереди будет долгая оптимизация материала, но даже на современном этапе разработка превышает достижения других лабораторий. Поэтому исследователи видят в новом «электронном материале», как они назвали своё решение, большие перспективы.

Методы супрамолекулярной химии позволяют создавать причудливые молекулярные связи из сложных молекул. Только настройка реакций для синтеза сложна и непредсказуема. Однако в случае удачи можно добиться невероятного результата, который, например, получила группа химиков из Великобритании и Китая, создавшая первую в своём роде молекулу для эффективного поглощения парниковых газов и не только.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Свою молекулу учёные из Университета Хериот-Ватт в Эдинбурге назвали «клеткой из клеток». Это своего рода каркас из каркаса, сборка которого происходит сама собой в ходе серии последовательных химических реакций. Сначала собираются молекулы, по виду напоминающие призмы, а затем эти «призмы» собираются в тетраэдры. Получается глубоко пористый материал, молекулы которого способны организовывать устойчивые связи с молекулами углекислого газа и, в принципе, с другими летучими органическими соединениями.

Например, новый материал показал способность абсорбировать «запах» синтетики от новых вещей, что предотвратит появление не всем приятных запахов от нового салона автомобиля или телевизора. Но больше всего учёных поразила способность синтезированной молекулы поглощать гексафторид серы (SF₆). Этого парникового газа сравнительно мало в атмосфере, но он способен накапливаться где угодно и сохраняться там свыше 3 тыс. лет. За 100 лет, например, парниковый эффект от SF₆ будет в 23 500 раз сильнее, чем от выбросов CO₂.

Источник изображения: Nature Synthesis

«Это захватывающее открытие, — поясняют учёные, — потому что нам нужны новые пористые материалы, которые помогут решить самые большие проблемы общества, такие как улавливание и хранение парниковых газов».

Синтезированная молекула, что важно, не боится влаги, что позволит новому материалу абсорбировать парниковые газы непосредственно из промышленных выбросов, часто представляющих собой водяной пар или стоки. Открытое вещество хорошо показало себя в лаборатории, но когда оно выйдет на простор коммерческого использования — это отдельный и не до конца понятный вопрос, а полный текст статьи в журнале Nature Synthesis можно найти по ссылке.

Тема разработки новых аккумуляторов воспринимается затёртой и служит лишним поводом для шуток, но это лишь по той причине, что аккумуляторы — одно из важнейших направлений научной мысли современности, что ведёт к массе открытий на далёкую и близкую перспективу. Новостей на этом направлении не просто много, а очень много. Но даже среди всего этого моря открытий новости из Южной Кореи обнадёживают — созданный там натриевый аккумулятор может стать прорывом.

Источник изображений: KAIST Nano Materials Simulation and Fabrication Lab

Исследователи с факультета материаловедения и инженерии Корейского института передовых технологий (KAIST) создали гибридное решение, положив в его основу аккумулятор на ионах натрия. Выбор натрия на далёкую перспективу очевиден — его много, и это недорогое сырьё. Корейцы не первые, кто разрабатывает натриево-ионные аккумуляторы. Но они пошли дальше и сделали попытку соединить в новых аккумуляторах лучшие технологии литиевых аккумуляторов и суперконденсаторов, слив воедино ёмкость, удельную мощность и скорость зарядки.

О новой работе учёные рассказали в журнале Energy Storage Materials. Название статьи говорит само за себя: «Проводящий анод с S-легированием из многовалентного сульфида железа с низкой кристалличностью и катод из 3D-пористого графитового углерода с высоким содержанием N [натрия] для высокопроизводительных натриево-ионных гибридных накопителей энергии».

Понятно, что нельзя просто взять и объединить в новом устройстве аноды от обычных аккумуляторов и катоды от суперконденсаторов. Необходимо изменить свойства как анодов, так и катодов. У первых хромает скорость заряда, а вторые не отличаются высокой ёмкостью. Поэтому учёные пошли по пути создания объёмных электродов на основе пористых 3D-материалов — так называемых металлорганических каркасов. Если есть каркас, то туда всегда можно поместить что-то нужное.

