Энергетика

НОЧНЫЕ БАБОЧКИ ПОМОГЛИ В СОЗДАНИИ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ

 

Голландские ученые разработали новый материал для создания солнечных батарей, в основу которого легло устройство глаз ночных бабочек. Описание разработки приведено в статье в журнале Advanced Materials.

В настоящее время у устройств, перерабаты­вающих энергию Солнца в электрическую энергию, есть очень существенный недостаток: большое количество энергии рассеивается в виде тепла. Низ­кий КПД подобных устройств делает использование солнечных батарей экономически невыгодным.

Авторы исследования решили разработать но­вую конструкцию батарей, позаимствовав принцип у ночных бабочек. Эти насекомые способны видеть в темноте. Глаза ночных бабочек максимально эффек­тивно поглощают попадающие на них лучи света за счет особого покрытия, состоящего из нанотрубок с зауженными концами.

По мере того, как свет проходит вдоль нанотрубок, его индекс рефракции возрастает. Другими словами, он сильнее преломляется. В результате большая часть попавшего в глаз света достигает нервных окончаний.

Владельцы бизнеса предпочитают исключительно VoIP телефоны, которые имеют больший запас батарее в сравнении с мобильными телефонами. А звонить в пределах Беларуси становится намного дешевле.

Группа Хаиме Гомеса Риваса создала материал, копирующий свойства глаза бабочки. Он представляет собой так называемый метаматериал, свойства кото­рого определяются не его составом, а структурой.

Гомес Ривас и его коллеги доказали, что улучшен­ное поглощение объясняется именно лучшими прово­дящими свойствами разработанного ими метаматериала. До выхода этой работы оставались сомнения, что КПД материала повышался за счет рассеивания и последующего поглощения света нановолокнами.

По мнению Гомеса Риваса, теоретически воз­можно добиться 99-процентного поглощения по­падающего на материал света.

 

Оптимальная защита изделия из железа

Как оптимально защитить изделие из железа, чтобы повысить его стой­кость против коррозии и износа, знают Л. Дьячкова, С. Пащук и Е. Сыроежко, создавшие свое изобре­тение «способ парооксидирования изделия из порошковых материалов на основе железа»,  на которое Национальный центр интеллектуальной собственности выдал Государственному научному учреждению «Институт порошковой металлургии» патент №10758 (МПК: B22F3/24, C23C8/10).

Для защиты поверхности железосодержащих изделий часто создают на их поверхности пленку из окисленного железа (Fe3O4) путем нагрева этих изделий в среде водяного пара при относительно небольших температурах. Но этот способ не обе­спечивает получения плотной пленки из Fe3O4 вследствие наличия в ней по ряду причин рыхлого оксида Fe2O3. Кроме этого, данный способ очень длителен. Скоростным же высокотемпературным способам оксидирования, требующим специального оборудо­вания, присущи иные недостатки — большой расход электроэнергии, недостаточно большая толщина защитной оксидной пленки.

Применяется также способ оксидирования, включающий предварительный нагрев изделия в среде «псевдоожиженного» воздухом инертного материала (корунда), последующий нагрев изделия в печи и окисление его поверхности водяным паром. Существенным недостатком способа является ис­пользование в качестве инертной среды корунда, который в процессе термической обработки нали­пает на поверхность изделия. Это приводит к тому, что образующаяся на поверхности изделия оксидная пленка слишком тонка, неоднородна, а само изделие вследствие этого обладает недостаточно высоким качеством, связанным с ухудшением трибомехани-ческих свойств и коррозионной стойкости.

Для устранения этих недостатков авторы пред­ложили свой оригинальный (со сбалансированными температурно-временными режимами нагрева из­делия) способ его оксидирования водяным паром.

«Изюминкой» изобретения является то, что в качестве среды для предварительного нагре­ва изделия выбрана калиевая (или натриевая) селитра.

