Новости мира

Конструкторы Казанского национального исследовательского технического университета имени А. Н. Туполева (бывший Казанский авиационный институт) провели успешные испытания диковинного аппарата — беспилотника, взлетающего и садящегося по-вертолетному, а летящего по-самолетному.

Идея самолета-вертолета давно занимала авиаконструкторов. Но вот создать такой аппарат оказалось чрезвычайно сложно. Единственная на сегодня схема, удовлетворяющая самолетно-вертолетным условиям, — конвертоплан. Это летательный аппарат, совмещающий вертикальные взлёт и посадку по вертолётному принципу с горизонтальным полетом на высоких, самолетных скоростях. «Гибридность» достигается при помощи изменения в полете положения гондол с турбовинтовыми двигателями — из вертикального в горизонтальное. Встречаются экспериментальные конструкции, у которых поворачивается всё крыло, а не только двигатели. В мире есть всего один серийный конвертоплан — американский транспортно-десантный V-22 Osprey, родившийся (авиастроительные монстры Bell и Boeing-Vertol создавали его аж 30 лет) в муках-катастрофах, и проблемы которого не решены до сих пор… Винтоплан был спроектирован и в СССР, но реализации проекта Ми-30 помешала перестройка.

У разработавшей конвертоплан конструкторской группы КНИТУ-КАИ уже есть солидный опыт создания беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) по заказу известной «беспилотной» фирмы ООО «Ижмаш» — Беспилотные системы». «Но в тех проектах наша задача заключалась исключительно в создании «аэродинамики», мы не затрагивали «мозги» летательных аппаратов, — объяснил научный руководитель работы, заведующий кафедрой конструкции и проектирования летательных аппаратов КНИТУ-КАИ Владимир Гайнутдинов. — Теперь же мы решили заняться и ими. «Мозги» — это математическое обеспечение БПЛА. Вот в России начнут собирать израильские беспилотники. Но мы будем делать лишь планеры! Израильтяне никогда не позволят нам заглянуть в «мозги» этих аппаратов, потому что в них — всё. И представьте: у вас в руках робот, запрограммированный не вами, и вы не знаете, в какой момент он будет работать на вас, а в какой — против».

Собственно, без этого сложного математического обеспечения конвертоплан и вовсе невозможен — процесс перехода из горизонтального полета в вертикальный требует высокой автоматизации управления. Именно на этом отрезке полета бились и продолжают биться немногочисленные конвертопланы.

До недавнего времени не было и беспилотных конвертопланов, лишь в прошлом году израильская фирма Israel Aerospace Industries продемонстрировала такой аппарат под названием Panther.

Зачем нужен такой БПЛА? Например, легкие беспилотники, выполнив полетное задание, опускаются на землю на парашюте: в полевых условиях невозможно посадить аппарат по-самолетному — разобьётся, да и слишком сложно. Радиус действия у таких аппаратов небольшой, а парашюты — яркие. Так что противник может легко определить, где находится тот, кто управляет этим БПЛА. И неизвестно еще, есть ли польза от такого аппарата в условиях боя: успеешь ли ты вообще воспользоваться данными, которые увидел с воздуха?

Конвертоплану не нужны громоздкие (в той или иной степени) стартовые устройства, вроде катапульты — он взлетает и садится в любом месте. Но тогда почему не сделать просто БПЛА вертолетного типа? «В режиме вертолетного полета вы тратите в четыре раза больше энергии, чем при полете самолетном, то есть сокращается время нахождения в воздухе, — объяснил Гайнутдинов. — Плюс самолет гораздо быстрее… Но, в то же время, есть потребность в определенные моменты зависнуть — произвести съемку, запустить ракету. Это и есть конвертоплан. Однако имеется и «но»: конвертоплан, хотя и лучше вертолета, но всегда будет хуже самолета».

Задача по созданию самолета-вертолета была поставлена перед КНИТУ-КАИ специалистами «Ижмаш» — Беспилотные системы». Сегодня запатентованы две конвертопланные схемы, уточняет «БИЗНЕС Online». На аппарате, построенном по одной из них, получены первые результаты, а 27 сентября 2014 года казанский конвертоплан впервые полетел на обоих режимах – висения и по-самолетному.

Пока это инициативная разработка, но намечается и контракт. Причем переход от прототипа к реальному беспилотному аппарату будет не очень сложным.

