Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2005 № 10
Мы уже рассказывали вам, чем хороши топливные элементы, как их совершенствуют в нашей стране (см. «ЮТ» № 8 за 2005 г.). Сейчас расскажем о том, как в США был сконструирован топливный элемент нового поколения.
Топливный элемент, или, как его иногда называют, — топливная ячейка, является ключевым агрегатом топливного генератора. Он обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. Как и прочие источники тока, топливные элементы состоят из анода, катода и электролита между ними. Электрическая энергия выделяется в процессе восстановительно-окислительной реакции, которая поддерживается за счет подачи топлива и окислителя. На практике, напомним, речь обычно идет о реакции образования обычной воды.
Звучит все очень просто. Однако техническая реализация идеи потребовала преодоления целого ряда трудностей. Прежде всего, оказалось непрактично и расточительно использовать в качестве топлива непосредственно водород. Его ведь надо специально получать, каким-то образом хранить, а этот газ занимает большой объем и весьма взрывоопасен.
Поэтому сейчас в качестве топлива чаще используют бензин или метиловый спирт — метанол. В результате процесса разложения — реформинга — метанол при температуре 280 °C выделяет водород, который затем и поступает на анод топливного элемента. Функции электролита в современных топливных элементах обычно выполняет тончайшая полимерная мембрана с нанесенным на нее слоем платинового катализатора. Она обладает уникальным свойством: пропускает положительные ионы, то есть ядра атомов водорода, но задерживает электроны.
Ионы, проходя сквозь мембрану, вступают на катоде в реакцию в атомами кислорода, содержащегося в воздухе. В обычных условиях такая реакция приводит к образованию гремучего газа и носит взрывной характер, но в топливном элементе она протекает мирно благодаря тому, что идет не во всем его объеме, а лишь на поверхности мембраны с катализатором. Выделяемое при этом тепло поддерживает процесс реформинга. А электроды, отобранные мембраной у атомов водорода, следуют к катоду по внешней цепи, создавая тот самый электрический ток, который необходим для питания тех или иных приборов.
На схеме, взятой нами из научного журнала, сам изобретатель поясняет, как работает его топливный элемент.
Такая схема стала почти классической. Однако недавно американские инженеры внесли в эту конструкцию существенные, возможно, даже решающие коррективы. Пол Кеннес, профессор Иллинойского университета (США), говорит, что в новом топливном элементе нет мембраны. Однако каким же образом функционирует такой элемент? Как осуществляет разделение реагентов?
Идея пришла в голову профессору Кеннесу в тот момент, когда он чистил зубы. «Я обратил внимание, как выходит из тюбика двухцветная зубная паста, — поясняет он. — Когда выдавливаешь ее из тюбика, полоски разного цвета не смешиваются. И тут я вспомнил, что аналогично ведут себя и жидкости в пространстве, измеряемом микрометрами»…
Дело в том, что смешивание потоков происходит лишь при турбулентном, вихревом течении жидкостей. Это хорошо заметно, например, в том месте, где одна река впадает в другую. А вот если посмотреть под микроскопом на микропотоки, становится очевидно, что главную роль начинает играть вязкость жидкости, благодаря которой потоки сосуществуют, не смешиваясь друг с другом.
«Поток топлива и поток окислителя мы сводим вместе в капилляре с внутренним диаметром менее 1 мм, — поясняет Кеннес. — В этой трубочке слишком мало места для образования завихрений. На границе двух потоков, там, где они соприкасаются, происходит обмен ионами и электронами, образуется электрический ток».
Понятно, что такое объяснение весьма схематично. Масса технических деталей самим Кеннесом специально опущена, поскольку и составляет его «ноу-хау». Но в принципе схема работает достаточно стабильно.
«Даже если новый элемент уронить на пол или держать его на столе, по которому студенты изо всех сил стучат кулаками, как мы это делали в одном из экспериментов, он продолжает исправно работать: жидкости не перемешиваются», — поясняет Кеннес.
