Бензин из воздуха дешевле, чем из нефти

Молодая компания предлагает дешевый коммерчески эффективный способ превращения углекислого газа в химическое сырье. Возможно, уже в ближайшем будущем необходимые ресурсы можно будет извлекать прямо из воздуха, а не из нефтяных и газовых скважин.

Компания Liquid Light продемонстрировала прототип устройства, способного производить этиленгликоль – ключевое сырье для химической промышленности. Для работы устройству под названием Liquid Light требуется углекислый газ, электричество и источник водорода, например вода. По оценкам разработчиков, для производства одной тонны химического сырья с помощью Liquid Light потребуется всего $125, в то время как традиционные источники, такие как нефть или газ, требуют затрат в $600 на 1 тонну продукта. Более того, Liquid Light может использовать «дармовой» углекислый газ из дымовых труб заводских котельных или генераторов.

Потенциально, Liquid Light может утилизировать парниковые газы, которые разогревают нашу планету. Таким образом получится замкнутый цикл обращения СО₂: из топлива в атмосферу, а затем из атмосферы опять в топливо. Необходимая для обратной трансформации энергия также может быть экологически чистой: от солнечных панелей или ветряков.

Устройство Liquid Light на вид имеет простую конструкцию. По словам разработчиков, оно использует дешевые долговечные компоненты, потребляет мало энергии и производит химическое сырье из углекислого газа

Презентованное разработчиками устройство Liquid Light представляет собой квадратные металлические пластины шириной 90 см, расположенные на расстоянии несколько сантиметров друг от друга. Работа устройства основана на каталитических реакциях: сначала один электрод-катализатор производит из молекул углекислого газа двухуглеродную молекулу оксалата. Затем отдельные катализаторы инициируют реакции с образованием этиленгликоля - широко используемого промышленного химического вещества, которое служит основой для полиэфирных волокон и ПЭТ-пластика, используемого, например, в производстве пластиковых бутылок. Также этиленгликоль может служить сырьем для производства жидкого топлива.

Основным преимуществом процесса Liquid Light являются низкие затраты на сырье. Воду можно забирать из рек, озер, промышленных стоков и т.д., а электричество: от АЭС, гидро- и газовых электростанций. В последнем случае получится чистое производство, так как Liquid Light переработает вредный углекислый газ, получаемый в результате сжигания газа.

Использование катализаторов для преобразования СО₂ в полезные химические вещества является очень перспективным направлением. К сожалению, создание эффективных процессов утилизации углекислого газа сталкивается с множеством технических препятствий. Прежде всего необходимо, чтобы реакции происходили очень быстро, к тому же сумма примененных технологий и материалов должна быть меньше, чем стоимость производства сырья из нефти и газа. Кроме того, металлические катализаторы часто производят несколько продуктов, например окись углерода и метан, которые необходимо разделить, что резко удорожает процесс.

Прототип Liquid Light выглядит очень многообещающим, но в компании пока не называют катализаторы, которые используются в установке. Указывается лишь на то, что это недорогой и долговечный материал, а сама реакция требует небольшое количество электроэнергии. Если удастся создать эффективный промышленный аналог лабораторного прототипа Liquid Light, то можно будет говорить о революции в энергетике и химической промышленности.

Трибоэлектрическая революция?

Исследователи из Технологического института Джорджии заявили о создании эффективного и надежного устройства, которое может превратить в электричество энергию, которую человечество на протяжении сотен лет тратило впустую.

Речь идет о так называемом трибоэлектрическом генераторе: устройстве, которое вырабатывает электричество в результате трения между двумя поверхностями. С трибоэлектричеством знаком каждый, кто ходил в носках по синтетическому ковру.

До сих пор технологии сбора трибоэлектричества были слишком непредсказуемыми и ненадежными, поэтому большинство электрогенераторов основаны на принципе магнитной индукции. Но в новом исследовании, опубликованном в Nature Communications, ученые и инженеры заявляют о том, что им удалось преодолеть ключевые препятствия на пути к технологии сбора трибоэлектричества. Это означает, что человечеству теперь доступны неиссякаемые источники энергии: движение волн, ходьба (тротуары, лестницы, коридоры), танцполы, дождь, ветер, компьютерные клавиши, городской транспорт и тысячи других мест и вещей.

Трибоэлектрогенератор имеет простую и надежную конструкцию

Прототип трибогенератора представляет собой тонкую шайбу диаметром 10 см. Внутри находятся две круглые пластины: одна отдает электроны, а другая принимает. Пластины разделены диэлектрической воздушной прослойкой, но предусмотрен и третий промежуточный диск с электродами, которые в результате вращения трибогенератора соединяют пластины и забирают электрический заряд. При максимальной скорости вращения 3000 оборотов в минуту устройство генерирует 1,5 Вт и имеет эффективность преобразования 24%, что в 3 раза выше, чем у пьезоэлектрических генераторов и сравнимо с эффективностью традиционных магнитно индукционных генераторов.

Трибоэлектрогенератор вырабатывает электричество, вращаясь на ветру

Единственным серьезным недостатком трибогенератора пока является использование золота для электродов, но разработчики сообщают, что золото можно заменить дешевыми синтетическими материалами. Новый генератор, вращаясь от ветра и других механических сил, способен вырабатывать «дармовую» электроэнергию, причем он может быть дешевле, чем генераторы с магнитами из редкоземельных металлов.

Открыт новый необычный магнитный материал

Ученые разработали новый магнитный материал, который может полностью преобразить технологии магнитных дисков и энергетику. Материал, который пока даже не имеет названия, обладает способностью сильно менять свои магнитные свойства под воздействием даже небольших изменений температуры. «Никакой другой материал, известный нам, не способен на это. Это поразительный эффект. И мы можем подвергать этот материал обработке», – заявил Айван Шуллер, сотрудник Университета Калифорнии в Сан-Диего.

Он представил результаты своего открытия на заседании Американского физического общества в Денвере.

Этот биметаллический материал является сплавом двух тонких слоев никеля и окиси ванадия.

«Мы можем контролировать магнитные свойства этого сплава, подвергая его легкому нагреву в очень узком диапазоне температур, не прибегая к воздействию магнитного поля. И в принципе того же можно добиться, подводя к сплаву электрический заряд», – заявил профессор Шуллер.

«При низких температурах окись ванадия выступает в качестве изолятора. При высокой температуре это металл. А в промежутке она превращается в это необычное вещество», – говорит он.

Хотя пока еще слишком рано говорить о его практическом применении, профессор Шуллер считает, что наиболее очевидной областью является компьютерная память.

«Проблема с магнитной памятью заключается в ее обратимости – нам нужно, чтобы она была способна сохранять данные и в то же время записывать новые», – поясняет он.

«В настоящее время наиболее совершенные системы используют устройства нагрева, но это лазеры, которые производят огромное количество тепла. А в новом материале достаточно изменить температуру биметаллического слоя всего на 20 кельвинов, как вы получаете пятикратное изменение магнитопроницаемости», – сообщил профессор Шуллер на конференции.

Другая возможная сфера применения – в области энергопередачи. Профессор Шуллер предсказывает создание нового типа трансформатора, который способен справляться с внезапными скачками напряжения, которые происходят во время гроз или перегрузке сетей. Он указывает при этом, что открытия подобного типа часто приводят к появлению совершенно неожиданных технологий. В качестве примера он приводит открытие гигантского магнетосопротивления, которое привело к миниатюризации магнитных дисков в цифровых устройствах и удостоилось Нажать Нобелевской премии 2007 года.

«Без этого открытия тот компьютер, которым мы пользуемся повседневно, просто не смог бы работать», – сказал ученый на конференции.

«Я не утверждаю, что новый материал решит проблему мирового энергического кризиса, однако не сомневаюсь, что он сильно продвинет нас в этом направлении», – добавил он.

Отдел науки, Би-би-си, Джеймс Морган

«Вечный» генератор питается излучением Земли

Ученые предложили способ использования простого выпрямителя тока для поглощения и переизлучения инфракрасного света, который испускает наша планета. Расчеты показывают работоспособность идеи, предлагающей новый способ генерации чистой энергии.

Физики из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук (SEAS) предложили устройство, которое может превращать энергию ИК-излучения в электричество. Как известно, наша планета нагревается Солнцем, и по сравнению с окружающим космическим пространством она очень горячая. Благодаря последним технологическим достижениям, эта разница температур может быть преобразована в постоянный ток (DC). По-сути, излучение Земли – это огромный неиспользованный источник энергии, и ученые нашли возможность извлечь из него пользу.

«На первый взгляд звучит странно: получать энергию, излучая тепло в космос, но наше устройство работает именно так, - рассказывает изобретатель новой технологии физик Федерико Капассо. – Наш прибор является промежуточным звеном на пути ИК-излучения в космос и превращает часть этого излучения в электроэнергию».

Группа Капассо предполагает два различных вида генератора, работающих на принципе захвата ИК-излучения: один, макроразмерный, является аналогом солнечного коллектора, а второй, наноразмерный, - аналогом фотоэлектрчисекой панели.

