Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Najmniejszy silnik

Recommended Posts

Na łamach Nature poinformowano o stworzeniu pierwszego napędzanego prądem silnika z pojedynczej molekuły. Urządzenie przyda się zarówno w nanotechnologii jak i medycynie.

Już poprzednio tworzono silniki z molekuł napędzane światłem lub reakcjami chemicznymi, jednak działały one w dużych grupach. Jednocześnie pracowało wiele takich silników. Charles Snykes, chemik z Tufts University mówi, że wynalazek jego i jego kolegów jest o tyle wyjątkowy, iż pozwala na uruchamianie pojedynczych molekuł.

Molekułę siarczku butylowo-metylowego umieszczono na powierzchni pokrytej miedzią. Za pomocą końcówki dźwigienki mikroskopu elektronowego do molekuły dostarczono ładunek elektryczny i obserwowano jej pracę. Molekuła kręcisię w obu kierunkach z prędkością do 120 obrotów na sekundę. W dłuższym czasie, po uśrednieniu liczby obrotów, zaobserwowano przewagę obrotów w jednym kierunku.

Doktor Sykes uważa, że po niewielkiej modyfikacji molekuła może zostać wykorzystana do generowania mikrofal lub w roli systemu nanoelektromechanicznego.

Naukowcy chcą w najbliższym czasie połączyć kilka molekuł w łańcuch i obserwować, w jaki sposób będzie się w nim rozprzestrzeniał ruch obrotowy. Tego typu systemy mogą być w przyszłości używane np. do precyzyjnego dostarczania leków w konkretne miejsca organizmu.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Naukowcy z laboratorium ENIGMA (Evolution of Nanomachinest In Geospheres and Microbial Ancestors) na Rutgers University sądzą, że odtworzyli kształt pierwszej molekuły będącej wspólnym przodkiem współczesnych enzymów, które dały początek życiu na Ziemi.
      Życie to proces elektryczny. Obwód elektryczny jest katalizowany przez niewielki zestaw protein, które działają jak złożone nanomaszyny, czytamy na stronie laboratorium. ENIGMA jest współfinansowane przez NASA w ramach Astrobiology Program. Sądzimy, że życie powstało z bardzo małych klocków i pojawiło się zestaw Lego, z którego powstały komórki i bardziej złożone organizmy, jak my, mówi główny autor badań, biofizyk Paul G. Falkowski.
      Naukowcy wykonali analizę porównawczą trójwymiarowych struktur białek, by sprawdzić, czy można na tej podstawie wysnuć wnioski, co do kształtu ich wspólnego przodka. Szczególnie skupili się na podobieństwach pomiędzy kształtami, jakie w trzech wymiarach przyjmują łańcuchy aminokwasów. Poszukiwali prostego topologicznego modelu, który powiedziałby, jak wyglądały pierwsze proteiny, zanim stały się bardziej złożone i zróżnicowane.
      Odkryliśmy, że dwa powtarzające się wzorce zwijania są kluczowe dla pojawienia się metabolizmu. Prawdopodobnie te metody zawijania mają wspólnego przodka, który za pomocą duplikacji, specjalizacji i różnicowania ewoluował tak, by ułatwić transfer elektronów i katalizę na bardzo wczesnym etapie początków metabolizmu, wyjaśniają naukowcy.
      Te dwa zidentyfikowane metody zwijania to zwijanie ferredoksyny oraz konformacja Rossmanna. Naukowcy sądzą, że te dwie podstawowe struktury, które mogą mieć wspólnego przodka, posłużyły jako wzorzec dla protein sprzed ponad 2,5 miliarda lat.
      Przypuszczamy, że pierwszymi proteinami były małe, proste peptydy, któe pobierały elektrony z oceanu, atmosfery lub skał i przekazywały je innym molekułom akceptującym elektrony, mówi biolog molekularny Vikas Nanda. W reakcji transferu elektronu uwalnia się energia i energia ta napędza życie, dodaje.
      Naukowcy przyznają, że to wszystko jest jedynie hipotezą. Porównywanie kształtu obecnie istniejących protein to metoda pełna ograniczeń, która nie pozwala na uzyskanie pewności co do prawdziwości wnioskowania. Domyślamy się co mogło się wydarzyć, a nie dowodzimy, co się wydarzyło, stwierdzają autorzy badań. Jednak, jak zauważają, można tego typu badania posunąć dalej.
