Технологии будущего на основе воды
13
Май
Уникальные свойства самого простого и самого загадочного вещества на планете – воды – находят все более широкое применение. Сегодня можно с уверенностью говорить о важности воды не только для функционирования живых организмов, но и для развития инженерной науки и создания совершенных технологий.
В 2017 году в декабрьском номере журнала «Троицкий вариант-наука» было опубликовано сообщение о том, что в 2016 году сотрудникам Стенфордского университета удалось создать вычислительный прибор, который выполняет операции не проходящими зарядами в кремниевом чипе, а каплями воды. Благодаря физическим свойствам жидкости, капли воды могут выступать логическими деталями. Проще говоря, наличие или отсутствие капель воды соответствует 1 или 0 двоичного кода.
Руководитель эксперимента биоинженер Ман Пракаш говорит: «Капли воды показывают универсальную синхронную логику, подчиняясь магнитному полю, которым они контролируются». Безусловно, в ближайшем будущем компьютеры, работа которых основана на движении воды, вряд ли появятся на рынке. Разработана только технология создания таких устройств. Однако, эти наработки могут пригодится для технологий завтрашнего дня.
Несомненно, это очень значительное достижение современной науки и техники. Но это не первый случай создания сложного устройства, работающего на основе воды.
Первый советский «гидрокомпьютер»
История создания гидроинтегратора
Первая в мире вычислительная машина для решения дифференциальных уравнений в частных производных была создана в Советском Союзе еще в 1936 году. На протяжении почти полувека эта машина была единственным средством вычислений в области задач математической физики.
Но самым необычным было то, что все математические операции в этой машине выполняла вода. Водяной компьютер получил название гидравлического интегратора Лукьянова – в честь своего создателя. Примечательно, что создание этого аппарата было вызвано решением сложной инженерной задачи.
После окончания института молодой инженер Владимир Лукьянов был направлен на строительство железной дороги в районе сегодняшнего Магнитогорска. Несовершенные технологии строительства в 30-х годах прошлого столетия позволяли вести работы по бетонированию только в теплое время года, но даже соблюдение этого условия не избавляло вновь созданные конструкции от трещин.
Чтобы избавиться от проблемы, нужно понять причину ее возникновения. Этим и занялся Лукьянов. Все указывало на температурное происхождение трещин в бетоне. Инженер начал кропотливую работу по сопоставлению температурных режимов, качества цемента, состава бетона, технологии проведения работ и прочих прямых и косвенных факторов.
Распределение тепловых потоков можно представить в виде сложных соотношений между температурой и свойствами бетона, которые меняются со временем. Эти соотношения, в свою очередь, можно представить в виде уравнений в частных производных. Но на улице был 1928 год, методов и технологий для расчетов такой сложности не было.
Владимир Лукьянов начал искать пути решения. Он изучал все накопленные к тому времени материалы, которые могли иметь хоть какое-то отношение к его задаче. Нужное направление ему дали труды инженера-судостроителя, физика и математика Н.А. Крылова, еще в 1910 году создавшего механический вычислительный аппарат, академика Павловского Н.Н., занимавшегося вопросами гидравлики, и известного теплотехника академика Кирпичева А.М.
Изучив работы ученых, Лукьянов провел необходимые исследования и убедился, что законы течения воды и распространения тепла очень сходны, а, значит, вода вполне может выступать в роли теплового процесса.
В 1934 году Владимир Лукьянов предложил совершенно новый способ механизации расчетов, а еще через год сконструировал примитивное устройство из кровельного железа, жести, стеклянных трубочек, которое довольно успешно решало сложную задачу соотношений температур и свойств бетона.
Принцип работы водного компьютера
Основой этого неказистого устройства были вертикальные сосуды определенной емкости, которые были соединены между собой трубками с изменяемыми гидравлическими сопротивлениями, которые в свою очередь были подключены к подвижным сосудам. Приводился в действие и останавливался этот аппарат с помощью кранов с общим управлением. Эксперимент оказался удачным, и в 1936 году первая в мире водная вычислительная машина начала решать уравнения в частных производных.
