Помоги проекту - поделись книгой:
Ответ на этот вопрос знают ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ), специализирующиеся на нанотоксикологии. В России направление мониторинга нано- и микрочастиц в городских взвесях только начинает развиваться, и Дальневосточный университет на этом направлении находится в авангарде.
Вообще нанотоксикология — исследование негативного действия наноматериалов на организм — новая область мировой науки; ей от роду около 10 лет. Так что можно сказать: ученые ДВФУ «впереди планеты всей».
Суть же их исследований в том, что они тестируют влияние преимущественно углеродных наноматериалов и наночастиц металлов на здоровье и организм людей. Раньше в том как-то не было надобности, поскольку даже о самих наноматериалах никто не слышал. В России таких лабораторий всего шесть — в Москве, Санкт-Петербурге, Новосибирске, Ангарске, Казани и Владивостоке.
В ДВФУ анализируют состав взвесей в атмосфере городов Дальнего Востока. Зимой пробы берут из снега, на который, в конце концов осаждаются все частицы из воздуха. Летом берут пробы дождевой воды и атмосферные пробы.
— Мы видим очень тревожную картину загрязнения городской атмосферы нано- и микрочастицами. Из-за большого количества автомобилей вдоль дорог преобладают микрочастицы опасного класса с высокой площадью поверхности, что позволяет им еще сорбировать другие токсины. В нескольких пробах из Владивостока были найдены и наночастицы от 40 до 300 нм в количестве 25 % от общего числа загрязнений. Это опасный показатель. Нужно принимать радикальные меры по очистке атмосферы, ставить фильтры на выхлопные трубы автомобилей и дымовые трубы котельных. Первые шаги в этом направлении уже делаются, — рассказал журналистам директор
Научно-образовательного центра нанотехнологий Инженерной школы доцент Кирилл Голохваст.
Еще одно направление работы исследователей — изучение фитолитов. Так называются минеральные, а точнее, кремниевые микрочастицы в клетках растений. Задача ученых — понять, каким образом работают природные нанотехнологии, на примере живых систем.
— В этой области мы начали работу с лекарственных растений — женьшеня, элеутерококка, бадана и еще 70 видов. Надеемся, что эта работа поможет расшифровать механизм синтеза кремниевых нано- и микроструктур и создавать на основе этой технологии нужные для человека элементы для нано- и микроэлектроники, — рассказал Кирилл Голохваст.
За 4 года существования Научно-образовательного центра нанотехнологий ученые Инженерной школы по направлению «исследования нанотехнологий» опубликовали более 150 статей, 4 монографии и 3 учебных пособия. Кроме того, при участии университета были проведены уже две международные конференции на тему нанотоксикологии.
Ученые Дальневосточного федерального университета нашли также оригинальный способ в несколько раз повысить эффективность ветроэнергетики. Для этого они предложили разместить ветрогенераторы на воде.
В ДВФУ спроектировали уникальные ветроэнергетические морские установки (ВЭМУ) с вертикальной осью вращения. Этим они принципиально отличаются от обычных ветрогенераторов, лопасти которых крутятся вокруг горизонтальной оси. ВЭМУ представляют собой своего рода плавучие башни, вокруг каждой из которых вращается ротор с лопастями. Энергия вращения передается через тяги на центральную ступицу, связанную с электрогенератором.
— Внешне это похоже на свернутую в кольцо вереницу яхт, где лопасти — это паруса, — рассказал один из разработчиков, доцент кафедры технологий промышленного производства ДВФУ Виктор Чебоксаров. — Диаметр типовой установки на 10 МВт, как мы рассчитываем, составит около 200 м, а размах лопастей — около 40 м. В перспективе же не существует технологических ограничений, чтобы создать ветрогенератор мощностью, к примеру, в 100 МВт.
Это, в свою очередь, позволит снизить стоимость вырабатываемой энергии в 2–3 раза, что дает возможность в какой-то мере конкурировать с традиционными отраслями — гидро-, тепло- и атомной энергетикой.
Одна мощная ветроустановка способна обеспечить электроэнергией около 5 000 домов. Таким образом, она подойдет для снабжения отдаленных прибрежных поселков, например, в Магаданской области, на Курильских островах, Сахалине или Камчатке. А это ведь еще одна статья экономии — не надо завозить топливо в эти далекие места. Сама же установка может быть просто отбуксирована по воде к нужному месту.
