Sunčeva svetlost proizvodi paru iz ledene vode

Naučnici univerziteta Rice su otkrili novu, vrlo naprednu, tehnologiju koja koristi nano čestice za direktno pretvaranje solarne energije u paru. Nova „solar steam“ (sunčeva para) metoda koja je osmišljena u laboratoriji univerziteta (Rice’s Laboratory for Nanophotonics – LANP) je toliko efikasna da može, čak proizvesti paru iz ledeno hladne vode.

Detalji ovog metoda su objavljeni novembra meseca ove godine u Internet časopisu ACS Nano. Efikasnost tehnologije je procenjena na 24%. Solarne ćelije (fotovoltaične), poređenja radi, u proseku postižu efikasnost od 15%. Međutim, istraživači sunčeve pare ne očekuju da će prva primena njihove tehnologije biti vezana za stvaranje električne energije, nego pre za sanaciju i prečišćavanje u zemljama u razvoju.

„Cela stvar je više od električne energije“ kaže šef laboratorije LANP, Naomi Halas (Naomi Halas), inače vođa celog projekta. „Sa ovom tehnologijom možemo početi da razmišljamo toplotnoj energiji Sunca na potpuno nov način.“

Oara Neumann levo i Naoumi Halas su koautori na novom istraživanju koje se bavi proučavanjem vrlo efikasnih metoda koje pretvaraju sunčevu svetlost u toplotu. Očekuju da će njihova tehnologija imati početni uticaj na razvoj izuzetno malih sistema za obrdu ljudskog otpada i to za zemlje gde fale infrastrukture kao što je električna energija ili kanalizacija: Foto: Jeff Fitlow

Efikasnost sunčeve pare je posledica rada nano čestica koje su u stanju da nadolazeću svetlost Sunca pretvore u toplotu. Kada se ove čestice potope u vodu i izlože sunčevoj svetlosti, one toliko brzo zagreju vodu da se ona momentalno zagreva do temperature pri kojoj voda isparava – dobija se vodena para. Halas kaže da solarna para ima nivo efikasnosti koji se može unaprediti poboljšavanjem same tehnologije.

„Krećemo od zagrevanja vode na makro nivou, da bi je zatim zagrejali na nano skali.“ kaže Halas. „Naše čestice su vrlo male – manje nego talasna dužina same svetlosti – što znači da imaju izuzetno malu površinu koja bi rasipala toplotu.“ Intenzivno lokalno zagrevanje generiše paru na lokalnom nivou, tačno na površini nano čestice, i ideja da se para proizvodi na nivou dela sistema (čerstice) je suprotna od intuitivne.“

Da bi pokazali kako je ceo proces ne intuitivan, saradnik na projektu Oara Njuman (Oara Neuman) je snimila film demonstracije solarne pare. U tom opitu, probna cev u kojoj su se nalazile pomenute nano čestice je potopljena u kupku ledene vode. Koristeći samo sočivo da bi se koncentrisala sunčeva svetlost na skoro smrznutu mešavinu u cevi, Njuman je pokazala da je u stanju da proizvede paru iz skoro smrznute vode.

dfs

Para je najviše korišćeni fluid u industriji. Oko 90 procenata električne energije se proizvodi zahvaljujući pari, a sem toga para se koristi za sterilisanje medicinskog otpada i hirurških instrumenata, da se pripremi hrana i da se pročisti voda.

Sistem sunčeva para koji se razvijen na univerzitetu Rice ima sveukupni nivo efikasnosti od 24 procenata. To znači da od ukupnih 100 posto energije koji je ušao u sistem, 24 procenata biva iskorišćeno za obavljanje nekog procesa ili za zagrevanje nekog drugog sistema. Ovaj rezultat poprilično prevazilazi mogućnosti najmodernijih solarnih ćelija. Verovatno će biti prvo iskorišćen za sanaciju i prečišćavanje vode u zemljama u razvoju. Foto: Jeff Fitlow.

