От смартфона до ракеты

От смартфона до ракеты. Учёные создали «вечную» атомную батарейку

Дух времени

Российские учёные из НИТУ «МИСиС» создали атомную батарейку, способную прослужить до 50 лет. Удельная мощность и КПД нового устройства в десять раз выше, чем у любых зарубежных аналогов. Источником энергии в устройстве служит изотоп никель-63 с периодом полураспада около 100 лет, но вопросы к конструкции атомной батарейки всё равно остаются

Изобретение атомной батарейки неслучайно сравнивают с созданием вечного двигателя. Применение такой технологии безгранично: небольшая батарейка может питать практически любой — как бытовой, так и военный прибор. От «вечных» спутников и небольших беспилотников до суперкомпьютеров и небольших полярных станций — одного элемента с радиоактивным изотопом будет достаточно, чтобы подогреть еду, дать свет и даже набрать горячую ванну.

Особенно прорывной эта технология может стать в космосе, с учётом того что человечество уже стоит на пороге освоения ближайших к Земле миров. Аспирант факультета прикладной физики Массачусетского технологического института Егор Касаткин отметил, что рынок для атомных батареек даже в существующих условиях безграничен.

Военная и гражданская авиация, добывающая промышленность, автономные системы энергоснабжения — можно миллион направлений подобрать, где такая технология будет пользоваться спросом. Весь вопрос в том, насколько гибкой в конечном счёте получится архитектура — можно ли надстроить источник питания для подключения, скажем, не компьютера, а полноценного жилого помещения? — Егор Касаткин. Аспирант факультета прикладной физики Массачусетского технологического института

Конкуренты тоже есть

Промышленный выпуск радиоактивных изотопов для российских атомных батареек хотят наладить до конца 2020 года. Если коронавирус и спровоцированные им изменения не преподнесут дополнительных сюрпризов, то «бензин» для маленьких реакторов со слабым бета-излучением начнут делать в достаточных для экспорта количествах. К созданию батареек, в которых радиоактивный изотоп и алмазный преобразователь для электрической энергии могут спокойно работать 50 и даже 100 лет, в разных странах подошли практически одновременно. Первые разработки российских учёных в этом направлении датируются 2018 годом, их британские коллеги создали такую же технологию в однако ни те ни другие батарейки в продаже ещё не появились.

Зато у американских учёных есть вполне жизнеспособный образец. Разумеется, атомная батарейка в современном её виде — это почти всегда прототип, который нужно дорабатывать. Но американская технология существенно отличается от российской. Два прототипа бета-гальванических батарей значительно мощнее российских, хоть и работают по схожему принципу — преобразовывают радиоактивное бета-излучение в электрический ток.

В компании NDB (разработчик батарейки) утверждают, что продукт позволит «вечно» снабжать энергией абсолютно любое устройство: от смартфона до небольшой баллистической ракеты, которая может автономно и скрытно храниться где-нибудь недалеко от противника. Прототипы атомной батарейки NDB уже прошли испытания в Ливерморской национальной лаборатории и «атомной» лаборатории Кембриджского университета.

Американцам, кстати, принадлежит и пальма первенства по внедрению такой технологии на военные и гражданские спутники и космические аппараты. Первые образцы атомных батареек устанавливали на спутники Transit 4A и 4B.

В обоих случаях учёные подтвердили, что эффективность энерговыделения у прототипов NDB оказалась на уровне 40 процентов. Для сравнения: КПД конкурирующих батарей колеблется в районе 15 процентов. С американской атомной батарейкой всё почти идеально — она не превышает в размерах обычный микрочип, не требует обслуживания и позволяет обеспечить значительным количеством электроэнергии целую серверную крупного предприятия. Единственный недостаток американского устройства — быстрый выход из строя.

Научный сотрудник факультета физики Сямэньского университета в Китае Константин Ян отметил, что этот ресурс может вырабатываться за несколько лет.

