Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Naśladują fotosyntezę
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Co łączy uniwersyteckie laboratorium w Chicago, gdzie naukowcy schładzają atomy do temperatury bliskiej zeru absolutnemu, uzyskując egzotyczny stan materii, z widocznymi przez okna drzewami uzyskującymi energię z fotosyntezy? Pozornie nic, ale najnowsze badania prowadzone na University of Chicago sugerują, że to, co robią naukowcy i to, co robią drzewa, może być bardziej podobne, niż nam się wydaje. Uczeni poinformowali właśnie na łamach PRX Energy, że znaleźli podobieństwa na poziomie atomowym pomiędzy fotosyntezą a kondensatami ekscytonowymi, niezwykłym stanem materii, który pozwala na bezstratne przesyłanie energii przez materiał. Odkrycie to może prowadzić do znacznego udoskonalenia elektroniki.
O ile nam wiadomo, nikt wcześniej nie zauważył tych podobieństw, a to, co odkryliśmy jest niezwykle ekscytujące, mówi współautor badań, profesor David Mazziotti.
Laboratorium Mazziottiego specjalizuje się w modelowaniu niezwykle złożonych interakcji pomiędzy atomami i molekułami. Przed trzema laty wykazano tam na przykład, że możliwe jest istnienie podwójnego kondensatu fermionów i ekscytonów, a spostrzeżenie to może zrewolucjonizować obrazowanie medyczne.
W ostatnim czasie Mazziotti oraz Anna Schouten i LeeAnn Sager-Smith modelowali zjawisko fotosyntezy na poziomie molekularnym. Gdy foton ze Słońca uderza w liść, dochodzi do wyładowania w specjalnej molekule. Energia tego wyładowania uwalnia elektron. Następnie elektron ten, wraz z dziurą, w której był, wędrują przez liść, przenosząc energię do miejsca, w którym rozpoczyna ona reakcję chemiczną wytwarzającą cukry odżywiające roślinę. Ta wędrująca para elektron-dziura zwana jest ekscytonem. Gdy naukowcy stworzyli model przemieszczania się wielu takich ekscytonów, zauważyli znany sobie wzorzec. Okazało się, że ekscytony w liściu czasem zachowują się bardzo podobnie do kondensatu Bosego-Einsteina, zwanego czasem piątym stanem materii.
W kondensacie Bosego-Einsteina cząstki zachowują się jak jedna cząstka. Dzięki temu w materiale takim energia może być przemieszczana bez strat. Zaobserwowanie takiego stanu materii podczas fotosyntezy to olbrzymie zaskoczenie, gdyż dotychczas kondensat Bosego-Einsteina obserwowano w bardzo niskich temperaturach. Naukowcy mówią, że to tak, jakbyśmy obserwowali kostki lodu tworzące się w filiżance gorącej kawy. Fotosynteza zachodzi w systemach w temperaturze pokojowej. Co więcej, struktura takich systemów jest nieuporządkowana. To warunki całkowicie odmienne od dziewiczych krystalicznych materiałów i niskich temperatur, w jakich uzyskuje się kondensaty elektronowe, mówi Schouten.
Zaobserwowane zjawisko nie obejmuje całego systemu, w którym dochodzi do fotosyntezy. Bardziej przypomina pojawiające się „wyspy” kondensatu. To jednak wystarczy, by zwiększyć transfer energii w systemie, wyjaśnia Sager-Smith. Z modelu wynika, że te „wyspy” podwajają wydajność całego procesu.
Profesor Mazziotti jest zadowolony z odkrycia i mówi, że otwiera ono nowe możliwości w dziedzinie syntezy materiałów na potrzeby technologii przyszłości. Idealny kondensat ekscytonowy to stan bardzo wrażliwy i wiele warunków musi być spełnionych, by zaistniał. Ale jeśli myślimy o praktycznych zastosowaniach, to nie potrzebujemy ideału. To ekscytujące obserwować zjawisko, które zwiększa wydajność transferu energii, ale zachodzi w temperaturze pokojowej, cieszy się uczony.