И это неспроста. Ведь в технологии прессования и последующего спекания металлических порошко­вых изделий для соблюдения точности размеров их подвергают калибровке. При этом для снижения из­носа прессовой оснастки спеченные изделия перед калибровкой пропитывают маслом. Вследствие этого при нагреве изделия в процессе оксидирования масло, находящееся на его поверхности, сгорает, образуя слой сажи. Наличие сажи приводит к резко­му снижению качества защитного слоя. Вот здесь и нужна расплавленная селитра для проведения про­цесса предварительной обработки изделия — она полностью растворяет сажу.

 

Сверхпроводящий керамический ма­териал

 

Изобретен А. Акимовым, С. Лебедевым и Т. Ткаченко, а соответствующий Белорусский патент №10634 (МПК: C04B35/00) выдан Государственно­му научному учреждению «Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Нацио­нальной Академии наук Беларуси».

Известен керамический сверхпроводящий материал, содержащий атомы таллия, бария, каль­ция, меди и кислорода в структурной модификации Tl2Ba2CaCu2O8. Среди прочих, по мнению авторов, главным недостатком этого материала является то, что температура его сверхпроводящего пере­хода недостаточно высока. Существенно исправить ситуацию авторам удалось, заменив часть атомов кислорода атомами фтора, после чего материал стал иметь химическую формулу TlBa2CaCu2O8хF2х, где 0,05 < x < 0,10. В качестве исходных компонентов шихты для синтеза нового сверхпроводящего ма­териала были использованы порошки пероксида и дифторида бария, оксидов таллия, меди и кальция. Причем, содержание оксида таллия в шихте взято в избытке.

Предварительно спрессованные в определен­ном ингредиентном соотношении вышеуказанные порошки спекали. Фазовый состав продукта син­теза исследовали на дифрактометре. Температуру сверхпроводящего перехода полученных образцов определяли резистивным методом. Проведенные испытания показали, что новый керамический материал обладает существенно более высокой температурой перехода в сверхпроводящее со­стояние по сравнению с прототипом.

Повышение качества контроля толщины и твердости поверхностно-упрочненного слоя изделия

 Способ контроля толщины и твердости поверхностно-упрочненного слоя изделия из фер­ромагнитного материала изобретен в Государствен­ном научном учреждении «Институт прикладной физики Национальной академии наук Беларуси» (отечественный патент №10698, МПК: G 01N 27/72; 27/80; G 01B 7/02; G 01R 33/12; авторы: В. Матюк, М. Мельгуй, Д .Пинчуков).

Если в твердом веществе удается создать магнитоупорядоченное состояние, при котором магнитные моменты атомов одинаково ориенти­рованы, то такое вещество является ферромагне­тиком (к его типичным представителям относятся, например, железо, кобальт, никель и другие ме­таллы и их сплавы). Применение неразрушающего контроля свойств поверхности упрочненных изде­лий из применяемых в машиностроении ферромаг­нитных материалов сегодня, как никогда, является актуальным.

Основным недостатком известных спосо­бов неразрушающего контроля качества поверхностно-упрочненных слоев, по мнению авторов, является низкая достоверность контроля из-за невозможности одновременного определения толщины и поверхностной твердости этих слоев. Такие слои могут создаваться, например, методом закалки металлического изделия токами высокой частоты.

Авторы успешно решили задачу обеспе­чения одновременного измерения толщины и твердости поверхностно-упрочненного слоя, применив специально разработанные для этих це­лей «шестисерийные импульсные методы намагни­чивания контролируемого изделия с последующим измерением напряженности поля его остаточной намагниченности». Толщину упрочненного слоя и твердость его поверхности определяют по зара­нее установленным «уравнениям множественной корреляции». Для реализации способа создано соответствующее устройство, которое напоминает современные мобильные телефоны. Оно содержит блок управления, программируемый генератор им­пульсов тока, намагничивающий соленоид, внутри которого на его оси расположен «феррозондгра-диентометр», блок возбуждения «феррозондгради-ентометра», измерительный блок, вычислительный блок, индикатор.

В результате, как отмечают авторы, впервые обеспечена возможность полной оценки качестваповерхностно упрочненного слоя неразрушающим методом по толщине и поверхностной твердости упрочненного слоя. Запатентованный способ ис­пытан на штоках амортизаторов, поверхность которых закалена токами высокой частоты.