Устройство, созданное Федерико Капассо, использует средний ИК-диапазон, который до изобретения квантового каскадного лазера оставался вне внимания ученых. Капассо предлагает использовать это излучение для работы оригинальных фотоэлектрических панелей, которые вырабатывают электроэнергию, не поглощая видимый свет, а излучая инфракрасный.

На первый взгляд – это абсурд, солнечная панель излучающая свет, однако расчеты показывают, что она действительно выдает ток. Суть макроразмерного «эмиссионного комбайна» Федерико Капассо в использовании термоэлектрического эффекта: выработки электричества под воздействием разницы температур. Устройство представляет собой две соединенные пластины: одна («горячая») направлена к земле и поглощает ИК-излучение, а вторая («холодная») направлена вверх и сделана из материала, эффективно отдающего тепло.

Ученые измерили ИК-излучение поверхности Земли в городе Ламонт, штат Оклахома, США, и подсчитали, что разница температуры между пластинами позволит генерировать несколько ватт на квадратный метр. Надо отметить, что удельная мощность солнечного излучения в безоблачный день может доходить до 1400 ватт на кв. м, тогда как современные солнечные панели могут преобразовать в электричество лишь 10-20% этой энергии, причем только днем, в то время, как устройство Капассо выдает электричество днем и ночью и не требует наведения на Солнце.

Электрическая схема устройств Федерико Капассо очень проста, однако требует компонентов с уникальными для современной техники характеристиками. На фото три генераторные цепи с разной входящей температурой. Цепь А в равновесии и не вырабатывает ток; цепь В – обычный выпрямитель тока; цепь С – устройство Капассо, вырабатывающее ток

Федерико Капассо также предложил и второй, более эффективный нанотехнологичный, тип круглосуточной солнечной панели, основанной на принципе диода Ганна, предложенного в 1968 году и используемого в полицейских радарах. Суть термоэлектрического генератора второго типа заключается использовании способности электрической цепи самопроизвольно «толкать» ток в любом направлении. Так, если компонент электросхемы, например простой диод, нагрет больше, чем резистор, цепь создает электрический шум, производя положительное напряжение. Федерико Капассо полагает, что роль резистора может выполнить микроскопическая наноантенна, способная эффективно излучать ИК-лучи. Таким образом диод в сочетании с нанотехнологичными антеннами составят термоэлектрическую пару, вырабатывающую ток.

Оба устройства Капассо, на базе макропластин и наноантенн, могут быть созданы с помощью новейших достижений в области плазмоники, микроэлектроники и новых материалов, таких как графен. Возможно, уже в ближайшие годы удастся разработать микроскопические диоды, которые могут работать на низких напряжениях и переключаться с частотой 30 трлн раз. В случае успеха, станет возможным создание высокоэффективных нанотехнологичных термоэлектрических панелей Капассо, которые в буквальном слове будут впитывать энергию из окружающей среды.

Самозаряжающаяся батарейка достигла рекордной ёмкости

Пока ею можно запитывать лишь автономные сенсорные системы и калькуляторы, но создатели нового аккумулятора уверяют, что вскоре дотянутся и до активно разрабатываемых сейчас гибких мобильных телефонов.

Группа исследователей во главе с Чжунлинь Ваном (Zhong Lin Wang) из Технологического института Джорджии (США) создала самозаряжающую батарею, не требующую для возобновления заряда подключения к розетке.

Новинка заряжается после приложения механического нажатия, заставляющего ионы лития мигрировать от катода к аноду в силу пьезоэлектрического эффекта. Чтобы повысить эффективность прототипа, исследователи добавили в его пьезоэлектрический материал наночастицы, усиливающие соответствующий эффект, и добились существенного увеличения ёмкости и скорости подзарядки устройства.

Схема строения плёнки из поливинилиденфторида и цирконат-титаната свинца (a-c), её снимок (d) и её размещение под кнопками калькулятора (e). (Здесь и ниже иллюстрации Zhang, et al.)

При толщине в несколько сот микрометров батарейка легко помещается в обычном круглом формфакторе, поэтому её подзарядка не представляет особых сложностей. Помещая свою разработку под запитываемое устройство, к примеру, калькулятор, исследователи обеспечили работоспособность батарейки просто за счёт эксплуатации энергии нажатия (при работе с кнопками). И электронное устройство могло работать целые сутки.

«Самовосполняемые батарейки, заряжаемые механической деформацией или вибрацией от воздействий окружающей среды, могут применяться в различных автономных сенсорных системах, а также в гибкой и портативной электронике, скажем, в гибких мобильных телефонах и системах мониторинга состояния здоровья человека», — считает г-н Ван.

Ключевая особенность батареи — замена полиэтиленового разделителя между двумя электродами литиевой батареи пьезоэлектрической плёнкой из поливинилиденфторида, в которую добавлены наночастицы пьезоэлектрика ЦТС (цирконат-титанат свинца). Сейчас ёмкость батареи размером со стандартную «таблетку» для матплат выросла с начальных 0,004 до 0,010 мА·ч, при этом существенно увеличилась скорость её зарядки.

Конечно, обычная электроника будет «сопротивляться» внедрению этого изобретения — если только не компоновать множество таких устройств в одну группу. А вот гибкие мобильные телефоны будущего будут постоянно испытывать небольшие деформации, уверены разработчики. Тут новые батареи и пригодятся, потому что смогут постоянно пополнять свой энергозапас даже при ходьбе, не говоря уже об интенсивной эксплуатации тачскрина или кнопок. Впрочем, поначалу функция таких устройств будет скорее вспомогательной, так как их ёмкость пока недостаточна для длительного поддержания смартфона в состоянии покоя.

Самозаряжающаяся батарейка до (а) и после нажатия (b).

Дальнейшее повышение эффективности опытной батарейки, как нам обещают, не за горами: исследователи уверены, что, сумев увеличить её ёмкость в два с половиной раза всего за год разработки, они в кратчайшие сроки добьются нужных результатов.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nanotechnology.

Подготовлено по материалам Phys.Org. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Александр Березин

Энергия моря: буи, морская змея и «волшебный ковёр»

Не одними приливными электростанциями жива эксплуатация Мирового океана в энергетических целях. Но какой из способов окажется самым практичным?

Приливные электростанции (ПЭС) — это хорошо, что видно хотя бы из полувекового французского и не менее интересного (правда, не такого длительного) корейского опыта. Но у них есть фундаментальные ограничения: они работают только в прилив или отлив (последний, кстати, эксплуатируют далеко не все станции). В итоге КИУМ для них равен 24–26%, а пик выработки часто приходится на ночной минимум сетевого потребления. Другая деталь: ПЭС есть смысл ставить только там, где приливы и отливы особенно высоки. (Богатейшая в этом смысле страна — сами понимаете, какая — в развитии такого вида энергетики не спешит перешагнуть даже 2-мегаваттный рубеж.) Что ещё важнее, ПЭС могут работать только в составе больших энергосистем, а в реальном мире обеспечивать энергией надо и изолированные острова, и прочие места, лишённые доступа к сети.

Oyster соединён с морским дном, поэтому его установка далеко в открытом море невозможна. (Иллюстрация Aquamarine Power.)

Буи Oyster 2

Один из концептов, пытающих избежать названных недостатков, — Oyster 2, разрабатываемый британской Aquamarine Power и использующий энергию волн в береговой полосе. На первый взгляд, это три буя, устанавливаемые поблизости от берега, обычно на глубине 10–16 м, но при этом соединённые с намертво заякоренным на дне грузом. При раскачивании буёв волнами рычажное соединение между ними и дном сокращается, нагнетая воду по трубе, ведущей на берег. Труба выходит на береговую полосу и подаёт воду в гидротурбину, имеющую мощность 2,4 МВт — как у приличного ветряка. Учитывая, что каждый буй предполагается длиной в 26 м, ясно, что это довольно материалоёмкая установка. Именно поэтому, чтобы проверить концепцию, в 2009 году разработчик начал с установки менее масштабных 315-киловаттных систем, которые действуют у Оркнейских островов вот уже пять лет, подавая электричество в общую сеть.

Очевидно, что это решение довольно громоздко, а установка требует ещё и огромной баржи. Тем не менее, несмотря на стоимость в $5 000–7 000 за киловатт-час установленной мощности, разработчики системы уверены в её экономической целесообразности. Да, говорят они, это недёшево, однако КИУМ электростанций довольно высок, ведь волны в полосе прибоя есть всегда (впрочем, это относится не ко всем побережьям), то есть генерация на каждый киловатт установленной мощности значительно выше, чем от фотоэлементов в умеренном климате или даже от ветряка.

Кроме того, замечают в Aquamarine Power, острова, являющиеся главной целью их технологии, сейчас платят вдвое–втрое дороже за киловатт-час, чем потребители в крупных сетях. Это и впрямь крупная проблема островных экономик, причём её не удаётся побороть даже на таких немаленьких архипелагах, как Гавайский: вроде бы возможности для крупных инвестиций в энергетику там есть, а киловатт-час всё равно стоит 7–8 рублей. В таких местах системы наподобие Oyster 2 будут идеальны, уверены в компании.