Заявляемый ресурс — почти 30 тыс. лет. Это очень много, но с учётом отсутствия буферных зон — конденсаторов или литийионных аккумуляторов, большая часть электроэнергии будет просто уходить в никуда. Суть в том, что пока не будет придумано хранилище для излишков энергии, смысла в таких батарейках нет. Российская разработка в этом смысле почти идеальна — небольшой размер, отсутствие потерь энергии и высокий КПД. Её стоимость может оказаться в десятки раз ниже, чем зарубежных аналогов. — Константин Ян. Научный сотрудник факультета физики Сямэньского университета в Китае

Кто первый взял, того и тапки

С точки зрения перспектив эксперты ожидают первого технологического «взрыва» на рынке мобильной электроники. Ноутбуки, смартфоны, смарт-часы, фитнес-трекеры и вообще любое устройство «интернета вещей» может быть оснащено как упрощённой версией атомной батарейки, так и «топовой» конфигурацией с повышенной выработкой электроэнергии. Средняя цена «простой» версии на будущее — примерно 100 долларов. Цена за атомную батарейку верхнего уровня — около одной тысячи долларов США.

Вечный двигатель?

Примеры работы вечного двигателя

Ниже колеса с перекатывающимися в них тяжёлыми шариками. Изобретатель воображал, что шары на одной стороне колеса, находясь всегда ближе к краю, своим весом заставят колесо вертеться.

Конечно — это невозможно, но в одном из городов Америки устроено было ради рекламных целей, для привлечения внимания публики к кафе, огромное колесо именно подобного рода. Конечно, этот «вечный двигатель» незаметно приводился в действие искусно скрытым посторонним механизмом, хотя зрителям казалось, что колесо двигают перекатывающиеся в прорезах тяжёлые шары. В том же роде были и другие мнимые образцы вечных двигателей, выставлявшиеся одно время в витринах часовых магазинов для привлечения публики: все они незаметно приводились в движение электрическим током.

Ниже приведен слегка модифицированный механизм

К краям колеса прикреплены откидные палочки с грузами на концах. При всяком положении колеса грузы на правой его стороне будут откинуты дальше от центра, нежели на левой; эта половина, следовательно, должна всегда перетягивать левую и тем самым заставлять колесо вращаться. Значит, колесо должно вращаться вечно, по крайней мере до тех пор, пока не перетрётся его ось. Так думал изобретатель. Между тем, если сделать такой двигатель, то он вращаться не будет. Почему же расчёт изобретателя не оправдывается?

Вот почему: хотя грузы на правой стороне всегда дальше от центра, но неизбежно такое положение, когда число этих грузов меньше, чем на левой. Взгляните рисунок выше. Cправа всегда 4 груза, слева же — 8. Оказывается, что вся система уравновешивается. Естественно, что колесо вращаться не станет, а, сделав несколько качаний, остановится в таком положении.

Теперь доказано, что нельзя построить механизм, который вечно двигался бы сам собой, выполняя ещё при этом какую-нибудь работу. Совершенно безнадёжно трудиться над такой задачей. В прежнее время, особенно в средние века, люди безуспешно ломали головы над её разрешением и потратили на изобретение «вечного двигателя» (по латыни perpetuum mobile) много времени и труда. Обладание таким двигателем представлялось даже более заманчивым, чем искусство делать золото из дешёвых металлов.

У Пушкина в «Сценах из рыцарских времён» выведен такой мечтатель в лице Бертольда.

«- Что такое perpetuum mobile? — спросил Мартын. — Perpetuum mobile, — отвечает ему Бертольд, — есть вечное движение. Если найду вечное движение, то я не вижу границ творчеству человеческому. Видишь ли, добрый мой Мартын! Делать золото — задача заманчивая, открытие, может быть, любопытное и выгодное, но найти perpetuum mobile. O. «.

Были придуманы сотни «вечных двигателей», но ни один не двигался. В каждом случае, как и в этом примере, изобретатель упускал из виду какое-нибудь обстоятельство, которое и разрушало все планы.

«Занимательная Физика» Я. И. Перельман

Хотите узнать больше?

