Ссылки для упрощенного доступа

logo-print

Новые сверхпроводящие материалы в промышленности. Открытие подводных вулканов на Северном полюсе


Темы передачи: расширение применения сверхпроводящих материалов в промышленности, открытие подводных вулканов на Северном полюсе, а также последние научные новости.

Лилия Шукаева:

Высокотемпературные сверхпроводники были открыты 15 лет назад. И вот теперь эти материалы, почти лишенные электрического сопротивления при относительно высоких температурах, впервые начинают находить практическое промышленное применение. В частности, электрики заменяют сейчас обычные подземные кабели на одной из детройтских электроподстанций на сверхпроводящие. 125 килограммов сверхпроводящего материала заменят 9 тонн меди и позволят утроить передаваемую мощность, не производя трудоемких земляных работ. Высокотемпературные сверхпроводники уже используются для улучшения радиоприема при ретрансляции телефонных переговоров и в научной аппаратуре. На очереди электродвигатели со сверхпроводящими обмотками.

"Инженеры находят все новые применения высокотемпературным сверхпроводникам, хотя физики не могут пока объяснить механизм их действия", - говорит доктор Грег Юрек, возглавляющий одну из компаний, осуществляющих детройтский проект. Кстати, общепризнанную теорию низкотемпературной сверхпроводимости физики создали уже полвека назад. Высокотемпературные сверхпроводники были открыты в 1986-м году Джорджем Беднорзом и Алексом Мюллером, работавшими в цюрихской лаборатории американской компьютерной фирмы "IBM". Ученые надеялись поднять их рабочую температуру до комнатной. Но это не удалось. Максимальная температура сверхпроводимости на сегодня -около 150 градусов Цельсия ниже нуля. Не очень-то высоко, но позволяет охлаждать провода не дорогостоящим гелием, а дешевым жидким азотом. Сегодня американская компания "American Superconductor" выпускает для промышленности примерно 500 километров сверхпроводящей проволоки ежегодно. А в будущем году новый завод в Дивенсе - штат Массачусетс повысит производство в 20 раз и доведет его до 10 тысяч километров в год. Обмотки из этой проводки будут использованы для прототипа судового электродвигателя мощностью в 5 тысяч лошадиных сил, который компания "American Superconductor" должна изготовить в ближайшее время по заказу ВМФ США. Сверхпроводящие обмотки позволяют уменьшить габариты электродвигателей более чем вдвое.

Что касается детройтской подстанции, о которой мы говорили вначале, то там сверхпроводящие кабели диаметров в 10 сантиметров, через центральную полость в которых побежит охлаждающий их до 200 градусов ниже нуля жидкий азот, соединят трансформатор с токораспределительным оборудованием. Этот проект обойдется в 14 миллионов долларов. Он финансируется Министерством энергетики США и должен стать важным этапом испытания технологии, впервые позволившей получить из хрупких и ломких сверхпроводящих материалов гибкие, гнущиеся провода. Испытания кабелей продлятся примерно год, после чего они примут промышленную нагрузку. Идея сверхпроводящих линий электропередач вынашивается электриками уже несколько десятилетий, но до последнего времени сверхпроводящие материалы были чересчур дороги, чтобы такие передачи стали выгодными.

Первый более или менее реальный инженерный проект такой передачи был разработан еще в 1967-м года доктором Ричардом Гарвиным и доктором Джури Матису - сотрудниками исследовательского центра "IBM" в Йорктаун Хайтс, под Нью-Йорком. В конце 70-х годов сверхпроводящий кабель впервые был испытан в реальной энергосистеме в Австрии. В 80-х годах в Брукхейвенской Национальной Лаборатории на Лонг-Айленде были введены в эксплуатацию два сверхпроводящих кабеля длиной по 130 метров, изготовленных из низкотемпературного сверхпроводника - из ниобево-цинкового сплава. По этим кабелям можно было бы передавать огромную мощность, но оказалось, что в них происходит большая потеря энергии при передаче переменного тока, ибо переменные токи возбуждают магнитные поля, проникающие в сверхпроводящий материал и при этом рассеивается много энергии. Кстати, это будет иметь место и на детройтской подстанции, так что сэкономить много энергии там не удастся. Но поскольку сверхпроводящие кабели обладают все же гораздо большей пропускной способностью, чем медные, они позволят в несколько раз увеличить передаваемую мощность, не перекапывая улицы.