Пористые двухслойные покрытия

Способ получения двухслойного пористого порошкового материала изобретен А. Ильющенко, М. Андреевым, Р. Кусиным, И. Черняк, Д. Рыкуновым, В. Капцевичем и В. Корнеевой, а соответствующий Белорусский патент №10832 (МПК: B22F7/02; C22C1/08) выдан Государственному научному учреждению «Институт порошковой металлургии».

Изобретение может быть использовано в целях изготовления аэраторов, распределителей га­зовых потоков, фильтров для очистки жидкостей и газов, огнепреградителей и других проницае­мых изделий.

Основным «огрехом» известных способов яв­ляется недостаточно высокий коэффициент про­ницаемости получаемого пористого материала при заданном размере пор — либо вследствие высокого гидравлического сопротивления имеющегося в материале мелкодисперсного слоя, либо из-за технологически обусловленного «зарастания» пор, приводящего к уменьшению общей пористости.

Согласно новому способу, предварительной операцией получения двухслойного пористого порошкового материала является изготовление пористой подложки путем ее формования из ме­таллического порошка и его спекания. Далее на одну сторону подложки следует нанести тонкое проницаемое покрытие путем ионно-плазменного напыления. Но перед нанесением этого покрытия в поверхностные поры подложки вводят порошок поваренной соли, который после напыления по­крытия удаляют путем растворения в воде.

Для демонстрации эффективности изобрете­ния спеканием порошка оловянно-фосфористой бронзы были изготовлены фильтры в виде дисков разных размеров. С одной стороны предваритель­но полученной подложки ее поверхностные поры заполняли удаляемым агентом — порошком NaCl с определенным гранулометрическим составом. Да­лее плазменным напылением наносили второй слой. Размер пор материала этого слоя определяется уже не размерами частиц подложки, а размерами частиц порошка удаляемого агента, что обеспечи­вает требуемую разницу в размерах пор подложки и нанесенного второго слоя. Изготовленные таким способом изделия обладают в 1,65 раза большей проницаемостью при заданном размере пор.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

 «Способ получения модифицированного порошка методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза» — название изобретения авторов Т. Талако, А. Лецко, А. Витязя, А. Беляева и В. Забавского, на которое Государствен­ному научному учреждению «Институт порошковой металлургии» выдан соответствующий патент Ре­спублики Беларусь №10781 (МПК: B22F9/16).

Прошло уж 40 лет, как А. Мержановым и его сотрудниками было открыто явление «твердого пламени», а на его основе создан уникальный метод «самораспространяющегося высокотемпературно­го синтеза» (СВС) материалов. При однократном локальном его инициировании, процесс СВС про­текает с огромным выделением теплоты, которая разогревает вещество до высокой температуры. К сегодняшнему дню уже создано множество на­правлений использования СВС, среди которых -получение СВС-порошков (это и есть тематика изобретения белорусских авторов), спекание изделий из экзотермических реагентов, силовое СВС-компактирование, центробежное СВС-литье и другие.

Цель, которую преследовали изобретатели, состояла в разработке способа модифицирова­ния структуры и свойств свс-порошков, а также в повышении их дисперсности, что, в конечном счете, должно было привести к повышению их качества. Для этого после смешивания компо­нентов реакционной шихты (как вариант: никель + алюминий + поджигающий состав) с нанодобавкой — ультрадисперсным порошком алмаза или двуоки­си кремния — проводили воспламенение полученной смеси и СВС-синтез. Особенность запатентованного способа состоит в том, что перед воспламенением реакционной шихты для предотвращения агрегации нанодобавки и равномерности ее распределения в шихте ее подвергали ультразвуковой обработке. СВС-продукт представляет собой спек, который при незначительной механической нагрузке превраща­ется в порошок. В данном варианте средний размер частиц полученного СВС-порошка составил 55 мкм и это самый большой размер, средний размер зерна — 0,5 мкм, средняя микро­твердость — 363 HV50 (для сравнения: у прототипа без добавки УДА эти показатели составляют, соотвественно, 150 мкм, 3 мкм и 332 HV50). Как видим, присутствие нанодобавки значительно увеличивает дисперсность и микротвердость синтезируемых СВС-порошков. Дополнительное модифицирование их структуры достигается также путем обработки реакционной шихты в «энергонапряженных мельни­цах», а также посредством использования в качестве компонентов шихты порошков сплавов.

