Журнал "Компьютерра" №756 - Компьютерра

Оригинальный способ изготовления легких, гибких и (если понадобится) прозрачных солнечных элементов из обычных монокристаллов кремния предложили ученые Иллинойского университета в Урбана-Шампейн. Метод напоминает обычную печать, но только не чернилами, а тонкими пластинами солнечных элементов.

В последнее время глобальные энергетические проблемы обострили интерес к солнечной энергетике, но несмотря на все усилия массовое производство дешевых, удобных в эксплуатации и эффективных солнечных элементов достаточного размера наладить пока не удается. Новые технологии, основанные на органических полупроводниках, нанокристаллах, нановолокнах и других экзотических структурах многое обещают, но пока сильно проигрывают традиционному кремнию по конечной эффективности элементов и цене.

Кремний широко распространен в природе, солнечные элементы из монокристаллов кремния достаточно эффективны, а технология их производства хорошо отработана. Поэтому ученые решили попробовать придать хрупким кремниевым элементам необходимую гибкость и прочность, разместив их на большой площади. Для этого солнечные элементы сначала изготавливают на обычной кремниевой пластине по традиционной технологии в виде узких длинных лент шириной несколько десятков микрон и длиной до нескольких миллиметров. Затем их травят так, чтобы можно было легко отделить ленту светодиода толщиною несколько микрон от кремниевой пластины. Толщину и размеры ленты выбирают так, чтобы получить необходимую гибкость и прочность. Для отделения используют специальный пластик, играющий роль своеобразной "печати", которой ленту светодиода переносят на гибкую подложку. После этого остается напылить металлические электроды, и солнечный элемент готов.

Эксперименты показали, что такие солнечные элементы из монокристаллов кремния при желании можно обернуть, например, вокруг карандаша без разрушения и потери эффективности. Если нужно получить полупрозрачный слой, которым можно покрыть обычные окна, кремниевые ленты располагают на некотором расстоянии друг от друга для получения желаемого пропускания света (от 35 до 70%).

К сожалению, пока эффективность первых образцов составляет лишь 7%, что заметно меньше, чем у обычных элементов из кремниевых монокристаллов, где этот показатель достигает 18%. Поэтому авторы продолжают работать над совершенствованием своей технологии и присматриваются к арсениду галлия, который хоть и дороже, зато эффективнее кремния. ГА

Чистая гамма

Астрофизикам посчастливилось открыть первый пульсар, испускающий только фотоны высоких энергий. Пульсар нового типа поможет лучше понять, чем заканчивается жизненный путь больших звезд во Вселенной.

Объект обнаружили с помощью нового космического гамма-телескопа Ферми, запущенного NASA в июне этого года. Пульсар движется в остатках взрыва сверхновой CTA 1, которые расположены на расстоянии примерно 4,6 тысячи световых лет от созвездия Цефей. Согласно оценкам, он образовался около десяти тысяч лет назад и излучает в тысячу раз больше энергии, чем Солнце.

Открытый пульсар - это очень быстро вращающаяся нейтронная звезда, делающая один оборот всего за 317 мс. Сильное магнитное поле звезды и быстрое вращение приводят к тому, что заряженные частицы вылетают с ее полюсов и разгоняются почти до скорости света, излучая фотоны высоких энергий. Именно такие гамма-кванты - фотоны с энергией от двадцати миллионов до трехсот миллиардов энергий фотонов видимого света - и улавливает космический телескоп, который пульсар периодически освещает подобно вращающемуся прожектору. Оборудование регистрирует примерно один гамма-квант в минуту, но этого вполне достаточно для вычисления всех параметров пульсара. Из-за мощного излучения звезда теряет энергию и постепенно замедляет вращение. Ее период должен увеличиваться на одну секунду каждые 87 тысяч лет.

