Science Slam: можно ли создать «жидкую батарейку» для электромобилей и почему знания о темной материи полезны для гаджетов

Можно ли проверять свежесть продуктов с помощью электрического тока? Почему знания о темной материи могут быть полезны и в обычной жизни? И как создать безопасную и удобную «жидкую батарейку» для электромобилей? Об этом и многом другом доступно и понятно рассказали молодые ученые на очередном Science Slam в Петербурге. В этот раз мероприятие прошло в «Точке кипения», а спикерами стали не только действующие научные сотрудники, но и ученики школ, у которых уже есть собственные разработки. По традиции лучшего спикера определили зрительские овации. Впрочем, в этот раз победителей, разделивших главный приз соревнований — боксерские перчатки, оказалось два.

Science Slam Петербург. Источник: vk.com/scienceslam

Всего на площадке выступили шесть спикеров — трое молодых ученых, а также три ученика школ Петербурга, которые, несмотря на возраст, уже серьезно занимаются наукой. Правила Science Slam для всех остались неизменны: о своей работе нужно было рассказать максимально просто и понятно и уложиться всего в десять минут. Темы выступлений охватывали совершенно различные сферы — от пищевых технологий до квантовой криптографии и энергетики.

Что такое энтеральное питание, как оно работает и почему может быть применимо в жизни абсолютно каждого? Об этом рассказал аспирант факультета пищевых биотехнологий и инженерии Университета ИТМО Артем Лепешкин. Исследованиями в области питания занимается и ученица девятого класса 667-ой школы Петербурга Яна Романчикова, которая разработала устройство, позволяющее с помощью тока определить качество мясо и рыбы.

Яна Романчикова
Яна Романчикова

Целый блок Science Slam был посвящен исследованиям в области диэлектрической нанофотоники. Научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Ксения Барышникова объяснила, как в наночастицах обычного кремния свет может «замораживаться» и как такое состояние света может быть использовано в современных гаджетах, а ученик 11 класса Максим Мягких, который уже занимается научными исследованиями на Новом Физтехе Университета ИТМО, представил результаты своей работы и рассказал, как наноструктуры могут увеличивать КПД солнечных батарей.

Чем грозит нам появление квантового компьютера и можно ли объяснить принцип действия квантовой криптографии на примере салата или блинов? Можно, доказал сотрудник международного института «Фотоника и квантовая информатика» Университета ИТМО Антон Козубов, который объяснил, почему современные методы шифрования нужно радикально менять. А ученица 11 класса Академической гимназии СПбГУ Елизавета Авдеенко знает, как создать «жидкую батарейку» для электромобилей, которая будет дешевле и безопаснее существующих аккумуляторов.

Максим Мягких
Максим Мягких

По традиции победителей Science Slam определили с помощью «шумомера», определяющего громкость зрительских оваций. Но в этот раз обладателей главного приза — боксерской перчатки оказалось два. Лучшей в «старшей» лиге стала Ксения Барышникова, а в «младшей» победу одержала Елизавета Авдеенко.

ITMO.NEWS законспектировал выступления участниц и рассказывает, почему фундаментальная наука проще, чем кажется, и чем изобретение школьницы может удивить Илона Маска.

Ксения Барышникова, научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО

Как вы думаете, что такое фундаментальная наука? Представления о ней складываются у нас из разных сфер жизни — например, вы смотрите телевизор и слышите там о взрыве сверхновой или шапочках из фольги или учитесь в университете, где вам читают курс общей теории относительности, после прохождения которого вы стираете все из памяти, потому что вам это не нужно. А может быть, вы гуглите красивые картинки и случайно натыкаетесь на теорию струн, галактические пузыри или нейтронные звезды.

Все это звучит очень красиво и еще красивее выглядит. Но вы думаете, что это так сложно, что во всем этом практически невозможно разобраться. И более того, скорее всего, вы уверены, что это совершенно бесполезно и разбираться в этом не нужно. Я думала точно так же, когда выбирала свой путь в науке. Тогда я сразу перечеркнула в своем списке науки о космосе, теорию относительности и прочее, потому что хотела быть действительно полезной людям. Я хотела заниматься разработкой приборов, которые будут использоваться в ваших гаджетах, лазерными, оптическими, полупроводниковыми технологиями. И тогда я не думала, что такие страшные слова, как «темная материя» когда-то вообще появятся в моей жизни. В итоге все оказалось по-другому, и сегодня я хочу рассказать вам об одной из теорий, которая объясняет существование темной материи. Она носит название анаполь.

