Научный дайджест: что на свете всех белее и "вечная" алмазная батарейка

Среди научных новостей недели:

Белила, от которых становится холодно

Идея пассивного излучающего охлаждения занимала ученых еще с 1970-х годов. И вот, похоже, исследователи из Университета Пердью совершили порыв: изобрели краску, которая отражает 98,1% попадающего на нее света.

Выкрашенная такой краской поверхность остается заметно прохладнее окружающей температуры даже под прямыми лучами солнца.

Отражающие краски (сделанные, к примеру, на основе двуокиси титана) известны давно, но они не позволяют поверхности охлаждаться ниже окружающей температуры.

Первого прорыва экспериментаторы добились с краской на основе карбоната кальция, которая дала понижение температуры поверхности на 1,7 градусов по сравнению с окружающей средой.

Однако ситуация в корне изменилась, когда в новый состав краски ученые включили сульфат бария, встречающийся в природе в виде барита, или тяжелого шпата, который сам по себе часто используется в белилах в качестве пигмента.

"Мы рассматривали все, что доступно в продаже и имеет белый цвет", - пояснил инженер Массачусетского технологического института Сяньгоу Ли, один из авторов новой формулы, который до этого работал в Университете Пердью.

"И вот тут-то выяснилось, что сульфат бария делает краску очень-очень белой, то есть заметно повышает ее отражающие свойства", - сказал он.

Дело в размере и концентрации частиц пигмента. Набор частиц сульфата бария разного размера позволяет максимально рассеивать свет, и чем больше пигмента, тем лучше отражение. Но до определенного предела. Потому что если переборщить с главным ингредиентом, то нарушается цельность краски, она становится хрупкой и начинает шелушиться при высыхании.

Идеальное соотношение - 60% сульфата бария на 40% акриловой базы - было вычислено путем проб и ошибок.

В ходе испытаний исследователи обнаружили, что выкрашенная их белилами поверхность стабильно поддерживала температуру по крайней мере на 4,5 градуса ниже окружающей среды, причем даже в зимнее время, достигая охлаждающего эффекта мощностью в 117 ватт на квадратный метр.

И хотя в силу физических особенностей материалов заставить сделать краску на основе сульфата бария еще более отражающей едва ли удастся, уже достигнутый результат может внести весомый вклад в борьбу с глобальным потеплением.

По словам изобретателей (результаты их исследований опубликованы в издании ACS Applied Materials & Interfaces), выкрашенные такой краской дома могли бы заметно снизить зависимость от кондиционеров. И, получается, расходы на электроэнергию.

"Если выкрасить нашей краской крышу площадью в 1000 квадратных футов (около 90 квадратных метров), можно добиться охлаждающей мощности в 10 киловатт, - поясняет другой инженер из Пердью, Сюлинь Жуань, - это намного больше, чем способно выдавать большинство бытовых кондиционеров".

Космическая пыль: мусор или жизнь?

Наверное, все любят смотреть на падающие звезды, они же метеориты, но мало кто задумывается, что по сути это космический мусор (пусть это и клад для ученых), и уж совсем мало кто знает, сколько именно тонн этого мусора ежегодно падает на Землю.

Как выяснили сотрудники Французского национального центра научных исследований (CNRS), более 20 лет посвятившие изучению этой проблемы, ежегодно к нам прилетает около 5 200 тонн обломков комет и астероидов, причем по большей части это совсем мелкая космическая пыль, а на долю крупных метеоритов из этой массы приходится всего 9 тонн.

Несмотря на внушительный общий объем, найти эту пыль непросто: ее быстро смывают осадки, или она перемешивается с родной земной пылью.

Однако есть такое место, где почти нет ни грязи, ни осадков - да, собственно, ничего там нет. Это франко-итальянская научная база на Земле Адели в Антарктике. Именно туда совершил шесть экспедиций физик из CNRS Жан Дюпра со своими коллегами (результаты их исследований опубликованы в журнале Earth & Planetary Science Letters.

Исследователи вырубали 20-килограммовые бруски снега и отправляли их в лабораторию, где снег аккуратно растапливали, а обнаруженные частицы тщательно сортировали, чтобы туда не затесалась местная пыль.

Потом они экстраполировали массу обнаруженных частиц на всю поверхность Земли и пришли к выводу, что каждый год на нашу планету падает свыше 5 тысяч тонн частиц размером от 30 до 200 микрометров (для примера, диаметр человеческого волоса составляет 70 микрометров).

То есть изначально падает в три раза больше частиц, но все остальное сгорает в атмосфере, не долетая до поверхности. Около 80% пыли дают кометы с короткими орбитами, которые подчиняются силе гравитации Юпитера, а остальные 20% - это астероидная пыль.

Почему это важно знать ученым? Во-первых, чтобы отдать дань провидению авторов песни 60-х годов о пыльных тропинках далеких планет… А если серьезно, то эта самая пыль вполне могла занести на Землю элементы и молекулы, которые дали начало жизни, ни больше, ни меньше.

Алмазная батарейка - это навсегда?

Как выясняется, бриллианты - лучшие друзья не только девушек, но и электронщиков из калифорнийского стартапа NDB (который расшифровывается как Nano Diamond Battery - нано-алмазная батарея).

Американцы смогли собрать из радиоактивного графита и сверхтонкой оболочки из наноалмазов фантастическую, практически неиссякаемую батарейку.

Источником энергии и служит графит, отработавший в ядерном реакторе в качестве замедлителя и обернутый во множество слоев монокристаллического алмаза, который одновременно выступает в роли полупроводника и отводит излишнее тепло.

Алмаз - самый твердый из известных человеку материалов, к тому же он обладает высокой энергопроводимостью, поэтому в новой батарее алмазные слои одновременно накапливают электрический заряд, отводят тепло и препятствуют выходу радиации.

Поскольку период полураспада изотопа углерод-14 составляет тысячи лет, а алмаз практически неразрушим, изобретатели считают, что нашли настоящую коммерческую золотоносную жилу (хотя скорее это алмазная россыпь).

Свою продукцию стартап намеревается производить в двух вариантах - для профессионального и домашнего применения.

В первом случае это должна быть "вечная" батарейка со сроком эксплуатации 28 тысяч лет, которую можно было бы использовать в космических кораблях и зондах. С такой батарейкой они смогли бы совершать миссии продолжительностью в сотни лет, отправляя на Землю полученную информацию.

Вторая версия - потребительская - предназначена для электроавтомобилей, смартфонов и прочих бытовых устройств. NDB утверждает, что, поскольку радиоактивный графит будет заключен в многослойную алмазную оболочку, уровень излучения такой батарейки не будет превышать естественный фон, и она будет совершенно безопасна в эксплуатации.

Нужно оговориться, что дальше концепции дело пока не зашло, но NDB считает, что если бы не пандемия, коммерческий прототип уже был бы готов. Теперь же понадобится около двух лет, чтобы довести до ума пробную маломощную версию батарейки, а через пять лет за ней уже последует та самая "вечная".

Инженеры обещают, что смогут делать батарейки любого размера и мощности. Остается вопрос: кто захочет купить батарейку, пусть даже вечную, зная, что внутри нее таится радиоактивный элемент.