Проект сейчас находится в стадии научно-исследовательских разработок. На отдельные узлы ветряных и водяных турбин уже получено 17 патентов России. Подана заявка на международный патент, она проходит сейчас экспертизу в нескольких странах мира. По словам ученых, при достаточном финансировании экспериментальная установка мощностью порядка 200–500 кВт может быть создана примерно через 3 года.
За то, что сегодня Россия занимает лидирующие позиции в мире в области создания морской робототехники, мы должны сказать спасибо, в частности, сотрудникам Института проблем морских технологий Дальневосточного отделения РАН. Здесь разработаны аппараты, способные автономно наблюдать за подводной обстановкой и обрабатывать большие массивы информации.
Интересная история произошла недавно на испытаниях разработанного дальневосточниками автономного глубоководного необитаемого аппарата «Клавесин». Во время погружения в бухте Большой Камень связь с аппаратом была утрачена, поиски его не увенчались успехом. Пока ученые разбирались в причинах отказа аппаратуры, в центре Владивостока — бухте Золотой Рог — произошел небольшой переполох — служба охраны Тихоокеанского флота засекла неопознанный подводный объект, который зашел в бухту, а затем всплыл в непосредственной близости от базы института. Оказалось, что это тот самый пропавший «Клавесин».
Как выяснилось, во время подготовки к погружению участвовавший в испытаниях стажер-студент ввел в программу команду «go home». Однако руководству об этом не доложил. Возможно, посчитал, что его за самодеятельность не похвалят. Но когда возникла нештатная ситуация, режим «go home» включился автоматически, и подводный робот самостоятельно вернулся в исходную точку своего маршрута, преодолев дистанцию около 100 миль.
При этом подводный аппарат, в соответствии с программой испытаний продолжал собирать полезную информацию. В частности, он обнаружил неизвестные ранее районы скопления кальмаров.
Ученые Дальневосточного федерального университета приступили и к проектам строительства пассажирских экранопланов. В научно-образовательном центре, созданном при вузе, начата разработка первого экспериментального образца. Таким образом, появились шансы, что Россия вернет себе то ведущее положение, которое ее конструкторы занимали в создании экранопланов во второй половине ХХ века.
Экраноплан совмещает в себе свойства самолета и морского судна. Его принципиальное отличие от других видов транспорта заключается в движении за счет образования динамической воздушной подушки, «опираясь» на которую аппарат может двигаться на небольшой высоте над водой или заснеженной поверхностью.
Предполагается, что использование экранопланов на Дальнем Востоке имеет большие перспективы, так как, в отличие от самолетов и судов, им не нужны дороги, причалы или аэродромы. Авторы проекта предполагают, что, кроме пассажирских перевозок, экранопланы могут быть использованы для спасательных операций на море, рейдов пограничной береговой охраны и транспортировки срочных грузов, в том числе почтовых отправлений.
Рыночная стоимость одного аппарата оценивается в 800 тысяч долларов. Базовой модификацией считается 16-местный экраноплан, который способен развивать скорость до 200 км/ч. На таком аппарате можно будет добраться из Владивостока до города Большой Камень всего за 11 минут (35 км), путь в поселок Славянка займет 15 минут, а в порт Находка — 34 минуты, без строительства дорогостоящей объездной дороги.
НОВАЯ ЖИЗНЬ СТАРЫХ ИДЕЙ
От рельганов к пращетронам?
Артиллеристы давно уже мечтают заменить в своих орудиях порох чем-нибудь более мощным. С этой целью был разработан ряд экспериментальных установок на жидкой взрывчатке, но и они не показали впечатляющих результатов. Тогда конструкторы решили от химии перейти к физике.
На уроке физики вам, наверное, показывали такой фокус. В сердцевину катушки соленоида закладывают стальной стержень или простой гвоздь. На обмотку подается импульс тока, и катушка выстреливает стержень на расстояние в несколько метров.
А известно ли вам, что советский фантаст Александр Казанцев (кстати, инженер по образованию) еще в 30-е годы ХХ века ходил по кабинетам начальников, демонстрируя аналогичный опыт? Гвоздь впивался в дубовую обшивку кабинета, начальники ахали и обещали всячески поддержать весьма перспективное, как им казалось, изобретение молодого специалиста.
Однако прошли годы, а воплотить в реальности конструкцию электромагнитной пушки Казанцеву так и не удалось. «Загвоздка» оказалось в отсутствии мощных и в то же время достаточно компактных накопителей энергии. Пришлось ему рассекретить свою идею и растиражировать ее на страницах романа «Пылающий остров», с которого, собственно, и началась его карьера писателя-фантаста.
