Искусственные алмазы позволят превратить ядерные отходы в источник энергии


Одной из главных проблем 21-го века является проблема утилизации отходов ядерных электростанций, которые, как правило, отправляются на длительное хранение в специально предназначенные для этого хранилища. Однако, в состав отходов ядерных электростанций входит достаточно большое количество радиоактивных изотопов, которые необходимы для их использования в промышленности и медицине, кроме этого некоторые из изотопов содержат большое количество заключенной в них энергии. И ученые-физики и химики из Бристольского университета нашли способ преобразования тысяч тонн ядерных отходов определенного вида в своего рода алмазные ядерные батареи, которые способны вырабатывать пусть небольшой электрический ток, но делать это на протяжение срока, превышающего срок существования человеческой цивилизации.

Бристольская группа работала над проблемой переработки отходов одного из основных источников этих отходов в Великобритании - устаревших ядерных реакторов типа Magnox, которые, отработав уже по половине столетия, начинают списываться и заменяться более современными реакторами. Эти реакторы первого поколения используют графитовые блоки в качестве регуляторов скорости реакции ядерного расщепления, поглощая и замедляя нейтроны. Десятилетия пребывания в условиях высокой радиации привели к тому, что часть обычного нейтрального углерода в графите превратилась в радиоактивный изотоп углерод-14. И таких графитовых блоков скопилось сейчас в Британии в количестве более 100 тонн.

При распаде углерода-14 вырабатывается низкоэнергетическое бета-излучение, состоящее из электронов, которые не способны "пробить" уже несколько сантиметров воздуха. Тем не менее, большое количество радиоактивных графитовых блоков представляет собой опасность для окружающей среды, и вместо того, чтобы похоронить все это "добро", бристольские ученые нашли способ выделения из него практически всего углерода-14 и превращения этого углерода в искусственный алмаз.

Бристольские исследователи обнаружили, что большая часть углерода-14 сосредоточена внутри графитовых блоков неравномерно, естественно, большая часть радиоактивного изотопа находится в тех частях блоков, которые находились ближе всего к урановым топливным стержням. Поэтому ученые нагрели графитовые блоки с более радиоактивной стороны до температуры, когда радиоактивный углерод покинул графит в виде газа. Это газ был собран, охлажден и под высоким давлением преобразован в искусственный алмаз.

Алмаз является веществом, которое под воздействием определенных видов радиоактивного излучения производит небольшой электрический ток. А в данном случае алмаз, состоящий преимущественно из радиоактивного углерода, сам является источником этой радиации. Поэтому алмазная ядерная батарея не имеет никаких движущихся частей, она поглощает создаваемую ею же радиацию и не требует никакого обслуживания.

Искусственные алмазы, изготовленные из углерода-14 достаточно радиоактивны, поэтому они облачены в слой из обычного нерадиоактивного искусственного алмаза. Этот слой удерживает бета-излучение достаточно хорошо, снижая его интенсивность практически до нуля, а высокая прочность алмаза позволяет ему выступать в роли защиты, обеспечивающей сохранность внутреннего радиоактивного ядра батареи.

Бристольские ученые уже создали первый опытный образец алмазной ядерной батареи с ядром, в составе которого находится радиоактивный изотоп никель-63. А сейчас они приступают к изготовлению такой же батареи с ядром на основе углерода-14, которая будет более эффективна, нежели никелевая батарея. Более того, из-за очень длительного периода полураспада углерода-14, батарея на его основе сможет через 5 730 лет вырабатывать половину от ее изначальной мощности.

"Мы предполагаем, что такие батареи могут быть использованы в ситуациях, когда невозможно произвести подзарядку аккумуляторов из любых внешних источников энергии" - рассказывает профессор Том Скотт (Tom Scott), - "Алмазные ядерные батареи смогут стать источником энергии для малопотребляющих электронных устройств, они смогут снабжать энергией в течение очень длительного времени высотные беспилотные летательные аппараты, космические корабли и многое другое".