Naukowiec zauważa jeszcze jedną ważną rzecz. Zachodzące w procesie fotosyntezy interakcje pomiędzy atomami a molekułami są tak złożone, że z ich symulowaniem nie radzą sobie nawet najpotężniejsze superkomputery. Dlatego też podczas badania tych zjawisk dokonuje się uproszczeń. Najnowsze odkrycie pokazuje, że niektórych elementów upraszczać nie należy. Sądzimy, że lokalne korelacje elektronów muszą pozostać, byśmy mogli badać, jak działa natura.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na MIT powstały ogniwa fotowoltaiczne cieńsze od ludzkiego włosa, które na kilogram własnej masy wytwarzają 18-krotnie więcej energii niż ogniwa ze szkła i krzemu. Jeśli uda się skalować tę technologię, może mieć do olbrzymi wpływ produkcję energii w wielu krajach. Jak zwraca uwagę profesor Vladimir Bulivić z MIT, w USA są setki tysięcy magazynów o olbrzymiej powierzchni dachów, jednak to lekkie konstrukcje, które nie wytrzymałyby obciążenia współczesnymi ogniwami. Jeśli będziemy mieli lekkie ogniwa, te dachy można by bardzo szybko wykorzystać do produkcji energii, mówi uczony. Jego zdaniem, pewnego dnia będzie można kupić ogniwa w rolce i rozwinąć je na dachu jak dywan.
Cienkimi ogniwami fotowoltaicznymi można by również pokrywać żagle jednostek pływających, namioty, skrzydła dronów. Będą one szczególnie przydatne w oddalonych od ludzkich siedzib terenach oraz podczas akcji ratunkowych.
To właśnie duża masa jest jedną z przyczyn ograniczających zastosowanie ogniw fotowoltaicznych. Obecnie istnieją cienkie ogniwa, ale muszą być one montowane na szkle. Dlatego wielu naukowców pracuje nad cienkimi, lekkimi i elastycznymi ogniwami, które można będzie nanosić na dowolną powierzchnię.
Naukowcy z MIT pokryli plastik warstwą parylenu. To izolujący polimer, chroniący przed wilgocią i korozją chemiczną. Na wierzchu za pomocą tuszów o różnym składzie nałożyli warstwy ogniw słonecznych i grubości 2-3 mikrometrów. W warstwie konwertującej światło w elektryczność wykorzystali organiczny półprzewodnik. Elektrody zbudowali ze srebrnych nanokabli i przewodzącego polimeru. Profesor Bulović mówi, że można by użyć perowskitów, które zapewniają większą wydajność ogniwa, ale ulegają degradacji pod wpływem wilgoci i tlenu. Następnie krawędzie tak przygotowanego ogniwa pomarowano klejem i nałożono na komercyjnie dostępną wytrzymałą tkaninę. Następnie plastik oderwano od tkaniny, a na tkaninie pozostały naniesione ogniwa. Całość waży 0,1 kg/m2, a gęstość mocy tak przygotowanego ogniwa wynosi 370 W/kg. Profesor Bulović zapewnia, że proces produkcji można z łatwością skalować.
Teraz naukowcy z MIT planują przeprowadzenie intensywnych testów oraz opracowanie warstwy ochronnej, która zapewni pracę ogniw przez lata. Zdaniem uczonego już w tej chwili takie ogniwo mogłoby pracować co najmniej 1 lub 2 lata. Po zastosowaniu warstwy ochronnej wytrzyma 5 do 10 lat.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
W piśmie Energy & Environmental Science ukazał się artykuł opisujący mikroprocesor zasilany procesem fotosyntezy. Twórcami niewielkiego systemu są naukowcy z University of Cambridge, a ich procesor pracuje bez przerwy od ponad roku. Ich badania dają nadzieję na stworzenie stabilnego, odnawialnego źródła zasilania dla niewielkich urządzeń.
Wielkość całego systemu jest porównywalna z rozmiarami baterii AA. W jego skład wchodzą glony z rodzaju Synechocystis, niewielka aluminiowa elektroda i mikroprocesor. Całość zbudowana jest z tanich, powszechnie dostępnych i w większości poddających się recyklingowi materiałów. Twórcy systemu mówią, że najbardziej się on przyda w miejscach, gdzie brak jest dostępu do sieci energetycznych, a potrzebne są niewielkie ilości energii np. do zasilania czujników.
