Facebook просчитал пути миграции жителей Земли

Великое переселение народов: Facebook просчитал пути миграции жителей Земли

Олег Парамонов

Специалисты Facebook по анализу данных опубликовали интересное исследование. Пользуясь беспрецедентным объёмом информации, которым обладает крупнейшая социальная сеть, они составили карту путей миграции жителей Земли.

Мы не раз писали о похожих, но более локальных исследованиях. Эпидемиологи изучали пути миграции жителей Кении, вычисленные на основании данных местного мобильного оператора, чтобы определить центры распространения малярии. В IBM воспользовались тем же методом для того, чтобы просчитать оптимальные маршруты движения общественного транспорта в столице Кот-д'Ивуара.

Однако данные, с которыми имели дело и те, и другие, не позволяют делать глобальных выводов. Тут положение Facebook уникально. Эта социальная сеть насчитывает 1,2 миллиарда активных пользователей. К концу 2013 года она захватила почти весь мир. Страны, где она пока уступает своим конкурентам, можно пересчитать по пальцам (эта карта — наглядное доказательство).

В дата-центрах Facebook хранится информация о каждом седьмом жителе Земли (на фото — дата-центр Facebook в штате Орегон, источник: GigaOm).

Изучению подверглась анонимизированная информация о всех пользователях Facebook, которые, согласно их профилю, живут не там, где они родились. Разумеется, далеко не все пользователи, переселившиеся на новое место, указывают это в социальной сети. Кроме того, некоторые из них сообщают заведомо неверную информацию. Всё это не играет роли: масштабы Facebook таковы, что ни тот, ни другой фактор не оказывает существенного влияния на достоверность результатов.

Объектом внимания исследователей была так называемая «координированная миграция». Этим термином они обозначили самый крупный поток переселенцев, связывающий два населённых пункта. Жители одного города могут перебираться в десяток других мест, но целью координированной миграции будет считаться лишь одно из них — то, куда направляется больше всего людей. В то же время некоторые города не являются источником координированной миграции. Так происходит, когда их уроженцы чаще остаются жить там, где родились, чем уезжают в какое-то определённое место.

В блоге Facebook об анализе данных эта логика разъясняется подробнее:

Предположим, миллион человек указали в Facebook, что они выросли в Бостоне. Из этого миллиона лишь 300 тысяч отметили, что Бостон остаётся местом, где они живут, но при этом ни в одном другом месте нет большего числа людей, утверждающих, что приехали из Бостона. Из определения координированной миграции, которое дано выше, следует, что Бостон — это наиболее вероятное место проживания для людей, выросли в этом городе. Вероятность того, что человек, который там вырос, так и остался в Бостоне, составляет 30 процентов. Это обычное дело. То же самое можно сказать о многих других городах — люди остаются жить там, где выросли. Наше исследование фокусируется на городах, уроженцы которого, вероятнее всего, живут в другом месте.

Данные Facebook свидетельствуют о том, что наиболее мощная миграция наблюдается в развивающихся странах, где пока не закончился процесс урбанизации. Зарождающиеся мегаполисы притягивают потоки мигрантов из окрестных регионов, остающих по своему экономическому развитию.

Пути переселения немедленно выдают устройство страны. Например, страны Западной Африки, как правило, имеют единственный центр притяжения — столицу, куда едут все и отовсюду. Таким центром, к примеру, является Лагос — главный город Нигерии. По данным Facebook, 67% уроженцев нигерийского городка Бадагри, зарегистрированных в Facebook, в настоящее время обитают именно в Лагосе.

Западная Африка

Другие страны не до такой степени централизованы. В государствах Юго-Восточной Азии мигрантов делят между собой многочисленные локальные центры. В Индии эта тенденция выражена ещё более ярко.

Азия

Турецкий Стамбул, по данным Facebook, находится на втором месте по числу потоков координированной миграции. Туда едут не только со всей Турции, но и из стран Восточной Европы, таких как Болгария и Босния.

Потоки координированной миграции, ведущие в Стамбул.

Мегаполисы Западной Европы и Северной Америки редко становятся целью координированной миграции. Это не значит, что там мало приезжих. Совсем наоборот — их много, но их происхождение настолько разнообразно, что они не складываются в единый поток, связывающий два населённых пункта.

Впрочем, в Facebook всё же отметили потоки координированной миграции, тянущиеся с Кубы к американскому штату Майами и из Мексики к городам Чикаго, Хьюстон, Даллас и Лос Анджелес. Кроме того, впечатляющий уровень координированной миграции наблюдается в Лондоне.

Города, привлекшие наибольшее число потоков координированной миграции.

Россия входит в число стран, где позиции Facebook пока оставляют желать лучшего. Для того, чтобы просчитать наши потоки координированной миграции, лучше подошли бы данные «Вконтакте». Российских пользователей Facebook слишком мало, чтобы делать на основании их профилей какие-то выводы.

В итоге специалисты Facebook заключают, что им удалось подтвердить: да, информация, накопленная социальной сетью, подходит для изучения перемещений миграции людей. Более того, используя её, можно сочетать анализ как внутренней, так и международной миграции. Такого результата трудно достичь при помощи традиционных исследований, как правило ограниченных пределами одной страны.

Первый панорамный снимок от китайского лунохода

Первый панорамный снимок от китайского лунохода

Первый китайский луноход сделал представил вниманию публики панорамный снимок, на котором показано место его высадки – Море дождей (Mare Imbrium).

Он составлен из отдельных снимков, которые были сделаны тремя камерами, расположенными на посадочном модуле.

“Это изображение составлено из 60 снимков. Камеры снимали под тремя углами: вертикально, с наклоном 15 градусов вверх и 15 градусов вниз… так, что мы смогли увидеть еще больше”, - прокомментировал изображение Лью Энхай (Liu Enhai), главный конструктор системы зонда Chang’E-3 Probe System.