Ljudi u zemljama u razvoju će biti prvi koji će osetiti prednosti sunčeve pare.  Inženjeri univerziteta Rice su već napravili autoklav koji pokreće sunčeva para, a koji je u stanju da steriliše medicinske i zubarske instrumente na klinikama koje nemaju pristup električnoj energiji. Halas je dobila nagradu Grand Challenges grant iz fondacije Bill i Melinda Gates za stvaranje izuzetno malog sistema za obradu ljudskog otpada u oblastima gde nema kanalizacionih sistema ili struje.

„Solarna para je izuzetna zbog svoje efikasnosti“, kaže Njuman, vodeći koautor na naučnom radu. „Nije neophodna velika količina ogledala ili solarnih panela. U stvari, cela aparatura može biti jako mala. Na primer, propusni prozor prilikom naše demonstracije je bio veliki svega nekoliko kvadratnih centimetara.“

Još jedan moguća primena nove tehnologije je u opsluživanju hibridnih rashladnih i sistema za zagrejavanje koji se pokreću preko dana zahvaljujući sunčevoj energiji, a tokom noći koriste električnu energiju. Halas, Njuman i njihove kolege su takođe sprovele eksperiment destilacije i otkrile da je sunčeva para oko dva i po puta efikasnija od postojećih destilacionih sistema.

Halas, Profesor kompjuterskog i električnog inženjeringa, profesor fizike, hemije i bio medicine je jedan od je najčešće citirani hemičar današnjice. U laboratoriji u kojoj radi istraživači su se specijalizovali u stvaranju i proučavanju čestica čije se funkcije aktiviraju pod uticajem svetlosti. Jedna od njenih kreacija – zlatna nano ljuska – je na kliničkim testovima kao potencijalni lek za rak.

Prilikom koncipiranja tehnologije lečenja raka i mnogih drugih tehnologija, Halasin tim bira da radi sa česticama koje interaguju sa vrlo malim brojem različitih talasnih dužina svetlosti. Kada je u pitanju sunčeva para, Halas i Njuman su se odlučile za česticu koja je u stanju da interaguje sa što većim opsegom talasnih dužina sunčeve svetlosti. Ove, nove nano čestice mogu biti aktivirane sa vidljivom svetlošću i sa svetlosnim dužinama svetlosti koje nisu vidljive golim okom.

„Mi ne menjamo bilo koji od zakona termodinamike“, kaže Halas. „Mi samo zagrevamo vodu na radikalno drugačiji način.“

Zvezde zbližavaju atome

Zvezde “beli patuljci” poseduju izuzetno jako polje koje može naterati atome da formiraju nove modove povezivanja. Izvor: NASA/ESA/H. Bond (STScI)/M. Barstow (Univ. Leicester)

Prema poslednjim istraživanjima magnetizam možda krije tajnu koju do sada nismo znali – posebnu i jaku veza između atoma. Kompjuterske simulacije upućuju na mogućnost postojanja jake hemijske veze koja se indukuje u jakim magnetim poljima zvezda. Ako postoji mogućnost da se ovaj efekat sprovede u laobratorijiskim uslovima, onda „magnetna materija“ može biti iskorišćena za proizvodjnu kvantnih kompjutera.

Hemičari razilikuju dva različita tipa hemijske veze: jonska veza i kovalentna veza. Jonska veza nastaje polarizovanjem atoma, i samim tim, stvarju se uslovi za privlačenje, a kovalentna uspostavlja zajedničko vlasništvo atoma nad parom elektrona.

Međutim, Trajgve Helgaker (Trygve Helgaker), kvantni hemičar sa univerziteta u Oslu je zajedno sa svojim kolegama slučajno otrkio treći tip veze kada su simulirali ponašanje atoma unutar magnetnog polja jačine 105 Tesla. To je snaga 10000 puta veća nego što bilo ko može da proizvede na Zemlji.

Tim istraživača je ispitivao potencijalnu distorziju atoma vodonika u jakom magnetnom polju. Molekul se, u polju, postavio paralelno sa linijama sila, i veza između samih atoma je postala stabilnija i kraća. Jednom od elektrona je emitovana energija, koja bi normalno trebala da ga izbije iz molekula, ali molekuls se samo okrenuo pod impulsom i kao celina ostao i dalje u paralalelnoj poziciji sa linijama sila.

