Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy

Recommended Posts

Jedną z najważniejszych barier utrudniających stosowanie nanorobotów aktywnych wewnątrz organizmu jest brak technologii umożliwiających wygodne i bezpieczne ładowanie akumulatorów bez konieczności usunięcia urządzenia z ciała pacjenta. Sytuacja ta może się jednak zmienić dzięki opracowanemu niedawno ogniwu fotowoltaicznemu zdolnemu do pobierania energii niezbędnej do jego pracy przez skórę.

Autorami urządzenia są badacze z szanghajskiego Uniwersytetu Donghua oraz Instytutu Maxa Plancka w Poczdamie. Sekretem wynalazku jest możliwość przekazywania energii pod postacią fal podczerwonych, nie zaś światła widzialnego, jak w przypadku tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych.

Próba opracowania ogniw zasilanych podczerwienią nie była działaniem przypadkowym. Fale te przenikają bowiem przez skórę wielokrotnie lepiej od światła widzialnego. Problemem od kilku lat pozostawało jednak stworzenie ogniw zdolnych do pochłaniania promieniowania o takiej długości fali. 

Pochłaniające światło materiały opracowane z myślą o ogniwach słonecznych, takie jak krzem czy niektóre barwniki, nie są w stanie efektywnie pochłaniać światła z zakresu bliskiej podczerwieni. (...) W odróżnieniu od nich, światło takie mogą pochłaniać niektóre fosforyzujące nanomateriały na bazie pierwiastków ziem rzadkich, które wykazują następnie luminescencję w zakresie światła widzialnego, tłumaczy jeden z autorów nowego typu ogniw, Zhigang Chen

Do wytworzenia nowego rodzaju ogniw wykorzystano kryształy o wzorze chemicznym Na(Y1.5Na0.5)F6:Yb,Er. Pochłaniają one padające na nie światło podczerwone, a następnie wypromieniowują pochłoniętą energię w postaci światła widzialnego. To ostatnie jest z kolei pochłaniane przez pokryte specjalnym barwnikiem nanocząstki ditlenku tytanu, na powierzchni których powstaje ładunek elektryczny, który jest przekazywany do elektrod wyprowadzających prąd z ogniwa.

Wydajność prototypu testowano poprzez oświetlanie go laserem o mocy 1W przez warstwy świńskich jelit o grubości od ok. 1 mm do ok. 6 mm, symulujących ludzką skórę. Jak się okazało, pomiędzy elektrodami udało się w ten sposób wytworzyć prąd o mocy od 0,02 do 0,28 mW. Wydaje się, że to niewiele, lecz wartość taka powinna wystarczyć do zasilania wielu rodzajów nanorobotów oraz innych rodzajów implantów.

Szczegółówy opis urządzenia opublikowało czasopismo Advanced Functional Materials.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Podczerwień to innymi słowy ciepło. Czy takie roboty zamiast ładować się z zewnętrznego źródła zasilania przez skórę nie mogłyby na przykład czerpać ciepła z krwi?

 

Byłby to jednocześnie wariant o tyle bezpieczny, że nie powinien nieść ze sobą szkód takich jak w wypadku bezpośredniego 'ochładzania' niektórych narządów. Natomiast niewątpliwą zaletą byłby niemal stały dostęp zasilania dla nanobotów.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Obawiam się, że "zagęszczenie" produkcji tego ciepła jest zbyt małe. Weźmy taki głupi przykład: zawodowy, bardzo dobry kolarz na podjeździe przekazuje na pedały moc na poziomie jakichś 420W (w przeliczeniu przede wszystkim na dwa mięśnie: pośladkowy wielki i czworogłowy). Na ciepło marnowane jest ok. 3x tyle (bo wydajność mięśni to jakieś 25% max), więc mamy 1260W. Niby dużo, ale pamiętajmy, że mówimy o ekstremalnym wysiłku i o ogromnej powierzchni wymiany ciepła pomiędzy tymi wielkimi mięśniami i powietrzem.