Rozrastający się Internet of Things zwiększa zapotrzebowanie na energię elektryczną. Myślimy, że mamy tutaj rozwiązanie pozwalające na generowanie jej niewielkich ilości na bieżące potrzeby, mówi jeden z twórców systemu, profesor Christopher Howe. W naszym systemie nie występuje problem wyczerpania energii, gdyż do jej wytwarzania wykorzystywane jest światło słoneczne, dodaje.
Podczas prowadzonego właśnie eksperymentu glony wykorzystywane są do zasilania procesora Arm Cortex M0+, który powszechnie wykorzystywany jest w Internet of Things. Zasilany glonami procesor pracował zarówno w warunkach domowych jak i na zewnątrz. Był wystawiony na naturalne zmiany światła i temperatury. Byliśmy pod wrażeniem ciągłości jego pracy. Sądziliśmy, że całość może ulec awarii po kilku tygodniach, ale tak się nie stało, mówi doktor Paolo Bombelli z Wydziału Biochemii University of Cambridge.
Glony nie potrzebują specjalnego odżywiania, gdyż zapewniają sobie – i procesorowi – energię drogą fotosyntezy. I mimo tego, że do jej przeprowadzenia konieczne jest światło, procesor był zasilany nawet w okresach, gdy panowała ciemność. Glony wciąż prowadziły procesy metaboliczne.
Twórcy systemu zwracają uwagę, że zasilanie miliardów Internet of Things stosowanymi obecnie akumulatorami litowo-jonowymi byłoby niepraktyczne. Potrzebne do tego byłoby więcej litu, niż obecnie wytwarzamy. A tradycyjne ogniwa fotowoltaiczne wytwarzane są z użyciem materiałów niebezpiecznych dla środowiska. Stąd potrzeba opracowania nowych, stabilnych i przyjaznych środowisku źródeł energii.
« powrót do artykułu -
Miliarder sfinansował nowatorską koncepcję kosmicznej elektrowni. Testowa instalacja trafi na orbitęprzez KopalniaWiedzy.pl
Caltech (California Institute of Technology) poinformował właśnie, że od roku 2013 Donald Bren – najbogatszy deweloper w USA – wraz z żoną Brigitte przekazali uczelni ponad 100 milionów dolarów na prace nad pozyskiwaniem energii słonecznej w przestrzeni kosmicznej i przesyłaniem jej na Ziemię. Dzięki nim w roku 2022 lub 2023 w przestrzeń kosmiczną trafi pierwsza testowa instalacja.
Majątek 89-letniego Brena jest wyceniany na 15–16 miliardów dolarów. Dorobił się olbrzymich pieniędzy na budowie nieruchomości. Jest skrytym człowiekiem, rzadko udziela wywiadów. Przeznacza duże kwoty na działalność charytatywną. Wiadomo, że setkami milionów dolarów wspiera edukację, naukę i ochronę środowiska. W ciągu ostatnich 30 lat przekazał też 220 km2 terenów na potrzeby parków, rezerwatów i terenów rekreacyjnych. O tym, że woli pozostawać w cieniu może świadczyć sam fakt, że o finansowaniu przez Brena Space Solar Power Project poinformowano dopiero po 8 latach.
Wysoka orbita okołoziemska to bardzo dobre miejsce do pozyskiwania energii słonecznej. Słońce nigdy tam nie zachodzi, nie formują się chmury. Od dawna jest ona przedmiotem zainteresowania inżynierów. Jednak dotychczasowe projekty były nierealistyczne. Zbyt wielkie, by mogły się udać. Zakładały bowiem zbudowanie olbrzymich wielokilometrowych struktur pozyskujących energię, która następnie za pomocą laserów lub mikrofal byłaby przesyłana na Ziemię. Budowa takich struktury wymagałaby startów setek rakiet.