Однако сама по себе идея не забыта. Время от времени описания очередного рельсотрона — пушки, которая придает снаряду ускорение за счет электрических импульсов — появляются на страницах научно-популярных журналов.
Впрочем, более-менее серьезно к таким проектам начали относиться лишь сравнительно недавно, уже в нынешнем, XXI столетии.
Так, например, испытания одной из таких установок были проведены в декабре 2010 года на базе Центра разработки надводного вооружения ВМФ США. Новое оружие создавалось для перспективных боевых кораблей американского флота — в частности, для эсминцев проекта DDG-1000 Zumwalt, которые должны выйти в море к 2020 году. Оружие испытывалось при мощности накопителей в 33 МДж. Согласно расчетам, такая энергия позволяет отправлять цельнометаллический снаряд на дальность свыше 200 км. И при этом в конечной точке маршрута скорость снаряда будет равна примерно 5 Махам (около 5,6 тыс. км/ч)! Это своего рода рекорд. До этого в январе 2008 года удалось достигнуть лишь втрое меньших показателей.
Такой успех вызвал новую волну интереса к рельсотронам. Название же происходит вот откуда. Получив импульс энергии, снаряд такой пушки сначала скользит по своеобразным рельсам, наращивая скорость. И лишь потом уходит в свободный полет.
И все же пока использование такого оружия на реальных боевых кораблях представляется маловероятным. Как уже говорилось, для выстрела необходимо огромное количество энергии, а точность стрельбы оставляет желать лучшего. К тому же испытанная электромагнитная пушка имеет огромные размеры.
Тем не менее, не желая отстать от заокеанских коллег, недавно и китайские специалисты соорудили наземный испытательный комплекс, оборудованный опытной электромагнитной катапультой. Строительство было начато в 2002 году. По примерным измерениям, сделанным на основе спутниковой фотографии, длина катапульты составляет около 150 м, а электромагнитных направляющих — порядка 100 м.
Эксперты полагают, что установка может предназначаться для будущего атомного авианосца. В феврале 2013 года правительство Китая официально утвердило программу создания таких надводных кораблей в рамках проекта под шифром «863». Предположительно, первые атомные авианосцы водоизмещением более 65 тыс. т появятся на вооружении Китая после 2020 года.
Таким образом, Китай может стать второй в мире страной, использующей электромагнитные катапульты на авианесущих кораблях.
Но война войной, а быть может, стоит использовать электромагнитные установки не только в военных целях. Сейчас, как известно, все больше нареканий вызывает ракетный способ доставки грузов на орбиты с помощью одноразовых носителей. Дело в том, что до 90 % массы такого носителя составляет топливо. А это приводит к тому, что стоимость доставки 1 кг полезного груза на орбиту обходится от 2 000 до 20 000 долларов.
А потому американские конструкторы из компании LaunghPoint предложили для доставки космических грузов использовать проект Magnetic satellite launch system. Установка должна представлять собой кольцевой тоннель, похожий по устройству на Большой адронный коллайдер и другие ускорители частиц, которые помогают физикам раскрывать тайны природы. Только вместо частиц это кольцо будет разгонять небольшие контейнеры, внутри каждого из которых будет находиться 10-кг «посылка» — небольшой спутник или иная полезная нагрузка, которую нужно доставить на околоземную орбиту. Разогнавшись как следует, такой контейнер в конце концов попадет на электромагнитную катапульту, которая и вышвырнет груз в космос.
Идея электромагнитного запуска космических аппаратов тоже далеко не нова. Но раньше исследователи пытались использовать прямолинейные ускорители, фактически — электромагнитные пушки. Такие рельсотроны или рельганы, как уже говорилось, годятся для выброса снарядов. Однако высочайшие перегрузки при старте могут повредить грузы. Кольцевой ускоритель позволяет постепенно разгонять контейнеры. И не требует приложения мгновенной мощности, так что установку можно будет включить в сеть, не опасаясь ее перегрузить.
Предварительный проект установки уже создан. Сейчас специалисты под руководством Джеймса Фиске работают над выбором наилучшей системы магнитной подвески контейнеров. Затем инженеры планируют построить уменьшенный прототип системы с кольцом диаметром около 50 м. Если все пойдет как надо, в окончательном виде система должна представлять собой кольцо диаметром 2 км.