На панорамном снимке показан Yutu(Юту, Нефритовый Кролик) и следы его колес, которые оставили дорожку глубиной как минимум несколько сантиметров в рыхлом лунном реголите на месте высадки ровера – Море Дождей (Mare Imbrium), расположенном неподалеку от Залива Радуги (Sinus Iridium).


Слева от Yutu, на расстоянии всего около 10 метров от посадочного модуля Chang’e-3 можно
увидеть довольно большой кратер, диаметр которого несколько метров.


На поверхности вокруг посадочного модуля видны и другие кратеры.
Изначально руководители миссии оборудовали посадочный модуль радаром,
который исследует поверхность, и программным обеспечением, которое помогает
выбрать безопасное место для посадки, без кратеров и больших валунов.
Перед высадкой посадочный модуль завис на высоте около 100 метров
на 20 секунд, для того, чтобы исследовать поверхность и избежать «опасных мест».

Мозг обрабатывает зрительную информацию параллельными потоками

Мозг обрабатывает зрительную информацию параллельными потоками

Разные аспекты зрительных данных вроде формы и цвета эксплуатируются в нашем мозге отдельно друг от друга, проходя через иерархическую цепочку относительно специализированных нейронных структур.

Зрение даёт мозгу огромный массив данных, среди которых можно выделить те, что относятся к цвету, к форме или, например, к чертам лица, — если мы смотрим на другого человека. Если мы начнём описывать, что видим, то такие признаки, конечно, разделим. А вот разделяет ли их мозг? В смысле — выделены ли у него под разные характеристики объектов разные нейронные области?..

Форму и цвет объекта наш мозг обрабатывает разными линиями нейронных «департаментов». (Фото the food passionates / Corbis.)

Понятно, что такие признаки можно разделить на уровни, но, скажем, черты лица — это понятие не того же порядка, что геометрическая форма или цвет. (Заметим, что под распознавание лиц в нашем мозге выделена специальная структура.) И как тогда их воспринимает мозг: что-то раньше, что-то позже? И не делятся ли более низкоуровневые признаки тоже на какие-то «подпризнаки»? Психологи, например, утверждают, что цвет воспринимается нами независимо от формы.


Роза Лафер-Соуза (Rosa Lafer-Sousa) и Бевил Конвей (Bevil Conway) из Уэллслийского колледжа (США) попробовали проверить, соответствует ли эта психологическая особенность нейроанатомическому устройству мозга, а заодно выяснить, как разные визуальные признаки сочетаются в одной мозговой «видеокарте».

Исследователи показывали макакам разные объекты, одновременно наблюдая с помощью фМРТ за активностью мозга животных. Прежде всего учёных интересовала нижняя височная кора, которая, как считается, и позволяет нам воспринимать окружающие предметы как предметы, то есть в качестве набора определённых визуальных характеристик. По одной популярной теории, разные отделы этой коры организованы как иерархические, каждый следующий из которых обрабатывает информацию более высокого уровня.

Авторам работы удалось установить, что разные визуальные признаки действительно распределены по разным отделам нижней височной коры, хотя эти отделы формы, цвета и лица в известной степени перекрываются. Более того, оказалось, что реакция на цвет или на другое лицо имеет несколько стадий, то есть в обработке отдельного признака можно вычленить несколько фаз.

В целом, как пишут учёные в Nature Neuroscience, «вычисление» изображения в мозге происходит по параллельным восходящим потокам данных, которые переходят из одного нейронного участка в другой и параллельность которых соответствует разным признакам. О том, какие разные уровни могут быть у обработки одного и того же признака, исследователи пока не знают. В случае цвета тут можно предположить, что сначала мозг в общем определяется с оттенком, а потом подключает память, которая уже конкретизирует этот оттенок — например, «зелёный, как лайм», или «зелёный, как трава», или «зелёный, как хвоя» и т. д. Но это, повторим, требует дальнейших психологических и нейробиологических исследований, не говоря уже о том, что такой же опыт хорошо бы повторить с человеческим мозгом.

Впрочем, надо думать, что параллельно-иерархический способ обработки зрительной информации свойствен не только резусам, но всем приматам и что многие вопросы, касающиеся человеческой психологии восприятия, вполне можно изучать в эволюционном аспекте, с участием наших «младших кузенов».
Кирилл Стасевич
Подготовлено по материалам Medical Xpress.
Перекликается с недавним открытием в Рурском университете - http://donmigel-62.livejournal.com/111523.html

«Встряхнуть» конденсат Бозе-Эйнштейна

Физики «встряхнули» конденсат Бозе-Эйнштейна

Физики изучили воздействие периодической внешней силы на конденсат Бозе-Эйнштейна. Такое воздействие, по их словам, можно представлять как обычную физическую встряску конденсата. Статья ученых появилась в журнале Physicale Review Letters, а ее краткое изложение приводится на сайте Американского физического общества.

Распад одного конденсата на множество конденсатов. Компьютерное моделирование Иллюстрация D.Vorberg et al.

Конденсат Бозе-Эйнштейна представляет собой систему, состоящую из бозонов, охлажденных до близкой к абсолютному нулю температуры. При таком охлаждении подавляющее большинство частиц оказывается в состоянии с минимальной энергией.

Как следствие, квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. За получение этого конденсата в лаборатории в 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман были удостоены Нобелевской премии по физике 2001 года.

Как показали ученые в новой работе, воздействие периодической внешней силы приводит к «расщеплению» минимальных уровней. Конденсат разбивается на области, в которых частицы находятся на одном и том же новом уровне. Ученые говорят, что каждая из этих областей ведет себя как конденсат Бозе-Эйнштейна.

Свои выводы ученые подкрепили компьютерным моделированием. В частности, им удалось продемонстрировать динамику поведения такого конденсата – в нем частицы постоянно перетекают из области в область. Исследователи обнаружили также, что количество новых конденсатов всегда нечетно. Если количество областей четно, то некоторые достаточно быстро теряют все бозоны, пока число областей опять не станет нечетным.

По словам ученых, следующим шагом в исследовании должна стать экспериментальная проверка теоретических выводов.

