Znajdź zawartość

Najbardziej obfitym i najłatwiej dostępnym źródłem odnawialnej energii jest Słońce. Jednak dotychczas, by wykorzystać jego potencjał, konieczne jest wykonanie wielu kroków pośrednich, które w efekcie pozwolą np. napędzać maszynę dzięki energii pozyskanej z naszej gwiazdy. Naukowcy z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley stworzyli proste, wodne maszyny napędzane bezpośrednio przez Słońce. Teoretycznie można je skalować tak, by otrzymać pompy generujące energię. "Słoneczne maszyny" działają dzięki zjawisku napięcia powierzchniowego. Molekuły wody silnie na siebie oddziałują i, jak się okazało, można to oddziaływanie wykorzystać do poruszania obiektów po powierzchni wody. Urządzenia z Berkeley to kawałki przezroczystego plastiku, którego najdłuższa krawędź ma około centymetra. Pokryto je paskami ułożonych wertykalnie węglowych nanorurek. Jeśli teraz na taką maszynę pada światło Słońca, nanorurki się podgrzewają i ogrzewają wodę wokół. To zmniejsza napięcie powierzchniowe z jednej strony kawałka plastiku, który w efekcie jest odpychany od miejsca o niższym napięciu. Prace nad poruszanymi światłem słonecznym maszynami prowadzili Alex Zettl, profesor fizyki materii skondensowanej oraz profesor chemii i inżynierii chemicznej Jean M. J. Frechet. Profesor Zettl mówi, że warto je kontynuować, gdyż siły napięcia powierzchniowego są bardzo duże, a więc być może uda się je wykorzystać. Uczeni zademonstrowali dwie maszyny. Pierwsza z nich to łódka z nanorurkami przylepionymi z tyłu. Po oświetleniu nanorurek płynęła ona do przodu. Maksymalne prędkość łódki o długości 1 cm wynosiła 8 centymetrów na sekundę. Druga z maszyn to prosty wirnik. Do każdego z jego czterech skrzydeł przymocowano z jednej strony nanorurki. Po wystawieniu na działanie światła słonecznego kręcił się on z prędkością około 70 obrotów na minutę. Zettl i Frechet rozpoczęli swoje eksperymenty od małych obiektów, ponieważ poruszanie ich po wodzie stanowi poważne wyzwanie. W tej skali występujące turbulencje stanowią poważną przeszkodę. Ponadto w nanoskali napięcie powierzchniowe działa silniej niż grawitacja. Obaj uczeni mają nadzieję, że ich prace przyczynią się do powstanie przydatnych w medycynie miniaturowych urządzeń napędzanych laserem i korzystających z napięcia powierzchniowego płynów ustrojowych. Chcieliby też stworzyć nanowirniki do generatorów energii elektrycznej. Planują również wybudowanie dużej łodzi, która, po umieszczeniu z tyłu soczewek i nanorurek, byłaby napędzana Słońcem. Dean Alhorn, pracujący w NASA nad napędzanym słońcem satelitą NanoSail-D chwali prace swoich kolegów. Zauważa jednak, że muszą jeszcze dowieść, iż siła Słońca i napięcia powierzchniowego jest na tyle duża, by np. pokonać fale na otwartym akwenie.

