То, что некоторые алюминиевые сплавы могут эффективно разлагать воду, известно давно. Это происходит потому, что добавочные компоненты таких сплавов препятствуют образованию окисной «брони». В течение последних десятилетий было сделано немало попыток создать на основе таких сплавов генераторы водорода. Однако эти сплавы, как правило, содержат добавки в виде редких и очень дорогих металлов, что сильно повышает себестоимость конечного продукта. Кроме того, такие добавки могут препятствовать контакту атомов алюминия и кислорода и тем самым снижать скорость диссоциации воды.
Разработчики нового метода утверждают, что им удалось преодолеть эти трудности. Их технология основана на реакции, которую еще сорок лет назад открыл руководитель коллектива Джерри Вудолл (Jerry Woodall), ныне заслуженный профессор Школы электрических и компьютерных технологий Университета Пэдью. В 1967 году он случайно заметил, что горячий жидкий сплав алюминия и галлия при контакте с водой вызывает бурное образование водорода. Тогда этот результат его не слишком заинтересовал, поскольку для нагрева сплава требовалось слишком много энергии. Однако в ходе последующих исследований Вудолл обнаружил, что вода хорошо разлагается, если ее пропускать через слой мелких твердых гранул, изготовленных из этого сплава. При этом галлий выполняет двойную роль. С одной стороны, он усиливает реакционную способность алюминия, а с другой – препятствует возникновению оксидных пленок. Возникающая окись алюминия просто смывается с поверхности гранул и накапливается в отстойнике. Очень важно, что при этом не образуется токсичных веществ.
Можно предположить, что сплав Вудолла при контакте с водой не создает на поверхности прочную окисную пленку из-за того, что галлий инертнее алюминия и практически не реагирует с кислородом при нормальной температуре. Поэтому вода проникает к атомам алюминия беспрепятственно. Такое возможно лишь при правильном подборе композиции сплава. Все дело в том, что атомы алюминия не должны быть настолько связаны с атомами галлия в решетке, чтобы потерять свою способность к реакции с водой.
Профессор Вудолл полагает, что со временем автомобили можно будет заправлять обычной водопроводной водой и подавать ее в газогенератор. По его расчетам, общий вес алюминиево-галлиевых гранул, обеспечивающих горючее для 500-километрового пробега среднего легкового автомобиля, не превысит полутора сотен килограммов. Правда, в настоящее время полученный таким образом горючий газ еще не может конкурировать с бензином. Хотя галлий очень дорог, этот металл практически не реагирует с водой и может вновь и вновь извлекаться из отходов (кроме того, массовое применение новой технологии скорее всего приведет к появлению более дешевых способов получения галлия). Однако нынешняя стоимость алюминия такова, что полученное с его помощью водородное горючее себя не окупает. Тем не менее Вудолл полагает, что алюминий удастся значительно удешевить посредством усовершенствования технологий его электролитического восстановления из окиси с использованием электричества, произведенного ветровыми турбинами или ядерными станциями.
Предложенная методика, конечно, не решит энергетические проблемы человечества, но если надежды исследователей оправдаются – поможет уменьшить объем вредных выхлопов, по крайней мере в местах сосредоточения автомобилей (не следует забывать, что большую часть электроэнергии мы по-прежнему получаем из ископаемого топлива). АЛ
Спинтронные пулиСпинтронное устройство на основе кремния впервые удалось изготовить физикам из Университета штата Делавэр в Ньюарке и Кембриджской фирмы NanoTech. Ученые «впрыснули» электроны с одинаково ориентированным спином в слой кремния и управляли ими в полупроводнике. Эта демонстрация возможностей кремния делает появление спинтронных компьютеров еще на один важный шаг ближе.
По сути дела, одно спинтронное устройство уже давно стоит в каждом ПК – это обыкновенный винчестер. В нем информация хранится в виде определенной намагниченности участков рабочего слоя, которая в свою очередь формируется за счет преимущественной ориентации спинов электронов, входящих в магнитный слой ферромагнетиков, таких как железо и кобальт. Эта ориентация хорошо сохраняется, что и позволяет надежно хранить информацию. Однако многообещающая идея использовать спин вместо или вместе с зарядом электрона для обработки информации пока еще далека от современных компьютеров.
