Водородным элементам придумали «протонопровод» из графана
Физики из США на основании теоретических расчетов показали, что после создания на графане одномерной «дорожки» из гидроксильных групп, такая система может транспортировать вдоль дорожек протоны, не пропуская при этом электроны. В отличие от других систем с тем же предназначением, графановые протонные мембраны в процессе транспорта протонов не нуждаются в воде, а значит могут работать при более высоких температурах. Это обеспечивает лучшую химическую активность электродов, эффективность теплоотвода и делает систему менее чувствительной к чистоте топлива. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Из-за большого количества вредных выбросов, человечество пытается найти альтернативу двигателям внутреннего сгорания, использующих в своей работе бензин и другие продукты, созданные на основе нефти. Один из вариантов — водород. С экологической точки зрения водородные топливные элементы выглядят привлекательно из-за того, что на выходе они дают только воду.
Принципиальная схема водородного топливного элемента изображена на рисунке. Водород поступает на анод и теряет электрон (напомним, водород состоит из протона и электрона). Затем новообразованные протоны мигрируют на катод через мембрану, где они соединяются с кислородом и электронами, образуя воду. Разница потенциалов между анодом и катодом, вызванная различной химической энергией связи в исходных газах и воде обеспечивает преобразование энергии химических связей в электрическую. Эффективность устроенных таким образом современных водородных топливных элементов составляет 40-60 процентов.
Графан — это двумерный материал, который создается из графена посредством присоединения атомов водорода. В графане с каждым атомом углерода связан атом водорода, причем эти атомы образуют две плоскости, параллельных изначальному слою графена. В своей работе авторы с помощью моделирования показали, что если в графане создать цепочку гидроксильных групп (напомним, гидроксильная группа — это соединение кислорода и водорода с одним валентным электроном), то по такой цепочке смогут «прыгать» протоны. Расположив лист графана таким образом, что один конец листа соединен с анодом, а второй — с катодом, можно получить протонную мембрану, не пропускающая электроны.
В своей работе ученые исследовали различные аспекты явления протонной проводимости с помощью различных методик моделирования. Так, чтобы подробно разобраться в том, как именно протон двигается по гидроксильной дорожке, они создали 2 модели, одну с четырьмя гидроксильными группами, вторую с семью. Схематическое представление движения протона в части графановой плоскости с четырьмя ОН-группами можно видеть на картинке. В процессе транспортировки водород в ОН-группах вращается вокруг оси, перпендикулярной листу графана, передавая протон между ОН-группами.
Результаты моделирования показали, что расстояния между слоями графана в 20 ангстрем достаточно, чтобы они не взаимодействовали друг с другом. Кроме того, из-за отказа от воды, химические реакции на катоде протекают быстрее. Это особенно важно из-за того, что пока один протон на конце цепочки «ждет» свою молекулу кислорода, вся «очередь» не может через него перепрыгнуть, а значит движение протонов по дорожке тормозится. Также ученые отмечают, что графан менее подвержен деформациям, чем ранее предложенные безводные протонные мембраны. Это положительно сказывается на скорости транспортировки протонов от между анодом и катодом, что в свою очередь увеличивает мощность топливного элемента. Также они предсказывают, что безводные фильтры, работающие при более высоких температурах, будут не так чувствительны к чистоте водорода.
В будущем ученые планируют экспериментально исследовать графановые протонные мембраны, а также рассмотреть двумерную систему из гидроксильных групп.
Чепилко Александр
Его скорость по вертикальным поверхностям достигает шести сантиметров в секунду
Инженеры разработали прототип гибридного орнитоптера, который может садиться и ездить по вертикальным поверхностям. Помимо четырех машущих крыльев он имеет два воздушных винта и гусеничный привод с клейкими лентами, который используется для движения по стенам. Статья с описанием разработки опубликована в журнале Research. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Свобода передвижения, доступная летающим насекомым, давно вдохновляет инженеров, разрабатывающих беспилотники. К примеру способность мух быстро переходить от маневренного полета к передвижению по вертикальной поверхности пытались реализовать создатели дрона SCAMP. Они оснастили квадрокоптер двумя ножками с металлическими коготками, с помощью которых дрон может передвигаться по стенам, цепляясь за мелкие неровности. В случае срыва, дрон быстро включает роторы, чтобы предотвратить крушение. Существуют и другие прототипы мультироторных дронов, со способностью садиться на стены, однако орнитоптеры (даже с ногами) до сих пор на стену садиться не умели. Инженеры под руководством Цзи Айхуна (Aihong Ji) из Нанкинского университета аэронавтики и космонавтики разработали гибридный орнитоптер с небольшими вспомогательными воздушными винтами. Он может садиться на вертикальные поверхности, взлетать с них, а также передвигаться по ним, используя небольшой гусеничный привод с клейким покрытием и прижимную силу пропеллеров. Основную подъемную силу орнитоптера массой 135 грамм создают четыре машущих крыла, расположенные по X-образной схеме. Левая и правая пары крыльев приводятся в движение индивидуальными электромоторами. Изменяя независимо частоту их взмахов можно управлять беспилотником по оси крена. При полете на обычной скорости частота взмахов составляет 15 Герц, а максимально допустимая — 20 Герц. На носу и в хвосте орнитоптера расположены воздушные винты небольшого диаметра. В полете они генерируют дополнительную тягу, а также служат для управления по оси тангажа, отклоняя беспилотник вперед или назад. Ротор, установленный в хвосте, дополнительно имеет механизм управления вектором тяги — он может отклоняться с помощью сервопривода влево или вправо. Благодаря этому происходит управление орнитоптером по оси рыскания. В передней части аппарата установлен гусеничный привод, который используются для движения по вертикальным плоскостям. Ленты привода покрыты полидиметилсилоксаном, адгезивные свойства которого позволяют орнитоптеру удерживать сцепление с вертикальной поверхностью. При посадке на вертикальную поверхность орнитоптер сначала касается ее лентами привода, после чего изменяет уровни тяги хвостового и переднего роторов и переворачивается, прижав хвост к стене. Далее тяга роторов используется для создания прижимной силы. Так повышается сцепление и исключается возможное опрокидывание при движении. Взлет происходит в обратном порядке. Полный непрерывный переход воздух—стена—воздух происходит за 6,1 секунды. Прижимаясь к поверхности, гибрид может перемещаться по ней с помощью гусениц со скоростью до шести сантиметров в секунду. В экспериментах орнитоптер смог успешно сесть и прокатиться по стеклу, деревянной двери, мрамору, древесной коре, эластичной ткани и окрашенному листу металла. В воздухе на одной зарядке прототип может находиться около четырех минут и пролетать за это время около одного километра с максимальной скоростью 6,8 метров в секунду. https://www.youtube.com/watch?v=5st-wNxukTg В будущем разработчики планируют повысить сцепление гусеничного узла за счет добавки микрошипов в материал гусеничных лент. Также орнитоптеру добавят автономности — для этого его осностят сенсорами для самостоятельной навигации. Ранее другая команда инженеров, вдохновившись устройством крыльев жука-носорога, создала механическое крыло, которое может на короткое время складываться при ударе о препятствие, а затем вновь распрямляться за счет подвижного узла в верхней кромке. Миниатюрный орнитоптер с такими крыльями может продолжать стабильный полет, даже если его крылья ударяются об окружающие предметы.