У GPS две ключевые проблемы: низкая точность, искусственно ограничиваемая для гражданских пользователей американскими военными, и слабость сигнала, сопровождающаяся его частой потерей в многоэтажных кварталах.

Исследователи из Мадридского университета имени Карлоса III (Испания) под руководством Давида Мартина (David Martín) создали гибрид из GPS-навигатора и простейшего, недорогого гиростабилизатора. В последнем на одной платформе собраны три акселерометра и три гироскопа, которые измеряют изменение скорости и повороты, выполняемые транспортным средством. Затем специальное приложение при помощи микрокомпьютера анализирует данные и корректирует ошибки GPS.

Прототип устройства уже можно устанавливать на транспортные средства. Что и делается: публикуемый снимок показывает дона Мартина и его «Умный автомобиль, основанный на визуальной информации» (Intelligent Vehicle based on Visual Information) — экспериментальную транспортную платформу, созданную в том же университете.

По сути, это одна из разновидностей автономного автомобиля на базе стандартного Nissan Note, для которой GPS особо высокой точности необходим как воздух. Кроме того, машина использует камеры, магнитометры и сигналы WiFi. «Мы как раз начинаем работать над интеграцией всех этих данных в мобильном телефоне», — комментирует развитие проекта Давид Мартин.

Решение может использоваться владельцами смартфонов не только в автономных автомобилях, уточняет Compulenta.ru, ссылаясь на журнал Sensors и материалы Мадридского университета имени Карлоса III. При этом уже сегодня система гарантирует точность, равную 1-2 метрам, то есть как у военной версии GPS, закрытой для публики.

Широкие возможности по автономному питанию перспективных мобильных устройств с малым энергопотреблением открывает высокоэффективный термоэлектрический генератор на основе органических материалов. Его представила на днях компания Fujifilm.

Безразмерный коэффициент производительности (ZT) нового термоэлектрического генератора составляет 0,27, но специалисты Fujifilm утверждают, что реальная производительность выше. На выставке, которая недавно прошла в Токио, прототип термоэлектрического преобразователя демонстрировал мощность в несколько милливатт. При этом новинка может генерировать электричество даже из разности температур в 1 градус Цельсия.

Fujifilm отмечает, что новый тип термоэлектрического генератора создан на основе разработок японского института AIST. Специалисты из этого учреждения в 2011 году разработали технологию печати термоэлектрических устройств на гибких подложках, таких как пластиковые пленки и бумага. При этом использовался композитный материал, состоящий из углерода, распыленного на полимерной матрице. Данный материал способен генерировать в 1,5 раза больше мощности, чем обычные печатные аналоги.  Так, в ходе экспериментов разница между температурой руки и температурой в помещении (36 и 25 градусов Цельсия соответственно) позволяла генерировать ток с напряжением 108,9 мВ.

В Fujifilm надеются, сообщает CNews.ru, что новая термоэлектрическая технология позволит питать различные датчики, размещенные на человеческом теле, включая медицинские сенсоры и сенсоры, контролирующие параметры окружающей среды. Кроме того, дешевые органические термоэлектрические модули можно применять для повышения эффективности солнечных панелей, автотранспорта, зарядки мобильных устройств и маломощной автоматики.

Совершенно неожиданные свойства выявила у некоторых сегнетоэлектрических материалов группа учёных под руководством профессора Мартина Лэйна (Martin Lane) из Иллинойсского университета в Урбане и Шампейне (США).

Сегнетоэлектриками, как известно, называют такие кристаллы, в которых при определённых температурах возникает спонтанная поляризация, причём без внешнего электрического поля. При температуре, соответствующей диэлектрической точке Кюри, их кристаллическая модификация меняется и спонтанная поляризация исчезает. В последнее время чрезвычайно высоко стали оценивать перспективы таких материалов для создания микросхем и памяти, способных работать в условиях высокой радиации, например, в космосе.

При поэтапно осуществляемом синтезе сегнетоэлектриков PbZr1-xTixO3 в виде тонких плёнок авторам удалось получить деформацию, достигающую примерно 4,5 × 105 м–1, и соответствующие исключительно необычные сегнетоэлектрические свойства.