Основные компоненты спинтронной логики уже созданы и активно исследуются, но они, как правило, используют дорогой арсенид галлия. Кремний почти идеально подходит для спинтроники, поскольку в нем спин электрона сохраняет свою ориентацию особенно долго. Кроме того, хорошо отработанная технология массового производства кремниевых чипов гораздо дешевле. Но беда в том, что электроны с определенной ориентацией спина очень трудно «впрыснуть» в кремний. Их легко получить, пропуская ток сквозь тонкий слой намагниченного проводника. В этом слое электроны с ориентированным в противоположном направлении спином тормозятся и рассеиваются, а со спином «правильной» ориентации, напротив, легко проходят. Такой же слой можно использовать на выходе из кремния для измерений. Но на границе между кремнием и ферромагнетиком электроны теряют свою поляризацию.
Эту трудность удалось преодолеть, применив быстрые баллистические электроны, разогнанные в туннельном контакте перед магнитным сплавом из железа и кобальта толщиной 5 нанометров. Этот поляризующий слой располагался на кремниевой пластине толщиной 10 микрон, в которую быстрые электроны пролетали, как пули, без потери ориентации спина. В кремнии спин электронов можно было крутить с помощью внешнего магнитного поля, а на выходе еще один тонкий намагниченный слой из железа и никеля пропускал электроны только с совпадающей ориентацией спина. Измеряя ток сквозь такой бутерброд можно было надежно судить, что же в нем происходит.
К сожалению, пока эксперименты проводились лишь при низких температурах (-188 градусов Цельсия) для снижения тока утечек. Первоочередной задачей ученых теперь будет демонстрация кремниевых спинтронных устройств, работающих при нормальной температуре. ГА
Плазмонный холодильникНовый способ лазерного охлаждения полупроводников предложил теоретик из Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе Джейкоб Хургин (Jacob Khurgin).
На первый взгляд очень странная идея задействовать лазерный свет для охлаждения чего бы то ни было, на самом деле не является ни странной, ни новой. В основном лазер используют в научных лабораториях для охлаждения отдельных атомов до сверхнизких температур. Вариаций тут много, но механизм охлаждения обычно везде одинаков. Частоту света лазера выбирают так, чтобы энергия его фотонов была чуть меньше характерной энергии спонтанного испускания атомов. Тогда, поглотив фотон, возбужденный атом затем излучает фотон с чуть большей энергией и за счет этой разницы в энергиях постепенно охлаждается.
В твердом теле похожий механизм удалось реализовать для охлаждения стекол с примесями иттербия и других редкоземельных элементов. Но все попытки сделать что-то похожее в полупроводниках до сих пор терпели фиаско. В полупроводнике поглощенный фотон, как правило, создает пару из электрона и дырки, которая редко рекомбинирует с испусканием фотона с большей энергией. Наоборот, чаще излучаются фотоны с меньшей энергией, а разница нагревает кристаллическую решетку материала. Кроме того, излученный фотон часто вновь поглощается материалом, что ведет к дополнительному нагреву.
В новом способе охлаждения слой полупроводника нужно расположить вблизи поверхности металла с вакуумным зазором около десяти нанометров. В такой слоистой конструкции могут существовать так называемые поверхностные плазмоны-поляритоны – кванты коллективных колебаний электромагнитного поля и свободных электронов в металле. Как подсчитал теоретик, пары из электрона и дырки в полупроводнике тогда смогут рекомбинировать, испуская вместо фотона такой экзотический плазмон-поляритон, который с вероятностью 99,9% поглотится именно в металле. Таким образом, энергию из слоя полупроводника можно будет перекачивать в металл, который уже придется охлаждать обычным кулером.
Расчеты показывают, что если в качестве полупроводника взять нитрид галлия, а металлический слой сделать из серебра, то общая эффективность такого холодильника составит около трех процентов. А этого уже достаточно для практических приложений. Причем полупроводник будет охлаждаться непосредственно и сразу во всем своем объеме, что значительно снизит в нем вредные перепады температур.