В то же время у технологии есть два заметных невооружённым глазом недостатка. Первый — место. Западная Ирландия, многие участки побережья островов Тихого океана и тому подобные места действительно характерны сильным систематическим волнением у берега. А вот, скажем, на Балтике с береговыми волнами не всегда хорошо. Вторая проблема — механическая прочность. Чем сильнее воздействие волн, тем выше вероятность поломок. И хотя сама турбина вынесена на берег, соединение буя с дном при очень сильном волнении может серьёзно пострадать, что вынуждает компанию периодически ремонтировать свои экспериментальные установки. Нельзя сказать, что это дорого или долго, но возникновение перебоев в любом случае не является плюсом для системы круглосуточного автономного энергоснабжения. Кроме того, в сильные штормы наблюдается пиковая генерация, которую, вообще говоря, некуда девать. Сейчас проблема компенсируется недовнедрённостью технологии, делающей лишь первые шаги, но что будет потом?

«Морская змея» Pelamis Wave Power Converter

Совсем другие идеи лежат в основе проектов британской же Pelamis Wave Power. Представители этой компании считают, что полоса сильного прибоя есть не везде, а механические поломки в ней вероятнее, чем в открытом море. Они используют соединённые в цепь («морская змея») плавучие полупогружённые цистерны, которые самостоятельно плавают на поверхности, не имея связи с дном, кроме банального якоря. Кстати, даже он необязателен, поскольку установка может использовать плавучий якорь, не требующий контакта с дном.

Глубина, на которой работает установка, в идеале должна превышать 50 м, а устанавливают её в 5–10 км от берега, где хорошее волнение. Электричество вырабатывается в силу взаимного колебания отдельных секций, из-за чего гидравлические насосы закачивают воду под давлением внутрь секций. Стандартный Pelamis Wave Power Converter состоит из пяти таких устройств, каждое из которых имеет отдельную турбину, работающую от поступающей воды. С увеличением волнения жёсткость соединения секций «змеи» автоматически корректируется, и генерация электричества меняется с большей плавностью, чем сила волн. Несмотря на то что волны в море часто меняют высоту сильнее, чем в полосе прибоя, выработка установки не скачкообразна, так как её мгновенная мощность зависит не от высоты волны, а от её крутизны (с ростом волны увеличивается и её длина, так что кривизна в целом меняется не очень сильно).

«Змея» (Pelamis Wave Energy Converter) при мощности 1 МВт имеет длину 180 м. Чтобы не стать угрозой судоходству, она окрашена кричаще яркие цвета. (Иллюстрация Pelamis Wave Power.)

Компания уже создала несколько полуэкспериментальных установок мощностью 750 кВт и пару более крупных — на 1 МВт, показав их высокою живучесть. Чтобы противостоять волнам высотой до 30 м (заявленный безопасный максимум), «змея» самоориентируется по направлению волнения, что исключает боковые удары. Если волна обрушивается прямо над погружёнными звеньями «змеи», то последняя как бы подныривает под неё без серьёзных повреждений. Несмотря на высокую живучесть, предусмотрено быстрое (15 мин) сворачивание плавучего или обычного якоря «змеи» и буксировка последней в док. Коэффициент использования установленный мощности системы равен, в зависимости от характера моря, 25–40% — то есть он в несколько раз больше, чем для фотоэлементов, и даже чуть выше среднего для мировой энергетики.

Сейчас Pelamis Wave Power разрабатывает мегаваттную версию своей установки и планирует на 2017 год создание первой крупной электростанции мощностью 10 МВт. Кстати, такой гигант, как E. ON, и меньшая по размерам ScottishPower Renewables уже имеют по одному устройству Pelamis, проводя их долгосрочные испытания. В ближайшие годы они собираются построить несколько волновых электростанций на этой основе, с общей мощностью более 50 МВт.

Это начинание выглядит очень перспективно, хотя нельзя не заметить, что пока не вполне ясна окончательная цена киловатт-часа установленной мощности. Кроме прочего, причина в том, что каждая группа установок требует подсоединения к материку подводным кабелем, и от удалённости от берега и количества установок в группе этот компонент может резко меняться. Понятно, что чем больше «морских змей» в каждой волновой ферме, тем ниже удельная стоимость, но до начала массового развертывания таких систем сделать корректную оценку довольно сложно.

Водоизмещение 1-мегаваттной системы равно 1 350 т, длина — до 180 м, а диаметр — 4 м. С такими размерами очевидно, что стоимость вырабатываемой энергии будет зависеть ещё и от массовости производства подобной системы.

«Волшебный ковёр» обещает извлекать с одного метра прибрежного калифорнийского дна столько же энергии, сколько фотоэлементы получают с 64 м² тамошней суши. (Иллюстрация UCB.)

«Волшебный ковёр» Резы Алама

Наконец, третий подход, авторства Резы Алама (Reza Alam) из Калифорнийского университета в Беркли (США). Он основывается на эксплуатации волн в прибрежной полосе, однако с самого начала нацелен на полное исключение повреждения системы волнами. Ради этого установку помещают на дно близ берега (до глубин в 18 м), где она под ударами волн колеблется, благо её верхняя часть сделана из полимерного «коврика». Под ковриком находятся насосы, которые от колебаний нагнетают воду по трубопроводу малого сечения на берег. Там эта вода под давлением может быть использована либо в турбине, либо в установке обратного осмоса для опреснения морской воды.

Последнее весьма важно, поскольку в малых энергосистемах спрос на электричество есть не всегда. И тогда невостребованную волновую энергию можно тратить на опреснение или запасать с помощью пневматического аккумулятора. Недавние испытания системы в опытных резервуарах показали, что, несмотря на придонное расположение, так можно извлечь до 90% энергии волн, причём вне зависимости от их высоты и амплитуды:

Среди недостатков этой технологии главным пока является отсутствие реальной проверки морем: первая опытная волновая станция такого типа будет построена лишь в 2016 году.

В то же время «волшебный ковёр» Резы Алама выглядит довольно здравой альтернативой другим методам использования волновой энергии, не в последнюю очередь благодаря способности к ослаблению волн над собой и, следовательно, неповреждаемости. По словам конструктора, результаты лабораторных экспериментов в условиях усреднённого калифорнийского побережья показали, что 100 м² его «ковра» дадут столько киловатт-часов, сколько 6 400 м² солнечных батарей, расположенных в той же местности. И, разумеется, работает «ковёр» не только днём.

http://newscenter.berkeley.edu/2014/01/28/seafloor-carpet-catches-waves-to-harness-energy/

news.nationalgeographic.com/news/energy/2014/02/140220-five-striking-wave-and-tidal-energy-concepts/

Батарейка размером с зерно риса, показала рекордную ёмкость

Очень часто заряд батареи, нужной для тех или иных научных целей, просто не получается уместить в требуемый объём. И это проблема: даже слежение за обычным лососем в воде становится крайне сложным, ибо при прохождении порогов любой наружный прибор может разбиться. В идеале он должен быть внутри организма, но как его туда поместить?

Электроника нужной миниатюрности — давно не проблема, чего не скажешь об аккумуляторах. Чтобы изменить положение, Цзе Сяо (Jie Xiao) из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) совместила катод из фторида углерода и анод из лития и затем соединила их ламинированием в очень тонкую «скатку». Получилось что-то вроде цилиндрического «ролла» малого диаметра.

Новая батарея на фоне рисовых зёрнышек (здесь и ниже фото PNNL).

Ну а чтобы иметь максимально высокую внутреннюю площадь батареи (а именно её нехватка не позволяла пиковой мощности микроаккумулятора быть большой), исследовательница свернула слоёную пластину много раз — оборачивая внешние слои вокруг внутренних.

При этом полное внутренне сопротивление батареи за счёт большой рабочей поверхности удалось удержать в разумных пределах. Обычно высокое полное сопротивление является результатом «заторов» в движении электронов внутри батареи, и чем меньше аккумулятор, тем оно выше. Именно поэтому создать маленькие накопители с удельной ёмкостью больших считается почти невозможным.

В данном же случае — за счёт создания аккумулирующего «ролла» — электроны двигались сравнительно свободно, и, несмотря на очень малые размеры, ёмкость на единицу объёма поднялась вдвое выше, чем у устройств-аналогов.

В итоге аккумулятор весит какие-то 70 мг, то есть он в два раза легче нынешних батарей, используемых для подпитки акустических меток, которые применяются биологами для отслеживания той же рыбы. 6-миллиметровая длина и 3-миллиметровая ширина позволяют изделию легко «проникать» в организм не только взрослой рыбы, но и молоди, что раньше и вовсе было недоступно, а ёмкость в 240 Вт•ч/кг (выше, чем у больших литиевых!) даёт возможность долгое время держать метку активной и хорошо различимой даже в окрестностях больших плотин, где звуки турбин обычно мешают «услышать» рыбу.

Акустическая метка с новой микробатарейкой может посылать стандартный сигнал длиной в 744 мс каждые три секунды в течение трёх недель — или же каждые пять секунд на протяжении месяца.

Цзе Сяо со своей супербатарейкой.