      Można spróbować odtworzyć w laboratorium hipotetyczne proteiny z przeszłości i sprawdzić, jak działają i jak mogą ewoluować. Naszym głównym celem jest dostarczenie NASA informacji, dzięki którym przyszłe misje naukowe będą wiedziały gdzie i jak poszukiwać życia na planetach pozasłonecznych.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach PNAS.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      NASA jest o krok bliżej wysłania astronautów na Księżyc. W Stennis Space Center zakończono właśnie ważny test silników Space Launch System. Po czterech latach pracy wszystkie 16 byłych głównych silników promów kosmicznych uzyskało niezbędne zgody do wykorzystania ich w misjach SLS. Te 16 silników pozwoli na przeprowadzenie czterech pierwszych misji.
      Ponadto NASA podpisała z firmą Aerojet Rocketdyne kontrakt na budowę kolejnych silników RS-25 dla SLS. Ponadto seria testów prowadzonych przez ostatnich 51 miesięcy dowiodła, że silniki RS-25 mogą pracować z większą niż dotychczas mocą, wymaganą przy SLS.
      Silniki mają obecnie zezwolenie na wykorzystanie w misji załogowej na Księżyc, która będzie misją przygotowawczą do wyprawy na Marsa, mówi Johnny Heflin, wicedyrektor SLS Liquid Engines Office w Marshall Space Flight Center. Jesteśmy więc w stanie zapewnić moc niezbędną do podróży na Księżyc i dalej.
      Testy RS-25 rozpoczęły się 9 stycznia 2015 roku, kiedy to na 500 sekund uruchomiono wersję rozwojową silnika, oznaczoną kodem 0525. Pierwszą pełną wersję silników dla SLS przetestowano 10 marca 2016 roku. W sumie przeprowadzono 32 testy wersji rozwojowych i pełnych, w czasie których silniki pracowały w sumie przez ponad 4 godziny.
      Warto przypomnieć, że silniki RS-25 są najlepiej sprawdzonymi silnikami rakietowymi na świecie. Wzięły one udział w 135 misjach promów kosmicznych. Gdy program promów został zakończony w 2011 roku NASA dysponowała dodatkowymi 16 silnikami, które zmodyfikowano na potrzeby SLS. Początkowo silniki te wyprodukowano z myślą o dostarczeniu pewnego określonego poziomu mocy, określonego jako 100%. Jeszcze przed zakończeniem programu promów kosmicznych silniki udoskonalono tak, by dostarczały 104,5% mocy. Jednak na potrzeby SLS musiały one zostać ponownie rozbudowane.
      W tym celu NASA musiała opracować nowy kontroler silnika, który monitoruje jego pracę i służy jako interfejs pomiędzy silnikiem a rakietą. Pierwsze testy nowego kontrolera odbyły się w marcu 2017 roku. Wczoraj przetestowano 17. kontroler, zapewniając 16 silnikom RS-25 odpowiedni zapas.
      Po opracowaniu nowego kontrolera NASA musiała udowodnić, że silniki mogą osiągnąć wymaganą moc 111%. Gdy się to udało, konieczne było dalsze wzmocnienie silników tak, by miały one zapas mocy. W lutym 2018 roku silniki uruchomiono na 50 sekund z mocą 113%. Czas ten stopniowo wydłużano podczas kolejnych testów. W końcu w lutym bieżącego roku RS-25 były w stanie pracować z mocą 113% przez 510 sekund.
      Wczoraj przeprowadzono zaś ostateczne testy silnika RS-25 oznaczonego numerem 2062. To właśnie ten silnik zostanie wykorzystany w Exploration Mission-2, w czasie której astronauci polecą w kapsule Orion na orbitę Księżyca.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Japończycy stworzyli laserowy system zapłonowy dla samochodów, dzięki któremu nie tylko zaoszczędzimy benzynę, ale zmniejszymy też emisję tlenków azotu - głównego składnika smogu. Nowy zapłon zbudowany jest z ceramiki, zatem można go tanio produkować w dużych ilościach.