Doktor Young Bae z Bae Institute zaprezentował urządzenie, które jeszcze niedawno istniało jedynie na kartach powieści science fiction. Mowa tutaj o Laserowym Napędzie Fotonowym (PLT - Photonic Laser Thruster), czyli ni mniej, ni więcej urządzeniu, które będzie napędzało statki kosmiczne dzięki strumieniowi fotonów. W prezentacji brał udział doktor Franklin Mead, jeden z czołowych badaczy nad zaawasowanymi systemami napędowymi, zatrudniony w Laboratorium Badawczym Lotnictwa Wojskowego (AFRL). To niewiarygodne urządenie. Z tego co wiem, nikomu wcześniej nie udało się go skonstruować. Spotkało się ono z ogromnym zainteresowaniem – powiedział Mead. Pisarze od dawna wykorzystywali na łamach swych powieści „napęd fotonowy”. Naukowcy jednak wątpili, czy fotony uda się kiedykolwiek wykorzystać do tego celu. Nie mają one bowiem masy spoczynkowej i ładunku elektrycznego. Nie mogłyby więc „pchnąć” statku kosmicznego, gdyż nie można ich zgromadzić i wystrzelić. System PLT przezwycięża ten problem, wielokrotnie odbijając strumień fotonów pomiędzy dwoma lustrami. W ten sposób można dodawać kolejne fotony do już wystrzelonych. Doktor Bae wykorzystał laser i skomplikowany system, który służył do wzmocnienia strumienia fotonów. Udowodnił, że energia fotonów mogłaby napędzać statki kosmiczne odbijając tysiące razy fotony pomiędzy nimi. System doktora Bae jest w stanie wzmocnić strumień aż 3000 razy. Niewielki laser ma dzięki temu moc porównywalną z potężnymi i dużo większymi systemami laserowymi. PLT może znaleźć zastosowanie na wielu polach. Najbardziej oczywistym jest napęd dla statków kosmicznych. Naukowcy oceniają, że pojazd wyposażony w nowy napęd, dotarłby na Marsa w ciągu tygodnia. Być może w przyszłości udałoby się przyspieszyć go nawet do prędkości bliskiej prędkości światła. Teraz jednak doktor Bae ma bardziej realny cel na myśli. Chce połączyć technologię PLT z Photon Tether Formation Flight (PTFF). PLT ma o 100 000 razy zwiększyć precyzję lotów kosmicznych w formacjach. Dzięki temu pozycję poszczególnych pojazdów formacji można by kontrolować z dokładnością do nanometra. To z kolei pozwoli na zbudowanie lepszych urządzeń służących do badania kosmosu. System PLT został po raz pierwszy pokazany w grudniu ubiegłego roku. Od tamtej pory kolejne demonstracje dowiodły, że rzeczywiście działa. Badaniami Bae Institute zainteresowały się NASA i AFRL.

Profesor Gerald Cleaver i doktor Richard Obousy z Bailor University twierdzą, że podróże z prędkością większą od prędkości światła są możliwe. Co więcej, uważają, że ich teoria pozostaje w zgodzie ze wszystkimi prawami fizyki. Ich zdaniem, jeśli uda się za pomocą olbrzymich ilości energii manipulować czasoprzestrzenią wokół statku kosmicznego, to powstanie rodzaj pęcherza, który nada pojazdowi prędkość większą od szybkości światła. "To jak surfowanie na fali. Statek będzie popychany przez bąbel, a sam bąbel będzie wędrował szybciej niż wynosi prędkość światła" - mówi Cleaver. Cleaver i Obousy zakładają manipulowanie 11-wymiarową przestrzenią w celu uzyskania ciemnej energii. Połączyli swój pomysł z ideą napędu Alcubierre'a, znanym też jako napęd Warp, który ma działać dzięki rozszerzeniu czasoprzestrzeni za statkiem i jej ściśnięciu przed pojazdem. W rzeczywistości statek się nie porusza, ale znajduje się pomiędzy rozszerzającą się i ściskającą czasoprzestrzenią. Teoria względności mówi, że do rozpędzenia obiektu ponad prędkość światła potrzebowalibyśmy nieskończonej ilości energii. W powyższym przypadku obiekt (czyli statek kosmiczny) pozostaje nieruchomy, a więc ilość energii nie musi być nieskończona. Fizycy z Baylor University wykorzystali w swej pracy również zmodyfikowaną teorię strun. Ta oryginalna mówi, że istnieje 10 wymiarów oraz sześć dodatkowych, których nie potrafimy zidentyfikować. Z kolei według nowej, zmodyfikowanej teorii, struny wibrują w przestrzeni składającej się z 11 wymiarów. I to właśnie ten 11. wymiar może, zdaniem Cleavera i Obousy'ego, napędzać pojazd. Fizycy wyliczają, że energia, potrzebna do podróży szybszej niż prędkość światła, jest równa energii, którą można uzyskać z zamiany całej masy Jowisza. Przez najbliższe dziesięciolecia nie będziemy więc w stanie wytworzyć tak olbrzymiej ilości energii.