Так, материал имел встроенное электрическое поле интенсивностью до 200 кВ/см. Чтобы достичь этого, учёные выращивали плёнки из цирконат-титаната свинца не на единой по химическому составу основе, а слегка варьируя содержание циркония и титана сверху вниз по всей толщине плёнки. При этом деформация и напряжённость электрического поля в сегнетоэлектриках смогли достичь необычайно высоких значений, сообщается в статье, опубликованной в журнале Advanced Material.

Что это даёт? Сегодня каждая ячейка сегнетоэлектрической памяти для реализации считывания из неё должна сменить полярность. По сути, это значит, что каждый бит при чтении с сегнетоэлектриков стирается и сравнивается с битом обращения. Естественно, это замедляет чтение с такой памяти и резко сокращает её ресурс (что-то вроде считывания с CD-RW, которое всякий раз требовало бы перезаписи диска). Если же сегнетоэлектрическую память делать на основе материала со столь огромным модулируемым встроенным электрическим полем, то изменения полярности для считывания не потребуются. Естественно, конечное устройство также может быть намного меньше и долговечнее.

Ученые из Университета Ньюкасла нашли экономичный способ преобразования углекислого газа в карбонат кальция. Сделать это открытие им подсказали морские ежи, которые используют частицы никеля для извлечения СО2 и наращивания экзоскелета.

Современные пилотные проекты по утилизации СО2 из атмосферы предлагают закачивать углекислый газ в подземные полости. Однако это сложный и дорогостоящий процесс, который к тому же связан с риском утечки газа на поверхность. Альтернативным решением является преобразование СО2 в карбонат кальция или магния. Проще всего это можно сделать с помощью фермента карбоангидразы, который, однако, неактивен в кислых условиях – то есть в условиях, свойственных среде, насыщенной углекислым газом. Из-за этого фермент действует только в течение очень короткого времени и делает процесс очень дорогим.

Исследуя морских ежей, в частности, процесс преобразования CO2 в карбонат кальция для экзоскелета, ученые обнаружили на поверхности личинок ежа высокую концентрацию никеля. В результате обнаружилось, что в присутствии никелевого катализатора CO2 легко и быстро преобразуется в безвредный твердый минерал ― карбонат кальция.

Одно из главных преимуществ нового катализатора заключается в том, что он работает в среде с любой кислотностью. При этом он магнитится, то есть его легко собрать и использовать повторно. Кроме того, никель в 1000 раз дешевле фермента карбоангидразы и не вредит окружающей среде.

Таким образом, сообщает CNews.ru, впервые появился реально доступный и эффективный способ утилизации парникового газа. Теперь CO2 можно захватить и превратить в твердый стабильный продукт до того, как газ попадет в атмосферу и повлияет на глобальный климат. Углекислый газ можно будет хранить в самой безопасной из всех возможных форм – в виде карбоната кальция – простого мела, который составляет около 4% земной коры и хранит 1,5 миллиона миллиардов тонн углекислого газа.

Европий-титановые оксиды способны иметь свойства магнитоэлектриков. Это экспериментально показали ученые Аргоннской национальной лаборатории (США) под общим руководством Филиппа Райана (Philip Ryan).

В центре кристаллической решётки такого материала находится атом титана, окружённый «клеткой» из атомов европия и кислорода. Если на кристалле из этого материала с плотной решёткой нарастить дополнительный слой EuTiO3, то возросшее давление на вещество в изолированной центральной части структуры позволит при приложении электрического тока стронуть с места атом титана, который в силу этого электрически поляризует всю систему. Одновременно такой сдвиг изменит магнитную упорядоченность материала.

Как отмечает в журнале Nature Communications Филипп Райан, европий и титан вместе влияют на ситуацию: положение атома титана контролирует электрическое поведение материала, а европий отвечает за его магнитные свойства. Новый подход к «скрещиванию» магнитных и электрических эффектов может иметь ключевое значение для создания магнитоэлектрической памяти, обладающей рядом потенциальных преимуществ перед существующими образцами памяти.

Во-первых, хотя память на электрических эффектах быстрее и энергоэффективнее, она менее надёжна, чем основанная на магнитных эффектах. Именно это противоречие заставляет ваш компьютер использовать оперативную память и, отдельно от неё, винчестер. Если бы такие свойства можно было варьировать в одном материале, память стала бы единой. А переброска массивов информации из информационных «закромов» была бы более скоротечной и не нагружала бы при этом шину.