Таким образом исследователи создали анод, включив тонкодисперсные активные материалы в пористый углерод (МО-каркас). Полученный материал обладал высочайшей кинетикой, позволяя быструю зарядку, и приблизил его по этому параметру к суперконденсаторам. Похожим образом, но с использованием других материалов, был создан катод, отличающийся рекордной ёмкостью. Тем самым учёные как бы сократили дисбаланс в характеристиках между аккумуляторными анодами и катодами суперконденсаторов.

Созданный в лаборатории прототип гибридного натриево-ионного аккумулятора превзошёл по плотности энергии коммерческие литиево-ионные аккумуляторы (как показано на графике выше) и показал характеристики плотности мощности, свойственные суперконденсаторам. Ожидается, что он подойдет для быстрой зарядки в самых разных сферах — от электромобилей до интеллектуальных электронных устройств и аэрокосмической техники.

Учёные отметили, что гибридное натриево-ионное накопительное устройство энергии, способное к быстрой зарядке и достигающее плотности энергии 247 Вт·ч/кг и удельной мощности 34 748 Вт/кг, представляет собой прорыв в преодолении текущих ограничений систем накопления энергии, и это действительно впечатляет.

Инженеры Исследовательского центра телекоммуникаций (INRS) в Канаде разработали самую быструю в мире камеру, которая может снимать с поразительной скоростью 156,3 трлн кадров в секунду. Не ждите от неё видео лопающихся шариков и пробивающих яблоко пуль — для неё это всё очень медленно и скучно. Новая камера фиксирует, как импульс света вязнет в пространстве, что поможет в материаловедении, физике, биологии и в других науках.

Источник изображений: INRS

Центр INRS развивает собственную технологию высокоскоростной съёмки, основа для которой была создана десять лет назад. За это время специалисты последовательно подняли скорость со 100 млрд кадров в секунду (камера CUP) до 10 трлн (T-CUP) и 70 трлн (CUSP или compressed ultrafast spectral photography). Новая модификация платформы (камерой это трудно назвать) позволяет снимать процессы со скоростью 156,3 трлн кадров в секунду. Установка стала называться SCARF или «фемтофотография в реальном времени с кодированной диафрагмой».

Камера SCARF испускает «чирпированный» сверхкороткий импульс лазера, в котором частота изменяется в пределах импульса, который затем проходит через изображаемое событие или объект. По факту происходит следующее: аппарат фиксирует событие сначала на красных длинах волн, затем на оранжевых, желтых и далее по спектру до фиолетового. Поскольку событие происходит очень быстро, к тому времени, когда до него доходит каждый последующий «цвет», оно выглядит по-другому, что позволяет импульсу запечатлеть всё происходящее в целом за невероятно короткий промежуток времени — условно спектрально растянуть время, чем это позволил бы «монолитный» импульс.

После этого весь спектр пропускается через систему отражений, фокусировки, диафрагмирования и кодирования и лишь затем подают на сенсор в виде ПЗС-матрицы. Дальше всё просто — данные передаются в компьютер, и там изображение принимает свою форму, понятную для взгляда пользователя. В чистом виде съёмка с подобной скоростью работает в пределах событий, длящихся не более одной фемтосекунды. Если представить понятные для человека масштабы, то в одной секунде фемтосекунд столько же, сколько секунд проходит в течение 32 млн лет.

Ожидается, что новая камера позволит разглядеть такие явления, как ударные волны, проходящие сквозь материю или живые клетки. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Выше можно посмотреть видео работы одной из предыдущих версий установки для съёмки со скоростью 10 трлн кадров в секунду.

Группа британских учёных опубликовала в журнале Nature статью, в которой сообщила о создании наиболее точной модели чёрной дыры. Прямое наблюдение этих объектов в природе крайне затруднено, поскольку чёрные дыры блокируют электромагнитное излучение. Поэтому лабораторное моделирование — это один из путей изучить их свойства и сопоставить с теоретическими представлениями.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

В качестве основы лабораторной модели чёрной дыры учёные из Ноттингемского университета, Королевского колледжа Лондона и Университета Ньюкасла представили охлаждённый до сверхтекучего состоянии изотоп гелий-4. Вещество охладили до -271 °C и закрутили в воронку.

В одном из ранних исследований учёные обратили внимание на то, что воронка воды сильно напоминает гравитационные явления искажения пространства-времени вблизи чёрных дыр. Использование для моделирования жидкости в сверхтекучем состоянии с охлаждением едва ли не до абсолютного нуля привносит в процесс квантовые свойства, а это — путь к квантовой теории поля и сути квантового поведения чёрных дыр. По крайней мере, на уровне квантовой механики ряд процессов должны проходить одинаково и это можно соотнести с теорией.