В упрощенном виде работу интегратора Лукьянова можно описать так: перед началом расчетов задавались необходимые начальные значения, затем наполняли водой основные и подвижные сосуды до необходимых уровней. Эти уровни отмечали на обычной миллиметровой бумаге, прикрепленной за измерительными трубками.
Далее открывались одновременно все краны, в соответствии с графиком изменения внешних условий моделируемого процесса менялась высота подвижных сосудов. Эти новые уровни фиксировались на бумаге, по этим отметкам строили график, который и представлял собой решение задачи.
Вычислительная машина была создана для решения конкретной задачи, но вскоре стало понятно, что диапазон ее возможностей очень широк. В 1938 году Владимир Лукьянов возглавил лабораторию гидравлических аналогий и оставался ее руководителем почти сорок лет.
Совершенствование интегратора позволило использовать его почти во всех технически сложных отраслях народного хозяйства. Всего через несколько лет после создания опытного образца, водяной компьютер решал не только одномерные, но и двухмерные и трехмерные задачи. В основе также лежали основные свойства и законы воды.
Так, текущая вода в прямолинейном направлении это одномерный поток. В местах излучин крупных рек можно наблюдать двумерное движение, а грунтовые воды движутся в трех измерениях.
Гидравлический интегратор Лукьянова участвовал в научных экспериментах в поселке «Мирный», применялся в расчетах таких масштабных проектов, как Байкало-Амурская магистраль и Каракумский канал. Вычислительная машина очень хорошо
зарекомендовала себя в таких сложных областях, как ракетостроение, строительная теплофизика, шахтостроение и другие.
Интегратор Лукьянова вышел в серийное производство и использовалась практически на всей территории Советского Союза, а также экспортировался в Болгарию, Чехословакию, Польшу, Китай.
Почему первые ЭВМ долго уступали интегратору Лукьянова
В начале 50-х годов появились первые цифровые электронно-вычислительные машины, но они не могли конкурировать с гидроинтегратором. Первые ЭВМ были очень дороги, имели слабое программное обеспечение, низкую производительность, малый объем памяти, кроме того, в те годы в стране почти не было квалифицированных специалистов для их обслуживания.
Гидроинтегратор обладал очень наглядном процессом расчета, крайней простотой программирования и конструкции. Подготовка специалистов для работы на водном компьютере была несложной.
К середине 70-х годов прошлого столетия интегратор Лукьянова применялся в 115 научных, учебных и производственных учреждениях, расположенных на всей территории Советского Союза. Цифровые ЭВМ, значительно превосходящие гидроинтегратор по своим возможностям, появились в нашей стране только в начале 80-х годов.
В настоящее время гидроинтегратор Владимира Лукьянова можно увидеть в Политехническом музее в Москве. И сегодня вычислительная машина, принцип работы которой был основан на неизменных свойствах воды, вызывает интерес посетителей и является одним из самых ценных экспонатов музея.
Современные технологии на воде и перспективы их развития
В свете дефицита и высокой стоимости имеющихся источников энергии, а также возросшего интереса к чистой энергии, в научных и общественных кругах все чаще говорят о воде. Ее удивительные свойства, строгая подчиненность определенным законам, огромный энергетический потенциал позволяют предположить, что именно вода станет основой технологий будущего. Уже сегодня ученые разных стран активно занимаются созданием устройств, работа которых так или иначе связана с водой.
Водные батареи
Водные батареи представляют собой химический аккумулятор энергии, в котором в качестве электролита выступает вода. Такие батареи были созданы несколько лет назад. По сравнению с обычными литийионными аккумуляторами, они имеют ряд преимуществ. Они значительно дешевле, экологичнее и имеют низкую вероятность взрыва или возгорания. Однако, эти батареи не нашли широкого применения, так как имеют недостаточную энергоемкость и ограниченный цикл зарядки и разрядки.
Так было до недавнего времени. В течение трех последних лет был проведен ряд исследований (в частности, командами из шотландского Университета Глазго и Токийского Университета), которые показали, что изменение структуры электрода и использование новых материалов позволяют решить эти проблемы. В результате этих усовершенствований емкость хранения энергии водных батарей увеличилась на 200 % по сравнению с предыдущей версией.