Использование фторида углерода позволяет батарее не терять ёмкость даже в очень холодной воде, которую предпочитают лососи, что опять же настоящая находка для ихтиологов, и не только.

Устойчивые к холоду микробатарейки высокой ёмкости могут пригодиться во множестве приложений — от бытовой электроники до малозаметной следящей аппаратуры. Технология уже запатентована.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Scientific Reports (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории.

Александр Березин

Травоядная газонокосилка.

В апреле компания EcoMow Technologies обещает начать продажи интересного устройства: роботизированной газонокосилки, которая в буквальном смысле питается травой

Оригинальная газонокосилка обеспечивает себя энергией за счет превращения травы в топливо

Газонокосилка EcoMow использует траву в качестве топлива. Для этого она оснащено специальным устройством, которое превращает срезанную траву в высушенные гранулы, которые служат топливом для генератора, вырабатывающего электричество. Для превращения травы в биомассу, газонокосилка оснащена своеобразной «мясорубкой», только создающей гораздо большее давление и температуру. Вся работа системы преобразования травы в топливо автоматизирована и управляется компьютером.

Устройство газонокосилки EcoMow: спереди расположены ножи, шнек и сушилка. В центре – газогенератор и одноцилиндровый электрогенератор, работающий на газу

«Сердце» EcoMow – это газогенератор, который сжигает высушенные гранулы в ходе пиролиза, то есть разлагает биомассу без участия кислорода. Образовавшиеся в результате газообразные углеводороды, служат топливом для 4-тактного одноцилиндрового генератора, вырабатывающего электричество. Горячий воздух от газогенератора используется для сушки биомассы.

Газонокосилка полностью обеспечивает себя энергией, более того, по замыслу разработчиков, подобные устройства могут служить источником электроэнергии в случае аварии сети электроснабжения или основным источником электричества в полевых условиях или в развивающихся странах.

СЖИЖЕННЫЙ ВОЗДУХ БУДЕТ ИСПОЛЬЗОВАТЬСЯ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

В Великобритании будет построена промышленная станция хранения энергии, работающая на сжиженном воздухе.

На прошлой неделе британская компания Highview Power Storage объявила о том, что Министерство энергетики и изменения климата Великобритании предоставило ей грант в размере £8 на строительство гигантского «аккумулятора», работающего на сжиженном воздухе. Highview Power Storage уже эксплуатирует подобную экспериментальную станцию, однако в промышленных масштабах с помощью жидкого воздуха можно будет запасти достаточно энергии, чтобы в течение трех часов станция могла выдавать мощность 5 МВт.

Технология, используемая Highview Power, во многом напоминает аккумулирование энергии путем закачки в резервуары сжатого воздуха, однако в данном случае воздух не просто сжимается, а охлаждается и переходит в жидкое состояние. Сжиженный воздух хранится в специальных сосудах при температуре около -200°С, а при необходимости его испаряют, получив газ под высоким давлением, который вращает турбину электрогенератора.
Одно из преимуществ такого подхода – использование распространённого и коммерчески доступного оборудования, которое широко применяется и в других отраслях. Стоимость хранения одного киловатт-часа электроэнергии оценивается в £533, однако на крупномасштабном предприятии может быть снижена до £500 и меньше. Тем не менее, Highview Power сталкивается с жесткой конкуренцией со стороны производителей аккумуляторных батарей, которые рассчитывают снизить стоимость хранения энергии.
По сообщению IEEE Spectum

День рождения Алессандро Вольты. Пять «батареек» для завтрашних технологий

18 февраля 1745 года в итальянском городишке Комо родился Алессандро Джузеппе Атонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта — будущий изобретатель первого химического источника электрического тока.

Заинтересовавшись исследованиями «животного электричества» Гальвани, Алессандро Вольта проделывает множество экспериментов, результатом которых в конечном итоге становится его знаменитый «вольтов столб» — электрическая батарейка. А самую первую свою батарею Вольта назвал «короной из чашек»: несколько чашек, заполненных подогретым раствором соли, он поставил по кругу. В каждую из них опустил пластинки из разных металлов. Пластинки соседних чашек были соединены медными проводками… Но это было очень непрактично. И вот в 1799 году в лаборатории Вольта рождается, говоря сегодняшним языком, чрезвычайно технологичная и надёжная конструкция источника постоянного электрического тока — «вольтов столб».

Вот как он сам описывает своё изобретение: «Я кладу на стол или на какую-нибудь опору одну из металлических пластинок, например серебряную, и на неё цинковую и затем мокрый диск и т. д. в том же порядке. Всегда цинк должен следовать за серебром или наоборот, в зависимости от расположения их в первой паре, и каждая пара перекладывается мокрым диском. Таким образом я складываю из этих этажей столб такой высоты, который может держаться, не обрушиваясь». Были испытаны самые разные сочетания металлов, и оказалось, что лучше всего «работают» кружки из меди и цинка, между которыми помещена картонная прокладка, пропитанная калиевой щёлочью.

Забавно: одними из первых потребителей «вольтова столба», создававшего напряжение в 60–70 В, стали врачи, лечившие своих пациентов разрядами электрических скатов. Скаты были в дефиците, а желающих пройти процедуру — хоть отбавляй. Известно, что в Англии за один удар током пациенты платили от 2 до 12 шиллингов. Ясное дело, «вольтов столб» пошёл на ура… Кстати, когда в 1801 году Вольт приехал в Париж для демонстрации Наполеону Бонапарту своих электрических опытов, его главное изобретение так и называлось — «искусственный электрический орган, имитирующий натуральный электрический орган угря или ската». Демонстрация опытов привела Наполеона в восторг. Он распорядился отчеканить в честь Вольты медаль, учредить премию в 80 тыс. экю, а позднее удостоил графского титула и сделал его членом Королевского сената Италии.

В каком-то смысле Алессандро Вольта можно сравнить со скалолазом, который, где-то там, на вершине, столкнул вниз камешек, вызвавший грандиозную лавину. Лавину открытий, изобретений, технологий, которые стали возможными благодаря простому обстоятельству: в руках исследователей электричества появился надёжный источник… электричества. Всё остальное, как говорится, дело таланта и техники. Сегодня, в день рождения Алессандро Вольты, давайте посмотрим, чем заняты нынешние продолжатели его дела, 269 лет спустя.

1. Мельчайшая батарейка
Эта разработка группы исследователей Национальной лаборатории «Сандиа» (США) под руководством Цзяньюй Хуана (на фото ниже) пока не рассматривается в качестве прототипа какого-либо продукта, однако позволяет составить представление о возможных плотностях энергии, накапливаемой в литиевых аккумуляторах.

Самая маленькая из ныне существующих литий-ионных аккумуляторных батарей была изготовлена на базе нановолокна из оксида олова (катод) и оксида кобальта (анод). С помощью просвечивающего электронного микроскопа Центра нанотехнологий Министерства энергетики США исследователи смогли в реальном времени наблюдать процессы внедрения ионов лития в кристаллическую решётку наноэлектрода и убедиться, что нановолокна способны не разрушаясь многократно выдерживать колоссальные механические напряжения (более 10 ГПа) во время насыщения литием. Самый маленький в мире аккумулятор-проволочка имеет длину 10 мкм и диаметр 100 нм. Рабочее напряжение — 3,5 В при токе порядка единиц пикоампер.

2. Печатное издание аккумулятора
«Напечатать» на 3D-принтере крохотный литий-ионный аккумулятор размерами менее 1 мм сумела недавно группа исследователей из Гарвардского и Иллинойсского университетов. Специальная печатающая головка с отверстием диаметром 30 мкм формировала слои электродов со скоростью 1 миллиметр в секунду.

Катод аккумулятора представляет собой литированный фосфат железа, анод — титанат лития. В ходе экспериментов был изготовлен работоспособный образец аккумулятора, помещённый в пластиковый корпус, содержащий крошечную каплю электролита (на фото внизу).

3. Чистая органика…
От самых маленьких аккумуляторов перейдём теперь к гигантским конструкциям новейших так называемых проточных аккумуляторов (на фото ниже — одно из таких устройств), призванных стать накопителями энергии, которая вырабатывается солнечными станциями, ветрогенераторами и электростанциями, использующими энергию океанских приливов. Главной идеей этого типа аккумуляторов является хранение энергии не в электродах, а в электролите, что открывает принципиальную возможность создавать хранилища энергии практически любой ёмкости.

Самые последние новости из области этих технологий связаны с созданием проточных аккумуляторов, в которых используются электрохимические реакции в среде органических соединений. Совсем недавно группа учёных Гарвардского университета под руководством Майкла Азиза запустила в работу проточный аккумулятор на основе водного раствора хинонов (исследователи шутят: эти вещества сродни тем, которыми так богато растение ревень).

Главным преимуществом новой конструкции органического аккумулятора перед существующими является значительное снижение удельной стоимости. Если традиционные «проточники» на неорганическом электролите имеют стоимость около $700 за кВт•ч, то новый гарвардский аккумулятор оценивается всего в $27.