Bez obzira što ceo događaj predstavlja kompjutersku simulaciju, predstavlja značajno otkriće koje može utrti put novim pravcima istraživanja. Rad koji detaljno objašanjava uslove eksperimenta je objavljen u časopisu  Science.

Uvrnuta bežična veza od 2,5 terabita

Američki i izraelski istraživači su iskoristili iskrivljene vrtložne zrake (snopove) da emitijuju 2,5 terabita u sekundi (jedan CD sadrži 600 Mb, a 2,5 terabita je količina podataka koja staje na skoro 500 CD-ova). Što se tiče sadašnjeg razvoja tehnologije, to je najbrža bežična veza na svetu. Ova tehnologija može biti iskorišćena u bliskoj budućnosti za ogromno poboljšanje protoka podataka – bežičnim putem i kroz optičke kablove.

Ovi „uvrnuti“ signali koriste orbitalni ugaoni momenat (OUM) da poguraju mongo više podataka u jedan jednistven niz. Kod trenutnih transmisionih protokola (WiFi, LTE, COFDM), mi stalno baratamo sa spinskim ugaonim momentom (SUM) radio tgalasa, ali ne diramo OUM. Ako zamislite kretanje planete Zemlje, SUM je obrtanje planete oko svoje ose a OUM je kretanje Zemlje oko Sunca. Tehnološki proboj se sastoji u korišćenju novog protokla koji u isto vreme koristi SUM i OUM.

Konkretno, Alan Vilner (Alan Willner) i njegov tim istraživača sa univerziteta u Južnoj Kalironiji u kooperaciji sa univerzitetom u Tel Avivu (uz pomoć NASA laboratorije za mlazne pogone) su uvrnuli zajedno 8 snopova vidljive svetlosti od po, skoro, 300 gigabita u sekundi, koristeći OUM. Svaki od tih snopova je ima malo drugačiji orbitalni moment.

Jedna grupa od četiri snopa je emitovana kao jedinstven tanak niz, poput osovine, a druga grupa od 4 snopa je postavljena oko prvog zraka – kao neka vrsta omota. Tako zapakovan, snop je emitovan kroz otvoreni prostor (u ekspeirmentu na razdaljiui od samo jedan metar), da bi se na drugom kraju svi snopovi „odvrnuli“ stvarajući jedinstveni signal od 2,5 terabita u sekundi (oko 17 Blue-Ray diskova).

Ovo predstavlja veliko dostignuće, i to samo samo posle nekoliko meseci od objave rada autora Bo Tajd (Bo Thide), koji konačno pokazuje da je korišćenje orbitalnog momenta u emisiji signala moguće. U eksperimentu koji je sproveo Boov tim, OUM radio signal je poslat na distancu od 442 metra.

Tajd tvrdi da korišćenje orbitalnog momenta za prenos signala može omogućiti da pakujemo i uvijamo „beskonačan broj“ konvencionalnih transmisionih protokola, bez proširivanja delatnosti na nove intervale radio opsega. Teoretski, WiFi ili LTE signala i da ih uvrnemo u jedinstveni snop, i proporcionalno uvećamo propusni opseg. Što se tiče tehnologije mreža koje počivaju na optičkim kablovima, gde ima još mesta za poboljšavanje, stvari stoje malo drugačije. Tu se ne očekuje prevelika koristi od uvrtanja signala. Međutim, za bežične mreže to predstavlja oslobađanje, jer spektar radio signala već sada, skoro potpuno iskorišćen. Uvrtanjem signala ostvarili bismo, skoro, pa trajno rešenje u domenu bežičnih mreža. Link koji je projektovao Vilnerov tim ima efikasnost od 95,7 bita/Hz; LTE 16,32 bita/HZ; 802,11 2,4 bita/Hz. Digitalni TV signal (DVB-T) ima iskorišćenje od samo 0,55Hz.