      W obecnie stosowanym zapłonie iskrowym wykorzystuje się wysokie napięcie i iskrę przeskakującą pomiędzy dwoma elektrodami. Iskra zapala mieszankę paliwowo-powietrzną. Produktem spalania mieszanki są tlenki azotu. Można co prawda zmienić skład mieszanki tak, by do środowiska trafiało mniej NOx, jednak taka mieszanka zawiera mniej paliwa, a zatem do jej zapalenia konieczne jest wykorzystanie wyższego napięcia. Niestety, iskry powstające dzięki wyższemu napięciu prowadzą do szybkiego zużywania się elektrod, cała konstrukcja jest zatem niepraktyczna. Tymczasem lasery, zapalające mieszankę dzięki skoncentrowanej energii optycznej, nie zawierają elektrod, zatem nie dochodzi do ich korozji.
      Takunori Taira z japońskiego Narodowego Instytutu Nauk Naturalnych wymienia kolejną zaletę laserów. Urządzenia takie poprawiają też efektywność silnika. Konwencjonalne świece zapłonowe umieszczone są na cylindrach i zapalają mieszankę gdy ta zajdzie się blisko nich. Jednak zimne metalowe elektrody oraz ściany cylindra błyskawicznie absorbują ciepło powstałe podczas eksplozji mieszanki, tłumiąc płomień gdy tylko powstanie. Taira mówi, że lasery można wycelować w środek mieszanki, zapalając ją od wewnątrz, dzięki czemu gazy będą rozprzestrzeniały się symetrycznie, a proces taki będzie przebiegał nawet trzykrotnie szybciej niż w konwencjonalnych rozwiązaniach. Ponadto lasery wyzwalają energię w ciągu nanosekund, podczas gdy świecom zajmuje to milisekundy. „Odpowiednie dobranie czasu i szybkie spalanie są bardzo ważne. Im bardziej precyzyjny wybór momentu zapłonu, tym bardziej efektywne spalanie i lepsza ekonomia silnika" - mówi Taira.
      Dotychczas zaprzęgnięcie laserów do tego typu zadania było niemożliwe, gdyż musiałyby one skupić światło o mocy około 100 gigawatow na centymetr kwadratowy i wysyłać je w krótkich impulsach o energii większej niż 10 milidżuli każdy. Takie wymagania spełniały duże ciężkie lasery z laboratoriów naukowych.
      Japończycy poradzili sobie z tym problemem budując kompozytowy laser z ceramiki. Powstały one dzięki podgrzaniu ceramicznego proszku, przez co powstała przezroczysta struktura w której umieszczono jony metali.
      Japońskie lasery zbudowane są z dwóch segmentów składających się z itru, aluminium i galu. Jeden z segmentów wzbogacono neodymem, a drugi chromem. Laser ma jedynie 9 milimetrów średnicy i 11 milimetrów długości. Emituje on dwie wiązki światła, które jednocześnie zapalają mieszankę w dwóch miejscach. Dzięki temu pali się ona szybciej i bardziej równomiernie niż mieszanka zapalana w jednym miejscu.
      Zespół Tairy współpracuje obecnie z należącą do Toyoty DENSO Corporation. Celem współpracy jest stworzenie lasera emitującego trzy wiązki światła.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas spotkania zorganizowanego przez Advanced Research Projects Agency - Energy Norbert Müller z Michigan State University zaprezentował prototyp silnika wykorzystującego fale uderzeniowe do kompresji mieszanki paliwowo-powietrznej.
      Głównym elementem silnika o roboczej nazwie Wave Disk Engine jest rotor, którego łopatki wraz z bocznymi ściankami tworzą komory promieniście rozłożone wokół środka. Gdy rotor się obraca, mieszanka paliwowo-powietrzna dociera do komór przez centralnie umiejscowione kanały. Jednak nie udaje się jej opuścić komór przez kanały wylotowe, gdyż rotor zdąży się obrócić i wyloty zostają zablokowane przez ścianki boczne rotora. W efekcie w rotorze gwałtownie rośnie ciśnienie i dochodzi do pojawienia się fali uderzeniowej, która kompresuje mieszankę paliwowo-powietrzną. Bezpośrednio przed tym, jak fala uderzeniowa dotrze do centralnych kanałów, rotor zdąży się obrócić i zostają one zamknięte. Wówczas skompresowana mieszanka jest podpalana, a w tym czasie obrót rotora sprawia, że zostają otwarte kanały wylotowe. Dochodzi wtedy do gwałtownego wyrzutu gorących gazów, które obracają łopatki rotora, utrzymując go w ciągłym ruchu, dzięki czemu wytwarza on elektryczność.