4. Стартапы наступают…
Только за прошлый год на цели создания новых типов химических источников тока более десятка стартапов в США получили финансирование в сумме более $1,5 млн «на брата». Над чем они работают сейчас? Ну, вот, например…

Стартап Ambri профессора Массачусетского технологического института Дона Садовея развивает направление, в рамках которого планируется создать новый тип аккумулятора, где используются электроды из жидкого металла и расплавленный солевой электролит.

Компания Imprint Energy вовсю трудится над созданием ультратонких, гибких, как бумага, аккумуляторов, изготавливаемых по технологии трафаретной печати. В этих приборах вместо лития будет использоваться цинк. Основными потребителями новых аккумуляторов, как сообщается, будут носимые медицинские приборы. На фото ниже — более «толстый» аналог этой разработки от компании Apple.

Финансируемый американской программой ARPA-E стартап Pellion нацелился на тотальный перебор всех возможных материалов катода аккумулятора, способных работать с магниевым анодом. С этой целью создана специальная компьютерная программа моделирования, которая должна проанализировать более 10 тысяч возможных электрохимических пар.

Компания Prieto Battery, созданная профессором Эйми Прието, намерена в течение ближайших полутора лет выпустить новый литий-ионный аккумулятор на основе медных нанопроводов (анод) и твёрдого полимерного электролита, который будет способен заряжаться за 5 минут, имея ёмкость в 5 раз выше нынешних.

5.И запах серы…
Аккумулятор рекордной энергоёмкости на базе необычной электрохимической пары «литий — сера» создали в Лоуренсовской национальной лаборатории в Беркли. Если обычная литий-ионная батарея обладает удельной ёмкостью около 200 Вт•ч/кг, то у нового литий-серного аккумулятора этот показатель достигает 350–400 Вт•ч/кг. В случае использования этой батареи в электромобиле, дальность пробега его составит примерно 450–500 км без подзарядки (против 180–250 км на литий-ионной той же массы).

Новая батарея, кроме того, способна выдержать около 1 500 циклов заряда-разряда, что в 1,5 раза выше, чем у литий-ионных. Столь замечательные характеристики достигнуты, в числе прочего, за счёт применения нового композитного анода на базе связки графен — сера.

10 самых прорывных технологий 2013 года и основанные на них стартапы

Пересказ с www.technologyreview.com/featuredstory/513736/supergrids/. MIT опубликовал список самых прорывных технологий за 2013 год.

«Deep-learning» — «Глубокое обучение».

Фундаментальной идеей проекта является идея о создании по-настоящему умного компьютера, который мог бы понимать человеческий язык, а выводы и решения делать самостоятельно. Создателем идеи является американский изобретатель Рэй Курцвейл, и история его стартапа начинается со встречи с генеральным директором Google Ларри Пейджем. Целью их встречи было обсуждение предстоящей книги Курцвейла под названием «Как создать разум» («How to Create a Mind»). Во время встречи Курцвейл поделился своим желанием открыть компанию, чтобы реализовать свою концепцию «умного» компьютера. Конечно, для реализации такой идеи необходимы вычислительные мощности масштаба компании Google и, выслушав идею, такой профессионал как Ларри Пейдж понимал, что ее будет сложно осуществить маленькой компании с собственным источником дохода, так он предложил Р. Курцвейлу присоединиться к Google. Долго не думая Курцвейл стал работать на Google в качестве технического директора. Одной из причин такого быстрого согласия выступили достижения компании в области так называемого «глубокого обучения». Алгоритм программы пытается имитировать деятельность нейронов в новой коре головного мозга, в которой происходит около 80-ти процентов мышления. Программное обеспечение узнает, в самом прямом смысле этого слова, как распознавать закономерности в звуках, изображениях и других данных. Таким образом, основная идея глубокого обучения в том, что программное обеспечение может имитировать большой массив нейронов неокортекса в искусственной «нейронной сети». Сегодня ученые в области теории вычислительных машин и систем, программисты могут моделировать намного больше слоев виртуальных нейронов, чем когда-либо прежде благодаря постоянному совершенствованию математических формул и увеличению мощностей компьютеров, и исследования в этой области продолжаются. Одно из их достаточно весомых достижений было отмечено в июне прошлого года, когда системе глубокого обучения «Гугла» продемонстрировали 10 млн кадров YouTube-видео, и она вдвое эффективнее других программ распознавала кошек и прочие объекты. Интересно, что технология помогла корпорации скорректировать работу приложения по распознаванию речи для мобильных телефонов.

( Read more... )

Ученые в США ставят ядерный синтез на службу АЭС

По сообщению ВВС специалисты Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии в ходе двух экспериментов впервые получили больше энергии при ядерном синтезе, чем при распаде ядер, что может стать важным шагом на пути к новому функционированию АЭС.

Как отмечается в журнале Nature, ученые предупреждают, что до получения достаточного количества энергии для поддержания атомного реактора еще далеко.

Физики возлагают большие надежды на ядерный синтез, поскольку для реакции необходим лишь водород, запасы которого неисчерпаемы.

Используемая в современных АЭС технология ядерного распада, напротив, предполагает использования крайне недешевого урана.

Ссылок на материал и упоминаний на сайте Nature не нашёл.

UPD. Статья об открытии на сайте Ливерморской национальной лаборатории им. Э.Лоуренса https://www.llnl.gov/news/aroundthelab/2014/Feb/NR-14-02-06.html#.Uvx5lIUwZO0

Ученые впервые в ходе управляемой реакции термоядерного синтеза получили на 1% больше энергии, чем было затрачено на ее инициацию. Это важное достижение на пути к овладению технологией, которая решит энергетические проблемы человечества.

С помощью набора самых мощных лазеров NIF (National Ignition Facility) американской Ливерморской национальной лаборатории, ученые впервые получили от управляемой реакции термоядерного синтеза чуть больше энергии, чем было поглощено топливом. По словам ученых, это важная символическая веха, которая укрепляет веру в то, что человечеству удастся овладеть практически неисчерпаемым источником энергии.

Разумеется, до конечной цели еще далеко: зажигание и поддержание стабильной реакции, выдающей огромное количество энергии, пока остается отдаленной перспективой. Тем не менее, руководитель проекта по изучению высокоэнергетических рентгеновских импульсов в Sandia National Laboratory Марк Херрманн отметил, что это важный шаг на пути к зажиганию продуктивной реакции.

Управление термоядерной реакцией оказалось чрезвычайно трудным делом. Проблема в том, что необходимо управлять чрезвычайно сложным рабочим телом: плазмой, нагретой до температуры в миллионы градусов. Ученые из разных стран исследуют различные способы поддержания термоядерной реакции, например опытная установка ITER, строящаяся на юге Франции, будет удерживать плазму магнитными полями внутри реактора тороидальной формы.

В ходе обычной ядерной реакции энергия выделяется в результате ядерного распада очень тяжелых атомных ядер, например, урана. При термоядерном синтезе, энергию образуется в результате слияния легких ядер, например водорода. Во время такой реакции крошечная часть массы отдельных атомных ядер водорода превращается в энергию. Именно термоядерный синтез питает звезды, в том числе и наше Солнце.

Мишень с хольраумом, готовая к «обстрелу» лазерами

Для зажигания термоядерной реакции необходимо применить значительное количество энергии, чтобы преодолеть силу электростатического отталкивания атомных ядер и сблизить их друг с другом. В NIF эта энергия обеспечивается воздействием 192 мощных лазеров, которые облучают золотой цилиндрический топливный контейнер размером с горошину. Этот контейнер, названный хольраум, содержит песчинку топлива: тончайший слой из дейтерия и трития. Хольраум поглощает энергию лазеров и повторно излучает ее в виде рентгеновских лучей, часть которых поглощается капсулой топлива. При этом внешний пластиковый корпус хольраума взрывается, и сила взрыва сжимает легкие атомные ядра до такой степени, что этого достаточно для запуска термоядерного синтеза.

Геометрия хольраума с капсулой внутри. Это модель топливной ячеки для будущих термоядерных реакторов

К сожалению, до сих пор большая часть энергии лазеров поглощалась хольраумом, а не пластиковой оболочкой, что приводило к ее неравномерному и менее интенсивному испарению. В итоге хольраум поглощал слишком много энергии - гораздо больше, чем давала термоядерная реакция на выходе.

Чтобы решить эту проблему, ученые перенастроили лазер, чтобы доставить больше энергии в начале импульса. Это приводит к более интенсивному нагреванию хольраума и «разбуханию», пластиковой оболочки. В результате пластиковая оболочка становится менее склонной к неравномерному испарению и меньше нарушает течение термоядерного синтеза.

В результате исследователи смогли достичь положительного выхода энергии на уровне 1,2-1,9 от затраченной, причем большая часть произведенной энергии была получена в ходе самонагревания топлива излучением, что является важным условием поддержания стабильной управляемой реакции синтеза. Ранее ни в одной лаборатории не удавалось достичь подобного результата. Несмотря на то, что положительный выход энергии составил лишь на 1% больше затраченной на зажигание синтеза, – это большой успех.