 

Osobiście obstawiałbym raczej źródła chemiczne, np. glukozę z krwi. To by dopiero było coś :D

Share this post


Link to post
Share on other sites

Tyle, że elektrolity same w sobie źródłem energii nie są. Trzeba by było jeszcze jakoś wytworzyć gradient ładunków, a potem nauczyć się je przemieszczać, żeby rzeczywiście się do czegoś nadawały.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Do pozyskania energii tak. Do kontrolowania jej uwalniania i dbania o to, żeby organizmowi nie zabrakło własnych elektrolitów (a niektóre z nich są przecież obecne w śladowych ilościach), potrzeba by było nieco więcej.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Masz rację mikroos, z glukozą by była fenomenalna sprawa :D Zwłaszcza że po prostu nosiciel musiałby trochę więcej cukrów zjeść od czasu do czasu i tyle..

 

No ale chciałem się skupić na wykorzystaniu tego ciepła jakoś ;) Zresztą takim nanobotom przecież dużo chyba nie potrzeba?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Podczerwień to innymi słowy ciepło. Czy takie roboty zamiast ładować się z zewnętrznego źródła zasilania przez skórę nie mogłyby na przykład czerpać ciepła z krwi?

 

Byłby to jednocześnie wariant o tyle bezpieczny, że nie powinien nieść ze sobą szkód takich jak w wypadku bezpośredniego 'ochładzania' niektórych narządów. Natomiast niewątpliwą zaletą byłby niemal stały dostęp zasilania dla nanobotów.

 

 

Foton to nie ciepło. Ciepło to jedna z form przekazywania energii, ale nie nazwałbym ciepłem fotonu. Natomiast jego absorbcja przez materiał może prowadzić do wzrostu energii wewnętrznej, co może prowadzić do przekazywania energii kinetycznej drgań sieci (to wtedy jest według mnie ciepło). W fotowoltaice nie chcemy ciepła :D

Share this post


Link to post
Share on other sites

Foton sam w sobie nie jest ciepłem. Ale zauważ że jest coś takiego jak dualizm korpuskularno-falowy. Foton może też być falą. Fala ma różne długości - od podczerwieni (ciepła) aż do promieniowania kosmicznego (fale gamma). Toteż jeśli mówimy o podczerwieni, to jest to fala cieplna - nie ważne czy rozpatrujesz ją jako falę, czy jako zbiór fotonów o określonych parametrach.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Foton sam w sobie nie jest ciepłem. Ale zauważ że jest coś takiego jak dualizm korpuskularno-falowy. Foton może też być falą. Fala ma różne długości - od podczerwieni (ciepła) aż do promieniowania kosmicznego (fale gamma). Toteż jeśli mówimy o podczerwieni, to jest to fala cieplna - nie ważne czy rozpatrujesz ją jako falę, czy jako zbiór fotonów o określonych parametrach.

 

Oczywiście można rozpatrywać promieniowanie jako falę ELEKTROMAGNETYCZNĄ - gdzie tu ciepło? Ponownie: ciepło to sposób wymiany energii kinetycznej drgań sieci (bądź ruchu cząsteczki - nie tylko translacyjnego). Podczerwień nie jest ciepłem! Podczerwień to tylko fotony/fale w określonym przedziale energii. To wzrost energii wewnętrznej powodowany przez absorpcję energii fotonu/fali może powodować wymianę energii w postaci ciepła z otoczeniem.

Share this post


Link to post
Share on other sites

No ciekawe, jak to się rozwinie. Póki co cieszę się, ze oferta fotowoltaiki dla biznesu pozwoliła mi na wyposażenie własnej firmy w panele.