Tym, czego naprawdę potrzebowaliśmy była zmiana paradygmatu technologicznego, mówi profesor Harry Atwater, kierujący Space Solar Power Project. Zamiast urządzenia, które waży kilogram na metr kwadratowy, możemy obecnie stworzyć system o macie 100-200 gramów na metr kwadratowy i mamy plany zejścia z masą do 10-20 gramów na m2, informuje uczony.
Największa zmiana w myśleniu zaszła w samej budowie paneli słonecznych. Naukowcy z Caltechu budują modułowe panele. Każde z lekkich galowo-arsenkowych ogniw jest mocowane do „kafelka” o powierzchni 100 cm2. Każdy z „kafelków” – i to właśnie ma być kluczem do sukcesu – jest indywidualną stacją słoneczną, wyposażoną z fotowoltaikę, elektronikę oraz przekaźnik mikrofalowy. „Kafelki” będą łączone w większe moduły o powierzchni kilkudziesięciu metrów kwadratowych, a tysiące takich modułów będą tworzyły heksagonalną stacją o kilkukilometrowej długości. Jednak moduły nie będą ze sobą połączone. Nie będzie ciężkich kabli czy rusztowań.
Myślimy o tym jak o ławicy ryb. To zestaw identycznych niezależnych elementów latających w formacji, mówi Atwater.
Transmisja na Ziemię będzie odbywała się za pomocą mikrofal. Sygnały z poszczególnych „kafelków” będą synchronizowane, co pozwoli na wycelowanie ich w naziemny odbiornik bez potrzeby używania ruchomych części. Całość zaś będzie bezpieczna. Promieniowanie mikrofalowe jest promieniowaniem niejonizującym, a gęstość przesyłanej energii będzie taka, jak gęstość energii słonecznej.
Miną jednak lata, zanim na co dzień będziemy korzystali z tego typu rozwiązań. Wcześniej czy później przesyłanie energii z kosmosu na Ziemię stanie się codziennością. Do optymizmu skłaniają zarówno spadające koszty lotów w kosmos, jak i intensywne prace, prowadzone np. przez agencje kosmiczne z USA, Chin czy Japonii.
Niewykluczone jednak, że pierwsze urządzenia zasilane w ten sposób nie będą znajdowały się na Ziemi, a w kosmosie. Może się bowiem okazać, że przesyłanie energii mikrofalowej z farm orbitalnych do satelitów czy stacji kosmicznych jest rozwiązaniem bardziej praktycznym, niż konieczność wyposażania satelitów i stacji we własne panele słoneczne.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fizycy z MIT opracowali kwantowy „ściskacz światła”, który redukuje szum kwantowy w laserach o 15%. To pierwszy taki system, który pracuje w temperaturze pokojowej. Dzięki temu możliwe będzie wyprodukowanie niewielkich przenośnych systemów, które będzie można dobudowywać do zestawów eksperymentalnych i przeprowadzać niezwykle precyzyjne pomiary laserowe tam, gdzie szum kwantowy jest obecnie poważnym ograniczeniem.
Sercem nowego urządzenia jest niewielka wnęka optyczna znajdująca się w komorze próżniowej. We wnęce umieszczono dwa lustra, z których średnia jednego jest mniejsza niż średnica ludzkiego włosa. Większe lustro jest zamontowane na sztywno, mniejsze zaś znajduje się na ruchomym wsporniku przypominającym sprężynę. I to właśnie kształt i budowa tego drugiego, nanomechanicznego, lustra jest kluczem do pracy całości w temperaturze pokojowej. Wpadające do wnęki światło lasera odbija się pomiędzy lustrami. Powoduje ono, że mniejsze z luster, to na wsporniku zaczyna poruszać się w przód i w tył. Dzięki temu naukowcy mogą odpowiednio dobrać właściwości kwantowe promienia wychodzącego z wnęki.
Światło lasera opuszczające wnękę zostaje ściśnięte, co pozwala na dokonywanie bardziej precyzyjnych pomiarów, które mogą przydać się w obliczeniach kwantowych, kryptologii czy przy wykrywaniu fal grawitacyjnych.