General Eleсtric: магнитные холодильники вытеснят традиционные в ближайшие десять лет

Компания GE анонсировала выпуск холодильных установок на основе магнитокалорического эффекта и показала опытную установку. В ней нет ни сжижаемых хладагентов, ни компрессоров. Отсутствуют даже термоэлектрические преобразователи (элементы Пельтье), столь популярные в автомобильных холодильниках, туристическом снаряжении и экзотических системах охлаждения компьютеров.

Конструкция магнитного холодильника довольно проста. Какой-либо объект (бутылка воды, радиатор чипа, воздух в камере) охлаждается, отдавая своё тепло металлическим пластинам. Они контактируют с теплоносителем, во внутренней структуре которого под действием магнитного поля происходят обратимые циклические изменения.

Экспериментальная холодильная установка на основе магнитоэлектрического эффекта (фото: General Electric)

Экспериментальная холодильная установка на основе магнитоэлектрического эффекта (фото: General Electric).

Для лабораторных исследований список веществ, подходящих на роль теплоносителя в магнитном холодильнике, исчисляется десятками. Он включает ферро-, антиферро- и ферримагенитки, но практически значимый магнитокалорический эффект сильнее всего выражен у некоторых парамагнетиков.

В зависимости от конкретной технической задачи основным теплоносителем может служить парамагнитный материал в различном агрегатном состоянии. Обычно удобнее использовать окись азота или алюминий.

Молекулы парамагнетиков полярные, то есть обладают магнитным моментом. В обычном состоянии они ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Во внешнем магнитном поле они стремятся расположиться в направлении магнитных линий. За счёт этого внутренняя структура парамагнетиков временно становится более упорядоченной. Происходит обратимое понижение энтропии, приводящее к снижению температуры.

В экспериментах эффект хорошо наблюдается в адиабатических условиях, то есть при наличии теплоизолирующей оболочки вокруг парамагнетика. Если же её убрать, то обмен с окружающей средой приведёт к выравниванию температуры. Подвергаясь действию переменного магнитного поля, парамагнетики сначала аккумулируют тепло (понижая температуру воздуха и более нагретых тел вокруг себя), а затем отдают его на радиатор в следующем цикле. Далее, как и в любой холодильной установке, тепло уносится во внешнюю среду.

Системы охлаждения на основе магнитокалорического эффекта актуальны не только для бытового, но и для промышленного применения — в частности для создания надёжных и малозатратных систем охлаждения в серверных и дата-центрах. Ведущий автор исследования Венкат Венкатакришнан (Venkat Venkatakrishnan) высоко оценивает значимость этой работы. «Мы на пути к очередной революции в системах охлаждения», — пишет он в отчёте.

По оценкам GE, магнитокалорическое холодильное оборудование вытеснит компрессорное в течение ближайших десяти лет.

Идея создавать магнитные холодильные установки была предложена очень давно. Профессор Фрайбургского университета (Германия) Эмиль Габриель Варбург описал тепловые эффекты в парамагнетиках ещё в 1881 году. Долгое время работа не находила применения, поскольку создаваемые установки отличались низкой производительностью.

Спустя столетие, в 1980-х, исследователи Лос-Аламосской национальной лаборатории (США) смогли получить практически значимый магнитокалорический эффект при помощи дорогостоящего магнита со сверхпроводящей обмоткой.

Экономически целесообразными такие системы удалось сделать только недавно — за счёт применения новых материалов и подходов к реализации процесса теплообмена. Вместо создания переменного магнитного поля с помощью катушек индуктивности GE предлагает использовать вращение постоянных неодимовых магнитов.

Такой метод снижает затраты электроэнергии и позволяет создавать экономичные магнитные холодильники. По предварительным расчётам, их энергоэффективность превосходит традиционные системы охлаждения на 20%. Экспериментальная установка далека от показателей будущих серийных моделей, но уже легко превращает воду в лёд.
Андрей Васильков

Оригинал взят у

nippon_life в США разрешило экспорт сланцевого газа в Японию

Япония получила официальное разрешение от правительства США на экспорт сланцевого газа из южноамериканского штата Луизиана.

Разрешение было выдано во вторник Министерством энергетики США. В договоре с Луизианой участвуют японские компании Mitsui и Mitsubishi, а также транспортная компания Nippon Yusen. Начиная с 2017 года, они планируют ежегодно доставлять в Японию сжиженный американский газ объемом около 8 млн. тонн.

Рост спроса на сланцевый газ вырос в связи с внедрением новых технологий, приведших к снижению цен на углеводороды на американском внутреннем рынке. Добыча ранее невыгодных и плохо извлекаемых запасов сланцевого газа и нефти в США произвели просто таки фурор.

Напомним, что США, по подсчетам экспертов, является обладателем около 10% всех мировых запасов сланцевого газа. А для Японии, небогатой на полезные ископаемые, вопрос альтернативного и более дешевого топлива стоит как никогда остро.

По материалам информационного агентства yaponia.biz

За три месяца дата-центры Google потратили электричества на $2,25 млрд — и это прогресс

Впервые за последние два года компания Google сумела снизить расходы на свои дата-центры, одновременно увеличив их вычислительную мощность и количество обрабатываемых данных.

Как известно, крупные центры обработки данных потребляют мегаватты. Для них строят отдельные электростанции и разрабатывают сложные системы автономного питания. Вместе с тем оплата электроэнергии составляет лишь часть расходов на дата-центры. Солидные счета выставляются за обслуживание мощных систем охлаждения, замену вышедшего из строя оборудования, круглосуточный мониторинг, охрану и другие работы.

На обработку одного поискового запроса в средним тратится 0,3 Вт•ч, а каждый пользователь Gmail стоит компании более двух киловатт-час в год. Объёмы данных растут быстрее, чем работает закон Мура, поэтому затраты развивающихся компаний на обслуживание серверов становятся больше год от года. Если в начале 2012 года дата-центры обходились Google в $607 млн, то в начале прошлого сумма увеличилась вдвое ($1 203 млн). Тенденцию нетрудно продолжить, умножая ежегодный объём затрат в полтора–два раза.

Динамика ежеквартальных затрат Google на ИТ-инфраструктуру (изображение: Derrick Harris / Infogram).

Однако согласно опубликованному финансовому отчёту, компания Google в последнем квартале неожиданно стала тратить на поддержание и развитие своей ИТ-инфраструктуры меньше, чем в предыдущем.

За последний квартал 2013 года она составила $2,25 млрд. Сумма выглядит огромной: она вдвое превышает все остальные расходы корпорации за целый год. Необычный момент в том, что она на $40 млн ниже той, что потребовалась летом, и эта экономия обусловлена не только меньшей работой систем охлаждения.

За последние три года Google инвестировала миллионы долларов в компании, занимающиеся разработкой и производством возобновляемых источников энергии. Многие дата-центры уже питаются от солнечных электростанций и ветряных генераторов, а суммарная мощность этих установок превышает 2 ГВт. Дальнейшее внедрение «зелёной» энергии позволит снизить затраты ещё сильнее.

Для эффективности не всегда нужен порядок

Более эффективные литий-ионные аккумуляторы, которые могут запасать большее количество энергии, могут быть получены за счет введения дополнительного беспорядка в их электроды – это наблюдение противоречит ранее высказывавшимся предположениям о способах увеличения их эффективности. Открытие того, что для получения электродов в аккумуляторах вовсе нет необходимости в получении высокоупорядоченных кристаллических структурах, может значительно увеличить число кандидатов для изготовления аккумуляторов нового типа.

Литий-ионные аккумуляторы могут запасать больше энергии на единицу массы по сравнению, например, с никель-кадмиевыми.

Это обстоятельство позволяет как уменьшать размер портативных электронных устройств, так и увеличивать время между перезарядками источников питания. Тем не менее, для ряда применений, требующих больших затрат энергии (например для того, чтобы электромобиль мог проехать на одной зарядке большее расстояние), требуется еще большая плотность энергии аккумулятора.

Рис. 1. Ранее предполагалось, что упорядоченные
материалы со слоистой структурой позволяют ионам
лития перемещаться быстрее, чем в разупорядоченных
материалах. (Рисунок из Science, 2014, DOI:
10.1126/science.1246432).

При разряде литий-ионного аккумулятора ионы лития перемещаются к катоду, в процессе зарядки они возвращаются к аноду. Таким образом, увеличение емкости аккумулятора, в том числе, требует и того, чтобы электроды могли более эффективно поглощать и высвобождать катионы лития.

Традиционно материал катода изготавливают из имеющих слоистое состояние оксидных материалов, в которых ионы лития и ионы переходных металлов располагаются в раздельных, четко сформированных плоскостях.

Предполагалось, что такая упорядоченность необходима для увеличения эффективности работы электрода, так как дефекты в слоях могут вызывать сжатие оксидных структур и затруднять как поглощение, так и испускание ионов лития.

Рис. 2. Разупорядоченные структуры также
позволяют ионам лития входить в электрод и
покидать материал электрода благодаря тонким
слоям ионов в структуре. (Рисунок из Science, 2014,
DOI: 10.1126/science.1246432).

Гербранд Седер (Gerbrand Ceder) с коллегами из Массачусетского Технологического Института и Национальной Лаборатории Брукхевен решили выяснить, будет ли являться хорошим катодным материалом Li_1.211Mo_0.467Cr_0.3O₂.

Этот материал отличается слоистым строением, однако через несколько циклов зарядка/разрядка некоторое количество катионов лития случайным образом меняются местами с ионами переходных металлов, что приводит к «катодному разупорядочиванию».

Теоретически, этот процесс должен был мешать ионам лития входить в структуру электрода и покидать ее, что, в свою очередь, должно было бы привести к прекращению работы катода, однако было обнаружено, что емкость материала и его энергетические характеристики оставались неизменными даже при его существенной деградации.

Для объяснения наблюдаемого явления исследователи решили провести моделирование электронной структуры. Было обнаружено, что

рандомизация положения катионов не ингибирует скорость диффузии ионов лития, как предполагалось до настоящего времени.

Вместо этого, если в материале присутствует достаточное количество лития, между центральной и внешней областью электрода формируются тонкие слои ионов лития, позволяющие литию попадать в электрод и исходить из него. Как отмечает Седер,

главным результатом работы можно считать не столько обнаружение нового катодного материала, сколько новое направление в поисках материалов для изготовления катодов.

Специалист по материаловедению Йи Куй (Yi Cui) из Стэнфорда отмечает, что

новая работа представляет собой хороший пример изучения материала, свойства которого не позволяли ожидать от него большого значения катодной емкости.

Он добавляет, что катод всегда являлся элементом, в наибольшей степени определяющим энергетическую плотность литий-ионных аккумуляторов, а результаты работы предлагают новое направление для поиска материалов, способных выступить в роли катода.

chemport.ru

Станет ли газ дешёвым бензином?

Американский стартап Siluria заявил, что нашёл способ получения из природного газа жидкого топлива по цене, вдвое уступающей бензину. Что за способ? И не надувательство ли это?

Большие нефтяные компании пытались производить жидкое моторное топливо из метана ещё в 1970-х; до сих пор никаких особых успехов на этом направлении не видно. И не будет видно, поскольку всё это танцы вокруг древнего процесса Фишера — Тропа, который вряд ли вообще можно сделать экономически выгодным, пока за нефть платят сегодняшние цены. Он требует нагрева метана для разрыва его молекулы и получения смеси угарного газа и водорода (синтез-газ). Затем смесь обрабатывают, имея на выходе моторное топливо. Обе части техпроцесса далеки от простоты, энергоёмки и требуют дорогого оборудования (средний завод по переделке метана в жидкое топливо стоит миллиарды долларов).

Эрик Шер (слева) и и Алекс Ткаченко не могут не радоваться: их Siluria уже привлекла инвестиции на десятки миллионов долларов, чего должно хватить на опытно-промышленное производство. Но сторонние химики сомневаются... (Фото NY Times.)

Ну а компания Siluria утверждает, что решила проблему за счёт исключения этапа синтез-газа.

Её работник забрасывает белые пеллеты внутрь реактора демонстрационной установки, затем подаёт туда метан и кислород, и, грубо говоря, из крана начинает течь этилен. Простой, вообще говоря, процесс, не ясно лишь то, почему реакция окисления останавливается на этилене и не идёт дальше, до углекислого газа, который как топливо совершенно бесполезен. Именно поэтому в 1980-х метод окисления метана был вычеркнут из разумных способов получения моторного топлива.

«Условия для реакции, необходимые для того, чтобы с тем же успехом (если не лучше) превращать метан в этилен, превращают этилен в углекислый газ», — замечает Джей Лабингер (Jay Labinger), десятилетия назад опубликовавший статью, из которой вытекала бесперспективность этого процесса.

Что отличает процесс, созданный Siluria, от испробованного г-ном Лабингером, мы не знаем. И дело не только в секретности, нормальной для потенциально сверхвыгодной технологии, но и в том, что стартап нестандартным образом подошёл к решению проблемы.

Ключевую роль тут играют катализаторы, состав которых, понятно, не раскрывается. А принцип их работы компания и сама точно не знает, так как подбирала его не по ожидаемым химическим свойствам соединения, а перебором множества соединений из потенциально подходящих в качестве катализаторов. Этот процесс был ею автоматизирован, ну а сами катализаторы часто делаются в виде нанонитевого материала, обладающего, естественно, другой реакционной способностью, чем тот же катализатор в обычном виде.

Способ изготовления используемых катализаторов опирается на известные достижения Анжелы Белчер (Angela Belcher) из Массачусетского технологического института (США), которая «вывела» вирусы, способные паковать атомы неорганических веществ в заранее заданную форму. По уверениям представителей компании, они перепробовали десятки тысяч соединений на роль катализаторов и пока остановились на паре самых успешных, с которыми получается именно этилен, а не бесполезный углекислый газ.

Сейчас Siluria собирается построить две опытно-промышленные установки — одну в Калифорнии, где будет выпускаться синтетическое моторное топливо, а другую в Техасе, где процесс, который обойдётся без последнего этапа, будет иметь на выходе чистый этилен, также пользующийся рыночным спросом.

Если заявления стартапа правдивы, если его сотрудникам действительно удалось добиться в лаборатории себестоимости синтбензина, вдвое меньшей того, что получается из обычной нефти, то последствия этого трудно описать, ибо в пересчёте на энергоёмкость газ в США в среднем впятеро дешевле нефти. Однако специалисты во главе с Джеем Лабингером сомневаются; впрочем, это не отменяет того факта, что множество вполне потрясающих открытий в химии были сделаны «околослучайно» — а значит, и у Siluria есть серьёзные шансы на прорыв.

Александр Березин
Подготовлено по материалам Technology Review.

Гибкий термоэлектрический генератор устанавливает новый рекорд мощности

Исследователи из Саудовской Аравии создали первый термоэлектрический генератор на подложке из гибкого силикона. Устройство способно генерировать в 30 раз больше энергии, чем предыдущие модели аналогичных генераторов. В будущем оно может найти применение в целом ряде областей, в частности, в мобильных телефонах, ноутбуках, биомедицинских датчиках и других портативных инструментах.

Гибкий термоэлектрический генератор, предложенный учеными из Саудовской Аравии.

Термоэлектрические генераторы – это, фактически, преобразователи тепловой энергии в электрическую. Устройства хорошо проводят электрический ток, но при этом плохо проводят тепло; кроме того, для них характерно проявление так называемого термоэдс (разность потенциалов на двух концах устройства, вызванная перепадом температуры между этими точками).

В своей последней работе группа исследователей из Integrated Nanotechnology Lab в King Abdullah University of Science and Technology (Саудовская Аравия) создала миниатюрный термоэлектрический генератор на гибкой подложке, способный генерировать мощность 0,15 мкВт, что в 30 раз превышает ранее создававшиеся устройства подобного рода.

Стоит отметить, что генерируемой устройством энергии достаточно, чтобы питать отдельные схемы датчиков с минимальными энергозатратами, в частности, некоторые виды вживляемых биомедицинских устройств.

Процесс создания устройства включал в себя несколько этапов. На первом этапе производства устройства исследователи наносили двумерный слой теллурида висмута и теллурида сурьмы на поверхности недорогого объемного монокристалла кремния. Таким образом,

на слое кремния всего 18 мкм толщиной формировалось 63 термобатареи. Далее исследователи преобразовывали устройство, заменяя подложку из жесткого кремния на гибкую и прозрачную систему с использованием наиболее современных CMOS-совместимых процессов.

Как объясняют члены научной группы, значительного увеличения мощности устройства удалось добиться, благодаря уменьшению площади поперечного сечения кремниевой подложки.

А механическая гибкость устройства значительно увеличивает сферу возможных применений разработки, поскольку генератор теперь может быть интегрирован в самые разнообразные поверхности (даже неправильной формы).

Научная группа придерживается мнения, что область применения их разработки практически не имеет границ.

Термоэлектрические генераторы могут быть полезны в бытовой электронике, к примеру, в мобильных телефонах, ноутбуках или портативных устройствах, ориентированных на использование в агрессивных средах. Кроме того, генераторы подходят для питания имплантируемых электронных компонент. В перспективе они даже потенциально могли бы помочь преодолеть трудности, связанные с сокращением срока службы подобных устройств из-за неисправностей аккумуляторов.

В ближайшем будущем команда планирует изготовить гибкую и высокопроизводительную систему на одном чипе, автономно питаемую при помощи термоэлектрического генератора.

Основная задача в данном случае будет заключаться в интеграции различных электронных модулей (как генерирования электроэнергии, так и ее хранения) в единую структуру. Однако группа уверена, что сможет реализовать подобную автономную систему уже в ближайшем будущем.

Подробные результаты их работы опубликованы в журнале Small.

sci-lib.com nanotechweb.org

Растения могут стать нефтью за минуты

...Вместо миллионов лет. Новая технология переработки микроводорослей в топливо позволяет получать из них высококачественную лёгкую нефть за цикл, длящийся менее часа. И без предварительной сушки!

В Тихоокеанской национальной северо-западной лаборатории Министерства энергетики США создан непрерывный и весьма быстрый процесс превращения водорослей в нефть в химическом реакторе: то, что в природе занимает миллионы лет, в лаборатории заканчивается за десятки минут.