В энергетических планах администрации президента Буша предусматривается расширение исследования по созданию сверхпроводящих линий электропередач. Но чтобы полностью использовать потенциальные выгоды сверхпроводимости при передаче электроэнергии на большие расстояния, как считает сотрудник Электроэнергетического исследовательского института доктор Пол Грант, придется перейти на постоянный ток. "Обновление американской энергетической инфраструктуры, - говорит доктор Грант, - открывает перед нами уникальные возможности. Нужно как можно быстрее удешевить сверхпроводящие материалы и устройства, чтобы эти возможности не упустить".

Александр Сиротин:

Американские ученые обнаружили подо льдами Арктики извергнутую вулканами лаву.

Началось с того, что подводная лодка ВМС США получила здание составить первую подробную карту дна Северного Ледовитого океана, в частности, в районе Северного полюса. Прощупывание океанского дна проводилось методами гидролокации. В этом деле участвовали гражданские ученые, которые неожиданно обнаружили на дне океана, покрытого толстым слоем льда, два вулкана, которые по всем признакам являются действующими. Об этом открытии ученых сообщает старейший научный журнал "Nature" - Природа.

"Мы полагали, что нам уже чуть ли не все известно о нашей планете, и что нас трудно удивить. Но мы ошибались", - сказала Марго Эдвардс, морской геолог из Гавайского университета. Это она возглавила работу по созданию карты дна Северного Ледовитого океана. Открытие, о котором идет речь, вызвало из прошлого прежние идеи о необходимости более глубокого изучения геологии Земли в районе Северного полярного круга. В конце этого года к Северному полюсу будет направлена представительная научная экспедиция. Водолазы планируют сложный и рискованный спуск на дно в районе вулканов как можно ближе к кратерам, чтобы собрать образцы остывшей лавы и, возможно, найти необычные живые организмы, часто обитающие в горячих потоках, рвущихся из подводных вулканов. Питающаяся мощной энергией внутреннего тепла Земли, а не энергией солнечного света, экосистема вечного мрака хранит немало тайн. Она может быть насыщена научной жизнью, о формах которой мы даже не догадываемся.

"Я изучаю этот район уже 30 лет", - говорит Альфред МакЛарен, отставной подводник ВМС, который одним из первых начал составлять донную карту Арктики. Сейчас МакЛарен - почетный президент Нью-Йоркского клуба исследователей и путешественников. Этот клуб является спонсором предстоящей экспедиции. "Мечта всей моей жизни, - продолжает МакЛарен, - разгадать тайны, спрятанные под ледовой шапкой мира". Северный Ледовитый океан почти в 6 раз больше Средиземного моря. Глубины этого океана - наименее изученные и наиболее загадочные, прежде всего, потому, что океан покрыт слоем льда толщиной в среднем около 2,5 метров. Такой слой не дает спутникам возможности заглянуть под него и мешает исследовательским судам провести нужный объем научных работ. Однако, подводным лодкам, в отличие от спутников, ничто не мешает заглядывать в такие глубины, куда никогда не проникали лучи солнечного света. Альфред МакЛарен, будучи тогда капитаном исследовательской подлодки под названием "Куинфиш", в 1970-м году с помощью гидролокации "осмотрел" арктические глубины. Его работа 30-летней давности предварила нынешнее открытие подводных вулканов.

После окончания "холодной войны" военно-морское командование США разрешило гражданским ученым регулярно проводить свои научные изыскания на борту подводных лодок, входящих в состав американского ядерного флота. Так ученые получили доступ к подводной лодке "Хоукбилл" подо льдом на глубине более 200 метров. Эти ученые в рамках программы, финансируемой Национальным научным фондом США "прощупывали" глубины Северного Ледовитого океана сверхчувствительными эхолокаторами, используя секретную военную аппаратуру, которой оснащены военные подводные лодки. Таким образом удавалось определить, где поверхность океанского дна мягкая и вязкая, а где каменистая. Главной целью исследований было, как уже сказано выше, создание трехмерной карты полярных глубин.