      Projekt Müllera pozwala znakomicie uprościć konwencjonalne silniki, gdyż nie wykorzystuje tłoków, wałka rozrządu i zaworów. Samochód wyposażony w taki silnik może być nawet o 20 procent lżejszy od pojazdu z tradycyjnym silnikiem, a  rezygnacja z wielu części mechanicznych powoduje, że zużywa też mniej paliwa. Müller zapewnia, że jego urządzenie świetnie sprawdzi się w pojazdach hybrydowych i może współpracować z różnymi rodzajami paliwa, w tym z wodorem.
      Müller i jego zespół twierdzą też, że dzięki nowej konstrukcji sprawność silnika może wzrosnąć do 60%. Obecnie silniki spalinowe charakteryzują się sprawnością rzędu 25-40 procent.. Ponadto Wave Disk Engine może o 30% obniżyć cenę samochodu, zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o 90% oraz zapewnić pojazdom hybrydowym zasięg rzędu 800 kilometrów.
      Inżynier na razie przygotował mały prototyp, jednak zapowiada, że jeszcze w bieżącym roku zaprezentuje model o mocy 25 kilowatów.
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Powstał pierwszy molekularny silnik, którego efekty pracy można wykorzystać w praktyce. Dotychczas tego typu urządzenia były jedynie ciekawostkami, gdyż nie istniało żadne połączenie pomiędzy nimi a światem zewnętrznym.
      Tymczasem Martin McCullagh, Ignacio Franco, Mark A. Ratner i George C. Schatz z Northwestern University wykorzystali molekułę DNA do zamiany światła w pracę mechaniczną. Wyniki swoich badań opublikowali w Journal of the American Chemical Society.
      Wspomniana molekuła to fragment DNA o strukturze spinki do włosów, w skład której wchodzą dwie pary zasad guanina-cytozyna połączone azobenzenem. Końcówka jednej pary zasad jest przytwierdzona do podłoża, a końcówka drugiej - do dźwigni mikroskopu sił atomowych. To właśnie mikroskop służy za interfejs łączący molekularny silnik ze światem zewnętrznym.
      Urządzenie działa dzięki temu, że azobenzen pod wpływem światła przechodzi izomeryzację, zmieniając się pomiędzy izomerami trans i cis. Jest ona związana ze zmianą kształtu azobenzenu, co prowadzi do poruszania się całego silnika. Proces jest odwracalny, można więc przeprowadzać go wielokrotnie.
      Naukowcy wiedzą, w jaki sposób uzyskać pracę netto z całego systemu. Najpierw molekułę znajdującą się w trybie cis rozciągają za pomocą końcówki mikroskopu sił atomowych, następnie światło zmienia izomer cis w bardziej sztywny izomer trans. Teraz izomer trans jest ściskany do oryginalnej wielkości silnika, po czym drugie źródło światła zmienia strukturę w izomer cis. Jako, że molekuła jest bardziej sztywna podczas jej ściskania niż rozciągania, uzyskujemy pracę netto. Energia włożona w rozciągnięcie jest bowiem mniejsza, niż energia uzyskana ze ściśnięcia.
      Całość działa dzięki indukowanym światłem zmianom w molekule z DNA i azobenzenu. Ze względu na konstrukcję, integralną częścią silnika jest mikroskop sił atomowych. Praca musi być wykonana na molekule i dźwigni podczas rozciągania, a energia jest pozyskiwana w czasie ściskania. Jeśli molekuła jest sztywniejsza w czasie ściskania, uzyskujemy energię netto - mówi Schatz.
      Naukowcy oszacowali pozyskaną energię na maksymalnie 3,4 kcal/mol przy maksymalnej wydajności 2,4%. Można to porównać z 7,3 kcal/mol pozyskiwanej z hydrolizy ATP, która jest głównym źródłem energii dla procesów biologicznych.
      Pozyskaliśmy obiecującą ilość energii, ale prawdziwym celem tych badań jest poszukiwanie nowych sposobów na jej konwersję. Zaproponowany przez nas silnik to punkt wyjścia do dalszych usprawnień. Pozwoli nam on ocenić możliwości maszyn zbudowanych z pojedynczej molekuły. To z kolei jest bardzo ważnym krokiem w kierunku zmiany takich maszyn z naukowej ciekawostki w źródło energii dla procesów odbywających się w nanoskali - dodaje Schatz.
×
×
  • Create New...