Ксения Барышникова
Ксения Барышникова

Что такое темная материя? Это то, что занимает нашу Вселенную чуть более чем полностью. А если серьезно, то около 96% нашей Вселенной заполнено темной энергией, темной материей, существование которой непонятно. Теории, которая подтверждена на 100% и абсолютно верна, не существует. Почему? Потому что мы не можем поставить над темной материей эксперимент.

Поэтому в итоге все эти теории могут соревноваться друг с другом разве что в красоте и простоте. Но среди них есть одна, которая носит название анаполь. Она настолько проста, что ее можно изобразить на одном слайде. Представьте, что вы видите бублик, который в научной среде называется тором. Этот тор и есть элемент темной материи. Когда свет взаимодействует с этой структурной единицей темной материи, он возбуждает токи, бегущие по поверхности тора. Очень важно, что эти токи могут сохраняться бесконечное количество времени. Таким образом свет фактически замораживается в этом элементе темной материи.

Но анаполь и черное тело — это разные вещи. Да, мы знаем: чтобы поглотить как можно больше света, нам нужно сделать поверхность черной. Солнечные батареи должны быть черными; чтобы согреться зимой, тоже лучше одеться в черное. Но анаполь совсем не про это. Это непоглощающая частица. Поскольку свет не поглощается, а замораживается, мы и видим абсолютную пустоту. Если мы проникнем внутрь этой темной материи, в ее структурную единицу, то мы увидим силовые линии, поля, яркие точки. Хотя экспериментально мы, конечно, увидеть это, наверное, никогда не сможем, потому что у нас не будет опытного образца темной материи.

Тем не менее, вопрос остается открытым: зачем все это нужно? Оказалось, что это необходимо в моей непосредственной сфере деятельности — области диэлектрической нанофотоники. Я исследую взаимодействие света с наноструктурами, при этом слово «диэлектрическая» означает, что эти наноструктуры прозрачны, они не поглощают свет. И это очень важно, потому что только в непоглощающих частицах возможно существование анаполя. Когда мы поставили эксперимент на кремниевом шаре, мы действительно увидели, что мы можем найти в такой частице анапольное состояние. Частица не будет излучать в дальнее поле ничего, а внутри нее будут бежать токи по поверхности тора.

Я успешно занимаюсь анапольной электродинамикой, на разработку этой тематики мне удалось выиграть полуторамиллионный грант РНФ. И можно сколь угодно долго говорить, чем может быть полезна диэлектрическая нанофотоника, но вместо этого я приведу короткий пример из жизни.

Возбуждение тороидного момента в диэлектрической метамолекуле. Источник: geektimes.ru
Возбуждение тороидного момента в диэлектрической метамолекуле. Источник: geektimes.ru

Однажды мне позвонили коллеги из моей же лаборатории, разговор начался примерно так: «Ксюша, мы разрабатываем умный стол, а ты занимаешься неизлучающими наночастицами и ты нам нужна». Что, «умный стол»? Оказалось, что это такая поверхность, на которую мы ставим электронные приборы и они работают. То есть у нас светится лампа, работает компьютер и заряжается телефон. Звучит отлично. Если не брать во внимание, что стол излучает так, что заряжается не только телефон, но и пользователь и все вокруг. И все это не укладывается в параметры, соблюдение которых необходимо для выпуска такого «умного стола» на рынок. Для серийного производства необходимо, чтобы количество ватт на килограмм тела человека не было слишком большим.

«Окей, — говорю я. — Берем, оптимизируем, ищем анаполи в нашем умном столе». В итоге мы смогли оптимизировать его параметры и добиться того, что на 276 мегагерц мы получаем высокий коэффициент пропускания, порядка 90%, и при этом коэффициент, который характеризует излучение, в пять-шесть раз ниже, чем это прописано в технических стандартах. Наш стол не просто оказывается умным, но и очень бережным к своему пользователю.