• Вечные двигатели XVI и XVII столетий
• Водяной вечный двигатель
• Магнитный «вечный» двигатель
• «Вечный» двигатель на основе электомотора и динамомашины
• Аккумулятор Уфимцева
• Чудо и не чудо
• Ещё «вечные двигатели»
• Вечный двигатель основанный на капиллярном притяжении
• «Вечный двигатель» времён Петра I
• С воды на стальные шары!
• Самый простой вечный двигатель

Если вы решили пойти еще дальше, то здесь находится подробное научное обоснование невозможности создания вечного двигателя, изложенные в популярное форме, а также первое и второе начало термодинамик и немного истории

Ну и напоследок, приведу уже известную и популярную картинку на этом сайте — Водопад Эшера. Ее тоже можно рассматривать как вечный двигатель!

Бесплатные почтовые рассылки по саморазвитию.
Уже подписалось более 17 тысяч человек.

8 спектаклей для детей о вранье

Был такой фильм — «Рыжий, честный, влюбленный», его снял Леонид Нечаев по этой же книге Яна Экхольма. Эти три слова точно характеризуют главного героя — лисенка Людвига, который решил отказаться от всех присущим этим животным недостатками и даже подружился с цыпленком Туттой. В Театре Сац идет постановка на музыку Вадима Рывкина, которая обращается в классической форме оперы в том числе и к родителям с советом понять и принять то или иное решение ребенка.

Бывает, что соседи не настроены помогать друг другу, а даже наоборот. Всего два заглавных действующих лица придуманы художником Светланой Рыбиной так, что им удается совать свой обаятельный нос в чужие дела. В интерактивном спектакле зрителю предстоит самим ответить на вечный вопрос: кто виноват? И ответ не так однозначен. Возможно, Медведь — обладатель той самой простоты, которая хуже воровства.

Анна Морозова — режиссер и композитор, поэтому ее спектакль — это камерный мюзикл в стиле блюз. А еще она актриса и сама за барабанной установкой сыграет Матушку Медоус, Крольчиху и даже Соломенное чучелко. Американские сказки дядюшки Римуса позволяют взглянуть на привычных и для русского фольклора зайчиков и лис под новым углом.

Дениска Кораблев и его друзья — ровесники бабушек и дедушек современных первоклассников. Сыгранные лучшими молодыми актерами РАМТа, эти персонажи способны ответить на вопрос, что можно было делать в свободное от уроков время до изобретения гаджетов. Можно выкидывать кашу за окно, что, конечно, неправильно. А можно строить ракету в обычном московском дворе, который на сцене выглядит так, как будто его только что придумали на уроке рисования.

Спектакль Сергея Дьячковского с Карэном Бадаловым в заглавной роли представляет героя в первую очередь креативным исследователем. Создатели увлеклись не полетами на ядре и стрельбой вишневыми косточками, а приключениями прототипа героя Распе в заснеженной России, представленной на сцене с помощью оживающих шедевров живописи.

Опытный композитор Александр Зацепин (все помнят его мелодии в фильмах Гайдая) написал песни на стихи Сергея Плотова, представив знаменитого барона человеком не только правдивым, но и с хорошим слухом. Спектакль стал последней работой художника Сергея Алимова, и здесь ему удалось не только предъявить заглавного героя в разных масштабах (один в человеческий рост), но и представить в подробностях Санкт-Петербург и его шумных обитателей, которые рады гостям, пересекающим границу хоть на белом коне, хоть на диком вепре.

Сказка Антония Погорельского не делает скидок на юный возраст читателей, предупреждая, что отсутствие скромности и трудолюбия может привести к предательству. Режиссер Екатерина Половцева в точности следует слову автора, представляя, что произошло со школьником Алешей, как увлекательный, местами страшный сон, полный удивительных существ, обитающих не только в сказочном мире подземных жителей. А все лишь надо было не врать, но при этом сдержать слово и промолчать, чтобы сохранить этот мир, но тогда не было бы ни текста первоисточника, ни спектакля.

Изобретатели вечных двигателей

В издательстве «Deutscher Taschenbuch Verlag» вышла книга Адама Харта–Дэвиса «Летающий корабль». Она рассказывает об изобретениях, которые не нашли широкого применения.