Дело вроде бы за малым – проверить новую теорию в эксперименте. Но автор в ней вполне уверен и считает, что эффективность холодильника можно значительно увеличить, если сделать поверхность металла рифленой. В случае успеха новый способ в первую очередь будет использоваться для охлаждения чувствительных инфракрасных детекторов на спутниках и в приборах ночного видения. А там, быть может, и до процессоров дело дойдет. ГА
Копать глубже и мотать на усТрадиционной для многих последних месяцев неудачей закончились два мероприятия, посвященные внедрению новых космических технологий. Человек со своим прогрессом был бит как на Земле, так и за пределами атмосферы. Посыпать голову пеплом, впрочем, рано, ведь легкая дорожка техническим новинкам выпадает далеко не всегда, и, наверное, нет ничего страшного в том, что при решении поставленных задач в ответе порой получаются пресловутые полтора землекопа. Если быть точнее, то количество копающих в конкурсе NASA Regolith Excavation Challenge правильнее было бы обозначить как 0,5.
Американское аэрокосмическое агентство продолжает серию «челленджей», посвященных будущему освоению Луны. На сей раз автономным роботам предстояло копать имитирующую лунный грунт субстанцию, собранную в емкости, напоминающей песочницу. Задача, поставленная организаторами конкурса, выглядела весьма «школьно»: «на объекте работают четыре экскаватора, за полчаса работы каждый должен выкопать не меньше 150 кг грунта, сколько грунта выкопано всего». Дополнительным и весьма важным условием послужила обязательная миниатюрность «строительной» техники: каждый «робокоп» должен весить не более сорока килограммов и потреблять не более 30 Вт энергии. Участники состязания без всяких неожиданностей выбрали дифференциальный метод решения, то есть, все работали только за себя, пытаясь добыть виртуально зарытые в лунной песочнице 250 тысяч долларов премиальных. Трое из четверых конкурсантов сошли с дистанции в самом начале, и, разумеется, по техническим причинам. Четвертый претендент на лунный клад (Technology Ranch, Калифорния) к истечению срока немного не дотянул до половины положенного норматива, и все четыре команды разработчиков были отправлены на пересдачу. NASA решило ободрить «двоечников»: понимая, что создание аппарата, удовлетворяющего столь жестким требованиям, дело хлопотное и дорогостоящее, учредитель пообещал в следующем году на той же глубине разместить на полмиллиона долларов больше.
А несколько раньше, в рамках эксперимента Multi-Application Survivable Tether (MAST) на околоземную орбиту был запущен небольшой спутник, которому предстояло провести испытания довольно модной технологии: космической нити (троса, каната). В последние годы много говорится и пишется об этой чудесной возможности в некоторых случаях отказаться от дорогих в использовании ракетных двигателей. Речь, как правило, идет об идее космического лифта, который позволил бы доставлять на орбиту грузы, а также о коррекции орбит спутников. С лифтами пока совсем плохо, а вот взаимодействие аппаратов посредством нити на орбите уже удалось довести до испытаний.
На самом деле, в MAST было задействовано целых три аппарата. Один должен был отделиться от двух других для того, чтобы размотать километровую нить толщиною в полмиллиметра. На втором, номинально главном спутнике разместилась бобина с нитью, навигационное устройство и антенна. Третьему аппарату, тому, что изначально был размещен посередине, предстояло позднее проследовать по всей длине нити, изучая ее целостность посредством фотографирования и сообщая о повреждениях, полученных в ходе эксперимента. Увы, до этого не дошло: из-за сбоя в работе ограничителя первые два аппарата разошлись лишь на несколько метров.
Эта неудачная попытка обошлась меньше чем в миллион долларов. NASA сделало только первый практический шаг к цели. Кроме использования космического троса в коррекции орбит и удержания на нужном расстоянии разрозненных частей орбитального комплекса есть идея и так называемой космической пращи, которая с помощью все той же нити позволит поймать аппарат на низкой орбите и перевести его на иную, даже межпланетную траекторию. Кто знает, может быть, именно так к Луне запустят первый экскаватор. АБ
Дорогу стволовым клеткам!Верховный суд Калифорнии отказался рассматривать иск, инициаторы которого требуют запретить программу изучения человеческих стволовых клеток. Это решение окончательно лишает противников программы шансов на успех и открывает путь к ее практической реализации.