Sledeći zadatak Vilerovog tima je da povećaju domet OUM signala. „Za konfiguracije gde je distanca do 1 km, a neophodan je veliki protok, ova tehnologija bi mogla biti vrlo dobra opcija. Naravno, postoji mogućnost za znatno dalju komunikaciju, od satelia do satelita, gde turbulencija nije problem.“ tvrdi Viller za BBC. U sadašnjem trenutku, glavni ograničavajući faktor je nedostatak odgovarajućeg hardvera i softvera da bi se manipulisalo sa OUM signalom. Bez obzira na to, budućnost bežičnih mreža deluje sasvim svetlo.

Rad je objavljen u časopisu Nature.

Efikasnije skupljanje nafte sa morske površine

Kada se desi izlivanje velike količine nafte u more ili okean, često se pribegava rešenjima koja podrazumevaju mehaničko skupljanje, isisavanje iz vode. Jedan tim istraživača je posegnuo za hemijom da bi našli bolje i praktičnije rešenje. Konkretno, oni razmatraju supstancu posebnog tipa, emulsifajer ili supstancu koja u određenim uslovima pravi emulziju ciljanih supstanci. Projektovani molekul omogućava vodi i ulju da se mešaju. Sem toga, reaguje i na magnetnu silu.

Ime tog molekula je magnetni surfaktant, i u stanju je da optoči naftu u smesi nafte i vode. Hidrofilni polovi na krajevima ove supstance (molekula) se drže za mešavinu. Posle toga, mehaničko skupljanje se obavlja magnetima. U idealnoj situaciji, pomenutu smesu ubacite u naftnu mrlju na površini mora, sačekate da se sve tri supstance pomešaju, i na kraju pokupite dobijenu smešu koristeći magnetno polje.

Istraživači se nadaju da bi ova tehnologija mogla imati primenu u drugim oblastima.  Sličan metod bi se mogao primeniti u medicini. Na primer, metod može biti koristan, kada doktori žele da primene tretman u određenom delu u organizmu, bez bojazni da će lek zalutati na drugu stranu i potencijalno proizvesti neželjene propratne pojave.

Naftni magnet. Izvor: Univerzitet iz Bristola

Novi nosilac informacija – neutrino

Grupa naučnika, predvođena istraživačima sa državnog univerziteta Ročester iz severne Karoline (Rochester, North Carolina State University) su po prvi put uspeli da pošalju poruku koristeći snop neutrina – čestice koje skoro nemaju masu i koje se kreću brzinom koja je bliska brzina svetlosti. Poruka je poslata kroz 240 metara kamena, a u njoj je jednostavno pisalo: „Neutrino“.

Izvor: Univerzitet Ročester

„Korišćenje neutrina, ka nosioca informacije, bi omogućilo komunikaciju između bilo koje dve tačke na planeti Zemlji, bez satelita ili kablova.“ kaže Den Stencil (Dan Stancil), profesor elektrotehnike pri pomenutom univerzitetu i vodeći autor rada koji opisuje istraživanje. „Sistem komunikacije koje se bazira na korišćenju neutrina bi bio mnogo komplikovaniji nego postojeći sistemi, ali bi mogao imati važne strateške upotrebe.“ (šta god to značilo – verovatno je mislio na konkretne i praktične primene)

Mnogi su razmatrali mogućnost da se neutrini iskoriste za potrebe komunikacije, zbog jedne značajne osobine: oni su u stanju da prodru kroz skoro bilo koju materiju. Ako bi se ova tehnologija upotrebila na podmornicama, na primer, onda bi one komunicirale sa okruženjem na velikom rastojanju, kroz vodu. Sa sadašnjim sistemima to nije nemoguće, ali je poprilično teško. Sem toga, ako bismo poželeli da komuniciramo sa nekim koji se nalazi u svemiru na tamnoj strani meseca, to bismo mogli sprovesti bez ikakvih prepreka.