Один из «летающих кораблей»

Это не только летающий корабль, давший название книге Харта-Дэвиса, но и другие никогда не отрывавшиеся от земли летательные аппараты, подводная лодка, не оправдавшая своего горделивого имени «Resurgam», что значит «Я всплыву», и затонувшая во время первых же испытаний, паровые локомобили, аппараты для варки яиц и перелистывания нот, ну, и, конечно же, вечные двигатели.

Кто изобрел паровую машину?

Имена большинства – но не всех – неудачливых изобретателей канули в Лету и остались лишь в архивах патентных бюро, в которых и разыскал их следы автор книги «Летающий корабль». Так, например, обычно считается, что паровую машину изобрёл Джеймс Уатт (Watt). Однако первый патент на неё был выдан английским королём Уильямом Третьим за 38 лет до рождения Уатта некоему Томасу Сэйвери (Savery). Сэйвери построил паровую машину для того, чтобы откачивать воду из штолен оловянных рудников в графстве Корнуолл, которые использовали ещё римские легионеры. Но работала эта примитивная машина плохо. Во-первых, пар в котле конденсировался слишком быстро, и хотя кочегары выбивались из сил, всё равно поддерживать нужную температуру далеко не всегда не удавалось. Во-вторых, из-за высокого давления часто не выдерживали стыки труб, которые тогда паялись оловом или свинцом. Для ремонта часто приходилось останавливать работы. И, наконец, паровая машина Сэйвери была маломощной. С её помощью можно было откачивать воду с глубины максимум двенадцать метров. А самые богатые залежи располагались на глубине девяноста метров.

Das fliegende Schiff und andere Erfindungen, die fast funktionieren, Adam Hart Davis

В общем, широкого распространения изобретение Томаса Сэйвери не нашло, и никто его сегодня не знает. Тем не менее, одно из его «изобретений» осталось в истории. Сэйвери придумал единицу мощности – лошадиную силу. Причём он несколько завысил эту силу. 735 с половиной ватт или 745 (в разных странах по-разному определяют величину внесистемной единицы мощности), – на это не способен ни один ломовик.

Успеха добиваются не все

Нет ничего удивительного в том, что такие изобретения, как паровая машина или, скажем, телефон, телеграф, радио или видеомагнитофон, создавались разными людьми независимо друг от друга порою в разных странах одновременно, параллельно. Просто приходит время для тех или иных технических новинок, и идеи буквально висят в воздухе. Успеха обычно добивается тот изобретатель, которому удаётся создать более совершенный в техническом отношении действующий аппарат, более приспособленный к промышленному, массовому выпуску, более простой и надёжный в эксплуатации, наконец, более дешёвый. Спорить о приоритетах здесь бессмысленно.

Так, например, полтора десятка изобретателей одновременно работали над созданием пневматической почты. Но первым сумел организовать пересылку телеграмм по трубам «Electric and International Telegraph Company» в Лондоне Лэтимер Кларк (Clark) в 1853 году. Жёсткие патроны, покрытые войлоком, «выстреливались» сжатым воздухом со скоростью 15 метров в секунду. Этот способ общения и сообщения завоевал такую популярность, что общая протяжённость трубопроводов «воздушки» составила в Лондоне к 1885 году 53 километра. В Ливерпуле, Дублине, Манчестере, Бирмингеме, Глазго, во многих крупных городах Европы (Париже, Берлине, Марселе, Мадриде) действовала пневматическая почта. Лишь распространение телефона остановило её победное шествие.

Пневматическое метро в Нью-Йорке.

В Нью-Йорке в 1867 году было даже построено пневматическое метро. Правда, длина демонстрационного участка, который стал экспонатом политехнической выставки, составляла всего тридцать метров, но успехом он пользовался фантастическим. Около 170 тысяч посетителей выставки проехались со скоростью десять километров в час от 14-й улицы до 15-й, а конструктор – Алфред Эли Бич (Beach) – получил золотую медаль.

