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
человека и окружающей природной среды от ранней до заключительной стадии палеолита. На стоянке Карама в отложениях возрастом 600—800 тыс. лет обнаружены древнейшие в Северной Азии ору-
4 дия раннепалеолитического человека, характер-
5 ные для так называемой олдувайской культуры. В Денисовой пещере прослежено развитие палео-
3 литических культурных традиций в течение как минимум 280 тыс. лет и автохтонное становление культуры верхнего палеолита в хронологическом интервале 50—40 тыс. лет назад без заметных признаков внешних влияний. При этом наборы каменных и костяных орудий, а также предметы символической деятельности из кости и поделочного камня свидетельствуют о достаточно высоком уровне материальной и духовной культуры обитателей Алтая в начале верхнего палеолита. Кроме того, новейшие антропологические открытия здесь связаны с основными проблемами формирования человека современного физического облика.
Изучение находок из культурного слоя ранней стадии верхнего палеолита в Денисовой пещере уже много лет ведут специалисты Института археологии и этнографии СО РАН (г.Новосибирск) под руководством академика А.П.Деревянко и доктора исторических наук М.В.Шунькова. Долгое время раскопки не давали антропологического материала. Наконец в 2008 г. в 11-м слое — там, где обнаружили фрагмент браслета и другие верхнепалеолитические изделия, — была найдена ногтевая фаланга человека, предположительно девочки 5— 8 лет. Анализ этого материала сибирские ученые проводили в кооперации с коллегами из Института эволюционной антропологии Макса Планка (г.Лейпциг, Германия) под руководством профессора С.Паабо. Расшифровка сначала митохондри-альной, а затем и ядерной ДНК из костных образцов показала, что они принадлежат ранее неизвестному науке ископаемому гоминину (НотМ-пае), который по месту обнаружения антропологических останков назвали человеком алтайским, или денисовцем*. Анализ секвенированного генома представителей новой группы древних гоми-нин убедительно подтверждал их сестринскую близость неандертальцам, т.е. сначала ветвь их предков отделилась от общего с человеком современного физического вида эволюционного ствола, а потом произошло и их разделение.
Популяция денисовцев, утверждают А.П.Дере-вянко и М.В.Шуньков, существовала в северо-западной части Алтая вместе с восточной группой неандертальцев, установленной по данным палео-
генетического анализа останков ископаемого человека сначала из пещер Окладникова и Чагыр-ской, а затем из Денисовой пещеры. Иными словами, 50—40 тыс. лет назад на этой территории обитали две разные группы первобытных людей. При этом неандертальцы пришли на Алтай, скорее всего, из западных районов Центральной Азии, а корни культуры, носителями которой были денисовцы, прослеживаются в древнейших горизонтах Денисовой пещеры. Способы и приемы жизнедеятельности денисовцев не уступали, а в некоторых аспектах превосходили поведенческие характеристики человека современного физического облика, жившего в одно и то же время с ними на других территориях.
Новейшие палеогенетические данные показали также, что от 1.5 до 2.1% генома современного человека «принадлежит» неандертальцам. Это свидетельствует, как полагают авторы, о возможном скрещивании двух видов на определенном эволюционном этапе. Что касается денисовцев, то 3—6% их генома несут современные жители Южного полушария: коренное население Австралии, островов Меланезии и Филиппин. Таким образом, делают вывод сибирские специалисты по палеолиту, и неандертальцы, и денисовцы получили право войти в число наших предков. Эти открытия позволяют говорить о новой модели становления человека современного физического облика в противовес теории моноцентризма, согласно которой единственным очагом формирования современного человека была Восточная Африка, откуда потом и произошло его расселение по территории Евразии.
Новая версия полицентризма, или мультирегиональной эволюции человека**, основана прежде всего на данных археологии — если бы коренное население везде замещалось человеком разумным, пришедшим из Африки, то и культурные проявления ранней стадии верхнего палеолита должны были быть достаточно однородными на территории всей первобытной ойкумены. Однако археологические материалы свидетельствуют, что это далеко не так: каменные индустрии начальной поры верхнего палеолита в Африке, в западной части Евразии, на юге Сибири и на востоке Азии принципиальным образом отличаются друг от друга, что подразумевает культурную и, следовательно, генетическую непрерывность у первобытного населения в каждом из этих регионов.
Труды IV (XX) Всероссийского археологического съезда в Казани 2014. ТЛ. С.5—7.
* Krause J, Fu Q, Good J. et al. The complete mitochondrial DNA genome of an unknown hominin from southern Siberia // Nature.
2010. V.464. №7290. P.894—897.
** Деревянко А.П., Шуньков М.В. Новая модель формирования человека современного физического вида // Вестник РАН.
2012. Т.82. №3. С.202—212.
88
ПРИРОДА
2 0 15
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.