Проверить их предлагается на известной экситонной модели конденсата Бозе-Эйнштейна. Роль бозонов в этой модели играют экситоны – квазичастицы в полупроводнике, состоящие из связанных дырки и электрона. Встряску при этом предлагается моделировать с помощью лазера. Насколько хорошо такая модель будет соотносится с теорией, ученые ответить пока затрудняются.

В конце ноября исследователи из Австралии и Великобритании предложили способ пронаблюдать за конденсатом напрямую. Для этого ученые предложили использовать так называемую динамическую стабилизацию конденсата с помощью лазерного луча.

Ученым удалось добиться настройки диодов и выпрямителей на молекулярном уровне

Ученым удалось добиться настройки диодов и выпрямителей на молекулярном уровне

Исследователям из США впервые удалось добиться настройки поведения молекулярных выпрямителей и диодов на уровне одной молекулы. Как считают сами ученые, опубликованная ими работа является важным шагом с точки зрения развития всей молекулярной электроники (по крайней мере, на уровне одиночных молекул).

Схематическое изображение предложенного молекулярного выпрямителя.

С тех пор, как в 1974 году были предложены первые молекулярные выпрямители, такое направление, как молекулярная электроника, развивалась стремительными темпами. Предложенные тогда компоненты работали, благодаря донор-сигма-акцептор-молекулам, симметрично связанными с двумя металлическими электродами.

Такие донорно-акцепторные диоды, как известно, очень чувствительны к тому, как молекулярные энергетические уровни выровнены друг по отношению к другу, а также по отношению к любым соединительным электродам. Это чрезвычайно затрудняет контроль подобных компонент. Что еще более важно, необходим так называемый сигма-мост, чтобы эти устройства действительно работали, как выпрямители.

Сигма-мост добавляет большой туннельный барьер в структуру устройства, который создает очень большое сопротивление. Конечным результатом является то, что большинство функциональных диодов из отдельных молекул, доступных на сегодняшний день, имеют сопротивление более 10 МОм, т.е. не могут применяться в электронных устройствах на практике.

В последние несколько лет многие научные группы были заняты поиском альтернативной конструкции молекулярного диода, однако большая часть этих работ привела к созданию многомолекулярных устройств. Такие устройства содержат ассиметрично соединенный переход, который не имеет строго определенной геометрии и не отличается высокой проводимостью. Более того, подобные устройства работают при относительно высоких напряжениях смещения (более 1В), что делает их особенно нестабильными при комнатной температуре.

Группа ученых с кафедры прикладной физики и математики из Columbia University (США) предложила возможное решение этой проблемы. В своей последней работе исследователи предложили использовать электронные свойства молекулярных переходов в хорошо проводящих ковалентных золото-углеродных связях.

По словам исследователей, использованное ими новое семейство молекулярных диодов имеет высокую электрическую проводимость. Но самое главное, что поведение этих устройств может просто и эффективно настраиваться, в зависимости от потребностей экспериментаторов.

Предложенный учеными молекулярный переход состоит из молекулярной цепи, подключенной к одному золотому электроду с помощью донорно-акцепторной связи, а ко второму золотому электроду – с помощью ковалентной золото-углеродной связи. В данном случае ковалентная связь выполняет роль электронного шлюза между металлическим электродом и молекулярной цепью, т.е., фактически, несет ответственность за свойства данной системы.

В рамках работы на базе своих теоретических предсказаний исследователи разработали серию из трех устройств с разными характеристиками, базовая конструкция которых совпадает. Главное различие заключается в так называемой электронной прозрачности донорно-акцепторной связи в каждом отдельном случае. Как показали исследователи,

эта характеристика поддается настройке, таким образом, настраиваются и свойства всего компонента.

Как считают исследователи, их работа – это новый шаг на пути к рациональному проектированию молекулярных электронных систем в будущем.

Теперь команда занята поиском способов улучшения выпрямительных характеристик в своих устройствах, а также вариантов создания переходов, которые были бы более стабильны при высоких рабочих напряжениях.

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Nano Letters.

sci-lib.com nanotechweb.org

Ученым удалось не только ликвидировать причину старения, но и повернуть его вспять

Ученым удалось не только ликвидировать причину старения,
но и повернуть его вспять – пока только у мышей.

Митохондрии млекопитающего

Исследования, проведенные в рамках совместного проекта Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) и Гарвардской медицинской школы привели к весьма обнадеживающим результатам. Ученые смогли ликвидировать последствия старения у подопытных мышей, используя подход, который восстанавливает связь между митохондриями и ядром клетки. Митохондрии генерируют химическую энергию, необходимую для нормального протекания ключевых биологических процессов. Когда связь между митохондриями и «центром управления» в клетке разрывается, ускоряется процесс старения. Команда исследователей, возглавляемая Дэвидом Синклером –профессором Университета Нового Южного Уэльса, работающим в Гарвардской медицинской школе, доказала, что восстановление этой молекулярной связи не только замедляет старение, но и может обратить этот процесс вспять.

Метод, которому посвящена публикация в журнале Cell, основан на поддержании в клетках на должном уровне химического соединения Никотинамид-аденин-динуклеотида (НАД), недостаток которого и приводит к разрыву связи между митохондриями и ядром. Если это соединение вводилось на ранней стадии старения, то всего неделю спустя мышцы старых мышей в возрасте 2 лет были неотличимы от мышц молодых шестимесячных животных. По словам исследователей, в переводе на человеческий возраст это было бы 60 и 20 лет. Данная методика могла бы быть полезна при лечении диабета второго типа, атрофии мышц, а также воспалительных, митохондриальных заболеваний и даже рака. Ученые отмечают, что физиология онкологического заболевания в определенном смысле аналогична физиологии старения. Возможно, именно поэтому самому большому риску заболевания раком подвергаются люди в возрасте. Получив воодушевляющие результаты при экспериментах с мышами, в 2014 году исследователи планируют приступить к клиническим испытаниям своего метода на людях. Первоисточник - http://www.cell.com/abstract/S0092-8674%2813%2901521-3 По материалам gizmag.com

Ночное небо Гавайев раскрывается в потрясающем видео

Млечный путь над Мауна-Кеа, Гавайи, в удивительных деталях, в комплекте с телескопами и танцующими лазерными лучами.