Каждый спутник предполагается заключить внутрь конусного снаряда, состоящего из массивного вольфрамового наконечника и отсека для полезной нагрузки, а также баков для горючего и окислителя и ракетного двигателя. Последний понадобится для коррекции полета снаряда с целью более точного его выведения на орбиту. Стартовая же скорость снаряда на выходе из ускорительной установки будет равна 8-10 км/с.
Правда, при этом надо решить еще и проблему аэродинамического нагрева снаряда в нижних слоях атмосферы. Так что придется покрывать его специальными теплозащитными материалами, как это делается со спускаемыми аппаратами космических кораблей. Частично решена и проблема стартовых перегрузок. Уже сейчас микросхемы в управляемых гаубичных снарядах выдерживают при выстреле 20 000 g. Вполне можно создать и небольшие спутники, способные перенести такую перегрузку. Кроме того, с помощью кольцевого ускорителя на орбиту можно доставлять капсулы с водой, кислородом, пищей и одеждой для обитателей космических станций.
По оценкам разработчиков, при 300 запусках в год ускоритель-кольцо сможет забрасывать полезные грузы на орбиту по цене 745 долларов за килограмм. А это втрое меньше нынешних расценок.
Если дела пойдут, как планируется, уже в нынешнем, 2014 году сотрудники LaunchPoint предполагают закончить создание первого кольцевого ускорителя спутников.
Впрочем, это не единственный проект такого рода. Еще одна американская компания — HyperV Technologies Corp. — сейчас пытается собрать 250 000 долларов на создание демонстрационной модели космической пращи. Возглавляющий компанию Дуглас Уизерспун хочет таким образом финансировать создание уже четвертого варианта установки Slingatron («пращетрон»), концепцию которой придумал другой сотрудник компании — Дерек Тидмэн.
Спиралевидный аппарат для запуска контейнеров в космос должен выглядеть примерно так. Спираль предпочли кругу из-за того, что раскрутка до нужной скорости по замкнутой траектории разрушит «пращу» даже из сверхпрочного материала, а постепенное увеличение расстояния от центра к периферии системы снимает это затруднение. Правда, пока не решена до конца другая проблема — перегрузки при этом все равно будут составлять 40 000 — 60 000 g. Так что переправку в космос смогут выдержать при этом лишь особо прочные грузы.
Опять-таки контейнер придется еще защищать от теплового перегрева, а также использовать на конечном этапе траектории ускорители, чтобы груз был доставлен точно по назначению. Тем не менее, создатели пращетрона обещают, что стоимость вывода таких контейнеров, из которых после использования содержимого можно строить модули орбитальных станций, будет не 2 000 долларов за килограмм, как ныне, а примерно на порядок меньше.
В будущем еще один пращетрон можно будет поставить на Луне, откуда переправлять грузы будет в 6 раз легче, чем с Земли. Кроме того, стартам не будет мешать плотная атмосфера. Следовательно, снабжение топливом, водой и стройматериалами экспедиций к окраинам Солнечной системы значительно упростится.
Таковы перспективы. Пока же самая крупная построенная модель пращетрона при 30 оборотах в секунду разогнала груз весом в 227 г до скорости в 100 м/с. То есть всего лишь до кинетической энергии обычной пули. А вот за четверть миллиона долларов предполагается создание установки, способной разогнать снаряд массой 453,6 г до скорости 1 км/с. Это уже близко по параметрам к бронебойному снаряду.
Ну, а что же наши конструкторы? Неужто со времен Казанцева они так и не продвинулись вперед?
Недавно в лаборатории Шатурского филиала Объединенного института высоких температур Российской академии наук были проведены испытания уникального устройства — рельсотрона Арцимовича. Установка представляет собой электромагнитную пушку, стреляющую пока очень маленькими снарядами — массой до 3 г. Однако разрушительные способности таких «горошин» поразительны. Поставленная на их пути стальная пластина просто-напросто испарилась, превратившись в плазму. Все дело в гигантской скорости, придаваемой снаряду электромагнитным ускорителем, используемым вместо традиционного пороха. После испытаний директор Шатурского филиала Объединенного института высоких температур РАН Алексей Шурупов сообщил присутствовавшим журналистам: «В наших лабораторных испытаниях максимальная скорость достигла 6,25 километра в секунду при массе снаряда в несколько грамм. Это близко к первой космической скорости».
В дальнейшем конструкторы намерены еще улучшить достигнутые показатели.
Поделиться книгой: