Разработан двадцатикратно более эффективный процесс получения биотоплива

В Мичиганском университете (США) создан процесс производства биогорючего, который позволяет получить в двадцать раз больше энергии, чем любой существующий метод.

Подробное описание технологии, основанной на использовании микробов для производства биогорючего и водорода при переработке сельскохозяйственных отходов, опубликовано в журнале Environmental Science and Technology, и статья эта находится в открытом доступе.

Микробиолог Гемма Регуэра (Gemma Reguera) создала «Микробные электролизные ячейки» (МЭЯ) — биоэлектрохимическую систему, использующую бактерии для разложения и ферментативной переработки сельскохозяйственных отходов в этанол. Уникальность платформы в том, что она работает со второй бактерией, которая при внесении в реакционную среду удаляет все побочные продукты ферментирования (всё, что не является этанолом), генерируя при этом электричество.

Подобные микробные топливные ячейки уже изучались, но максимально достигнутый выход энергии фиксировался на уровне 3,5%, что не способствовало их массовому использованию. А вот мичиганским учёным удалось добиться на порядок более высоких показателей: выход энергии достиг 35–40%, только за счёт собственно ферментативного процесса. Секрет успеха — в синергетике. Ферментирующая бактерия была подобрана таким образом, чтобы она могла не только эффективно перерабатывать сельхозотходы в этанол, но и продуцировать такие неспиртовые продукты, которые затем могли бы с лёгкостью метаболизироваться электропродуцирующей бактерией. Удаление накапливающихся продуктов первичной ферментации под действием второй бактерии стало отличным стимулом для лучшего роста и «улучшения» аппетита самой ферментирующей бактерии, активность которой не снижалась с течением времени.

Но вернёмся ко «второй бактерии». Geobacter sulfurreducens в подходящих условиях способна генерировать электричество в процессе своей жизнедеятельности. Само электричество, однако, собирать с бактерий в планы учёных не входило. Решить эту задачу было бы непросто и вряд ли экономически выгодно. Зато авторы предложили другое гениально простое решение — использовать даровое электричество для производства водорода внутри МЭЯ и тем самым ещё больше увеличить энерговыработку всего процесса.

В результате суммарный выход достиг 73%, то есть производство водорода увеличило и без того солидный первоначальный показатель вдвое.

Теперь учёные пытаются подогнать параметры своего изобретения к промышленным нуждам, где масштабы значительно превосходят лабораторные установки.

http://science.compulenta.ru/693147/

Установлен рекорд мощности лазерного импульса

Лазерная система, смонтированная на территории американского научного комплекса National Ignition Facility (NIF), установила рекорд мощности импульса.

Действие системы, как мы уже рассказывали, обеспечивают 192 лазерных пучка. Создание столь сложной и чрезвычайно дорогой сборки вполне оправдано: с её помощью учёные хотят зажечь инерциальный термоядерный синтез.

Реакция синтеза требует сближения двух лёгких ядер (в нашем случае — дейтерия и трития) на фемтометровые расстояния, на которых проявляют себя ядерные силы. Лазерное излучение сотрудники NIF хотят направить на металлический цилиндр с находящейся внутри него сферой с бериллиевой оболочкой и дейтерий-тритиевым наполнителем. Цилиндр при этом должен нагреваться и отдавать полученную энергию в виде рентгеновского излучения, а оно уже будет взаимодействовать с мишенью. Согласно плану, вложение энергии приведёт к испарению и быстрому истечению вещества с поверхности сферы, а также к образованию направленной внутрь ударной волны, которая сожмёт и нагреет топливо до термоядерных параметров. После этого горение начнёт распространяться из центра к периферии.

Вид на охлаждаемую мишень NIF (фото LLNL).

Сейчас физики занимаются тестированием установки и проверкой описанной опытной схемы. В ходе этих подготовительных работ и был установлен рекорд: 5 июля лазерная система выдала на 2-миллиметровую мишень более 500 тераватт мощности (и 1,85 МДж энергии) ультрафиолетового излучения. По словам участников эксперимента, и характеристики всех 192 пучков, и общая энергия прекрасно соответствовали заданным параметрам.