Шон Гебель (Sean Goebel), аспирант кафедры астрономии в Гавайском университете в Маноа, создал видео ночного неба Гавайев из фотографий, сделанных в течение трех ночей в апреле и четырех летом 2013 года.

В фильме отображено ночное небо над Мауна-Кеа, 13 803 футовой (4 207 м.) горой на Большом острове, как называют еще Гавайи, с её многочисленными телескопами. Телескопы Кек, Джемини и Субару оснащены лазерами, которые используются для удаления размытых эффектов с атмосферы Земли при помощи адаптивной оптики.

Гебель настраивал свои камеры на ночь, когда погода была ясной, Луна небольшой и когда работали лазеры. Несколько раз астрономы использовали лазеры для наблюдения за черной дырой в центре Млечного пути.
Съемки типичной сцены заняли пять часов, для чего использовалось две цифровые зеркальные камеры - Canon 5D Mk. II и Rebel XT, сделав 300 1-минутных экспозиций. Создать движение в сценах Гебелю помог самодельный поворотный стол. Позднее он отредактировал изображения в видео.

Гебель сказал, что сделал это видео просто для удовольствия. «Мне нравится астрономия и мне нравится фотография, и мне хотелось сделать красивое видео», сказал он.

У Гебеля уже есть несколько цейтраферных видео Долины Смерти, Йосе́митского национального парка и других мест, но этот фильм, Мауна-Кеа, стал особенно популярным.

«Я думаю, что люди даже не видели лазеры отслеживания в ночном небе раньше», сказал Гебель.

http://www.space.com/23925-watch-sky-over-mauna-kea-in-stunning-time-lapse-video.html

Смена магнитных полюсов на Солнце. Видео - 16 лет за 26 секунд.

Смена магнитных полюсов на Солнце. Видео - 16 лет за 26 секунд. NASA

Конкурс Nikon Small World Photomicrography

Конкурс Nikon Small World Photomicrography является одним из ведущих форумов в мире для демонстрации красоты и сложности жизни, наблюдаемой через микроскоп.

Флуоресцентная блоха

Оранжевый коралл

Полосатый данио

Обонятельные луковицы полосатого данио.

Осиное гнездо

Семя журавлиного цветка

Красные водоросли

Эндотелиальные клетки

Кристалл какоксенита

Кристаллы традиционного соевого китайского соуса под микроскопом

Раковые клетки

Двустворчатый моллюск

Клетки банана

Кристаллы кислоты полученной из растения Эверния растопыренная.

Цветок Перуанское чудо

Осиный глаз

Интерференционный узор на мыльной пленке за мгновение до того как мыльный пузырь лопнул

Сетчатка крысиного глаза

Кристаллы серы в ацетанилиде

http://www.fresher.ru/2010/10/19/mikromir/?from=related

Создан микродвигатель, который на три порядка сильнее человеческой мышцы

Создан микродвигатель, который на три порядка сильнее человеческой мышцы

В национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли разработан микроактуатор на основе оксида ванадия с удельной мощностью 39 киловатт на килограмм.

Такое соотношение мощности к собственной массе ставит его в один ряд с самыми мощными двигателями, когда-либо построенными человеком — меньше, чем главный двигатель космического корабля Space Shuttle (153 кВт/кг), но больше чем турбореактивный двигатель Боинга 777 (10 кВт/кг). В своей «весовой категории» с новым микродвигателем могут сравниться разве что микроактуаторы на основе углеродных нанотрубок, но их предельная угловая скорость на порядок меньше.

Микродвигатель представляет собой тонкую V-образную полоску-сэндвич из хрома и диоксида ванадия, скрученную в спираль длиной в десятые доли миллиметра. При пропускании электрического тока спираль стремится развернуться, причём происходит это с огромной скоростью и силой — угловая скорость достигает 200 000 оборотов в минуту, амплитуда — от 500 до 2000 градусов на миллиметр длины. В ходе экспериментов учёные использовали микроактуатор в качестве катапульты — он смог отбросить объект в 50 раз тяжелее собственной массы на расстояние в 5 собственных длин. Актуатор очень надёжен — после миллиона сокращений никаких признаков деградации обнаружить не удалось.

Принцип действия актуатора основан на фазовом переходе, который происходит в диоксиде ванадия при температуре 68 градусов Цельсия — он сильно сокращается в одном измерении, увеличиваясь двух других. Скорость такого перехода измеряется пикосекундами, а способность производить механическую работу на два порядка выше чем у пъезокерамики, и на три порядка выше чем у мышечных волокон. Кроме изменения размеров, резко меняется и проводимость — ниже 68 градусов диоксид ванадия является диэлектриком, а выше — проводником.

Сравнение с существующими типами двигателей

На микроуровне ванадиевый актуатор может быть использован для создания миниатюрных роботов, кроме того он может действовать, как сенсор приближения — если к спирали, нагретой до температуры, слегка превышающей температуру фазового перехода, приблизить объект комнатной температуры, она охладится, и произойдет обратный переход. Если придать актуатору соответствующую форму, он будет автоматически отбрасывать слишком близкие объекты и одновременно сигнализировать об этом увеличением сопротивления. Не исключено и использование микроактуатора как строительного блока для создания искусственных мышц роботов большого размера.

Источник habrahabr.ru

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть1

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 1

В середине июля 2013 года в славном городе Эриче, что расположен в дали от цивилизации на горе на западе Сицилии, проходила прелюбопытнейшая научная школа «Наноструктуры для оптики и фотоники» (или Nano-Structures for Optics and Photonics). Один из докладов по счастливому стечению обстоятельств оказался «Органическая фотовольтаика» (Organic photovotaic), представленный профессором Ули Лемерром (Uli Lemmer) из Института Технологий Карлсруэ (Karlsruhe Institute of Technology – KIT).

Итак, быть или не быть «альтернативной» фотовольтаике?

Введение

Пару месяцев назад была опубликована исполненная пиетета статья о солнечных элементах Гратцеля, но в комментариях встретил закономерное недоверие и скепсис по поводу оправданности вложений в такие солнечные элементы. Основная мотивация оппонентов – недостаточная производительность или эффективность таких элементов по сравнению с кремниевыми, мол, EROI совсем плох. Хотя некоторые оценки собраны и представлены в Wiki, но это как средняя температура по больнице. А по сему, опираясь на данные представленные профессором Лемерром, я хотел бы рассказать чуть более подробно о «альтернативной» или – если угодно – не кремниевой фотовольтаике, но сначала всё же придётся окунуться в мир цифр для нормальных кремниевых батарей, чтобы понимать, к чему стремиться. И эта статья имеет своей целью некоторый обзор уже сформировавшегося рынка кремниевых солнечных элементов.


Сразу хочу сделать две немаловажные оговорки. Во-первых, KIT славится тем, что имеет фактически свои производственные линии, на которых зачастую обкатываются технологии и мнение вышеупомянутого профессора, я полагаю, таки авторитетно. Во-вторых, ЕС диверсифицирует разработки, и это заложено во многих рамочных программах. Что же это значит? А значит это, что если даже вы разработали солнечную батарейку с КПД 5%, вы сможете получить финансирование на продолжение исследований, если, конечно, 5% не являются теоретическим (термодинамическим) пределом.

И последнее, я буду всё время это упоминать, так или иначе, по ходу повествования: стоимость инвестиций (Investment costs) в €/Вт, которая может быть уменьшена двумя способами – снижением стоимости производства или увеличением эффективности солнечных батарей.

Есть ли свет после кристаллического кремния?

Полагаю, что один из самых взвешенных обзоров на Хабре был подготовлен BarsMonster, поэтому долго на это теме останавливаться не будем.

Итак, что же такое «альтернативная» фотовольтаика в сравнении с «классической»? Или как разбить на поколения известные солнечные элементы? Это очень просто:

1. Солнечные элементы на базе кристаллического кремния (EFG – Edge Defined Film fed Growth, RGS – Ribbon Growth on Substrate). Самые древние, можно сказать каменные век. Первые разработки можно отнести к заре эры микропроцессорной техники – конец 60-х, начало 70-х.
   
   Немножко теории


2. Тонкоплёночные солнечные элементы, такие как аморфный кремний, кремниевые плёнки, различные варианты экологически «небезопасных», но интенсивно производящихся на настоящий день, на основе кадмия и теллура. Получили толчок к развитию вместе с кремниевыми, но лишь в конце 80-х, начале 90-х перешагнули 10% барьер эффективности.


3. Альтернативная фотовольтаика, включающая в себя DSSC (сенсибилизированные солнечные элементы или солнечные батареи Гратцеля habrahabr.ru/post/192468/), гибкие органические батареи (на основе олигомеров и полимеров), в том числе и тандемные солнечные элементы, а также диковинный пока подвид – солнечные элементы на основе квантовых точек (наноразмерных частиц полупроводников).

Фотовольтаика не совсем полно, но наглядно. Источник.

И логичный вопрос: а где же тогда место этой альтернативной фотовольтаике? Как уже было сказано, в голове надо держать два параметра: эффективность и стоимость производства, что влечёт за собой удешевление электроэнергии, выработанной такой батареей в €/Вт. Как мы можем видеть из приведённых ниже графиков кристаллический кремний, пожалуй, по всем параметрам наиболее перспективный материал для солнечных элементов. Особенно в долгосрочной перспективе, когда его стоимость инвестиций может быть уменьшена до 50 центов и ниже за Вт. Однако стоит заметить, что получение такого высокочистого или «солнечного» кремния связанно с огромными экологическими рисками, о которых в ЕС и США особенно сильно пекутся. Ах, да, через 5 минут будет сказано с саркастической улыбкой, что производство кадмий-теллуридных, CdTe, батарей растёт – парадокс, но оставим его на совести Гринписа и администрации стран-производителей…


Оценки эффективности и стоимости инвестиций для различных типов солнечных элементов в крастко-, средне- и долгосрочной перспективе.

Конечно, на сегодняшний день даже аморфный кремний (производство дешевле и не требует «серьёзной химии») хоть по стоимости и сопоставим с кристаллическими аналогами, но всё ещё не обладает достаточной эффективностью, чтобы побороться за какой-то лакомый сегмент рынка. Но что интересно на этой диаграмме: некремниевые солнечные элементы изначально обладаю гораздо более низкой стоимостью инвестиций и, соответственно, более низкой стоимостью полученной с их помощью электроэнергии. Это как раз и даёт надежду исследователям и инвесторам, что в будущем, можно за счёт использования таких процессов как roll-to-roll (читайте, как газету печатать) существенно снизить издержки при производстве таких элементов. Но об этом я расскажу во второй части, посвящённой альтернативам.


Пример солнечного элемента первого поколения – поликристаллический кремний

Но и это ещё не всё, в случае с гибкими солнечными элементами, а таких, большинство в группе альтернативных, есть очень много потенциальных областей применения: от умной одежды, которая будет заряжать ваш мобильник в солнечную погоду (например), до тентов и навесов, способных запитать небольшой чайник на природе.


Панели солнечных элементов второго поколения

С учётом специфических условий эксплуатации – в полях, так сказать – а также принимая во внимание стремление всех ведущих производителей мобильной техники уменьшить толщину смартфона или ультрабука в ущерб времени автономной работы, то согласитесь данный сегмент рынка может выстрелить очень и очень быстро.

Но вернёмся от фантазий о рае будущего на нашу грешную землю, точнее, к традиционным солнечным элементам.

Состояние современного рынка солнечной энергетики.