Najważniejszą cechą tego systemu jest to, że działa on w temperaturze pokojowej, a mimo to wciąż pozwala na dobieranie parametrów z dziedziny mechaniki kwantowej. To całkowicie zmienia reguły gry, gdyż teraz będzie można wykorzystać taki system nie tylko w naszym laboratorium, które posiada wielkie systemy kriogeniczne, ale w laboratoriach na całym świecie, mówi profesor Nergis Mavalvala, dyrektor wydziału fizyki w MIT.
Lasery emitują uporządkowany strumień fotonów. Jednak w tym uporządkowaniu fotony mają pewną swobodę. Przez to pojawiają się kwantowe fluktuacje, tworzące niepożądany szum. Na przykład liczba fotonów, które w danym momencie docierają do celu, nie jest stała, a zmienia się wokół pewnej średniej w sposób, który jest trudny do przewidzenia. Również czas dotarcia konkretnych fotonów do celu nie jest stały.
Obie te wartości, liczba fotonów i czas ich dotarcia do celu, decydują o tym, na ile precyzyjne są pomiary dokonywane za pomocą lasera. A z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że nie jest możliwe jednoczesne zmierzenie pozycji (czasu) i pędu (liczby) fotonów.
Naukowcy próbują radzić sobie z tym problemem poprzez tzw. kwantowe ściskanie. To teoretyczne założenie, że niepewność we właściwościach kwantowych lasera można przedstawić za pomocą teoretycznego okręgu. Idealny okrąg reprezentuje równą niepewność w stosunku do obu właściwości (czasu i liczby fotonów). Elipsa, czyli okrąg ściśnięty, oznacza, że dla jednej z właściwości niepewność jest mniejsza, dla drugiej większa.
Jednym ze sposobów, w jaki naukowcy realizują kwantowe ściskanie są systemy optomechaniczne, które wykorzystują lustra poruszające się pod wpływem światła lasera. Odpowiednio dobierając właściwości takich systemów naukowcy są w stanie ustanowić korelację pomiędzy obiema właściwościami kwantowymi, a co za tym idzie, zmniejszyć niepewność pomiaru i zredukować szum kwantowy.
Dotychczas optomechaniczne ściskanie wymagało wielkich instalacji i warunków kriogenicznych. Działo się tak, gdyż w temperaturze pokojowej energia termiczna otaczająca system mogła mieć wpływ na jego działanie i wprowadzała szum termiczny, który był silniejszy od szumu kwantowego, jaki próbowano redukować. Dlatego też takie systemy pracowały w temperaturze zaledwie 10 kelwinów (-263,15 stopni Celsjusza). Tam gdzie potrzebna jest kriogenika, nie ma mowy o niewielkim przenośnym systemie. Jeśli bowiem urządzenie może pracować tylko w wielkiej zamrażarce, to nie możesz go z niej wyjąć i uruchomić poza nią, wyjaśnia Mavalvala.
Dlatego też zespół z MIT pracujący pod kierunkiem Nancy Aggarval, postanowił zbudować system optomechaczniczny z ruchomym lustrem wykonanym z materiałów, które absorbują minimalne ilości energii cieplnej po to, by nie trzeba było takiego systemu chłodzić. Uczeni stworzyli bardzo małe lustro o średnicy 70 mikrometrów. Zbudowano je z naprzemiennie ułożonych warstw arsenku galu i arsenku galowo-aluminowego. Oba te materiały mają wysoce uporządkowaną strukturę atomową, która zapobiega utratom ciepła. Materiały nieuporządkowane łatwo tracą energię, gdyż w ich strukturze znajduje się wiele miejsc, gdzie elektrony mogą się odbijać i zderzać. W bardziej uporządkowanych materiałach jest mniej takich miejsc, wyjaśnia Aggarwal.
Wspomniane wielowarstwowe lustro zawieszono na wsporniku o długości 55 mikrometrów. Całości nadano taki kształt, by absorbowała jak najmniej energii termicznej. System przetestowano na Louisiana State University. Dzięki niemu naukowcy byli w stanie określić kwantowe fluktuacje liczby fotonów względem czasu ich przybycia do lustra. Pozwoliło im to na zredukowanie szumu o 15% i uzyskanie bardziej precyzyjnego „ściśniętego” promienia.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.