Новые водные батареи предназначены для накопления и хранения энергии от возобновляемых источников, таких, как солнечные батареи и ветровые генераторы, а также могут использоваться в электромобилях для резервного электроснабжения. Безусловно, производство таких батарей экономически выгодно, так как при их изготовлении не используются такие дорогостоящие материалы, как литий и кобальт.
Широкое применение водных батарей может стать революционным подходом к хранению энергии. Совместные усилия ученых и инженеров разных стран позволят реализовать огромный потенциал водных батарей и сделать их частью глобальной энергетической инфраструктуры.
Нанодвигатель на воде
Испарение и конденсация воды – это очень мощные источники энергии, которые пока используются очень мало. Ученые из Центра перспективных научных исследований Университета города Нью-Йорк совместно с шотландскими коллегами получили из простых биомолекул-трипептидов вещество, которое расширяется или сжимается в зависимости от степени влажности.
Полученные морфогенные кристаллы производят механическую энергию, которую можно использовать в ряде устройств. Этот материал представляет собой трехмерные блоки пептидов, в наноразмерных порах которых очень плотно связывается вода.
При критически низком уровне влажности вода выходит из пор, взаимосвязанная сеть сильно сжимается. В этих условиях кристаллы теряют свою упорядоченную структуру, а при восстановлении нормального уровня влажности возвращают свой привычный вид.
Процесс заполнения и осушения ячеек-пор можно повторять до бесконечности, это экологичный и очень эффективный вечный двигатель. В результате ряда лабораторных экспериментов ученые определили набор факторов, влияющих на срабатывание кристаллов.
В отчете о ходе эксперимента один из исследователей Роксана Пиотровска говорит: «По сути, мы создали новый тип привода, который приводится в действие за счет испарения воды. Наблюдая за его активностью, мы смогли определить фундаментальные механизмы того, как реагирующие на воду материалы эффективно преобразуют испарение в механическую энергию».
Еще один участник разработки нанодвигателя на воде Рейн Улийн отмечает: «Прелесть использования биологических строительных блоков для создания этой новой технологии в том, что полученные кристаллы биосовместимые, биоразлагаемые и недорогие».
Знание механизма извлечения энергии испарения и преобразования ее в движение позволит в будущем создавать различные приложения, например механические наномашины, роботизированные наноустройства.
Ионный спутниковый двигатель на воде
Ученые из Токийского университете на базе компании Pale Blue разработали и сконструировали спутниковый двигатель мощностью класса 30 Вт. Уникальным в этой установке является то, что топливом в нем выступает вода.
Обычные электрические ионные двигатели работали на сжатом под высоким давлением ксеноне. На катоде двигателя газ преобразовывался в поток ионов и космический аппарат приходил в движение. К примеру, так работали японские зонды «Хаябуса», доставившие на Землю образцы пород с астероида Рюгу.
Эксплуатация аппаратов с использованием сильно сжатых газов более 10 атмосфер зачастую сопряжено с рядом проблем. Ученые предположили, что их можно избежать, если использовать другое топливо и значительно снизить давление. В качестве идеально подходящего для таких двигателей топлива была выбрана вода и водяной пар.
Сотрудники компании Pale Blue планируют разработать новые электрические двигатели, работающие на воде, в которых будут установлены баки низкого давления для топлива. Такие емкости будут созданы из сильнопористых веществ, и топливо (вода) будет храниться в этих порах. Структура таких материалов сможет выдерживать давление в вакууме до 10 атмосфер.
Японские ученые предполагают создание двух классов ионных двигательных установок: 30 Вт и 300 Вт. Первые будут использоваться для орбит научных зондов и для дальних миссий, так как они более экономичны. Вторые же могут быть применены для поддержания спутников на низких орбитах вокруг Земли.
Все чаще вода упоминается в качестве основного ресурса будущего. Ее известные и еще не изученные свойства таят в себе огромный потенциал. Гигантские водные массы Мирового океана – поистине бездонный источник энергии.
Миллионы лет назад вода стала средой, где возникла жизнь. На протяжении всей истории развития цивилизации жизнь и деятельность человека всегда были связаны с водой. Вполне возможно, что в будущем она откроет нам еще много своих тайн и загадок.