Основное внимание ученых во время этой работы привлек Гаккел-Ридж - подводный горный хребет, протянувшийся более чем на полторы тысячи километров, чуть ли не от Гренландского моря до моря Лаптевых прямо посреди главного арктического бассейна, неподалеку от Северного полюса, на глубине около 5 километров. Гаккел - самый медленно растущий океанский кряж на нашей планете. И вот почти посредине кряжа расположились два действующих вулкана - Восточный и Западный. Причем, на Западном извержение было зафиксировано в 1999-м году. Данные об этом профессор Марго Эдвардс из Гавайского университета продолжает анализировать по сей день, так как научные исследования были несколько задержаны слишком медленным рассекречиванием материалов, хранящихся в архивах ВМФ. Один из аспирантов Марго Эдвардс - Грегори Куррас, был приглашен в ассистенты к профессору Майе Толстой из геологической обсерватории Ламонт-Доэрти при Колумбийском университете.

После рассекречивания материалов и сбора дополнительных данных профессора Эдвардс и Толстая, и аспирант Куррас суммировали свидетельства сейсмической активности двух подводных вулканов. В районе, где находится один из вулканов, подводное землетрясение было зафиксировано проплывавшей здесь американской подводной лодкой. Приборы сначала отметили шедший из океанских глубин гул. Затем подводную лодку с неведомой силой стало бросать то вверх, то вниз. Так весь экипаж стал свидетелем извержения и вызванного им землетрясения. Об этом открытии журнал "Nature" - "Природа" опубликовал статью, написанную Эдвардс и Толстой. В статье говорится, что общая площадь, занимаемая продуктами извержений двух вулканов, составляет примерно 700 квадратных километров. Дно в этом районе покрыто толстым слоем грязных осадков, видимо, наслоений вулканических выбросов.

Значение открытия, по мнению Марго Эдвардс, довольно велико, так как оно заставит ученых подкорректировать современную тектоническую теорию о медленном формировании земной коры. С этим согласен и профессор Кокран из обсерватории Ламонт-Доэрти: "Ничем другим, кроме как вулканическим извержением не объяснить концентрацию на отдельном участке донной поверхности расплавленных камней". Профессор считает, что подводные действующие вулканы в районе Северного Полюса могут стать удобным "окном" для наблюдений за поведением мантии нашей планеты, расположенной между горячим ядром и холодной корой Земли. Земная кора в районе Северного полюса необычайно тонка, и новые извержения могут позволить собрать самые свежие образцы камней, извергнутых из мантии. Раньше об этом ученые могли только мечтать.

На многие возникающие сейчас вопросы должна ответить новая экспедиция: в течение двух недель в конце августа - начале сентября специально экипированная глубоководная гидролаборатория опустится на Гаккел. В ней разместятся три человека. Эта глубоководная лаборатория принадлежит московскому Институту океанологии имени Ширшова. Такой научной активности арктические глубины еще не ведали. Глубоководные погружения российской подводной лаборатории "Мир" станут довольно частыми. Кстати, американские компании "Quark expeditions", "Deep Ocean expeditions" и Клуб исследователей-путешественников намерены частично использовать эту лабораторию для коммерческий целей, а именно: будут брать с туристов, желающих поплавать в океанской пучине подо льдами Северного Полюса, по 50 тысяч долларов. А сами американские и российские ученые намерены совершить по меньшей мере три совместных погружения на Гаккел.

Российский атомный ледокол "Ямал" пробьет через льды путь для грузового судна Папанин, с борта которого будут спущены глубоководные лаборатории-близнецы "Мир", те самые, сидя в которых американский кинорежиссер Джеймс Камерон в 1997-м году снимал кадры своего фильма "Титаник".

МакЛарен, президент клуба исследователей и путешественников, рассказала, что ученые с помощью глубоководных лабораторий намерены сделать как можно больше фотографий подводного кряжа Гаккел и собрать образцы вулканических камней, и выловить представителей живых обитателей черных холодных глубин. Так как Северный Ледовитый океан - наиболее изолированный и мало исследованный из всех океанов, ученые могут обнаружить там совершенно неведомые доселе формы жизни. По словам МакЛарена, открытие новых живых существ, обитающих в океанской пучине в нескольких километрах под покрывающей океан толщей льда, станет веским подтверждением современной научной гипотезы о том, что если на Европе - одной из лун Юпитера - под толстым слоем покрывающего ее льда скрывается океан, то в его глубинах также может существовать в той или иной форме жизнь. "Если мы найдем живые экосистемы здесь, во тьме Полярного океана, то возрастут шансы на то, что мы найдем аналогичные живые экосистемы и на спутнике Юпитера - Европе", - говорит МакЛарен.