Согласно теории, пульсары образуются в результате взрывов сверхновых. Открытая нейтронная звезда является остатком центральной части взорвавшейся звезды, оболочка которой и по сей день разлетается в разные стороны. Взрыв, по-видимому, был несимметричным. Пульсар летит в расширяющемся облаке газа со скоростью около полутора миллионов километров в час и уже заметно удалился от центра взрыва. Это впрочем, вполне типично и для других пульсаров, коих уже открыли около двух тысяч. Однако все остальные пульсары излучают в основном радиоволны; некоторые испускают еще и видимый свет, рентгеновское излучение и гамма-кванты. Открытый пульсар стал первым, излучающим только в гамма-диапазоне электромагнитных волн. Впрочем, ученые считают, что подобных объектов во Вселенной немало. Более того, возможно, звезда заметно излучает и в других диапазонах электромагнитных волн, только луч в них более узкий и просто не попадает в окрестности Земли. ГА

Кудрявая лапа

Команде американских ученых, координируемой из Дейтонского университета, удалось создать покрытие, способное удерживаться на различных поверхностях на порядок прочнее, чем лапы геккона. Материал, состоящий из многослойных углеродных нанотрубок, похожих на запутанные виноградные лозы, может найти применение везде, где нужны прочные временные соединения.

Ученых давно интригует способность насекомых и некоторых ящериц непринужденно прогуливаться почти по любым поверхностям, не падая с них. В последние годы строение лап и механизм их сцепления с поверхностью был детально изучен. Чаще всего конечность покрыта ветвящимися волосками с различной структурой, которая обеспечивает большую площадь контакта волосков с гладкой или шероховатой поверхностью, к которой они приклеиваются за счет сил Ван-дер-Ваальса. Однако до сих пор лучшие искусственные образцы, копирующие этот механизм, были в два-три раза хуже природных аналогов (см. "КТ" ##497, 712).

В новом покрытии ученые решили воспользоваться преимуществами нанотехнологий и вырастили на кремниевой подложке лес ветвистых нанотрубок со спиральными "кудрявыми" концами. Прижимаясь к поверхности, нанотрубки касаются ее во многих местах, обеспечивая прочность сцепления по касательной до ста ньютон на квадратный сантиметр. А это значит, что кусочек такого материала размером 4х4 мм может удержать груз весом полтора килограмма. Испытания проводились на стекле, пластике и наждачной бумаге. Однако если покрытие отрывать перпендикулярно поверхности, подобно тому, как геккон переставляет лапы, то потребуется значительно меньше усилий, поскольку трубки будут кудрявиться и их контакты станут рваться один за другим.

Авторы отмечают, что, модифицировав поверхность концов нанотрубок различными полимерами, белками или другими соединениями, легко добиться гораздо более прочного сцепления с поверхностями определенных типов. Но и в нынешнем виде созданный материал сможет найти массу применений в медицине и технике. Например, в космическом вакууме обычные клеи быстро сохнут и теряют прочность из-за испарения ряда компонентов. С сухим волокнистым наноклеем таких проблем не будет.

К сожалению, клейкое углеродное нанопокрытие пока слишком дорого. Также не очень понятно, как на его свойствах скажется пыль. Сейчас ученые продолжают работать над совершенствованием технологии выращивания кудрявых нанотрубок, оптимизацией структуры волокон и масштабированием процесса. ГА

Придется подогреть

Японские физики нашли удивительно простой способ генерирования спин-поляризованного тока - для этого достаточно лишь нагреть один из концов постоянного магнита. Это открытие обещает придать новый импульс развитию спинтроники, которая в числе прочего должна помочь сделать компьютерные чипы заметно быстрее и меньше.

В спинтронике для кодирования и обработки информации помимо зарядов используют еще и спин электронов, который может быть ориентирован, например, вверх или вниз. И хотя в последние годы в лабораториях было создано много новых спинтронных устройств, ряд серьезных проблем сильно тормозит коммерческое внедрение этого направления. Эффективно генерировать спин-поляризованный ток непросто; хуже того, электроны в проводниках быстро "забывают" ориентацию своего спина, рассеиваясь на различных неоднородностях и тепловых колебаниях кристаллической решетки. Например, в чистой меди ориентация спина тока сохраняется на протяжении всего лишь пятисот нанометров.

В основе предложенного способа генерации спин-поллялрилзолванного тока лежит спиновый эффект Зеебека. Обычный же эффект Зеебека известен уже почти двести лет и заключается в возникновении напряжения между концами проводника, имеющими разную температуру. У более холодного конца скапливается больше электронов, пока электрическое поле не уравновесит разность во встречных потоках "холодных" и "горячих" электронов, которые подвижнее холодных и диффундируют чуть быстрее. В полупроводниках этот эффект усиливается за счет увеличения концентрации носителей заряда с ростом температуры. Эффект Зеебека часто используют для получения электроэнергии в космосе, а также в термопарах для измерения температуры.