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

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Rynek nowych nie korzystających z krzemu technologii w fotowoltaice będzie w 2040 roku warty 38 miliardów dolarów, a przy tym nie będzie odbierał klientów rynkowi tradycyjnych paneli słonecznych, wynika z raportu "Materials Opportunities in Emerging Photovoltaics 2020–2040" przedstawionego prze IDTechEx.
      Autorzy raportu zauważają, że twórcy najnowocześniejszych rozwiązań w tej dziedzinie już teraz są w stanie osiągnąć wysokie ceny za najnowocześniejsze rozwiązania. Specjalistyczne ogniwa fotowoltaiczne używane w satelitach i wysoko latających dronach, wykonane z półprzewodników III-V grupy, których wydajność sięga 30%, są sprzedawane w cenie ponad 10 000 USD za wat generowanej mocy. Z kolei wartość rynku ogniw CIGS (copper indium gallium di-selenide) zwiększyła się w ciągu 10 lat do 2 miliardów dolarów.
      Większość nowych rozwiązań na rynku fotowoltaicznym to technologie cienkowarstwowe, elastyczne. Niektóre z nich dają nawet nadzieję na pojawienie się rozciągalnych ogniw fotowoltaicznych. Postęp w tej dziedzinie może pozwolić na stworzenie ogniw, którymi można będzie np. pokrywać całe samoloty czy też takie, które zostaną wykorzystane w elastycznych wyświetlaczach telefonów komórkowych przyszłości.
      Doktor Peter Harrop, szef IDTechEx mówi, że lekkimi panelami można będzie pokryć miliardy budynków. Na rynku pojawiają się też wydajne ogniwa do stosowana w pomieszczeniach, na horyzoncie widać ogniwa do stosowania pod wodą. Naukowcy pracują też nad trzema różnymi technologiami... fotowoltaicznych farb.
      Harrop zauważa, że już obecnie mamy do czynienia ze znacznym wydłużeniem żywotności ogniw słonecznych i spadkiem ich ceny. Pojawiają się technologie, które pozwalają zrezygnować z metali przy ich budowie, co z jednej strony jest korzystne dla środowiska naturalnego, z drugiej zaś chroni producentów i konsumentów przed wahaniami cen metali. Trwają prace nad tym, by ogniwa stawały się coraz bardziej przezroczyste i coraz lepiej biodegradowalne.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      W Sandia National Laboratories powstało urządzenie, które generuje użyteczne ilości energii elektrycznej ze źródeł ciepła o umiarkowanej temperaturze. Może ono znaleźć zastosowanie w elektrowniach atomowych, sondach kosmicznych czy fabrykach chemicznych, gdzie pozwoli na odzyskanie sporej części marnowanej dotychczas energii.
      Nowe urządzenie generuje 27–67 µW/cm2 ze źródeł ciepła o temperaturze 250–400 stopni Celsjusza.
      Standardowe urządzenia fotowoltaiczne dobrze działają we współpracy ze światłem w zakresie widzialnym. Takim, jak wytwarzane przez Słońce, którego temperatura efektywna (temperatura ciała doskonale czarnego) wynosi ok. 5500 stopni Celsjusza. Tymczasem obiekty o temperaturze 100–400 stopni Celsjusza emitują głównie promieniowanie podczerwone w zakresie 7–12 µm. W temperaturze tej przebiega wiele procesów przemysłowych i promieniowanie to jest marnowane. Wykorzystanie nawet niewielkiej jego części przyniosłoby olbrzymie korzyści.
      Problem w tym, że gdy energia fotonów spada i zbliża się do energii termicznej konwertera, standardowa fotowoltaika staje się coraz bardziej nieefektywna. Dlatego Paul Davids, który stał na czele grupy badawczej z Sandia Labs, postanowił poszukać alternatywnej metody wykorzystania energii z chłodniejszych źródeł.
      W naszym urządzeniu fotoprąd wytwarzany przez parę elektron-dziura pochodzi nie z absorpcji fotonu – jak ma to miejsce w standardowej fotowoltaice – ale z tunelowania, wyjaśnia uczony.
      Tunelowanie odbywa się w specjalnej barierze zbudowanej z warstwy dwutlenku krzemu o grubości 3–4 nm. To rodzaj jednokierunkowej autostrady oddzielającej elektrony od dziur, umożliwiającej efektywną konwersję promieniowania podczerwonego w prąd elektryczny.