Программа научных исследований, нацеленных на поиск методов лечения различных заболеваний с помощью стволовых клеток, была утверждена на общекалифорнийском референдуме, который состоялся в 2004 году. Ее инициаторами стали состоятельные жители штата, чьи родственники страдают сахарным диабетом и другими заболеваниями, которые предполагается лечить с помощью стволовых клеток. Эта инициатива нашла сильную поддержку в университетах и биотехнологических компаниях, а также в Голливуде. За две недели до голосования в ее пользу высказался даже губернатор штата Арнольд Шварценеггер. Сторонники проекта собрали на пропаганду 20 млн. долларов и использовали эти деньги весьма эффективно. Их противникам, которых возглавил знаменитый актер Мел Гибсон, не удалось накопить и миллиона. В результате проект одобрили почти 60% калифорнийцев, пришедших на избирательные участки.
Эта инициатива очень интересна в юридическом плане. Она не просто санкционировала работы с человеческими стволовыми клетками любых типов, в том числе и эмбриональных, но и придала таким исследованиям статус конституционного права. Разумеется, речь идет не о федеральной конституции США, а о конституции Калифорнии. Для обеспечения практической реализации проекта, власти штата выпустят облигации займа на общую сумму три миллиарда долларов. Эти средства будут в течение десяти лет приблизительно равными долями направляться на финансирование биомедицинских проектов, связанных с применением стволовых клеток. Получателям таких грантов не возбраняется клонировать человеческие эмбрионы с целью использования их клеток в лечебных целях (так называемое терапевтическое клонирование), однако строго запрещается выращивать из этих эмбрионов даже двух-трехнедельных зародышей, не говоря уже о младенцах. Для осуществления этой программы создана специальная организация – Калифорнийский Институт регенеративной медицины. Его работу контролирует независимый комитет, куда вошли представители научных центров, врачебных кругов и общественных групп.
Вскоре после объявления результатов референдума его оппоненты образовали коалицию, которая решила продолжить борьбу в суде. В нее вошли радикальные противники абортов, а также сторонники сокращения налогов. До сих пор им удавалось оттягивать запуск программы, однако вердикт Верховного Суда Калифорнии кладет конец этим усилиям. В июне штат начнет выпуск первого пакета облигаций на сумму в 300 миллионов долларов, которые пойдут на финансирование исследований стволовых клеток в течение одного года. Однако фактически Институт регенеративной медицины начал работать, поскольку еще до завершения судебной эпопеи он получил 150-миллионный заем от казначейства штата и еще 8 миллионов из других источников. В итоге Институт уже вышел на первое место в мире по финансовым ресурсам среди организаций, которые занимаются биомедицинскимии исследованиями человеческих стволовых клеток. АЛ
Дюны не торопятсяСтарая загадка марсианских дюн, впервые обнаруженных еще в 1971 году, недавно была решена специалистами по вычислительной физике из Университета Штутгарта и Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.
Песчаные дюны на Марсе очень похожи на земные. И естественно предположить, что они созданы, как и на Земле, ветром. Но марсианская атмосфера столь разреженна и тиха, что трудно поверить, будто столь слабый ветер мог наворотить огромные груды песка. Боле того, еще ни одной марсианской экспедиции не удалось зафиксировать, чтобы дюны хоть немного переместились. Эти странности легли в основу ряда гипотез, авторы которых предполагали, что раньше марсианская атмосфера была гораздо плотнее и толще и дюны образовались еще в те далекие времена.
Как часто бывает, со временем нашлось и более простое объяснение. Ключевым механизмом формирования дюн на Земле и на Марсе является так называемая сальтация, или скачкообразное перемещение песчинок. Во время сальтации поднятая ветром песчинка перелетает на новое место и, падая, выбивает еще несколько песчинок, которые вновь увлекаются ветром. Этот аналог «цепной реакции» успешно объясняет форму земных дюн, но он так сложен, что использует несколько подгоночных параметров, определяемых в эксперименте. Со стандартными параметрами сальтации дюны на Марсе не образуются. Но когда ученые учли, что из-за менее плотной атмосферы и меньшей силы тяжести песчинка на Марсе летит в десять раз быстрее и выбивает заметно больше других песчинок, все встало на свои места.