Napędzanie samochodów wodorem to bardzo pociągające idea, która jest niezwykle trudna w realizacji. Wodór jest bowiem bardzo trudno przechowywać i nikt dotychczas nie potrafi skonstruować samochodowego zbiornika, który będzie prosty i bezpieczny w eksploatacji,a jednocześnie zabierze ilość paliwa wystarczającą do przejechania kilkuset kilometrów. Jedną z metod radzenia sobie z tym problemem jest zamykanie wodoru w pułapkach z węgla, tlenu i wodoru połączonych jonami metali. Takie krystaliczne struktury zwane MOF (metal-organic framework) są bardzo obiecujące, jednak są toksyczne i trudne w produkcji. Tymczasem Fraser Stoddard z Northwestern University proponuje produkcję MOF z materiałów biodegradowalnych, odnawialnych, łatwo dostępnych i całkowicie bezpiecznych dla człowieka. Tak bezpiecznych, że... można je jeść. Przepis na bezpieczne MOF-y brzmi: cukier (gamma cyklodekstryna), sól (benzoesan potasu lub chlorek potasu), woda, alkohol. Jak mówi doktor Ronald Smaldone, całość smakuje nieco jak krakersy. Jednak odpowiednie przygotowanie wymienionych powyżej składników powoduje, że powstają kryształy zdolne do wiązania wodoru, z których wodór w łatwy sposób się uwalnia. Kryształy MOF są wykorzystywane od 1999 roku do przechowywania gazów. Jednak do ich produkcji potrzebna jest ropa naftowa, przez są one toksyczne, a zatem niebezpieczne w użyciu i wymagają specjalnego obchodzenia się zarówno w czasie użytkowania, jak i podczas składowania na wysypisku. Tymczasem nowe MOF są tak bezpieczne, że po użyciu można je po prostu rozpuścić w wodzie i wylać do zlewu. Głównym składnikiem "przepisu" Stoddarda jest gamma cyklodekstryna. To ona tworzy molekularny szkielet pułapki i dzięki niej powstają kryształy. Gdy uczeni zbadali je pod mikroskopem, ze zdziwieniem zauważyli, że utworzyły one MOF, które są trudne do uzyskania za pomocą składników organicznych. W MOF-ach bardzo ważna jest symetria. A problem z naturalnymi materiałami jest taki, że nie tworzą one symetrycznych struktur, przez co nie krystalizują w uporządkowane struktury - mówi Stoddard. Bliższe badania pokazały, że symetrię zapewnia gamma cyklodekstryna, która składa się z ośmiu symetrycznie rozłożonych merów glukozowych. Uczeni najpierw rozpuścili gamma cyklodekstrynę i sól potasową w wodzie, którą później odparowano w obecności alkoholu. W efekcie takich działań powstały kryształy w formie sześcianów, składające się z sześciu molekuł gamma cyklodekstryny połączonych w trójwymiarową strukturę za pomocą jonów potasu. Wcześniej nie znano tego typu struktur. Niewykluczone, że uda się je też uzyskać z zastosowaniem innych materiałów. Nowo powstałe struktury posiadają liczne łatwo dostępne pory, które można wykorzystywać do przechwytywania i przechowywania gazów. Pory stanowią aż 54% objętości struktury. Naukowcy mają więc nadzieję, że ich wynalazek uda się wykorzystać wszędzie tam, gdzie dotychczas stosowano tradycyjne MOF-y.

Profesor Charles Samuel Greenwood od ponad 40 lat pracuje nad samochodem napędzanym siłą ludzkich mięśni. W przyszłym roku na rynek ma trafić czteroosobowy pojazd Imagine PS, zdolny do rozwinięcia prędkości 100 km/h w terenie płaskim i do 50 km/h w górzystym. Urządzenie korzysta z energii elektrycznej generowanej przez ruchy ramion pasażerów. Jeśli wszyscy czterej starają się napędzać samochód, jest on całkowicie autonomiczny i korzysta tylko z siły mięśni. Jednak wyposażono go również w akumulatory, pozwalające na doładowanie z sieci. Imagine PS ma dość nietypowy wygląd, jednak został on pomyślany tak, by właściciel łatwo mógł dostosować go do różnych obecnie stosowanych i przyszłych opcji zasilania, bez konieczności wymiany całego samochodu. Greenwood zaczął pracować nad samochodami zasilanymi pracą mięśni już w 1968 roku. Chciał z jednej strony doprowadzić do zmniejszenia zanieczyszczenia środowiska naturalnego, a z drugiej - zmuszając kierowców i pasażerów do aktywności w czasie jazdy - wypromować zdrowszy tryb życia. Imagine PS będzie sprzedawany w cenie 15 500 USD. Już można składać zamówienia wpłacając zadatek w wysokości 50 USD. Produkcja ruszy, jeśli firma HumanCar zbierze co najmniej 800 zamówień. Jeśli tak się nie stanie, zadatek zostanie zwrócony. W tej chwili znaleźli się chętni na ponad 100 nietypowych samochodów. Właściciele HumanCar są optymistami. Mają 200-letni biznesplan. Kierują swoją ofertę przede wszystkim do krajów rozwijających się. Greenwood zapewnia, że firma jest niezależna i właściwie przynosi dochody. Wśród jej produktów znajduje się np. dwuosobowy przenośny generator prądu, który mieści się w walizce. http://www.youtube.com/watch?v=NXUJjFvgOdk

Radziecki program badawczy związany z podbojem kosmosu może przyczynić się do przełomu w technologii przechowywania wodoru wykorzystywanego jako paliwo. Niemieccy i izraelscy naukowcy zaadaptowali rozwiązania stosowane przez uczonych w ZSRR tak, by nadawały się do zasilania laptopów czy samochodów. Wszystko zaczęło się w 2005 roku, gdy do izraelskiego przedsiębiorcy Mosze Sterna zgłosił się rosyjski naukowiec Jewgienij Wielikow i opowiedział mu o nowej technologii. Stern, który wcześniej nie miał do czynienia z alternatywnymi źródłami energii, tak bardzo uwierzył Rosjaninowi, że jego szwajcarska firma C.En rozpoczęła prace nad przystosowaniem radzieckich pomysłów do czasów współczesnych. Wszystko wskazuje na to, że prace zakończyły się sukcesem, czego dowodem może być certyfikat bezpieczeństwa, jaki przed trzema tygodniami wydał nowej technologii niemiecki Federalny Instytut Badań i Testowania Materiałów (BAM). BAM, na podstawie badań trwających od lutego 2008 roku, orzekł, że nowa metoda przechowywania jest bezpieczna. Wodór jest trudno przechowywać, gdyż bardzo łatwo wycieka on ze zbiorników, co grozi eksplozją. C.En przystosowało opracowany w moskiewskim Instytucie Kurczatowa kapilarny system przechowywania wodoru. Izraelczycy proponują przechowywać go w wiązkach cienkich niezwykle wytrzymałych szklanych rurek. Nazywają to macierzą kapilarną. Macierz jest odporna na wycieki, a szkło jest dwukrotnie lżejsze od stosowanych obecnie do przechowywania wodoru zbiorników ze stali. Jednocześnie macierz kapilarna ma trzykrotnie większa pojemność. Jest przy tym tańsza od zbiornika stalowego. Prototypowy zbiornik z wodorem ma składać się z obudowy, wewnątrz której będzie zamkniętych kilka macierzy kapilarnych. Każda z macierzy ma wymiary 20x20x80 centymetrówi składa się z rurek o średnicy kilku mikronów. Jej pojemność to 32 litry, co wystarcza do zmieszczenia 1,4 kilograma wodoru przechowywanego pod ciśnieniem 1200 atmosfer. Zbiornik ma pomieścić około 5 macierzy, czyli 7 kg wodoru, a więc ilość wystarczającą do przejechania około 500 kilometrów. Po zatankowaniu do pełna ma ważyć około 30 kilogramów. Na końcu wylotu ze zbiornika ma znajdować się ogniwo paliwowe, które będzie produkowało prąd z wodoru. Eksperci są zaskoczeni osiągnięciami Izraelczyków. Mówią jednak, że jeśli macierz kapilarna wytrzyma silne zewnętrzne ciśnienie, to rzeczywiście może nadawać się do przechowywania paliwa dla pojazdów na wodór. Firma C.En, która została założona przez Sterna, zebrała już 25 milionów dolarów od inwestorów z USA, Izraela, Rosji, Japonii, Korei Południowej i Włoch. Głównym naukowcem w firmie jest profesor z Uniwersytetu Ben Guriona, Dan Eliezer, wybitny ekspert ds. przechowywania wodoru, były doradca NASA i US Air Force. Początkowo był on bardzo sceptyczny. Jednak w 2007 roku pojechał do Moskwy i po miesiącu badań nad rosyjską technologią stwierdził, że warto zainwestować w nią swój czas. Na czele firmy stoi sam Stern, a Jewgienij Wielikow został jej honorowym prezesem. Instytut Kurczatowa będzie otrzymywał opłaty licencyjne, jako autor oryginalnego pomysłu.

Małe, autonomiczne roboty, które wewnątrz ludzkiego organizmu wykonują procedury medyczne, to wciąż przyszłość. Jednak, dzięki opracowaniu miniaturowego silnika, przyszłość coraz bliższa. Jeśli chcemy, by w naszych żyłach mogły pływać roboty, musimy zapewnić im napęd. Problem w tym, że tradycyjne silniki, w miarę postępów miniaturyzacji, mają coraz większe problemy z przezwyciężeniem wewnętrznej siły tarcia. Przy pewnym stopniu miniaturyzacji silnik nie jest w stanie się poruszyć. Dlatego też naukowcy od pewnego czasu badają możliwości materiałów piezoelektrycznych, zmieniających swoją wielkość pod wpływem napięcia elektrycznego. Kryształ, który na przemian kurczy się i rozciąga, może bardzo szybko poruszać urządzenie na przemian w przód i w tył. Jednak do tego, by urządzenia napędzane miniaturowym silnikiem poruszały się naprawdę, potrzebny jest silnik z ruchem obrotowym. Profesor Metin Sitti, szef NanoRobotics Laboratory na Carnegie Mellon University opracował odpowiedni silnik, wzorując się na wici mikroorganizmów i wykorzystując kryształy piezoelektryczne. Sztuczna wić została stworzona z wielu kryształów, połączonych tak, by tworzyły kształt przypominający helisę. Uruchomienie kryształów powoduje, że ich ruch w przód i w tył przekłada się na ruch obrotowy całej helisy. Mamy więc do czynienia z miniaturowym silnikiem z ruchem obrotowym, w przypadku którego nie musimy martwić się o konieczność przezwyciężania siły tarcia w samym urządzeniu. Prototypowy silnik ma szerokość 1/4 milimetra i jest o 70% mniejszy niż poprzedni rekordzista. Tak niewielkie urządzenie daje nadzieję, że w przyszłości możliwe będzie wprowadzenie go do ludzkiego krwioobiegu i przeprowadzenie np. zabiegu wewnątrz mózgu. W laboratorium silnik sprawuje się bardzo dobrze. Trzeba jednak jeszcze sprawdzić, jak poradzi sobie w różnego rodzaju płynach. Nawet jeśli okaże się, że nie można wprowadzić go do ludzkiego organizmu, z pewnością znajdzie zastosowanie jako napęd miniaturowych latających robotów.

Nietypowy rodzaj napędu został zaobserwowany przez naukowca z Uniwersytetu Kalifornijskiego u ślimaków wodnych. Przypomina on "chwytanie się" powierzchni wody w celu pchnięcia własnego ciała naprzód. Autorem odkrycia, o którym informuje czasopismo Physics of Fluid, jest dr Eric Lauga - specjalista z zakresu inżnierii mechanicznej i kosmicznej. Badacz zaprezentował w swojej publikacji sposób poruszania się niektórych ślimaków żyjących pod powierzchnią wody. Ich zachowanie było dotychczas niezrozumiałe, gdyż wydawało się, że niemożliwe jest "złapanie się" powierzchni cieczy i przesuwanie względem niej. Jak się okazało, było to błędne założenie. Jak wykazał dr Lauga, sekretem ślimaków jest wytwarzany przez nie śluz. Ciało zwierzęcia ma gęstość mniejszą od wody, dzięki czemu dąży do zbliżenia do jej powierzchni. Mimo to mięczak nie wydostaje się na powierzchnię właśnie ze względu na swoją wydzielinę. Wchodzi ona w kontakt z wodą i jest na tyle gęsta, że ślimak nie może przebić tej warstwy. Zamiast tego zanurza w niej swoją nogę, powodując zaburzenie jej struktury. Prowadzi to do powstania "zmarszczek" na powierzchni wody, które są z kolei przekazywane z powrotem do ciała zwierzęcia, powodując jego przesuwanie. Autor odkrycia szacuje, że zrozumienie tego procesu pozwoli na zbudowanie maszyn, które mogłyby poruszać się w podobny sposób, pod powierzchnią wody lub nad nią. Najbardziej oczywistym odbiorcą tego typu technologii wydaje się być armia, lecz warto wierzyć, że zostanie ona wykorzystana także do bardziej pokojowych celów.

Badacze z Oklahoma State University wraz z agencją zaawansowanych projektów obronnych DARPA pracują nad urządzeniem, które może pośrednio poprawić skuteczność amerykańskich żołnierzy. Jest to pojazd bezzałogowy wystarczająco mały, by zmieścił się w kieszeni. Jego istotną cechą jest nowoczesny układ napędowy pozbawiony ruchomych części. Mowa o silniku plazmowym, w którym ciąg jest uzyskiwany przez naładowane cząsteczki gazu, rozpędzane w polu elektrycznym. Wspomniany silnik co prawda nie dysponuje dużą mocą, ale wystarcza dla samolotów o rozmiarach kilkunastu centymetrów. Jak twierdzą konstruktorzy, ich ostatecznym celem jest wyprodukowanie "sześciopaków" niewielkich pojazdów rozpoznawczych, które po wyjęciu z opakowania będą natychmiast gotowe do użycia na polu walki. Samoloty takie mogłyby przejąć część zdań zwiadowczych od znacznie większych maszyn bezzałogowych, obecnie wykorzystywanych przez amerykańską armię. Jak łatwo zauważyć miniaturyzacja przyniesie znaczne korzyści stronie dysponującej tą technologią – natychmiastowy i precyzyjny zwiad taktyczny jest niezwykle przydatny w niezliczonych sytuacjach, jakie zdarzają się na wrogim terytorium.