Нефть, вода, обогащённая азотом и фосфором, и вода с растворённым горючим газом — вот и всё, что выходит из реактора по переработке водорослей. По сути, это одноступенчатое получение нефти из биомассы, и если вот так удастся делать топливо по доллару за баррель, мировой ТЭК ждут потрясения. (Здесь и ниже фото PNNL.)

«Цена — серьёзное препятствие на пути получения жидкого топлива из водорослей, — говорит Дуглас Эллиот (Douglas Elliott), возглавляющий проект. — Мы полагаем, что наша технология сделает такое топливо куда более экономичным».

То же самое в цифрах: мир потребляет 4,8 трлн л жидкого топлива в год, а нынешние жалкие десятки миллиардов литров биотоплива получаются из высших растений, выращиваемых на десятках миллионов гектаров. Причем один гектар в среднем даёт менее кубометра биотоплива — то есть буквально столько же, сколько нефть стоимостью порядка тысячи долларов. Не надо быть гением, чтобы заметить: пищевые сельхозкультуры выращивать экономически рациональнее, да и недоедания в третьем мире, где значительная часть этого биотоплива производится, всё же будет поменьше.

Есть вариант: заменить высшие растения микроводорослями, которые можно быстро выращивать на пресных сточных водах больших городов (и тогда не надо вносить удобрения и посматривать в небо, опасаясь непогоды) или на морской воде, и тогда производство можно вынести в жаркие пустыни, где с солнечным светом полный порядок. Но какой бы путь вы ни выбрали, получить удаётся только исходное сырьё для топлива — до состояния биодизеля водоросли надо доводить с помощью переэтерификации. Да, вы правильно думаете: перед этим водоросли надо извлечь из их естественной водной среды и долго сушить, что не удешевляет конечный продукт.

Однако дизелем человеческие нужды не исчерпываются: мы жить не можем без керосина и бензина, которые почти что пьём. Но приличных технологий их получения из водорослей пока нет, да и переэтерификация на дизтопливо требует метанола, а его делают из природного газа. Наконец, в странах вроде нашей биодизель зимой просто замёрзнет, то есть в него придётся что-то добавлять — скажем, известную толику обычного дизеля.

Словом, получается «долго, дорого, неоднозначно». Что же делать?

Группа г-на Эллиота полагает, что нашла решение. В её химреакторе водоросли отправляются не на дизельную тропу, а по старому природному пути — из биомассы в нефть. Только путь этот занимает намного меньше времени: в реактор впрыскивают горячую воду под давлением 20,7 МПа и температуре 350 °С. Всё это резко ускоряет процесс, поэтому менее чем за час водоросли из него выходят в виде нефти, и в небольшой степени — биогаза, из которого можно получать метан (или же попросту сжигать, имея тепло для подогрева самой установки).

Причём, что важно, маленьких зелёных нефтяников не приходится предварительно сушить: в исходном сырье может быть 80–90% воды по массе!

Процесс из трудоёмкого, почти скорняжного дела (выращивание — сушка — заготовка — внесение добавок) превращается в конвейер: выращивание — прямое сливание водорослей в реактор — нефть на выходе. Итоговый продукт — весьма лёгкая нефть без примесей, которая легко и просто перерабатывается на существующих НПЗ без перестройки технологического цикла, без внесения добавок и прочих телодвижений. Да и двигатели машин под него адаптировать не надо. Опять же за счёт большой пропускной способности реактора в единицу времени стоимость «переделки» водорослей в нефть сами разработчики техпроцесса оценивают как «радикально более низкую», чем в биодизельном варианте.

Исходная водорослевая суспензия теперь не нуждается в предварительной просушке.

«Отсутствие нужды в сушке водорослей — большой плюс, это сильно снижает издержки, — уверен Дуглас Эллиот. — Отсюда и сторонние бонусы: после извлечения сырья из воды последнюю и питательные вещества можно отправить обратно в ёмкости с водорослями, дополнительно снижая стоимость»:

Пока авторы технологии работают лишь с небольшим экспериментальным реактором ёмкостью в 1,5 л водорослевой суспензии, но, по их словам, его можно легко масштабировать, и при этом благодаря большому объёму у него будут гораздо меньшие тепловые потери через стенки, что даст значительную экономию на масштабе. Внедрение разработки уже началось: частная компания Genifuel Corp. лицензирует сейчас технологию для получения нефти из водорослей.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Algal Research (доступен полный текст).

Подготовлено по материалам Тихоокеанской национальной северо-западной лаборатории. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.
Александр Березин

Графеновые суперконденсаторы, созданные корейскими инженерами, готовы к использованию в электрических автомобилях

Нравится вам это или нет, но эра электрических автомобилей неуклонно приближается. И в настоящее время только одна технология сдерживает прорыв и захват рынка электромобилями, технология аккумулирования электрической энергии. Несмотря на все достижения ученых в этом направлении, большинство электрических и гибридных автомобилей имеют в своей конструкции литий-ионные аккумуляторные батареи, которые имеют свои положительные и отрицательные стороны, и могут обеспечить пробег автомобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию, достаточную лишь для перемещений в городской черте. Все ведущие мировые автопроизводители понимают эту проблему и занимаются поисками методов увеличения эффективности электрических транспортных средств, что позволит увеличить дальность поездки на одном заряде аккумуляторных батарей.

Одним из направлений повышения эффективности электрических автомобилей является сбор и повторное использование энергии, превращающейся в тепло при торможении автомобиля и при движении автомобиля по неровностям дорожного покрытия. Уже разработаны методы возврата такой энергии, но эффективность ее сбора и повторного использования крайне низка из-за малой скорости работы аккумуляторных батарей. Времена торможения обычно исчисляются секундами и это слишком быстро для аккумуляторных батарей, на зарядку которых требуются часы времени. Поэтому для аккумулирования "быстрой" энергии требуются другие подходы и аккумулирующие устройства, на роль которых больше всего походят конденсаторы большой емкости, так называемые суперконденсаторы.

К сожалению, суперконденсаторы, еще недавно, не готовы были выйти на "большую дорогу", несмотря на то, что они способны быстро заряжаться и разряжаться, их емкость пока относительно низка. Помимо этого, надежность суперконденсаторов также оставляет желать лучшего, материалы, используемые в электродах суперконденсаторов, постоянно разрушаются в результате многократных циклов заряда-разрядки. А это вряд ли допустимо с учетом того, что за всю жизнь электрического автомобиля количество циклов работы суперконденсаторов должно составить много миллионов раз.

У Сэнтэкумэра Кэннэппэна (Santhakumar Kannappan) и у группы его коллег из Института науки и техники, Кванджу, Корея, имеется решение вышеописанной проблемы, основой которого является один из наиболее удивительных материалов современности - графен. Корейские исследователи разработали и изготовили опытные образцы высокоэффективных суперконденсаторов на основе графена, емкостные параметры которых не уступают параметрам литий-ионных аккумуляторных батарей, но которые способны очень быстро накапливать и отдавать свой электрический заряд. Помимо этого, даже опытные образцы графеновых суперконденсаторов способны выдержать без потери своих характеристик многие десятки тысяч рабочих циклов.

Уловка, которая позволила добиться столь внушительных показателей, заключается в получении особой формы графена, у которой имеется огромная площадь эффективной поверхности. Исследователи получили такую форму графена, смешав частицы окиси графена с гидразином в воде и размельчив все это с помощью ультразвука. Получившийся графеновый порошок был упакован в дискообразных таблеток и высушен при температуре 140 градусов по шкале Цельсия и при давлении 300 кг/см в течение пяти часов.

Получившийся материал получился очень пористым, у одного грамма такого графенового материала его эффективная площадь соответствует площади баскетбольной площадки. Помимо этого, пористая природа этого материала позволяет ионной электролитической жидкости EBIMF 1 M заполнить полностью весь объем материла, что приводит к увеличению электрической емкости суперконденсатора.

Измерение характеристик опытных суперконднсаторов показали, что их электрическая емкость составляет около 150 Фарад на грамм, плотность хранения энергии составляет 64 ватта на килограмм, а плотность электрического тока равна 5 амперам на грамм. Все эти характеристики сопоставимы с аналогичными характеристиками литий-ионных аккумуляторов, плотность хранения энергии которых составляет от 100 до 200 Ватт на килограмм. Но у этих суперконденсаторов имеется одно огромное преимущество, они могут полностью зарядиться или полностью отдать весь накопленный заряд всего за 16 секунд. И это время является самым быстрым временем заряда-разрядки на сегодняшний день.

Этот набор внушительных характеристик, плюс несложная технология изготовления графеновых суперконденсаторов могут послужить оправданием заявлению исследователей, которые написали, что их "графеновые суперконденсаторные устройства аккумулирования энергии уже прямо сейчас готовы для массового производства и могут появиться в ближайших поколениях электрических автомобилей".

http://www.technologyreview.com/view/521651/graphene-supercapacitors-ready-for-electric-vehicle-energy-storage-say-korean-engineers/