Бич – весьма интересная фигура. Он был убеждён, что только метро может разгрузить центр Нью–Йорка, который уже тогда страдал от транспортных проблем. Однако в мэрии к этому относились отрицательно. И хотя Бичу всё же удалось вырыть ещё один метротуннель под Бродвеем (на этот раз длиной около ста метров), станции которого были богато украшены фресками и роскошными люстрами, он так и сумел добиться разрешения на строительство новых линий. Крах биржи в 1873 году поставил крест на его честолюбивых планах.

. и нетонущие железные корабли

Одной из самых экстравагантных личностей эпохи промышленной революции был, безусловно, и Джон Уилкинсон (Wilkinson) . Он родился в бедной семье, стал кузнечных дел мастером, потом самым знаменитым в Англии литейщиком, строил доменные печи и чугунолитейные заводы, создал первый высокоточный сверлильный станок для высверливания орудийных и ружейных стволов, а также цилиндров паровых турбин. Именно для Уилкинсона изготовил свою знаменитую паровую машину Джеймс Уатт. Так вот: Уилкинсон был буквально помешан на железе и чугуне. Он считал, что их свойства делают их универсальными материалами. Уилкинсон построил первые корабли из железа, которые, вопреки предостережениям скептиков, не пошли ко дну. По его инициативе был сооружён чугунный мост через реку Северн, ставший одной из главных достопримечательностей Англии.

Уилкинсон пожертвовал своему родному городу Линдэйлу церковь, стены которой, и крыша, и кафедра для священника, и даже скамейки были отлиты из чугуна. В довершение ко всему он завещал похоронить себя в чугунном саркофаге, который сам же и отлил на одном из своих заводов. Между прочим, выполнить эту последнюю волю Джона Уилкисона оказалось не так-то просто. Когда он умер, его тело положили в деревянный гроб, но выяснилось, что гроб этот не влезает в заранее приготовленный саркофаг. Тогда решили временно похоронить фабриканта в деревянном гробу – пока не будет отлит новый, более просторный чугунный саркофаг. Когда позже деревянный гроб подняли из могилы и поместили в саркофаг, оказалось, что этот саркофаг, в свою очередь, не влезает в старую могилу, пробитую в скале. Однако в конце концов Уилкинсон всё же нашёл своё последнее пристанище. Он покоится у стен своей чугунной церкви, и на его могиле стоит, разумеется, чугунный обелиск.

Рождение вечного двигателя.

Впрочем, самыми удивительными изобретателями можно считать, наверное, тех, кто создавал (или, точнее, пытался создать) вечный двигатель.

Первый британский патент на вечный двигатель датируется 1635-м годом. И хотя уже в восьмидесятых годах 17-го века знаменитый физик, астроном и математик, создатель классической механики Исаак Ньютон в своём фундаментальном научном трактате «Математические начала натуральной философии» писал о практической невозможности создания вечного двигателя, а спустя сто лет французская Академия наук официально отказалась рассматривать подобные проекты, но даже в 1903–м году в лондонское патентное бюро ещё было подано около шестисот заявок от изобретателей вечных двигателей. И сейчас Бюро по регистрации изобретений и выдаче патентов США ежегодно получает до ста подобных заявок! Их оформление стоит немалых денег авторам изобретений.

. и его вечная жизнь

Какие только конструкции вечных двигателей не предлагаются! Самокрутящееся колесо, по спицам которого скользят от обода к оси и обратно металлические шары, приводя, таким образом, колесо в движение; ветряная мельница, раздувающая мехи огромного ветродуя, который, в свою очередь, дует на её крылья; испаряющаяся и вновь конденсирующаяся (якобы без каких-либо энергопотерь) вода… Из множества проектов, приведённых в книге Адама Харта-Дэвиса, мне больше всего понравилось изобретение сэра Уильяма Конгрива (Congreve). Британский аристократ, увлекавшийся на досуге наукой, придумал в начале 19-го века забавную конструкцию: своеобразный замкнутый «конвейер» с лентой из губчатого материала и тяжёлой цепью на ней. Губка впитывала воду, цепь выжимала её, поэтому всё должно было бесконечно двигаться. Но почему-то не двигалось. Этот «вечный двигатель», как и все остальные, не функционировал.