«На наших глазах амбициозный проект, разработанный более 20 лет назад, принимает вид действующей научной лаборатории, — прокомментировал результаты руководитель NIF Эдвард Мозес (Edward Moses). — Установка полностью готова, и мы вплотную подобрались к собственно зажиганию термоядерного синтеза».

Стоит добавить, что рекордная энергия лазерного импульса была зафиксирована чуть раньше — в эксперименте, проведённом 3 июля. Тогда она достигла 1,89 МДж, а мощность поднималась до 423 ТВт.

http://science.compulenta.ru/694066/

Впервые БПЛА на лазерной подпитке продержался в воздухе 48 часов

Lockheed Martin и весьма креативный американский стартап LaserMotive использовали лазерный луч для подпитки в полёте БПЛА Stalker.

Дрон с батареей на полчаса полёта продержался воздухе более двух суток, увеличив свой предыдущий рекорд на 2 400%.

О том, какой проблемой является для БПЛА ограниченный запас энергии, можно не распространяться: теоретически дроны могут висеть в воздухе неделями и месяцами, а вот практически об этом не приходится и мечтать. ЭлектроБПЛА наиболее перспективны и в военной, и в гражданских областях в силу почти полной бесшумности и (в боевых действиях) непревзойдённой среди ЛА скрытности за счёт малых размеров (тактических дронов).

Но батареи часто весят половину электроБПЛА. А самое главное вот в чём: бензин по мере расходования в прямом смысле выбрасывается за пределы ЛА, а вот электроны в литиевых аккумуляторах практически ничего не весят, и литиевый груз приходится таскать с собой всё время.

Stalker стал первым БПЛА своего класса, непрерывно летавшим двое суток подряд. И первым электроБПЛА в мире! (Здесь и ниже илллюстрации Lockheed Martin, LaserMotive.)

Есть ли этому альтернатива? Lockheed Martin полагает, что да. Военно-промышленный монстр и молодая компания LaserMotive использовали активно разрабатываемую в последние три года дистанционную передачу энергии небольшим (сначала наземным) дронам посредством лазерного луча. Для этого применялся стандартный локхидмартиновский БПЛА Stalker Unmanned Aerial System, шестикилограммовый дрон (используемый с 2006 года силами спецназначения США), оснащённый фотоэлементами из тех, что стоят в концентрирующих гелиоэнергетических системах. Элемент такого рода может быть очень небольшим; разумеется, подбирались образцы с максимальным КПД. На него направляли луч лазера, который постоянно подпитывал небольшую (не более 120 минут полёта) литиевую батарею Stalker UAS дополнительной энергией.

Итог? 48 часов полёта, увеличение времени пребывания в воздухе разведывательного тактического БПЛА на 2 400% (в 24 раза). Двое суток полёта!

Конечной целью амбициозного стартапа является… космос. В самом деле, земная атмосфера позволяет подпитывать космические корабли прямо на околоземной орбите, позволяя им брать энергию для маневрирования и разгона не только от Солнца, но и от наземных источников. Даже межпланетные аппараты могут разгоняться не за счёт набортных источников, а при помощи неограниченной по интенсивности подпитке ионных двигателей с Земли, что открывает перспективы радикального увеличения возможностей АМС. Кроме того, околоземные спутники, неограниченные в источниках энергии для маневровых ионных двигателей, теперь смогут куда дольше противостоять потере высоты и сгоранию в атмосфере, задерживаясь на орбите столько, сколько выдержат их электроника и бортовая аппаратура.

Наконец, в своё время компания заявляла и о планах по питанию капсулы (теоретически возможного) космического лифта. Чтобы не создавать стартаперам ложный имидж несгибаемых учеников и последователей Манилова, сразу оговоримся: они уже участвуют в пресловутом НАСА-проекте Ride the Light, который предусматривает реализацию как минимум частичной подпитки космических аппаратов по лазерному лучу с Земли.