 

Экономия дорогостоящих материалов

 Способ получения распыляемой мишени для осаждения тонких пленок изобретен в Государствен­ном научном учреждении «Институт порошковой ме­таллургии» (патент Республики Беларусь №10821, МПК: H01L21/00; B22F3/08; авторы: С. Барай, А. Гулай, А. Ильющенко, А. Шевченок). Изобретение может быть использовано в технологиях получения материалов для изготовления микроэлектронных   приборов и микроэлектромеханических систем, в частности в технологии формирования распыляе­мых мишеней для осаждения тонких пленок.

Известен способ получения распыляемых ми­шеней путем формирования их вакуумным литьем. Недостатком данного способа является то, что со­став мишени (чистые металлы) не соответствует составу получаемой пленки (окислы металлов), и для формирования в пленках необходимой оксид­ной фазы требуется проведение дополнительных технологических операций.

Известен также способ получения распыляемых мишеней, в соответствии с которым осуществляют горячее прессование мишени из окислов индия и олова. Однако метод горячего прессования, по мнению авторов, является энергоемким, дорого­стоящим процессом, требует уникального оборудо­вания и специальной дефицитной и дорогостоящей оснастки.

Есть и другие недостатки у известных техни­ческих решений. Например, то, что, что они не содержит специальных технологических операций по переработке материала отработанных мишеней и использованию его для формирования новых образцов, пригодных к применению в технологии осаждения тонких пленок, что в свою очередь позволяет осуществлять печать листовок намного эффективней и быстрей. Более того, формируемые образцы имеют ненужную высокую пористость, что обусловлено относительно большими значениями размеров кристаллитов и пор в объеме спрессован­ного материала. В указанных режимах невозможно достижение достаточно высокой механической прочности формируемых образцов, особенно ми­шеней большого диаметра, для применения в со­временном автоматизированном оборудовании для получения тонких пленок.

Авторы своим изобретением устранили эти недостатки. запатентованный способ содержит последовательность технологических операций, по­зволяющих перерабатывать материал отработанных мишеней и повторно использовать полученную ших­ту для формирования качественных образцов, при­годных к применению в технологии микроэлектро­ники. Оригинальным авторским решением является также активирование шихты путем ее обработки в ультразвуковой ванне, а также применение импульс­ного прессования мишени взрывом с подобранным интервалом скоростей детонации. Достоинство разработанного способа формирования мишеней заключается в том, что он включает в себя такую совокупность технологических операций, которая позволяет получать распыляемые мишени, на 50-90 % (по массе) состоящие из порошка уже отрабо­танных изделий. Это приводит к значительной экономии дорогостоящих материалов и, соот­ветственно, к снижению затрат на производство микроэлектронных приборов, содержащих тон­кие пленки In2O3—SnO2. Использование мишеней, формируемых в соответствии с разработанной по­следовательностью операций, позволяет получать высококачественные тонкие пленки.

 

Ветровая гидростанция

Необычная электростанция преобразует энергию ветра в электричество, разлагает им воду на водород и кислород, а уже с их помощью заставляет превращаться в электричество и энергию падающей воды.

Сегодня только ленивый и нелюбопытный не предлагает использовать альтернативные источники энергии вместо иссякающих и дорожающих угля и нефти. Но пока солнечная, ветровая, приливная и другие альтернативы не в силах конкури ровать с традиционными источниками энергии, а ГЭС по­рой влияют на окружающую среду не лучше, чем ТЭС. Кроме того, обычные электростанции чаще всего предназначенные для выработки большого количества энергии, подсоединяются к мощным энергосистемам: они не для малых, автономных потребителей.