Источник

Графеновые "пузыри" - механические пиксели для высококачественных дисплеев нового типа


Исследователи из Технологического университета Дельфта (Delft University of Technology), Нидерланды, обнаружили интересное явление, заключающееся в том, что графеновые "пузыри" могут изменять свой цвет в зависимости от направления и уровня их деформации. Механические пиксели, созданные на основе таких графеновых пузырей, могут стать основой дисплеев нового типа, более тонких, гибких и эффективных, нежели самые лучшие из существующих дисплеев на базе органических и неорганических светодиодов.

Открытие было сделано учеными, работающими с основаниями из диоксида кремния, покрытыми графеновым слоем. На поверхности кремниевого основания находились небольшие углубления, диаметр которых в десять раз превышает толщину человеческого волоса. В местах этих углублений графен выступал в роли мембраны барабана. И ученые заметили, что цвет графена в этих местах менялся в зависимости от прикладываемого извне давления и изменения давления внутри углублений основания. При различных комбинациях давления графеновые пузыри становились или выпуклыми или вогнутыми и свет, отражавшийся от них, окрашивался в один определенный цвет.

Работы по исследованию графеновых пузырей находятся еще на раннем этапе и пока еще не до конца ясно, смогут ли они обеспечить воспроизведение всего диапазона видимого света. Еще одним неясным моментом является возможность изготовления "пупырчатого" графена, которое должно удовлетворять всем требованиям массового производства в промышленных масштабах.


К сожалению, технология пикселей-графеновых пузырей не лишена нескольких серьезных недостатков. Первым недостатком является очень маленький размер одного пикселя и для формирования даже небольших изображений потребуются сотни тысяч таких пикселей. А увеличить размеры углубления и, соответственно графеновой мембраны над ним, не получается из-за опасений разрыва графена.

Вторым недостатком является невозможность получения нескольких чистых цветов графеновых пикселей. "Мы видели целую гамму цветов и оттенков" - пишут исследователи, - "Однако, нам еще не удавалось получить чистого белого, красного, синего и некоторых других цветов. Но мы надеемся найти решение этой проблемы в самом ближайшем времени".

Следующим шагом ученых станет разработка технологии индивидуального управления, которая позволит изменять давление внутри каждого углубления, покрытого графеновой пленкой. В настоящее время ученые уже добились некоторых успехов в реализации технологии электростатического управления. А сейчас ученые работают над созданием первого опытного образца графенового дисплея, который, как они надеются, им удастся продемонстрировать на конференции Mobile World Congress, которая состоится в марте 2017 года.

Источник

Снимок телескопа Hubble: NGC 4696 - галактика, которая разрушается ее сверхмассивной черной дырой


Ошеломляющее новое изображение, сделанное космическим телескопом Hubble Space Telescope, демонстрирует нам галактику, которая простирает в окружающее пространство "щупальца" из пыли и космического газа. Столь необычная и "запутанная" форма этой галактики вызвана влиянием сверхмассивной черной дыры в ее центре, которая медленно и уверенно разрушает все, что ее окружает. Галактика, о которой сейчас идет речь, имеет название NGC 4696 и располагается в пределах скопления галактик в созвездии Центавра на удалении 150 миллионов световых лет от нас. Она имеет достаточно стандартную эллиптическую форму, но если взглянуть на нее поближе, то можно увидеть, что она кардинально отличается от своих соседей.

NGC 4696 имеет окружение из "нитей", состоящих из пыли и ионизированного водорода, которые простираются из ее центральной части. Все это объясняется влиянием центральной черной дыры, которая не только разрушает структуру галактики, но и препятствует процессу формирования новых звезд. И из-за этого галактику NGC 4696 можно считать практически "мертвой".

Во время последних наблюдений за галактикой NGC 4696, проведенных при помощи телескопа Hubble, ученые-астрономы из Кембриджского университета смогли определить размеры газопылевых нитей, средняя толщина которых составляет 200 световых лет и которые имеют плотность материи, в 10 раз превышающую плотность материи в обычных облаках межзвездного газа. Эти нити сплетаются в своего рода "клубок", в центре которого и находится умирающая галактика.


Так что же происходит в центре галактики NGC 4696? Согласно имеющимся данным, энергия, "выплескиваемая" быстро вращающейся черной дырой, разогревает облака окружающего ее газа и извергает потоки сверхгорячей материи за пределы галактического ядра. Эти потоки увлекают за собой другую материю, они не дают сформироваться уплотнениям космического газа и искажают даже суммарное магнитное поле всей галактики.

