Новое в технике и технологиях

Эффективное получение и запасание энергии солнечного света считается самой насущной задачей для экологически чистой энергетики. Однако существующие системы отличаются дороговизной и малым КПД (несколько процентов). Цзиньшань Луо (Jingshan Luo) из Федеральной политехнической школы Лозанны и его коллеги воспользовались дешевыми и в изобилии встречающимися на планете материалами (перовскит, никель, железо). Их системе вообще не требуются редкоземельные металлы. Кроме того, превращение солнечной энергии в водород позволит запасать ее — благодаря этому энергетика перестанет зависеть от капризов погоды.

Установка инженеров состоит из двух электродов, которые соединены с фотоэлементами и помещены в электролит. Работа устройства целиком основывалась на фотовольтаике (электричество на электроды поступало только от фотоэлементов). В своем исследовании ученые руководствовались соображениями максимальной экономии на ресурсах в сочетании с приемлемой производительностью. Использование перовскита в фотоэлементах они объясняют его дешевизной по сравнению с кремнием, используемым в солнечных фотоэлементах. Редкие благородные металлы (прежде всего, рутений и платину), обычно применяемые для изготовления долговечных электродов, специалисты заменили на никель и железо.

«Как только вы получаете водород, его можно хранить в бутылке и делать с ним все, что хотите и когда хотите. Этот газ можно сжигать в двигателе или паровом котле, или отправить в топливную батарею. Уже достигнутый КПД преобразования в 12,3 процента вырастет в самом скором времени», — заявил руководитель Лаборатории фотоники и граничных поверхностей при школе Микаэль Грэтцель (Michael Grätzel).

Такие высокие показатели стали возможны благодаря свойствам фотоэлементов из перовскита: этот минерал дает напряжение холостого хода, превосходящее 1 вольт (для сравнения, кремниевые элементы дают самое большее 0,7 вольта). Для начала электролиза воды необходимо минимум 1,7 вольта: этот показатель обеспечивают два фотоэлемента из перовскита, но как минимум три-четыре кремниевых.

Единственным недостатком системы является ее недолговечность: компоненты устройства разрушаются через несколько часов. Остается дождаться технологического прогресса в области повышения долговечности солнечных элементов из перовскита, пишут ученые.

Перовскит, получивший свое название в честь русского минералога (и министра иностранных дел при Николае I в царской России) Льва Перовского, является широко распространенным в нижней мантии Земли минералом. Там, на глубине от 660 до 2700 километров, на его долю приходится, по разным оценкам, до 80 процентов вещества. Минерал имеет псевдокубическое строение и состоит из кальция, титана и кислорода. В природе минерал чаще всего встречается с различными примесями, например, церия и ниобия, которые замещают кальций в его кристаллической решетке.

©

Как уже ранее сообщал «МК» (номер от 26 сентября 2012 года), идея Александра Багрова и его коллеги из ИНАСАНа Владислава Леонова отличается от теоретических выкладок Арцутанова и подхвативших его мысль о создании конечной станции для лифта на геостационарной орбите (ГСО) Земли американских и японских ученых:

- На ГСО спутники или станции должны находится в равновесии всех сил, - говорит Александр Багров, - а потому идея соединить такой спутник с Землей лифтом — не очень удачна, из этого просто ничего не получится, даже если расположить с противоположной стороны противовес. Привязанный спутник при нарушении баланса действующих на него сил из-за нагрузки на лифтовый трос должен сорваться с орбиты и упасть на Землю. Наша идея о построении космического лифта между Землей и Луной более приемлема. Кстати, после представления ее коллегам два года на Чтениях Циолковского мы, по их предложению, ее запатентовали.

Напомним, один конец лифта теоретики предлагают закрепить на Луне, а второй опустить на расстояние 50 км от поверхности нашей планеты. Оставаясь в стратосфере, кабина не будет подвержена ветровым нагрузкам. Если нужно что-то доставить на Луну, достаточно отправить к висящей в стратосфере кабине лифта суборбитальный самолет. Долетев до цели, он состыкуется с лифтовой кабиной, в результате чего появится возможность переложить в нее несколько тонн груза и отправить на Луну при помощи магнитной левитации (подъема магнитным полем), а в будущем — еще дальше.


Итак, это было два года назад, и речь шла о лифте, соединяющем Луну и Землю. На прошедших в середине сентября в Калуге 49-х научных Циолковских чтениях Багров с Леоновым пошли дальше, - предложили способ возвращения космонавтов или грузов с Марса при помощи того же космического лифта. Схема примерно такая же, как и в предыдущем проекте, только вместо Земли выступает Марс, а вместо Луны его спутник Фобос. Главная цель - использование механики космоса для переброски пилотируемых космических аппаратов с Марса на Землю без использования дорогостоящих и громоздких ракет и баков с горючим .


Тут понадобится трос покороче, ведь от Марса до Фобоса всего 9500 километров. Фобос, также как и Луна к нам, постоянно повернут к Марсу одной стороной. А значит, можно прикрепить один конец лифта к его центру, а второй опустить к поверхности планеты для своевременного транспортирования марсианских летательных аппаратов к Земле. Каким образом? - спросите вы. Ведь Фобос вращается вокруг Марса со скоростью 2 км в секунду! Трос в виде эдакого космического хвоста тоже будет летать вокруг планеты, как же его поймать?

- Да, нам, конечно, потребуется догонять его со скоростью 2 км/сек и согласитесь, это уже легче, чем стартовать с планеты со скоростью 5 км/сек., - говорит Багров. - Но мы придумали более рациональное решение. Если вычислить траекторию движения лифтовой кабины, то есть «хвоста», - можно установить на ее пути на поверхности Марса тросовую петлю, соединенную с космическим аппаратом, который нам требуется поднять. На нижней части лифтового троса мы поместим крюк-захват, который опустим до высоты тросовой петли. В процессе движения спутника Марса крюк пройдет через тросовую петлю и захватит ее, а вместе с ней и космический аппарат. Примерно также происходит захват самолета при его посадке на палубу авианосца.


Дальше — подъем на большой скорости при помощи той же магнитной левитации. В нужной точке пространства, как только аппарат получит нужную скорость, направленную к Земле, его можно будет отсоединить от лифта и запустить уже прямиком на родную планету.

Есть только один минус у этой идеи — из-за многократных стартов земных космических кораблей при помощи Фобоса этот естественный спутник может изменить свою орбиту. Однако, по словам Багрова, ее можно будет восстановить. Если каждый прилетающий к Фобосу космический аппарат тормозить при помощи связанного с ним через трос-гарпун магнитного тормоза, то кинетическая энергия аппарата передастся Фобосу.

«Ну когда мы еще полетим на Марс!?», - воскликнут скептики, каких немало. Однако разработчики космического лифта знают еще одну точку приложения своей идеи. Это очистка планеты Земля от радиоактивного мусора при помощи того же самого лифта.

— Если мы получим возможность выводить грузы в дальний космос, то одним из главных направлений грузопотока при помощи лифта я бы определил Солнце, - говорит Багров.- На него можно вывести и «уронить» все наши земные отходы, включая радиоактивные. На светиле все сгорит, как в большой печке, и наш огромный ядерный реактор «Солнце» этого даже не почувствует.©