Заслуженный изобретатель и энергетик РСФСРЮ. Новожилов из Рязани предлагает необычную установку, вырабатывающую электричество с помо­щью ветра. «Ну и что в ней необычного? — спросите вы. — Да всевозможные ветроэлектростанции (ВЭС) строят уже давным-давно». Не торопитесь.

При использовании энергии ветра электриче­ство вырабатывается только тогда, когда он есть. При этом ВЭС может генерировать электроэнергию, когда в ней нет необходимости, и наоборот, когда требуется — не действует. Стало быть, надо это электричество сохранять. Можно, конечно, с помо­щью обычных аккумуляторов, правда пока еще не слишком емких и эффективных. А можно, как пред­лагает Юрий Николаевич, разлагая с помощью электролиза воду или другой электролит на водород и кислород. Водо род можно накапливать в баллонах, ресиверах, газгольдерах и использовать затем в качестве топлива для автомобилей, кот лов, газовых турбин и других целей. Не мало промышлен­ных и медицинских применений имеет и кислород.

И опять же скептик воскликнет: «Тоже мне но­винка — разложение воды на водород и кислород с помощью электричества!» Повторяю: неторопитесь.

Новожилов предлагает не просто ВЭС, но с по мощью полученных при электролизе газов работающую еще и как гидростанция.

Ветряк, соединенный с генератором посто­янного тока, в ветреную погоду вырабатывает ток, поступающий в электролизер к электродам. Эти электроды расположены в нижних частях специальных ячеек, выполненных в виде тру­бок из непроводящих ток материалов, например из пластика. Электро лит — вода с добавками, увеличивающими ее проводимость. Ток разлагает его на водород и кислород. Пузырьки первого от­рываются от катода  и насыщают находящийся в ней электролит, превращая его в газожидкостную эмульсию. Поскольку удельный вес ее гораздо ниже, чем у ненасыщенного электролита, воз­никает эрлифт: пузырьки водорода увлекают жид­кость за собой вверх по трубке до гидрозатвора. Здесь газ и жидкость разделяются, водород уходит по трубопроводу к потребителю или в соответствующие накопительные емкости, а электролит попадает в воронку, из которой — на турбину, имеющую свой электрогенератор. То же происходит и на аноде, только там эрлифт образуется с помощью выделяющихся здесь пузырьков кислорода, который гонит жид кость к гидрозатвору и из него — на ту же турбину, а сам отводится по трубопроводу. Турбина вырабатывает дополнительную электроэнергию, которую можно также аккумулировать или пустить в дело. Добавим, что в гидрозатворах установлены специальные устройства, отделяющие газы от жидкости и направляю­щие его обратно в электролитические ячейки.

 

Чем вспучить бетон?

Авторы А. Волочко, С. Астапчик, И. Белов и Н. Богданова изобрели «алюминиевый газообра-зователь» (патент Республики Беларусь №10854, МПК: C04B22/00;38/02; патентообладатель: Государ­ственное научное учреждение «Физико-технический институт Национальной Академии наук Беларуси»).

Изобретение может быть использовано для получения газообразователей, необходимых в производстве пористого бетона и «поризации» иных неорганических соединений, а также в качестве водного алюминиевого пигмента для лакокрасочной промышленности.

Недостатком одного из известных пастообраз­ных газообразователей является то, что приго­товленные с их помощью пористые бетоны имеют большую «паразитную» объемную массу, и, взаимо­действуя с водой, долго не хранится. Недостатком другого газообразователя, среди прочих, по мнению авторов, является его плохая смачиваемость, не­однородная структура производимого пористого бетона и его низкое качество.

Повышение качества и снижение себестои­мости газообразователя — задача, которую по­ставили перед собой белорусские изобретатели. Поставленная задача решена ими за счет того, что газообразователь содержит в своем составе алю­миниевый порошок, продукты нефтепереработки и поверхностно-активное вещество. При этом в качестве продукта нефтепереработки используют уайт-спирит, бензин, лигроин, керосин или со­лярку. Оригинальной авторской находкой является то, что дополнительно в состав газообразователя входит бутиловый или изопропиловый спирт, этиленгликоль, диэтиленгликоль или пропиленгликоль, стеариновая (и/или олеиновая кислота), карбамид, борная кислота, тринатрийфосфат, триполифосфат натрия (или триполифосфат калия) и этилсиликат (или тетраэтилсиликат) при оптимальным соотно­шении ингредиентов.