 „Naravno, trenutna tehnologija podrazumeva korišćenje velikog broja visoko tehnoloških aparata i uređaja, da bismo ostvarili komunikaciju koristeći neutrine, pa je to trenutno čini nepraktičnom.“ kaže Kevin Mek Farland (Kevin McFarland) profesor fizike na Ročester univerzitetu, koji je učestvovao u eksperimentu. „Međutim, prvi korak ka praktičnom korišćenju neutrina u komunikaciji jeste demonstracija, koji smo mi sproveli.“

 Naučnici koji su pokazali da je neutrino moguće koristiti u komunikacijskim sistemima su sproveli svoj test u Fermilab-u (Fermi National Accelerator Lab), koja se nalazi u blizini Čikaga (Chicago). Svoja istraživanja grupa je objavila i žurnalu Modern Phisics Letters A.

U samom Fermilab-u istraživači su imali pristup dvema važnim komponentama. Prva je najsnažniji ubrzivač čestica, koji proizvodi zrake neutrina velike snage. To se postiže ubrzavanjem protona u kružnom tunelu dugačkom oko 4 km, da bi se potom sudarili sa metom načinjenom od ugljenika. Drugi važni uređaj je detektor MINERvA, koji se nalazi u pećini 100 metara ispod zemlje.

Sama činjenica da su potrebni ovakvi uslovi da bi se sprovela komunikacija koristeći neutrine nagoveštava da predstoji još puno posla u razvoju tehnologije, da bi ista postala praktična za  upotrebu.

Komunikacijski test je sproveden u vremenskom okviru od 2 sata, kada je akcelerator radio na 50%  maksimalnog intenziteta rada, zbog regularnog isključivanja, koji je sledio po rasporedu. Tokom tog perioda, sistem MINERvA je uobičajeno prikupljala podatke, a u isto vreme sproveden je sam komunikacijski test.

Većina posredne komunikacije se danas sprovodi slanjem i primanjem elektromagnetskih talasa. Tako rade naši radio uređaji, mobilni telefoni i televizori. Međutim, elektromagneti talasi ne prolaze lako kroz svaku vrstu materije. Ovi talasi bivaju relativno lako blokirani velikim vodenim zapreminama i planinama, kao i određenim brojem ostalih tečnosti i čvrstih tela. Neutrini, sa druge strane, lako prolaze kroz celu planetu. Zbog činjenice da su elektro neutralni (nemaju naelektrisanje) i skoro da nemaju masu, oni ne trpe bilo kakav uticaj od magnetnih sila i nisu pod značajnim uticajem gravitacije. To su razlozi njihovog virtualno neometanog kretanja u bilo kom pravcu i smeru.

Poruka koju su naučnici poslali koristeći neutrine je prvo prevedena u binarni kod. Drugim rečima, sama reč „neutrino“ je predstavljena kao serija jedinica i nula. „Jedinica“ je predstavljena slanjem grupe neutrina, a „nula“ je predstavljena pauzom u slanju neutrina. Neutrini su poslati u velikim grupama, jer oni lako izbegavaju interakciju sa okolnom materijom. To praktično znači da MINERvA detektor uspešno detektuje smo 1 od 10 milijardi neutrina koji prođu kroz sistem samog uređaja. Kompjuter primećene neutrine pretvara iz binarnog zapisa u engleski, i reč „neutrino“ je uspešno primljena.

 „Neutrino su predstavljali značajan „alat“ prilikom našeg izučavanja atomskog jezgra i univerzuma“, kaže Debora Haris (Deborah Harris), menadžer projekta Minerva, „ali još mnogo toga moramo ispitati pre nego što komunikacija bazirana na korišćenju neutrina postane efikasna i upotrebljiva“

Projekat Minerva je internacionalna saradnja nuklearnih fizičara sa 21 instituta koji izučavaju ponašanje neutrina, koristeći detektor koji se nalazi u Fermilab-u, pored Čikaga. Ovo je prvi eksperiment u svetu koji koristi visoko energetske zrake zarad ispitivanja interakcije neutrina sa jezgrama pet različitih materijala. Na ovaj način je sprovedena prva uporedna analiza ovih interakcija. Eksperiment će pomoći da se upotpuni spoznaja o neutrinu i omogući će da se bolje razumeju rezultati budućih eksperimenata.