Другой плюс магнитоэлектрических материалов — это возможность, используя взаимосвязь магнитных и электрических параметров каждой отдельной ячейки памяти, перейти от двоичного кодирования к принципиально иной системе, когда минимальной единице памяти соответствует не только «0» или «1», а куда большее количество значений.

Можно ли заменить активное кондиционирование и вентиляцию зданий на пассивные системы, не расходующие энергии? Этот вопрос задала архитектор и биолог Дорис Ким Сунг, работающая в Университете Южной Калифорнии (США), и сама же на него ответила.

Для этого она использовала биметаллические полосы (медь + сталь и другие варианты), часто применяемые в термомеханических датчиках. При нагреве они благодаря различным коэффициентам линейного расширения использующихся металлов сгибаются в одну сторону, а при охлаждении — в противоположную.

Предлагается использовать их следующим образом: во-первых, при создании простых автоматических внешних жалюзи для окон, которые не требуют ремонта и энергозатрат, а во-вторых, в качестве средства регулировки автоматической вентиляции, выпускающей горячей воздух из нагревающегося жарким днём помещения. Когда солнечные лучи нагреют такие биметаллические полосы, те начнут сгибаться внутрь и тем самым закроют элементы жалюзи, затеняя здание. Особенно эффективными такие меры должны быть для небоскребов из стекла и стали, отмечает разработчик.

Для регулирования вентиляционных отверстий и интенсификации воздухообмена предлагается обратный подход: внутри здания на входе в вентканалы устанавливаются такие же биметаллические пластины, открывающие отверстия подобно порам человеческой кожи, лишь при возникновении температурной необходимости. Пока здания не нагреваются (ночью или зимой), вентилирование осуществляет на минимально возможном уровне. При интенсивном нагреве воздухообмен усиливается и при жаркой погоде становится максимальным.

Разумеется, отмечается в материалах Humans Invent, полностью избавиться от систем кондиционирования не получится. Но потребность в них, а также энергетические затраты могут быть сокращены в несколько раз.

Если к 100-нанометровой плёнке мыльного пузыря приложить электрический ток, то жидкость внутри такой плёнки начнёт подниматься вверх. Такое удивительное явление обнаружила с коллегами из Лионского университета (Франция) Анна-Лаура Бьянка (Anne-Laure Biance).

Микрогидродинамика, изучающая поведение малых потоков и объёмов жидкости — обычно в пределах пиколитров (триллионной литра), стандартно имеет дело с каналами микронной толщины. Однако французские физики решили попытать счастья с наноканалами с мягкими стенками, где заметных успехов не было. Для этого они использовали сверхтонкие плёнки, с которыми мы чаще всего сталкиваемся на поверхности мыльных пузырей и которые по толщине обычно не выходят за пределы нанометров.

Для их генерации использовались две покрытые платиной пластинки, расстояние между которыми составляло 0,5 см. После добавления в воду поверхностно-активных веществ (ПАВ; именно они в составе мыла «отвечают» за появление пузырей) и хлорида калия, обеспечивающего свободные ионы, получившийся относительно устойчивый пузырь был заключён между пластинками.

Поскольку молекулы ПАВ были заряжены положительно, а ионы калия — отрицательно, два типа молекул притягивались между собой. Ну а электрическое поле тащило ионы на поверхности плёнки и жидкость внутри неё.

Авторы работы считают, что плёнка выказала электроосмотическое поведение, а «выдающаяся эффективность» явления была обусловлена очень большим соотношением поверхности каналов и объёма жидкости, характерным именно для наноканалов. Попутно обнаружилось, что воздействие тока на стенки каналов вызывало их утолщение и стабилизацию, чего обычно у мыльных пузырей не бывает.

Как отмечает г-жа Бьянка в статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters, это создаёт потенциальную возможность генерации стабильных наноканалов со стенками из мыльной плёнки — дешёвых и способных эффективно переносить жидкости.

Описание прототипа боевого пистолета, созданного при помощи 3D-принтера

Энтузиаст из Техаса Коди Уилсон смог спроектировать и напечатать на 3D-принтере работоспособный пистолет, стреляющий патронами 38 калибра. Для печати использовался серийный 3D-принтер Stratasys Dimension SST.