Что касается каких-то более точных цифр для солнечных элементов первого поколения, то они были представлены в виде понятного даже детям рисунка:


Номинальные параметры традиционных солнечных элементов

При этом стоимость модуля на 54 Вт обычно не превышает 60 евро, а каждый кВт*ч полученной энергии обходится потребителю менее чем в 50 центов. Сроки эксплуатации огромны – обычно это десятки лет (25-30 лет является нормативом), если не происходит чего-то экстраординарного – потопы, ураганы, русские крещенские морозы и т.д. Ну а затем батареи разбираются, перерабатываются и из них изготовляют новые.

Далее я хотел бы привести немного статистики. Конечно, доля моно- и поли-кристаллических батарей огромна и суммарно отъедает до 90% рынка, но посмотрите, как с начала 2000-х выросла доля CdTe-батарей (экологи – ха-ха), как медленно, но верно начали прорастать другие технологии, в том числе и альтернативные виды фотовольтаики (в данном случае отмечены, как others). И всё это происходит не в жирные годы экономического роста, когда деньги на научное колесо льются рекой, а сейчас, на наших глаза, когда в ЕС и США всё ещё продолжается рецессия.


Доли рынка солнечной энергетики для различных видов батарей

Что ж можно сравнить с данными, приводимыми в Wiki – хорошее совпадение:

Где и что производят и ставят?

Конечно, можно было бы уже догадаться, что, как и в известной шутке:
"– Какие три самые популярные слова на планете?
– Мир, труд, май
– Нет, Made in China", – большая часть производства солнечных элементов сосредоточена в Китае. По состоянию на 2011 год – больше половины всех произведённых модулей за тот год имеют шильдик: Made in China.


Годовое производство солнечных элементов первого поколения

Тогда как основной потребитель готовой продукции – это, как ни странно, матушка Европа. Среди европейских стран бесспорным лидером является Германия, вслед за которой в эру использования Солнца, как универсального источника энергии, пытается заскочить Италия, что обусловлено, по большому счёту, благоприятным климатом. Хотя, например, на Сицилии, где проводилась школа, преимущество отдано ветрякам.

Хочется также заметить, что, например доля Испании, где климат благоприятствует развитию солнечной энергетики, практически не наращивает установленной мощности солнечных элементов с 2008 года, тогда как даже Китай существенно увеличил этот параметр за тот же период.


Суммарная установленная мощность солнечных элементов первого поколения

Коль скоро Германия в ЕС является наиболее значимым потребителем альтернативных источников энергии, в целом, и солнечной, в частности, то за прошедшие 7 лет можно оценить степень падения цен на модули. Так если средняя розничная цена системы, устанавливаемой на крышу, была около 5 100 евро за кВт пиковой мощности, то во втором квартале 2013 года она упала до 1 700 евро. В 3 раза за 7 лет! Неплохой результат, надо отметить.

Так же хотелось бы обратить внимание на четвёртый квартал 2008 года. В США полыхает кризис, в ЕС закрываются банки, казалось бы, цены должны остаться на уровне Q4 2008 и никуда не двигаться, ведь предприятия закрыты, пароходы списаны, а денег в банках нет. Но оказалось совершенно наоборот, через год после начала кризиса цена упала на 30% до менее 3 000 евро за КВт.


Стоимость кВт пиковой мощности в евро в течение последних 7 лет без учёта НДС, так как НДС может меняться даже между федеративными землями в ФРГ

И в заключении хотелось бы представить расчёты стоимости выработанной электроэнергии таким кремниевыми солнечными элементами. Если взять представленный выше суммы за солнечную панель, срок службы солнечной панели в 20 лет, 5% в год затраты (например, 4% процент по кредиту и 1% стоимость обслуживания самой батареи), то получится следующее распределение стоимости произведённой электроэнергии центах за кВт*ч:


Стоимость выработанной солнечной панелью электроэнергии в центах за кВт*ч: по горизонтали – средняя степень освещённости местности, по вертикали – рыночная стоимость солнечной панели в долларах за кВт пиковой мощности (Источник)

Промежуточное заключение

Что же мы имеем в итоге? На данный момент рынок кремниевой «классической» солнечной энергетики сформирован, доля кристаллического кремния составляет более 90%, и основных игроков на нём уже трудно будет потеснить (а в основном это Китай, ЕС, Япония и США).

Какова цель или почему государства «донатят» программы по солнечной энергетики? Причина довольно прозрачна: максимально диверсифицировать структуру энергопотребления, развить технологии и, в ряде случаев (Германия, например), снизить зависимость экспорта из соседних регионов (из России, в частности).

Как в этих условиях жить и развиваться «альтернативным» типам солнечных элементов, о которых было упомянуто в самом начале? Есть ли место в тени поликристаллического кремния? Или всё это баловство, которое ни к чему не приведёт? Я постараюсь дать ответ через призму тех технологий, что разрабатываются в настоящий момент.

И как с этим справится наш герой?
Мы переходим к картине второй http://donmigel-62.livejournal.com/122314.html


http://habrahabr.ru/post/202650/

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 2

Об органической фотовольтаике замолвите слово. Часть 2

часть 1 - http://donmigel-62.livejournal.com/121956.html

В первой части сего длительного повествования было показано, что побороть кристаллического кремниевого монстра фотовольтаики будет очень не просто, в особенности, органическими молекулами, но так ли это на самом деле? Что есть такого в третьем поколении солнечных элементов, чего нет у предыдущих двух?!



Конечно, сейчас сложно говорить о каких-то конкретных цифрах, потому что сам рынок ещё формируется: спрос и предложение не уравновешено, технологии только-только перебираются из лабораторий на экспериментальные заводские площадки. Однако, как мы увидели на примере кристаллического кремния, в такой период времени очень сложно говорить о будущем технологии (помните, что цена на поликристаллические солнечные элементы упала в 3 раза за 7 лет?!).

