Астрофизика
ó
I
Радиоастрон» заглянул в центр нашей Галактики
Астрофизики, работающие в международном космическом проекте «Радиоастрон», возглавляемом Россией, обнаружили структуры, которые связаны с процессами в сверхмассивной черной дыре в центре нашей Галактики. Результаты эксклюзивных наблюдений были опубликованы в научном журнале «Astrophysical Journal Letters».
Согласно современным представлениям, в центре галактик находятся сверхмассивные черные дыры — мощнейшие источники электромагнитного излучения, которые поглощают межзвездную пыль и газ, попутно разогревая их до миллионов градусов. Черная дыра нашей Галактики массой примерно 4 5 млн масс Солнца закрыта от Солнечной системы плотными облаками пыли и газа, поэтому о ее существовании можно догадываться только благодаря наблюдаемому рассеянному излучению. Современные радиотелескопы позволяют увидеть место ее нахождения в созвездии Стрельца в виде мутного пятна, получившего название «Радиоисточник Sagittarius A*» (Sgr A*). Однако до сих пор ученым не удавалось сделать полный анализ этого объекта. Астрономы изучают его лишь на длинных волнах, которые не позволяют точно определить границы и другие детали Sgr A*. Но с запуском в 2011 г. уникальной космической обсерватории «Радиоастрон» с 10-метровой рефлекторной антенной, образующей вместе с крупнейшими наземными радиотелескопами и станциями слежения систему, которая позволяет изучать структуры различных объектов Вселенной с разрешением до десятков микросекунд дуги (в миллионы раз лучше разрешения человеческого глаза), шансы разглядеть и исследовать Sgr A* существенно увеличились.
Ученые Астрокосмического центра Физического института им.П.Н.Лебедева РАН Ю.Ю.Ковалев и В.А.Согласнов и их американские коллеги К.Гвинн из Университета Калифорнии и М.Джонсон из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики на основе результатов изучения пульсаров* предсказали, что на длине волны 1.3 см «Радиоастрон» может увидеть неоднородности в пятне SgrA*. В среде, окружающей черную дыру, подсчитали они, неоднородности размером всего в 300 км могут создавать на газопылевом «экране» пятнышки размером около 1 миллионной доли угловой секунды.
В ходе первого из запланированной серии сеансов наблюдений, когда были соединены в один
* Smirnova TV., Shishov V. I., Popov MV. et al. RadioAstron studies of the nearby, turbulent interstellar plasma with the longest Space-Ground Interferometer baseline // Astrophys. J. 2014. Doi:10.1088/ 0004-637X/786/2/115
комплекс система апертурного синтеза VLBA (Very Long Baseline Array) и 100-метровая антенна радиотелескопа Грин-Бэнк (США), ученым удалось подтвердить наличие таких точек, названных субструктурами. Об их существовании было известно с 1980-х годов, но обнаружили их только теперь. Правда, следы субструктур в изображении были очень слабыми. Во время следующего сеанса работы интерферометра «Радиоастрон» астрофизики предполагают получить изображение с большей детализацией и точнее определить границы Sgr A*. Возможно, им удастся ответить и на другой вопрос, проливающий свет на тайны формирования нашей Галактики: затягивается ли в зоне эмиссии газ в черную дыру или, наоборот, выбрасывается? До сих пор ученые по-разному интерпретируют этот процесс.
По материалам Агентства научной информации «ФИАН-информ» http://www.fian-inform.ru
Энергетика
Экономичные топливные элементы для автономных энергоустановок
В последние годы в связи с обострением экологических проблем растет интерес к твердооксидным топливным элементам (ТОТЭ), служащим основой для создания компактных безопасных и экономически выгодных энергоустановок. ТОТЭ представляет собой электрохимическое устройство, преобразующее энергию реакции соединения водорода с кислородом напрямую в электричество, минуя малоэффективные для этой цели процессы горения. Поэтому у топливных элементов энергетический КПД значительно выше, чем у традиционных энергоустановок, и может достигать 60%.
Химические реакции в ТОТЭ, включающих газонепроницаемый слой керамического электролита, идут на пористых электродах (аноде и катоде). Водород, полученный из природного газа, биогаза и других источников, поступает на анод, где под действием электрохимических сил и температуры (около 800°С) диссоциирует на атомы водорода. Аналогичным образом О2 диссоциирует на катоде до ионов О2-, присоединяя к себе электроны, возникающие при образовании воды на аноде и подводимые из внешней электрической цепи. Затем под действием градиента концентрации ионы кислорода О2- устремляются через электролит к аноду, где происходит их соединение с атомами водорода с образованием воды и электронов. Электроны поступают во внешнюю цепь, создавая электрический ток.
Таким образом, продуктами реакции оказываются тепло и водяной пар. Напряжение, возникающее при этом на единичном топливном элементе, обычно не превышает 1.1 В. Для его увеличения топливные ячейки соединяют последовательно
8«
ПРИРОДА
2 0 15
в батареи. Мощность батареи зависит от числа и площади составляющих ее топливных ячеек.