Если в ближайшие пять лет LaserMotive собирается добраться до БПЛА средних и больших размеров, то затем в её планах — космос, включая, в перспективе, космический лифт и передачу энергии с орбитальных солнечных батарей на Землю.

Ну а если мы вслед за гигантом аэрокосмической индустрии США Lockheed Martin сосредоточимся на ближайших перспективах, то сразу отметим, что у новой технологии пока есть проблемы. Первая: лазерный луч когерентен, нужна прямая видимость между дроном и наземной подпитывающей станцией. Разведать, что там, за горой, пока не получится. То есть LaserMotive предполагает, что в будущем низкоорбитальные спутники, оснащённые управляемыми зеркалами, смогут перенаправлять лазерное излучение с земной поверхности обратно к Земле, но уже в точке нахождения подпитываемого дрона, однако это явно не дело ближайших лет.

Пока подпитка на дистанциях более 10 км не удаётся даже в прямой видимости: нужны специальные лазеры с излучением, минимально поглощающимся атмосферой. Да и облака могут помешать. Точно так же сильный дождь или песчаная буря остановят непрерывное патрулирование БПЛА на лазерной подпитке: прозрачность снизится настолько, что когерентный пучок просто не будет доходить до «преследуемого» им дрона.

Другая проблема: приёмник энергии лазерного луча либо нуждается в специальном охлаждении, которое серьёзно утяжелит его, либо (такова ситуация сейчас) не может принять более 6 кВт/м². Да и КПД такой передачи пока около 20% (потери при излучении энергии лазером — около 40%, плюс потери в приёмнике), что ограничивает её использование в аэрокосмосе. Правда, DARPA разрабатывает сейчас диодный лазер, работающий на частоте 985 нм с КПД в 85%, что, по оценкам LaserMotive, доведёт эффективность лазерной передачи до 30–35%. И всё же до беспроводной передачи энергии, к примеру, электромобилям, как мы видим, пока бесконечно далеко. Слишком велики потери!

Но в любом случае это начало переворота во всей отрасли беспилотных летательных аппаратов, а в перспективе — и некоторых электропланов. И хотя подпитывать беспилотные квадрокоптеры таким методом уже удавалось, это было лишь в помещении (масштаб времени — 60:1):

http://www.youtube.com/watch?v=8hhv9Cu9 … embedded#!

Да и скорость квадрокоптеров невелика, что упрощало слежение лучом за их траекторией и обеспечение непрерывного энергоснабжения. Теперь же удалось проделать тот же трюк с БПЛА самолётного типа, в аэродинамической трубе и в течение двух суток! Более того, прекратить испытания пришлось только потому, что был существенно превзойдён первоначально намеченный временной лимит (а не из-за каких-то технических проблем).

Похоже, о литиевых батареях как «гире, прикованной к ногам» тактических дронов, можно забыть. Наземная подпитывающая станция сможет дать достаточно энергии любому мелкому или среднему разведывательному/ударному дрону, причём лучу лазера вовсе не обязательно работать исключительно в видимом спектре (ночью это может демаскировать).

http://science.compulenta.ru/693987/

Нанокристаллы целлюлозы как будущее конструкционных материалов

Дерево может быть не только лёгким и прочным, но и электропроводящим. Именно таковы нанокристаллы целлюлозы (НКЦ), близкие по параметрам к углеродным нанотрубкам.

Правда, в отличие от большинства продуктов с приставкой «нано», своей ценой НКЦ, производимые из отходов деревообработки, предельно близки именно к дереву, и экономически это их самая сильная сторона.

Pioneer Electronics (Япония) намерена применить нанокристаллы целлюлозы для производства гибких дисплеев следующего поколения. IBM надеется использовать НКЦ в производстве электронных компонентов. Не смогла пройти мимо даже американская армия, поскольку новый материал обещает ей — впервые в истории — приемлемые по весу бронежилеты и бронеочки, неуязвимые для промежуточных патронов АКМ и АК-74 на любой дистанции.

