Оксид графена поможет опреснять воду солнечным светом
Ученые из Китая создали эффективное масштабируемое устройство для опреснения морской воды на основе оксида графена, работающее от солнечной энергии. О своем изобретении исследователи сообщают в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.
Опреснение за счет солнечной энергии без дополнительных затрат могло бы решить проблему дефицита питьевой воды в регионах с плохо развитой инфраструктурой. Однако до сих пор не было изготовлено прототипов, которые можно было бы превратить в опреснитель, способный с достаточной эффективностью без дополнительной поддержки производить питьевую воду из морской.
Для создания такого устройства необходимо, чтобы, с одной стороны, эффективно поглощалась энергия, а с другой стороны, нагрев был локализован и испарение происходило без дополнительного теплоотвода и потерь. Несмотря на большие успехи в области разработки поглотителей солнечного излучения, во всех существовавших ранее решениях поглотители контактировали с объемом воды. При такой конфигурации поглощенное тепло передавалось всему ее объему и расходовалось неэффективно. Устранить этот недостаток можно было только за счет ограничения объема воды, что делало все решения не применимыми в реальных условиях.
Авторы нового исследования разработали конструкцию, которая представляет собой таблетку теплоизолятора (пенополистерола), обернутую целлюлозой и накрытую пластинкой оксида графена. За счет капиллярных сил вода втягивается в целлюлозу и подается к поглотителю солнечной энергии (пластинке оксида графена). Из-за того, что сам нагреватель отделен от общего объема воды теплоизолятором, потери тепла минимизируются. Исследователи проверяли различные характеристики устройства, такие как распределение температуры в процессе работы, эффективность нагрева и «потери массы» (испарение), и провели опреснение контрольных образцов морской воды.
В результате КПД нового устройства держится на уровне примерно 80 процентов даже при увеличении объема воды, температура воды в объеме повышается незначительно, и нагрев преимущественно локализован на поверхности оксида графена. Даже при долгом облучении такой опреснитель обеспечивает линейную зависимость количества произведенного пара от времени. Во всех случаях после использования устройства соленость опресненной воды оказывалась ниже стандарта, принятого для питьевой воды (200 миллиграмм на литр).
Оксид графена был выбран в качестве поглощающего материала не случайно. Он недорогой, легко масштабируемый, эффективно поглощает солнечную энергию во всем спектре. Пористая структура обеспечивает эффективную подачу воды и отвод пара. К тому же материал легко складывается и раскладывается много раз, что важно, например, при транспортировке устройства. Таким образом, предложенное авторами исследования устройство может обеспечивать необходимый выход пресной воды при адекватных затратах на производство и транспортировку.
Ученые активно исследуют необычные свойства оксида графена: выяснилось, например, что на оксидных пленках можно рисовать токопроводящие схемы, а с помощью инфракрасного света листы оксида графена можно научить шагать.
Екатерина Жданова
Гексакоптер оснащен двумя взлетно-посадочными платформами для квадрокоптеров
Инженеры из Сколтеха разработали гибридный гексакоптер MorphoLander, который выступает в роли передвижного аэродрома для дронов меньшего размера. MorphoLander не только летает, но и может ходить по неровной поверхности при помощи четырех ног. В верхней части корпуса расположены две взлетно-посадочные платформы для микродонов. Дрон может пригодиться для инспекции объектов и поиска пострадавших во время стихийных бедствий, говорится в препринте на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Дроны отлично подходят для выполнения задач поиска, инспекции и мониторинга, но потребляют много энергии и не могут долго находиться в полете. Одним из способов преодолеть это ограничение стала разработка дронов гибридной конструкции, которые могут не только летать, но и передвигаться по земле, например, с помощью колес или ног. Несмотря на то, что такой подход позволяет продлить время работы за счет менее энергозатратного способа передвижения по поверхности, продолжительность полета гибрида и его эффективность часто снижается из-за дополнительного веса. Инженеры под руководством Дмитрия Тетерюкова (Dzmitry Tsetserukou) из Сколтеха предложили использовать громоздкий дрон в качестве носителя для дронов поменьше. Тогда большой дрон выступает в роли передвижного «улья», который в нужный момент выпускает рой маленьких дронов, способных более эффективно выполнить задачу на большой территории за счет совместной работы. Разработанный прототип под названием MorphoLander представляет собой гексакоптер с четырьмя ногами, каждая из которых имеет три степени свободы. С их помощью дрон может передвигаться по неровной поверхности. Масса гибрида немного больше 10 килограмм. Встроенного аккумулятора хватает на 12 минут полета. Сверху на корпусе закреплены две посадочные платформы диаметром 20 сантиметров, на которые могут садиться микродроны. Чтобы микродронам (инженеры использовали Crazyflie 2.1 массой 27 грамм) было проще садиться на MorphoLander, материнский дрон с помощью алгоритма стабилизации старается удерживать горизонтальное положение платформ, подстраивая высоту ног под неровности поверхности. Посадка микродронов происходит под управлением алгоритма машинного обучения, его обучение с подкреплением проходило в симуляторе на платформе игрового движка Unity, который позволяет имитировать физику, с использованием пакета машинного обучения Unity ML Agents. Обученный алгоритм посадки затем испытали в трех сценариях с участием реальных дронов. В первом два микродрона должны были взлетать с расстояния полутора метров от MorphoLander и затем садиться на его платформы. Среднее значение отклонения от центра платформы в этом сценарии составило всего около 5,5 миллиметра. Во втором сценарии микродроны должны были садиться на материнский дрон, стоящий на неровной поверхности. В этом случае ошибка возросла и составила 25 миллиметров. Третий сценарий имитировал реальное применение: микродроны взлетали с платформ, в то время как MorphoLander отходил от места взлета на некоторое расстояние, после чего микродроны должны были сесть обратно. Среднее значение отклонения от центра 20-сантиметровой платформы составило 35 миллиметров. В будущем инженеры планируют увеличить точность и устойчивость алгоритма управления микродронами за счет контроля тяги отдельных винтов. https://www.youtube.com/watch?v=fV8_Ejy81s8&t=1s Совместная работа помогает роботам справляться с более трудными задачами. К примеру японские инженеры разработали систему из работающих в паре дрона и наземного робота. Они соединены друг с другом тросом, что позволяет наземного дрону взбираться на более крутые подъемы. Для этого дрон закрепляет трос на вершине, после чего наземный робот натягивает его с помощью лебедки и поднимается наверх.