Любопытно, что современники воспринимали сэра Конгрива не слишком серьёзно не потому, что он изобретал «перпетуум мобиле», а за его упрямые попытки доказать на практике, что сконструированные им ракеты и вообще реактивное оружие можно эффективно использовать в военных целях. Такой глупости настоящие учёные дилетанту Конгриву простить не могли!

Очень много времени и денег потратил на создание «вечного двигателя» ещё один дилетант – Александр Бейн (Bain), сын небогатого фермера, который разводил овец на северном побережье Шотландии. В школе Александр учился плохо, но не потому, что был ленив или неспособен: он слишком часто витал в облаках. Единственное, чем мальчик увлекался с детства, – часы. И отец, в конце концов, отдал его в учение к часовщику.

В январе 1830-го года Александр Байн прошёл двадцать километров по заснеженной дороге в соседний город – для того, чтобы прослушать лекцию на тему «Свет, терморегуляция и электрическое поле». То, что он узнал, поразило его настолько, что он серьёзно занялся изучением возможностей, которые давало электричество, и попытками реализовать эти возможности на практике.

Вечный двигатель ему, естественно, создать не удалось, зато сын шотландского овцевода одним из первых в мире сконструировал телеграф, различные навигационные приборы для судовождения, электрический оповещатель пожарной сигнализации и электрические часы. Такие часы он установил на железнодорожных вокзалах в Глазго и Эдинбурге. Они, разумеется, должны были ходить секунда в секунду. Поэтому Бейн соединил их телеграфным проводом: маятник вокзальных часов в Эдинбурге, раскачиваясь, касался пластины, цепь замыкалась и электрический импульс посылался по проводам в Глазго, заставляя синхронно раскачиваться маятник тамошних часов.

. который придумал прототип телефакса

Ещё одно изобретение, сделанное неутомимым Бейном, — телефакс: факсимильный аппарат для передачи и приёма изображений. Такие стоят сегодня чуть ли не в каждой конторе. Так вот: оказывается, факс был изобретён не в шестидесятые годы двадцатого века, а в первой половине века девятнадцатого – за тридцать лет до того, как появился телефон. Принцип факсимильного аппарата Бейна был очень прост, но, в общем-то, тот же, что используется и сейчас. В качестве контактной пластины для своих «передающих» вокзальных часов Бейн попробовал (просто для интереса) использовать медную плату с вытравленным на ней изображением. Электрическая игла на маятнике часов «считывала» это изображение точка за точкой: после каждого движения маятника плата чуть-чуть перемещалась. Ну а приёмноё устройство было сконструировано таким образом, что каждый электрический импульс заставлял электрическую иглу оставлять чёрную точку на специальном намагниченном листе, который тоже двигался синхронно с медным оригиналом.

К сожалению, Александр Бейн не нашёл финансистов, которые готовы были бы вложить деньги в усовершенствование и промышленное производство этого аппарата. Несмотря на свои многочисленные патенты, Бейн слишком много истратил на безуспешные попытки создать вечный двигатель и умер в бедности. О его изобретении забыли. Возможно, правда, что время телефакса тогда просто ещё не наступило. И его пришлось снова выдумывать спустя 120 лет.

Идея голограммы родилась десятилетия назад.

Обогнал своё время и физик Деннис (Денеш) Габор (Gabor). Родившийся в Венгрии учёный работал сначала в Германии, потом, после прихода нацистов к власти, эмигрировал в Великобританию, затем в США. Он специализировался на электронной оптике, технике связи, физике плазмы. А в 47-м году придумал, как получить голограмму. Однако никакого развития его теория голографии тогда не получила: без лазера воспроизвести голографически объёмное изображение предмета было невозможно. Но Деннису Габору повезло больше, чем изобретателю телефакса Александру Бейну: ему не пришлось ждать 120 лет. Спустя два десятилетия после теоретического обоснования он смог реализовать принципы своей теории на практике и получил за это Нобелевскую премию по физике.

Значит, всё же есть среди героев книги Адама Харта-Дэвиса «Летающий корабль» не только неудачники. И не все изобретения, описанные в ней, обязательно должны вызывать снисходительную усмешку.