Воздействие ТОТЭ на окружающую среду минимально, и этим они привлекательны. Однако высокие рабочие температуры устройств (800—1000°C) порождают две основные проблемы. Во-первых, для выхода на такие параметры их приходится нагревать с небольшой скоростью (менее 300°С/ч) во избежание разрушения керамических элементов конструкции вследствие разницы коэффициентов термического расширения. Во-вторых, высокая температура приводит к окислению или коррозии большинства металлов, диффузии материалов электродов в электролит с образованием непроводящих соединений и возникновению механических напряжений. Поэтому для промышленного использования ТОТЭ необходимо улучшать долговечность конструкционных материалов и снижать их стоимость.
Самая перспективная конструкция топливной ячейки — пористая металлическая пластина (основа), на которую наносят тонкие слои катода, анода и электролита. Топливные элементы с несущей металлической основой обладают лучшей механической прочностью, термической стойкостью, они дешевле в изготовлении. Специалисты Института сильноточной электроники СО РАН с коллегами из отдела структурной макрокинетики Томского научного центра СО РАН предложили использовать в качестве основы интерметаллид Ш3А1 — материал, обладающий сходным с другими слоями топливного элемента коэффициентом термического расширения, низкой скоростью окисления при высоких температурах и относительно небольшой ценой.
Ноу-хау разработки состоит в способе изготовления пористых №3А1-подложек методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС)*. Порошки N и А1 нагревают до температуры, при которой начинается химическая реакция, сопровождающаяся саморазогревом смеси. Особенность данного способа заключается в том, что инициирование реакции идет не с поверхности, а осуществляется за счет прогрева всего реагирующего вещества. Метод СВС имеет значительные преимущества по сравнению с традиционно используемой в таких случаях порошковой металлургией, так как позволяет формировать интерметаллические подложки с пористостью 40—50% и размером пор от 3 до 10 мкм. Они обладают хорошей газопроницаемостью, что обеспечивает беспрепятственный доступ газов-реагентов к пористым электродам ТОТЭ.
Кроме того, методом СВС можно изготавливать структуры «металлическая основа — Ni/YSZ анод».
* Соловьев А А, Сочугов Н.С., Ионов И. В. и др. Синтез и исследование пористых №—А1-подложек для твердооксидных топливных элементов // Перспективные материалы. 2013. №4. С.31—38.
На спрессованную из порошков Ni и Al подложку наносят толщиной 30—40 мкм слой анодной пасты, состоящей из NiO и ZrO2:Y2O3 (диоксида циркония, стабилизированного иттрием — YSZ) в равных пропорциях. После этого проводят СВС-синтез. Процесс формирования анодного слоя происходит в инертной (аргоновой) атмосфере. Это исключает появление оксидного непроводящего слоя между анодом и металлической основой.
Полученная в итоге двухслойная структура имеет гладкую поверхность размером пор менее 1—2 мкм, что позволяет формировать на ней методом магнетронного распыления газонепроницае мую пленку YSZ-электролита толщиной 3 — 5 мкм с характеристиками, соответствующими требованиям массового крупносерийного производства.
Топливные ячейки с несущей Ni—Al-пластиной не уступают лучшим мировым аналогам. Изготовленные из них батареи ТОТЭ можно использовать в энергоустановках малой мощности (0.7—2 кВт). Имеющие высокий КПД и скромные размеры (не больше домашнего бойлера), они способны работать на любом углеводородном топливе (на природном газе, биогазе, жидком топливе), обеспечивая электроэнергией и теплом поселки, отдаленные районы, фермы, коттеджи, больницы, супермаркеты и т.д. До конца 2015 г. сотрудники Института сильноточной электроники СО РАН совместно с коллегами из Томского политехнического университета намерены изготовить ряд батарей ТОТЭ мощностью несколько киловатт для энергоустановок одной из российских газовых компаний. Газопроводы часто прокладывают по нежилой местности, где нет линий электропередачи. Для питания таких инженерных сооружений нужны системы, позволяющие преобразовывать часть трубного газа в электроэнергию.
© Соловьев А.А.,
кандидат технических наук Институт сильноточной электроники СО РАН г. Томск
Палеоантропология
Антропологические открытия на Алтае
На Алтае, расположенном на границе Северной и Центральной Азии, сосредоточены археологические комплексы, характеризующие древнейшую историю огромного пространства от Урала до Тихого океана и от Монголии до Северного Ледовитого океана. Наиболее интересные результаты археологи получили на северо-западе края в ходе междисциплинарного изучения палеолитических памятников долины верхнего течения р.Ануй. В этом районе исследованы многослойные объекты нижнего, среднего и верхнего плейстоцена, соответствующие развитию культуры первобытного
$ i
4
ПРИРОДА
№5
2 0 15
87
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.