      Urządzenie opracowane przez zespół Davidsa może być produkowane w standardowej technologii CMOS, co oznacza, że już teraz można je masowo wytwarzać w fabrykach. Jego twórcy mówią, że w najbliższym czasie chcieliby wykorzystać je sondach pracujących w odległych miejscach Układu Słonecznego, gdzie do zasilania nie można użyć energii Słońca, gdyż pojazd znajduje się zbyt daleko od niego. Nowe urządzenie może być też podstawowym lub uzupełniającym źródeł energii w standardowych systemach termoelektrycznych.
      Inny obszar zastosowania to chmury obliczeniowe, które emitują olbrzymie ilości ciepła. Jeśli będziemy w stanie odzyskać część energii z tego ciepła, to poprawimy efektywność energetyczną tego szybko rosnącego rynku konsumpcji energii, mówi Davids.
      W tej chwili naukowcy pracują nad zwiększeniem efektywności swojego urządzenia i uproszczeniem procesu jego produkcji. Dzięki temu możliwe będzie zastosowanie go na wielu innych obszarach. Ponadto ostatnie dokonania naukowe na polu pasywnego chłodzenia fotonicznego i źródeł światła w połączeniu z naszą technologią może otworzyć całkowicie nowe obszary zastosowań dla produkcji i odzyskiwania energii, cieszy się Davids.
      Szczegółowy opis urządzenia znajdziemy w piśmie Science.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Ogniwo fotowoltaiczne działające w nocy? To nie pomyłka, przekonuje profesor Jeremy Munday z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis. Uczony twierdzi, że w idealnych warunkach takie ogniwo mogłoby generować po zachodzie słońca nawet 50 watów na m2. Artykuł na ten temat ogniw dostarczających prąd w nocy opublikowano na łamach ACS Photonics.
      Profesor Munday wyjaśnia, że proces generowania energii elektrycznej przez ogniwa fotowoltaiczne działające w nocy jest podobny do tradycyjnych ogniw fotowoltaicznych, ale działa odwrotnie. Obiekt, który jest cieplejszy od otoczenia wypromieniowuje ciepło w postaci podczerwieni. Standardowe ogniwo jest chłodniejsze od słońca, więc absorbuje światło.
      Jako, że przestrzeń kosmiczna jest bardzo zimna, cieplejszy od niej obiekt skierowany w jej stronę będzie wypromieniowywał ciepło. Ludzkość od setek lat wykorzystuje to zjawisko do schładzania obiektów w nocy.
      Standardowe ogniwa słoneczne absorbują światło, co prowadzi do pojawienia się przepływu prądu. W naszych urządzeniach światło jest emitowane, a prąd i napięcie biegną w przeciwnym kierunku, jednak wciąż generujemy moc. Musimy użyć innych materiałów, ale podstawy fizyczne są te same, mówi Munday.
      To samo urządzenie mogłoby też pracować za dnia, jeśli zablokuje się mu bezpośredni dostęp do światła słonecznego lub odwróci w przeciwną do słońca stronę.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Badacze z Instytutu Inteligentnych Systemów im. Maxa Plancka, we współpracy z naukowcami z Danii i Chin, stworzyli pierwszego nanorobota zdolnego do poruszania się w gęstej tkance oka. Robot o średnicy zaledwie 500 nanometrów jest pokryty nieprzywierającą powłoką i został wyposażony w wiertła, dzięki którym może przebić się przez tkankę. Jako, że wiertła mają średnicę 200-krotnie mniejszą od średnicy ludzkiego włosa, robot jest w stanie poruszać się nie uszkadzając otaczającej go tkanki.
      Po raz pierwszy udało się zademonstrować robota poruszającego się w tak gęstej tkance bez jej niszczenia. Dotychczas podobne roboty mogły poruszać się w płynach biologicznych lub w systemach testowych. Twórcy urządzenia mają nadzieję, że pewnego dnia ich robot zostanie wykorzystany do precyzyjnego dostarczania leków w określone miejsce.