Отсутствие плотных скоплений газа и быстро изменяющееся магнитное поле препятствуют тому, чтобы внутри галактики NGC 4696 могли начать формироваться новые звезды. Без появления нового "молодого населения" галактика постепенно стареет и через какое-то время все ее звезды погибнут, она перестанет светиться, а остатки материи, быстрее всего, будут проглочены черной дырой. И на месте галактики NGC 4696 останется лишь одинокая сверхмассивная черная дыра, которая будет "питаться" материей, случайно залетевшей в эту область космического пространства.

Источник

StarChip - "космический корабль" в виде чипа, который сможет добраться до Альфы Центавра за 20 лет


С учетом нынешнего уровня развития космических технологий для того, чтобы добраться до ближайшей к Солнцу звезды, к Альфе Центавра, потребуется около 18 тысячи лет. Но расчеты показывают, что крошечный космический "корабль" в виде чипа с "солнечным парусом", разогнанный до скорости в одну пятую от скорости света, способен преодолеть это расстояние всего за 20 лет. Данная идея принадлежит известному ученому-физику Стивену Хокингу, который при поддержке российского миллионера Юрия Мильнера собирается воплотить ее в жизнь. Идея проекта "Breakthrough Starshot" заключается в том, чтобы разогнать небольшой кремниевый StarChip до нужной скорости при помощи света лазера, бьющего с поверхности Земли. И недавно к данному проекту для решения ряда проблем различного плана были привлечены специалисты НАСА и некоторых научных учреждений.

Специалисты НАСА и ученые из корейского Института науки и передовых технологий (Korea Advanced Institute of Science and Technology, KAIST) занимаются поиском решения одной из главных проблем, проблемы смягчения и защиты чипа от воздействия космической радиации и низких температур, которым будет подвергаться чип StarChip во время полета в межзвездном пространстве. Технология ускорения чипа при помощи света лазера требует того, чтобы сам этот чип был максимально легким, а это, в свою очередь, означает, что ни о какой дополнительной радиационной защите речи идти и не может.

Решением данной проблемы может стать технология "самозаживления", предложенная учеными из KAIST. Основой этой технологии являются полевой транзистор FinFET, имеющий структуру с кольцевым затвором из нанопроводника (gate-all-around nanowire transistor, GAA FET), разработанный ранее в стенах института KAIST. Особенностью таких транзисторов является то, что при определенном режиме работы ток, протекающий через канал транзистора, может кратковременно разогреть его структуру до температуры порядка 900 градусов Цельсия. Нахождение при такой температуре в течение 10 наносекунд не успевает разрушить структуру самого транзистора, но этого времени достаточно для того, чтобы в структуре транзистора исчезли даже следы деградации, связанные с воздействием космической радиации, механического напряжения и времени.


На основе таким "самовосстанавливающихся транзисторов" можно создавать как логические схемы, так ячейки обычной динамической или энергонезависимой памяти. Именно поэтому такие транзисторы, имеющие размер 20 нанометров, станут идеальным вариантом при изготовлении чипов, стойких к воздействию космической радиации и другим неблагоприятным факторам окружающей среды.

В настоящее время технология самовосстановления транзисторов путем кратковременного высокотемпературного нагрева была проверена на трех различных устройствах, на простом микропроцессоре, на чипе DRAM-памяти и на чипе флэш-памяти. Испытания показали, что структура чипа флэш-памяти может выдержать 10 тысяч циклов "самовосстановления", количество же циклов у других типов чипов меньше на порядок и составляет 1012.

Естественно, что до того момента, когда "космический чип" StarChip сможет быть успешно отправлен в космос, пройдет еще немало времени, которое будет заполнено всевозможными исследованиями и экспериментами. Тем не менее, этот вариант является самым быстрым и самым реальным вариантом найти пригодную для жизни планету за пределами Солнечной системы. Ведь, согласно мнению Стивена Хокинга, человечество сможет беспроблемно существовать на Земле еще не более 1 тысячи лет.


Источник