 

Коническая форма лазерного пучка правит бал

Полезную модель «Устройство формирования конического лазерного пучка» (патент Республики Беларусь №4439, МПК: G02F1/00; патентооблада­тель: Институт физики имени Б.И.Степанова НАН Бе­ларуси) создали Н.Хило, Ю.Чивель и В.Юшкевич.

Цилиндрическую форму «периферической по­верхности» лазерного светового пучка можно пре­образовать в коническую и управлять степенью этой «коничности» с помощью специальных оптических устройств. И если у сформированного конического лазерного пучка распределение световой интенсив­ности в его поперечном сечении по всему пути его распространения будет максимально однородной (описываясь при этом математической функцией Гаусса), то такие лазерные пучки (носящие название «Гуссовы пучки») можно использовать на практике для различных целей, например для управления движением и манипуляции микрочастицами. В настоящее время на основе такого физического эффекта создаются так называемые «лазерные пинцеты». Они дают возможность управления объек­тами мезоскопических (промежуточных) размеров, что представляет огромный интерес для биологии и медицины, так как стало реальным локальное воздействие на различные внутри— и межклеточ­ные процессы, ответственные за жизненно важные функции. Применение в биологических исследова­ниях «лазерных пинцетов» также внесло ясность во многие проблемы молекулярного внутриклеточного транспорта. Кроме этого, «лазерные пинцеты» по­зволяют измерять силы взаимодействия макромо­лекул, организовывать разрозненные микрообъекты в макроструктуры.

Среди недостатков известных устройств для формирования конических лазерных пучков глав­ными являются их большие продольные габариты и неравномерность распределения интенсивности лазерного излучения вдоль оси конического пучка при гауссовом распределении интенсивности из­лучения в его поперечном сечении пучка.

Авторы своей полезной моделью успешно устранили эти недостатки, расширив таким образом область применения запатентованного ими устрой­ства, содержащего в качестве главного элемента лазер, «оптически связанный с аксиконом и пово­ротными оптическими элементами».

Электрореология «в деле»

 

Управлять вязкостью смазочного материала для повышения износостойкости трущихся в экс­тремальных условиях поверхностей деталей меха­низмов призвано изобретение авторов Е. Коробко, В. Басинюк, М. Сушко, Е. Мардосевич и А.Коробко «способ смазки трущихся поверхностей», на которое Государственному научному учреждении «Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси» выдан от­ечественный патент №10651 (МПК: F16N15/00).

Решению этих архисложных и архиважных задач сегодня уделяется большое внима­ние ученых и инженеров во всем мире. ведь новое поколение техники становится все более нагруженным, все более скоростным. Поставленная перед белорусскими учеными задача также не отличалась особой простотой. Однако, им пригодились знания и опыт в области электрореологии. Если жидкость «наполнить» диэлектрическими микрочастицами с нужными свойствами, то вязкостью полученной суспен­зии можно управлять посредством электрически

полей. Что и было реализовано нашими изобре­тателями на примере смазочного материала на основе минерального масла. Диэлектрическими микрочастицами-наполнителями явились микро­частицы двуокиси кремния (SiO2).

Однако важно не только правильно подобрать размеры микрочастиц SiO2 и их весовое содержа-ние в минеральном масле, но и учитывать исходную вязкость полученной смазывающей суспензии, па­раметры шероховатости трущихся поверхностей, их радиус кривизны, относительную линейную ско­рость, температуру масла в месте фрикционного контакта, давление и ряд других параметров. Все эти параметры авторы «увязали» между собой строгими математическими формулами.

Управляющее вязкостью смазки электриче­ское поле, локализованное в месте фрикционного контакта, создавалось соединением трущихся по­верхностей с разноименными полюсами источника питания с регулируемым выходным напряжением. Для исключения короткого замыкания, по задумке авторов, на эти поверхности наносят полимерные покрытия или покрытия типа окисной алюминиевой пленки