Автор разработки уверен, что уже через 2–3 года новые топливные элементы появятся на рынке. Правда, некоторые вопросы при этом все же остаются. Например, для заправки топливных элементов пользователь должен иметь при себе запас метанола. Но горючие жидкости запрещено проносить с собой, например, на борт самолета. Можно, правда, вспомнить, что пассажиры могут иметь при себе зажигалки. А они тоже заправлены жидким газом или бензином. Может, и для топливных элементов будет сделано исключение?
С. СЛАВИН
ГОРИЗОНТЫ НАУКИ И ТЕХНИКИ
Принтер вместо… звездолета?
С помощью струйных принтеров печатают тексты, рисунки, фотографии. А наш бывший соотечественник Владимир Миронов из Медицинского института Южной Каролины и его американский коллега Томас Боланд из Университета Клемсона решили приспособить принтер для цели, которая еще недавно показалась бы невероятной даже фантастам. Но обо всем по порядку.
Идея родилась не случайно. Качество печати струйных принтеров выросло настолько, что мысль использовать их «не по назначению» приходит в голову ученым самых разных специальностей.
Так, электронщики Израиля и США пытаются с помощью принтеров получать оригиналы и трафареты печатных плат. А некоторые специалисты даже говорят о том, что вскоре и сами платы можно будет получать не путем травления заготовок агрессивными химическими растворами, а попросту печатать. Нужно только вместо чернил использовать подходящие расплавы и растворы.
Исследователи из Университета Аризоны наполнили такой принтер «чернилами», которые при засыхании формируют полимеры с разной степенью проводимости. Это позволило им быстро и дешево печатать жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи на органической основе. А в Университете Калифорнии в Беркли разрабатывают принтер, который будет печатать даже «начинку» для мобильников и радиоприемников.
Более того, есть попытки использовать подобную технику и при изготовлении микрочипов. Только роль струек жидкости в данном случае исполняют ионизирующие излучения и потоки заряженных частиц.
Так что у В.Миронова и Т.Боланда было достаточное количество предшественников, надоумивших их сделать следующий логический шаг. В качестве «чернил» в своем принтере они попытались применить раствор, содержащий живые клетки. После печати образовавшийся гель послужил питательной субстанцией для сгустков клеток, которые постепенно срослись в ткань. Таким способом, кстати, оказалось очень удобно и эффективно лечить ожоги. Напыленная пленка затем превращается в новую кожу. Само по себе это имеет важнейшее значение для медицины. Но ведь «печатать» можно не только кожу.
Знатоки Интернета наверняка отметили несколько лет назад появление в сети проекта «Визибил хьюмен», что в переводе означает «видимый человек». При подготовке этого учебного пособия для студентов-медиков было заготовлено огромное количество тончайших срезов всех человеческих органов. Каждый из них фотографировали, сканировали, и со временем в компьютере образовалась коллекция из 18 000 слайдов и видеоизображений, позволяющая получить полное представление об анатомии человека, функционировании всех его органов.
Это, возможно, и подтолкнуло мысль исследователей. Поскольку тонкости строения того или иного органа стали известны досконально, то почему бы не попробовать осуществить обратную операцию, то есть собрать из отдельных частей воедино весь орган. Сначала опять-таки виртуально, в компьютере, а потом и натурально — с помощью все того же трехмерного принтера.
Заряжать же его можно культурами тканей, выращенных из образцов, полученных от конкретного пациента. А полученную таким образом почку, печень или даже сердце с легкими при необходимости пересаживать ему же. Тогда отпадает необходимость в донорских органах. А заодно сама собой разрешается и проблема отторжения организмом чужеродных тканей. Какие же они чужие, если выращены из собственных клеток?
Уже одна эта идея, будучи претворена в практику, достойна Нобелевской премии. Но исследователи, похоже, не намерены на этом успокаиваться.
Заглядывая вперед, они считают, что подобные молекулярные принтеры смогут в будущем заменить даже… звездолеты! В самом деле, зачем людям подвергать опасностям собственные жизни, проводить годы, а то и десятки лет в космических аппаратах, если можно послать для обследования того или иного небесного тела робот-автомат. А с ним еще и космического «дублера» человека-исследователя.