Научные новости



Евгений Муслин:

Как получить искусственные алмазы из обычного графита? Для этого необходимо его подвергнуть определенной комбинации сильного сжатия и нагрева. Недавние эксперименты американских физиков показали, что аналогичная "алхимия" возможна и с азотом, из которого в значительной мере состоит атмосферный воздух. Если подвернуть азот сжатию до давления около 2 миллионов атмосфер, то он превращается в твердое тело, более того, в полупроводник, аналогичный кремнию. Еще замечательнее то, что азот остается в твердом состоянии и после снятия давления, правда, если его охладить до 170 градусов Цельсия ниже нуля.

Аналогично этому графит, превращенный в алмаз, также остается в новом состоянии и после снятия давления. Но в отличие от азота он не нуждается в дополнительном изменении температуры. Поскольку новая форма азота аккумулирует значительные запасы энергии, исследователи предполагают, что она найдет применение в качестве ракетного топлива или взрывчатки.

"Физику высоких давлений можно использовать в качестве, так сказать, современного варианта алхимии, - говорит доктор Эндрю МакМахан из Национальной Ливерморской лаборатории - С ее помощью вы получаете материалы нового типа, которых раньше вообще не существовало". Кстати, эксперименты с высоким давлением позволили некоторое время назад трансформировать кислород в рубиново-красный металла. И некоторые теоретики предсказывают, что водород при достаточно высоких давлениях также превращается в твердый металл, обладающий сверхпроводимостью при комнатной температуре. Пока водород не удалось превратить в металл, даже подвергая его давлениям порядка 3,5 миллиона атмосфер, так что экспериментаторы пытаются повысить давление еще выше.

Подобного рода эксперименты представляют большой интерес и для планетологов, убежденных, что гигантские газообразные планеты типа Юпитера или Сатурна содержат в себе ядро из металлического водорода.

В своем обычном газообразном виде азотные атомы соединяются в двухатомные молекулы. При охлаждении до 196 градусов Цельсия ниже нуля азот превращается в жидкость, а при давлении порядка 10 тысяч атмосфер становится твердым телом. Он похож на лед, только теплый. Теоретики предсказывали, что пери давлениях от 500 тысяч до миллиона атмосфер азотные атомы образуют запутанные многократные связи, аналогичные тем, которые характерны для более тяжелых элементов - фосфора и мышьяка, химически подобных азоту. Но непонятно, почему азот и при миллионе атмосфер оставался твердым, прозрачным и никак не менялся. Когда давление увеличили еще на 700 тысяч атмосфер - тогда прозрачный азот сначала пожелтел, потом покраснел, а потом стал коричневым, потом непрозрачным. Химические связи между его атомами явно распались, а потом изменили свою конфигурацию - такое высокое давление понадобилось потому, что химические связи между азотными атомами очень трудно разрушить. Этим также объясняется и то, почему азот сохраняет свою новую структуру при низких температурах и после снятия давления. Как мы уже говорили, обнаружилось и то, что азот из изолятора превращается в полупроводник, наподобие кремния. Никто, однако, не собирается изготовлять из этого нового материала электронные чипы. Но поскольку при возвращении азота в свою обычную форму выделяется огромное количество энергии, как считает физик из Иллинойского университета профессор Ричард Мартин, азот в принципе может найти применение в качестве перспективного высокоэнергетического ракетного топлива. Впрочем, это пока еще чисто умозрительное предположение.

В ближайшее время в нашем распоряжении появятся миниатюрные электронные переводчики, позволяющие их владельцам буквально разговаривать с их помощью, в режиме реального времени, почти без задержки, на любых языках. Прототипы таких устройств, разработанных под руководством доктора Роберта Фредеркинга из Питссбургского университета Карнеги-Меллона, американские специалисты испытывают сейчас в странах с редкими языками, например, в Хорватии. Пока эти системы справляются со сравнительно простыми фразами, да и синтаксис их еще далек от совершенства, но десятилетия лингвистических исследований в сочетании с постоянно растущим быстродействием компьютеров уже приносят свои плоды.

Беседа между разноязычными собеседниками происходит примерно так: пусть, скажем, англоязычный собеседник произносит первую фразу по-английски. Эта фраза улавливается микрофоном речераспознающего блока и попадает оттуда в компьютер. Переводческая программа осуществляет перевод на хорватский, и этот перевод вводится в синтезатор речи, произносящий ту же фразу уже на хорватском языке. Аналогичной обработке подвергаются и слова хорватского собеседника. Все описанные системы электронного перевода встроены в переносной компьютер и практически не увеличивают его размеров.

XS
SM
MD
LG