А по сему, я постараюсь описать в большей степени не экономику производства и эксплуатации DSSC или органических солнечных батарей (ведь опять начнутся разговоры про EROI), а то, какой потенциал в них заложен и какие технологии применяются, чтобы сделать цену конечных устройств настолько малой, насколько это вообще возможно.

3-е поколение: будущее уже здесь!

Пожалуй, начнём мы по традиции, с некоторого ретроспективного анализа эффективности солнечных элементов, подготовленного NREL – The National Renewable Energy Laboratory.


Ретроспективный анализ наилучших показатели эффективности солнечных элементов всех известных типов

На графике приведен целый класс “emerging PV”, т.е. те самая группа альтернативных методов, которые, как упоминалось в первой статье, могут выстрелить в любой момент. Но начнём по порядку.

Roll-to-Roll process или напечатай меня как газету

Пожалуй, одной из наиболее значимых характеристик третьего поколения солнечных элементов является то, что их можно печатать.

Стоит пояснить. Для двух предыдущих поколений солнечных элементов, чтобы получить работающую панель необходимо создать, так или иначе, p-n-переход (за пояснениями смело сюда), а это значит, что необходимо высоковакуумное оборудование, герметичность производственной линии и так далее по списку – всё как во взрослой жизни. При этом пластина едет по конвейеру от одного конца до другого, прирастая p-n-переходами и контактами. Есть ещё и проблема совмещения (или алаймента) масок, используемых для травления и создания 3D структуры (фактически, как в процессорах, только техпроцесс не нанометры, а микрометры и миллиметры). И как бы было хорошо всё это безобразие заменить на что-нибудь попроще…

О чудо, такой процесс уже используется десятилетиями для печати полиграфической продукции. С небольшими модификациями мы могли бы заменить чернила на какие-нибудь фотоактивные органические молекулы – полупроводники и проводники – а рисунок на барабане разбить на соответствующие отдельным фотоэлементам площадки. И, вуаля, штампуй – не хочу!

При этом можно существенно уменьшить как вес таких элементов, так и количество используемых материалов, ведь в кремниевой батарее кремний является и подложкой и активным компонентом, а сделать подложку бесконечно тонкой невозможно, она обязана обладать хоть каким-то минимальным набором механических характеристик.

Как же это работает на практике?! В том же KIT есть не так называемый «центр трансфера технологий», а совершенно настоящий и работающий, в котором осуществляются:
а) исследования, направленные на улучшение характеристик батарей, при этом существует прямая обратная связь с учёными и инженерами, разрабатывающими технологии;
б) участок прототипирования, который отрабатывает принципиальную масштабируемость технологии;
в) уже полупромышленный участок, где за пару минут можно сделать погонные метры и сотни метров солнечных элементов.


Структура трансфера технологий из лаборатории на производство. KIT и TU Darmstadt совместно с BASF, Merck

Заметьте, центр не просто при двух университетах, но в нём активно участвуют производители, которые, возможно, раньше или позже запустят эти разработки на своём производстве.

Публика, мне кажется, подустала чуть-чуть, поэтому видео работы упомянутой лаборатории в живую на YouTube:

И одной из наиболее значимых областей применения данного процесса является как раз органическая фотовольтаика.

Органическая фотовольтаика

Как бы ни смешно это прозвучало, но в мире органической химии царит своя атмосфера безудержного веселья. Например, среди органических молекул можно найти изоляторы, проводники, полупроводники и – даже страшно подумать – сверхпроводники. Некоторое время назад вообще считали, что органические материалы вытеснят всё, в том числе и бетон, и арматуру, и машины будут из карбона…но не сложилось…

Как мог бы выглядеть органически фотоэлемент?! И каковая может быть его толщина?
Например, если хотите, то толщиной в 1 микрометр (в 50 раз тоньше человеческого волоса!):


Устройство отдельного органического солнечного элемента и материалы, используемые для его создания

Обычно требуется, чтобы акцептор электронов (absorber) и молекулы донора (hole conductor) взаимно проникали друг в друга, формируя так называемый объёмный гетеропереход (bulk heterojunction). Так как реакция разделения электрон-дырочной пары происходит на поверхности, то за счёт взаимного проникновения двух фаз одна в другую и увеличивается эффективная площадь контакта (показано на картинке справа), а это в свою очередь соответствует максимальной эффективности такой батареи.

Подложка не обязательно должна быть стеклянной: и катод и анод могут быть выполнены по любой доступной технологи, в том числе и на основе проводящих полимеров, что позволяет в полной мере реализовать преимущества roll-to-roll process.

Да, к глубокому сожалению, должен констатировать, что эффективность у данных батарей не велика до 7-8%, но это всё из-за того, что представленные выше молекулярные мотивы не поглощают во всём диапазоне длин волн от УФ (ультрафиолетового, 300-400 нм) до ИК (инфракрасного 800-1000 нм).

С одной стороны это является проблемой, необходимо придумывать более хитрые схемы с двумя совмещёнными батареями, так называемые тандемные солнечные элементы (tandem solar batteries), либо просто сделать батарею полупрозрачной и наклеить на окно.

В случае с тандемными солнечными элементами мы просто имеем два последовательно подключённых солнечных элемента, которые поглощают в двух разных диапазонах, например, зелёном и красном. За счёт этого фактически удваивается эффективность, потому что больше фотонов превращается в ЭДС и ток. Однако главная проблема в данном случае – промежуточный слой, необходимый для комбинирования избыточных зарядов. Понятно, что если слой будет накапливать заряд, то из-за внутренних потерь это снизит эффективность.


Принцип работы тандемной солнечной батареи: два последовательно соединённых органических солнечных элемента


Пример спектра поглощения двух органических веществ, используемых при производстве тандемных солнечных элементов

На этом моменте можно было бы углубиться в материаловедение, но я этого не буду делать, просто хочу сказать несколько слов в защиту высокоэффективных батарей и процесса их разработки, что это не пустая трата бюджетных средств. Нельзя просто так взять, намазать пасту ровным слоем на подложку, потом второй слой, третий, наклеить контакты и сказать, что готово, приговаривая: «Ладно, и так сойдёт!» (с) И не будем показывать пальцем, где этим любят позаниматься. Но за каждым процентом эффективности стоят патенты, специальные добавки, меняющие упаковку молекул таким образом, чтобы добиться наилучшего проникновения одного компаунда в другой. Для того, чтобы описать такие процессы, почему вещество А помогает, а вещество Б нет, крайне необходима фундаментальная наука со всеми её недостатками, пороками и установками, стоимостью в миллионы и миллиарды долларов.