      Dostawa leków do gęstych tkanek jest trudna, szczególnie w małej skali. Szczególnie trudne jest to w oku, ze względu na gęstość i lepkość tkanki. Nawet jeśli mamy odpowiednio małą porcję leku, to warunki panujące w oku są wyjątkowo nieprzyjazne. Badacze porównują próbę dostarczenia leku do podróży korkociągu przez gęsto upakowaną dwustronną taśmę klejącą. Osobnym wyzwaniem jest precyzyjne sterowanie robotem. W tym przypadku problem udało się rozwiązać dodając do niego magnetyczny materiał, jak na przykład żelazo, co pozwala na precyzyjne sterowanie wiertłami za pomocą pól magnetycznych.
      Olbrzymie znaczenie miało tutaj zastosowanie odpowiedniej nieprzylegającej powłoki. Inspirowaliśmy się naturą. Wykorzystaliśmy ciekłą warstwę podobną do tej, jakiej używają mięsożerne rośliny, dzięki której owady zsuwają się do ich wnętrza. Ta śliska powłoka jest kluczowym elementem napędu nanorobota we wnętrzu oka. Zmniejsza ona przywieranie pomiędzy tkanką a nanorobotem, mówi główny autor badań, Zhihuang Wu.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Nowotwory to jedna z głównych przyczyn zgonów w krajach uprzemysłowionych. Wiele z nich potrafimy leczyć lub kontrolować, ale mimo to wciąż umiera na nie duża liczba ludzi. Przyczyną jest zbyt późna diagnoza. Opracowanie metody wczesnego wykrywania rozwijającego się nowotworu pozwoliłoby nie tylko uratować życie wielu ludziom, ale znacząco obniżyłoby koszty terapii.
      Potencjalną metodę ostrzegania o początkach nowotworu opracował profesor Martin Fusseneger ze Szwajcarskiego Instytutu Technologicznego w Zurichu i współpracujący z nim naukowcy. Wykorzystuje ona sieć syntetycznych genów rozpoznających bardzo wczesne etapy rozwoju nowotworów prostaty, płuc, piersi i jelita grubego. Na tych wczesnych etapach dochodzi do zwiększenia poziomu wapnia we krwi i właśnie ten podniesiony poziom wykrywa system Fussenegera.
      Wspomniana sieć genów jest umieszczana w implancie, który wstrzykiwany jest pod skórę, gdzie bez przerwy monitoruje poziom wapnia we krwi. Gdy poziom ten zostaje przez dłuższy czas przekroczony, uruchamiana jest cała kaskada sygnałów, które powodują, że we wstrzykniętej w określone miejsce na skórze zmodyfikowanej genetycznie grupie komórek dochodzi do produkcji melaniny. Na skórze pojawia się widoczne gołym okiem zaciemnione miejsce, które jest sygnałem ostrzegawczym o rozwijającym się nowotworze. Co istotne, sygnał ten pojawia się na długo zanim jeszcze nowotwór można wykryć za pomocą standardowych metod diagnostycznych. Posiadacz implantu powinien wówczas udać się do lekarza w celu specjalistycznej diagnostyki, mówi Fussenegger.
      Naukowcy wykorzystali jako wskaźnik poziom wapnia, gdyż jest on ściśle kontrolowany przez organizm. Kości służą jako bufor regulujący poziom wapnia we krwi. Zbyt duża ilość tego pierwiastka może być sygnałem o rozwoju jednego z czterech wspomnianych typów nowotworów. Wczesna diagnostyka to klucz do sukcesu. Na przykład w przypadku raka piersi szanse na wyleczenie przy wczesnej diagnozie wynoszą aż 98%, podczas gdy przy późnej diagnozie spadają do 25%. Obecnie ludzie trafią do lekarza przeważnie wówczas, gdy guz daje jakieś objawy. Niestety, często jest wówczas zbyt późno, stwierdza Fussenegger.
      Nawiększym ograniczeniem nowej metody jest krótki czas życia implantu. Jak mówi Fussenegger, z literatury specjalistycznej wynika, że po zamknięciu w odpowiednich kapsułach żywe komórki mogą przetrwać około roku. Po tym czasie implant trzeba będzie zapewne wymieniać.
      Na razie naukowcy dysponują wczesnym prototypem implantu. Był on z powodzeniem testowany na myszach i świniach. Profesor Fusseneger mówi, że opracowanie w pełni rozwiniętej wersji dla ludzi oraz proces jej testowania i dopuszczania do użytku potrwają co najmniej 10 lat.

      « powrót do artykułu
×
×
  • Create New...