И вот первая ласточка: 26 июня в США открыто промышленное предприятие по производству НКЦ.

С чем связан ажиотаж? Во-первых, НКЦ регулируемо прозрачны. Во-вторых, их прочность на разрыв восьмикратно выше нержавеющей стали из-за тесного взаимодействия вытянутых тонких нанокристаллов между собой. Наконец (и это главное), при массовом производстве цена материала приблизится к стоимости ОСБ, а вовсе не к углеродным нанотрубкам — ближайшему аналогу по механическим свойствам. «Это натуральная, возобновляемая версия углеродных нанотрубок, по стоимости равная лишь малой доле цены самих нанотрубок», — объясняет Джефф Янгблад из Университета Пердью (США).

Кстати, хотите заработать, не особенно вкладываясь? Небольшая опытная фабрика, отрытая в США и принадлежащая Лесной службе США, обошлась всего в $1,7 млн. Сейчас она выпускает два типа НКЦ — нанокристаллы и волоконца диаметром до 1 нм. Производство НКЦ начинается здесь с обычной чистой древесины, из которой предварительно удаляются лигнин и гемицеллюлозы. Затем её перемалывают в древесную массу и гидролизуют в кислоте для удаления посторонних включений. После этого полученную целлюлозу концентрируют в виде кристаллов, вместе составляющих что-то вроде толстой макаронины, которую можно или нанести в качестве ламината на ту или иную поверхность, или подвергнуть дальнейшей переработке в пряжу, формируя нановолокна. При всей жёсткости и прочности материалу можно придать любую форму. После лиофилизации (мягкой сушки, при которой материал замораживается, а потом помещается в вакуумную камеру, где происходит возгонка жидкости) вещество становится очень лёгким. При этом оно годится не только как конструкционный материал, но и как утеплитель или абсорбент. В последнем случае для изготовления подойдёт любое древесное сырье: ветки, сучья, даже опилки.

Американское производство НКЦ не первое в мире. Его опередил открывшийся в ноябре 2011 года более масштабный завод CelluForce в Монреале (Канада), за день производящий тонну НКЦ (диаметром около 5 нм и длиной 100 нм). «Масштабный», впрочем, не значит дорогой: площадь предприятия — всего 315 м², а стоимость инвестиций — $33 млн. Но даже CelluForce скорее является демонстрационным объектом, нежели всамделишным: последний, по расчётам канадцев, должен иметь мощность в 25 тонн в день и планируется к запуску в ближайшие два–три года, как только продукты CelluForce найдут устойчивых покупателей, нуждающихся в бóльших объёмах.

По словам заместителя директора американского производства, в течение пары лет, по мере отработки технологии, цена конечного продукта упадёт до нескольких долларов за килограмм. По мнению ряда экспертов, материал вытеснит и металл, и пластики из автомобилестроения, и вообще может сделать искусственные пластмассы пережитком прошлого уже в ближайшее время.

Благодаря варьируемой толщине волокон его можно применять как для изготовления автомобильного кузова, так и для производства пластиковых пакетов, а также всего, что лежит между этими областями. Впрочем, материал может оказаться проблемой для экологии: в отличие от обычной древесины, он практически не может эффективно гнить (и даже гореть), то есть без дополнительных мероприятий его биодеградация будет затруднительна. Если же, как планируют канадцы, его начнут массово добавлять в существующие пластики (прежде всего полипропилен и полиэтилен), то говорить о его биодеградации просто не придётся: в лучшем случае она займёт века.

И всё же преимущества НКЦ перевешивают минусы. Настраиваемая прозрачность и отражающая способность, прочность, втрое уступающая углеродным нанотрубкам (рекордсменам среди известных материалов), но восьмикратно превосходящая сталь, — попробуйте-ка добиться такого от древесных материалов!