Dye Sensitized Solar Cell (DSSC)

Солнечные батареи, сенсибилизированные или «активированные» красителем, известны миру достаточно давно. Однако лишь недавно, как уже упоминалось в предыдущей статье, они смогли успешно взять психологически важный барьер в 15% эффективности. На настоящее время это является абсолютным рекордом среди солнечных батарей данного класса. Принцип работы батарей детально представлен в указанной выше публикации, поэтому не будем на нём останавливаться.

Обычно для производства DSSC необходима стеклянная подложка с токопроводящим покрытием, как то ITO (оксид олова, допированный индием) или FTO (оксид олова, допированный фтором), что отъедает существенную часть расходов на производство. Однако стоит справедливо заметить, что данные батареи потенциально могут быть адаптированы к печати посредством процесса roll-to-roll, о котором говорилось выше.

И вновь хочется повториться, что область применения таких элементов питания не генерация МВт электроэнергии, а скорее эстетично-практичная, как и в случае с прозрачными органическими батареями – снижении общего энергопотребления, при сохранении высоких стандартов жизни. То есть наклеили батарею на окно, она вам за сутки АКБ зарядила, к примеру…

Пока готовилась данная статья, неожиданно пришло известие с пометкой срочно в номер!

---

Breaking News



Строящийся сейчас конференц-центр EPFL (SwissTech) оснастят стеклянным фасадом на основе DSSC. Прозрачные разноцветные панели солнечных элементов Гратцеля в данный момент устанавливаются на западной стороне SwissTech центра, открытие которого запланировано на апрель 2014 года. Солнечными батареями, общее число которых составляет 1 400 штук при размерах 35 на 50 см, оснастят более 300 м² фасада здания. Сами элементы выполнены в пяти оттенках красного, зелёного и оранжевого цветов, что, по мнению архитекторов и дизайнеров, создаёт тёплый и в то же время живой внешний вид.

Стоит отметить, что проект такого рода – первый в мире. Солнечные элементы сконструированы таким образом, что не теряют эффективности при изменении угла падающего на них солнечного света, к тому же они не только позволяют вырабатывать электричество, но и защищать внутренние помещения от прямых солнечных лучей, что приведёт к снижению потребность в кондиционировании воздуха. Сообщается также, что не менее 11 фирм-производителей уже получили лицензию на производство солнечных батарей Гратцеля.

---

И на последок, чтобы не быть голословным, приведу несколько примеров компаний, которые работают в области альтернативных солнечных элементов:

Konarka. Компания просуществовала с 2001 по 2012 года и занималась как DSSC, так и органическими солнечными батареями на основе фуллеренов. За время своего существования компания создала 350 патентов в рассматриваемой области, привлекла более 150 млн. $ частных инвестиций и 20 млн. $ государственных грантов на разработку и организацию производства. Были разработаны солнечные элементы с гарантированным сроком службы 3 года при зарегистрированной эффективности в 8%. К сожалению, в середине 2012 года компания объявила о банкротстве.

Heliatek. Компания основана в 2006 году специализируется на органической фотовольтаике, но держится на плаву более успешно. В числе прочих достижений тандемные батареи с эффективностью 12% за счёт правильно подобранной геометрии:


Слайд с сайта компании Heliatek

И между прочим в ближайшие 4 года эффективность планируется увеличить до 16%:


Слайд с сайта компании Heliatek

Что же касается DSSC, то даже такие гиганты, как Sony и Samsung обращают своё внимание в сторону DSSC, при чём планируется, что массовый выпуск продукции позволит сократить до 1/3-1/5 стоимость модулей по сравнению с обычными кремниевыми батареями. В Соединённом Королевстве есть множество компаний, занимающихся данной тематикой (например), так что про умельцев из Поднебесной я вообще промолчу (например).

Вместо заключения

Вначале я хотел написать объёмное заключение, что «альтернативной» некремниевой фотовольтаике быть, что важны технологии, и как они связывают воедино разные области знаний, в конечном продукте, но…

Безусловно, я согласен с BarsMonster, что главная проблема сегодняшней альтернативной энергетики (любой!!!, попрошу заметить) – хранение произведённой электроэнергии и, главное, стоимость такого хранения. Или иными словами непоястоянство данного источника. Это не АЭС, которыми в Бельгии дороги освещают даже днём. Однако мне кажется, что мы не вполне верно рассматриваем структуру энергопотребления с нашей сложившейся уже точки зрения, вот где кроется основной порок всех холиваров на данную тему. Необходимо изменить своё сознание и посмотреть на проблему абстрагированным взглядом.

Но, как бы ни парадоксально и вычурно это звучало, мы живём в эпоху поистине великого перехода от века кремния, к веку углерода; и те тенденции, которые сейчас мы наблюдаем (графен, УНТ, органические светодиоды и органическая фотовольтаика) тому весомое доказательство. Пройдёт ещё совсем немного времени, и ни одно здание не будет спроектировано (по крайней мере, в ЕС, США, Японии) без солнечных панелей Гратцеля на окнах, способных ощутимо снизить и практически привести к нулю энергобаланс сооружений. Задняя панель iPhone или моей Xperia Z покроется 2 микронной органической батарей, которая будет подзаряжать телефон везде, где есть источник света, а электромобили вообще превратятся в одну большую передвигающуюся солнечную батарею. И я хотел бы оказаться в этом энергетическом раю, где энергия Солнца доступна всем и каждому…

А Вы?!

http://habrahabr.ru/post/202836/

Хобости. Об актуальном с юмором.