Создание боевого оружия или его отдельных компонентов уже давно является одной из самых обсуждаемых тем в сфере принтеров для объемной печати. Данные устройства, способные «печатать» объекты из металла и пластика, по информации энтузиастов вполне справляются с созданием огнестрельного оружия. Уилсону удалось распечатать работоспособный пистолет на серийном принтере Stratasys Dimension SST, который стоит порядка 8 тысяч долларов. Теоретически, по опубликованным в интернете чертежам это оружие сможет собрать любой пользователь, имеющий трехмерный принтер. Единственный компонент, который не был напечатан – боек, который был сделан из обычного гвоздя.

Создатель решил назвать свой пистолет Liberator (переводится как «Освободитель») в честь одноразового боевого оружия, которым воевали в годы Второй мировой войны бойцы французского сопротивления. При этом сам изобретатель отметил, что его изобретение может представлять определенную опасность для пользователя – некоторые прототипы Liberator разлетались на куски в процессе тестовой стрельбы. Впрочем, последняя версия оружия, по мнению создателя, способно выпустить до 11 боевых патронов. Все чертежи Уилсон опубликовал в Интернете, и скачать их может любой пользователь – для распечатки собственного экземпляра «Освободителя» достаточно иметь принтер объемной печати.

Новинка уже вызвала волну критики со стороны пользователей и политиков, которые опасаются, что данным оружием могут воспользоваться преступники или террористы. Ряд политиков призвали ввести полный запрет на использование принтеров для создания боевого оружия.

В настоящее время Уилсон продолжает работу над своим изобретением. Уже известно о намерении изобретателя адаптировать пистолет под стрельбу патронами 22 калибра.

Давно теоретически обсуждавшиеся «солнечные батареи высокой эффективности» могут быть созданы с помощью технологий, предложенных Брайаном Уиллисом (Brian Willis) из Коннектикутского университета (США). Он применил атомно-слоевое осаждение для создания массива выпрямляющих наноантенн, точнее — ректенн, предназначенных для преобразования солнечной энергии.

Как известно, КПД солнечных кремниевых батарей не может быть выше 33% даже теоретически. Наноантенны же, как считается, способны иметь эффективность в 70–80%, причём при меньшей стоимости. Вот только долгие годы все эти преимущества были лишь на словах.

Наноантенна — это коллектор электромагнитного излучения, предназначенный для поглощения энергии определённой длины волны, пропорциональной размеру наноантенны. Резонансная частота антенны (частота, на которой система обладает самой высокой эффективностью) растёт с её физическими размерами в соответствии с теорией антенн СВЧ. Поэтому, чтобы выпрямляющая антенна была эффективна, она должна иметь элементы размером порядка сотен нанометров. И тут начинаются сложности.

Нынешние экспериментальные наноантенны производятся по методу электронно-лучевой литографии, требующейся для создания туннельных диодов на основе переходов металл — диэлектрик — металл. Это медленный и дорогой процесс, при котором невозможна параллельная обработка. В исследовательских целях он ещё годится, поскольку обеспечивает необходимое чрезвычайно точное разрешение, жизненно важное для эффективности наноантенн. Однако даже с помощью такого дорогого метода добиться точности в 1-2 нм не удаётся, а без этого максимальной теоретической эффективности ректеннам не видать. А вот что делать в массовом производстве?

Брайан Уиллис предложил использовать (сразу же после нарезки электродов наноантенн электронно-лучевой пушкой) покрытие обоих электродов атомами меди именно при помощи атомно-слоевого осаждения (АСО). При этом точность начальной операции электронно-лучевой литографии может быть всего 10-20 нм. Потом АСО доведёт расстояние между электродами до необходимых 1,5 нм. При столь малом расстоянии возникает туннельный переход, позволяющий электронам проскочить между двумя электродами и быть использованными для генерации постоянного тока.

«У нас уже есть первая версия такого устройства, — говорит г-н Уиллис. — Сейчас мы изучаем возможность модифицирования ректенн для лучшей частотной подстройки».

Итак, сообщает Compulenta.ru, ссылаясь на материалы Коннектикутского университета, если нечто подобное удастся, солнечную энергетику может ждать резкий рывок: материалы, идущие на создание наноантенн, стоят всего $5–11 (последняя цифра — для золотых наноантенн) за квадратный метр, а в случае кремниевых фотоэлементов эта цифра приближается к $400, где не менее $200 приходится на кристаллический кремний.