«Использование сверхтекучего гелия позволило нам изучить крошечные поверхностные волны с большей детализацией и точностью, чем в наших предыдущих экспериментах в воде, — пояснил физик Патрик Шванчара (Patrik Švančara) из Ноттингемского университета, который руководил исследованием. — Поскольку вязкость сверхтекучего гелия чрезвычайно мала, мы смогли тщательно исследовать их взаимодействие со сверхтекучим торнадо и сравнить полученные результаты с нашими собственными теоретическими прогнозами».

Источник изображения: Leonardo Solidoro

Изучая «торнадо в стакане», исследователи смогли выявить сходство между вихревым потоком и влиянием вращающейся чёрной дыры на искривленное пространство-время вокруг нее. В частности, исследователи наблюдали стоячие волны, аналогичные связанным состояниям чёрной дыры, и возбуждения, аналогичные кольцевому замыканию новообразованной чёрной дыры. И это только начало. Теперь, когда исследователи продемонстрировали, что их эксперимент работает так, как они задумали, «вихрь» готов открыть новую область науки о чёрных дырах.

Британская компания First Light Fusion стала первым коммерческим клиентом, получившим допуск для экспериментов на установке Z Machine в Сандийских национальных лабораториях (SNL). Компания First Light Fusion разработала уникальный «ускоритель» давления для запуска термоядерных реакций и эксперименты на американской установке позволили испытать платформу на недостижимых ранее уровнях давления.

Источник изображения: Sandia

Принцип запуска термоядерной реакции на платформе First Light Fusion базируется на создании таких условий вокруг топливной мишени, при которых более лёгкие атомы преодолевают кулоновское отталкивание и сливаются с образованием более тяжёлых, отчего выделяется много энергии. В токамаках, например, для этого создаётся температура свыше 100 млн °C. Но можно пойти другим путём, и в частности обойтись без магнитного удержания. Для этого придумано инерционное удержание, когда вокруг топлива создаётся запредельное давление, к примеру, тем или иным ударным воздействием.

Установка Z Machine (Z-Pinch) в Сандийских лабораториях считается самой мощной импульсной электрической установкой такого типа в мире. В Европе тоже есть подобное устройство — Machine 3, но оно значительно слабее по характеристикам. Британцам нужно было выйти на более высокий уровень, чтобы подтвердить характеристики фирменного «ускорителя» давления. При пиковой мощности в 80 трлн ватт американская установка с помощью электромагнита запускает снаряды с более высокими скоростями, чем любая другая установка в мире.

Компания First Light Fusion получила или купила право на три выстрела. Всего Z Machine в Сандийских лабораториях делает около 200 выстрелов в год. Успешный первый эксперимент First Light установил новый рекорд давления для кварца на сандийской установке, повысив его с 1,5 терапаскаля (ТПа) до 1,85 ТПа, сохранив при этом образцы и обеспечив условия для проведения необходимых измерений. Испытания подтвердили верность используемых теоретических моделей и конструкции прототипа системы поджига.

Интересно, что около года назад компания First Light Fusion подписала с Управлением по атомной энергии Великобритании (UKAEA) соглашение о проектировании и строительстве объекта для размещения нового демонстратора Machine 4. Начало строительства было намечено на 2024 год на территории кампуса Кулхэм в Оксфордшире. Начало эксплуатации установки ожидается в 2027 году. Вряд ли получение допуска к экспериментам на Z Machine в США отменило предыдущий проект. Обуздание термоядерной энергии — это дело муторное и долгое. К этому принято двигаться, выверяя каждый свой шаг.

Добавим, установка Machine 4 компании First Light Fusion будет передавать топливной мишени энергию за счёт удара разогнанного до скорости 60 км/с кварцевого снаряда. При попадании в мишень уникальный «ускоритель скорости» компании разгонит продукты удара до 200 км/с и сфокусирует их на топливной мишени в виде обжимающих мишень сферических волн. Комбинация кинетического и лазерного удара обещает значительно снизить энергопотребление термоядерной установки. Впрочем, Machine 4 тоже станет проверкой концепции, от которой до настоящей термоядерной установки будет очень и очень далеко.