Таким образом, надеюсь, мне удалось вас убедить, что фундаментальная наука — это не просто очень красиво. Существуют довольно простые модели, которые могут описать невероятно сложные явления. И самое главное, они могут применяться в самых разных областях науки и приносить реальную пользу.

Елизавета Авдеенко, ученица 11 класса Академической гимназии СПбГУ

У нас есть автомобили, которые загрязняют воздух: порядка 70% годового выброса окиси углерода в атмосферу приходится на автотранспорт. Чтобы решить эту проблему, люди придумали электромобили. И казалось бы, все очень круто, они экологичны и на самом деле работаю. Но не все так просто.

Во-первых, электромобили — это очень дорого. Например, Tesla стоит примерно 50 тысяч долларов, во-вторых, электромобиль долго заряжается. Чтобы зарядить такую машину, вам потребуется целая ночь, при этом потом она проедет всего лишь 200 километров. И наконец, из-за того, что там содержатся аккумуляторы, он может загореться, если вы попадете в аварию. Кстати, дорого стоят они в том числе и из-за аккумуляторов, которые составляют до 50% цены электромобилей.

Источник: ekoavtos.ru
Источник: ekoavtos.ru

Давайте для начала разберемся, что такое аккумуляторы? Это химические источники тока вторичного действия. Проще говоря, когда они разряжаются, их можно перезарядить. Батарейка так не умеет: после того, как она отработала свой ресурс, ее можно только выбросить.

Но вам не придется выбрасывать батарейку, если вы сможете ее перезарядить. Вы спросите: зачем перезаряжать батарейку, если можно перезарядить аккумулятор? Логичный вопрос, но не все так просто. Во-первых, батарейки безопасны, а во-вторых, намного дешевле, чем аккумуляторы. Поэтому здорово, если они сохранят свои свойства, но при этом смогут перезаряжаться, как аккумуляторы.

Мы подумали так же и решили применять батарейки в электромобилях, но для начала их усовершенствовать и сделать жидкими, фактически превратив в топливо для электромобилей. Для этого мы взяли порошки всех действующих веществ — катода, анода и электролита, смешали с крахмалом и получили жидкие электроды. И это работает, что было доказано в ходе экспериментов. Но для того, чтобы эта «жидкая батарейка» была действительно лучше аккумуляторов, необходимо сделать так, чтобы ее было не просто удобно менять, она должна соответствовать аккумуляторам по электрическим характеристикам. Для этого мы решили еще улучшить нашу батарейку.

Как это можно сделать? Основное действующее вещество нашей батарейки — это диоксид марганца. Это диэлектрик, и его проводимость можно улучшить, если в его кристаллической структуре будет больше дефектов. Кроме того, его электрические характеристики улучшатся, если сделать его наноразмерным, то есть уменьшить размер составляющих его частиц. Мы решили все это объединить.

Елизавета Авдеенко
Елизавета Авдеенко

Для начала мы синтезировали наночастицы с помощью метода Печини. А что по поводу дефектов кристаллической решетки? Такое явление называется полиморфными модификациями. Чтобы понять это, давайте представим, что мы построили стену из разноцветных кирпичей, которые при этом все одинаковы по форме. И если мы переставим эти кирпичи местами, то форма вашей постройки не изменится, но в целом она станет другой. Здесь работает тот же принцип: вы просто меняете атомы местами, вещество не меняется, но меняется его структура.

Такие вещества — с разной структурой, но одинаковые по сути — называются полиморфными модификациями одного и того же вещества. У диоксида марганца есть две полиморфные модификации. Самая распространенная — это бета-модификация, она производится на заводах, содержится в природе и так далее. Но гамма-модификация лучше ее по электрическим характеристикам. А идеальным вариантом является определенное соотношение бета- и гамма-модификации. Какое — мы решили выяснить. Смотря при какой температуре вы греете ваше вещество, получаются разные соотношения полиморфных модификаций. И таким образом, в ходе экспериментов, мы получили наночастицы с разным соотношением бета- и гамма-модификаций MnO2.

Но как использовать полученную батарейку как топливо и менять все компоненты? Для этого нужно придумать хороший механизм. Чтобы наша батарейка работала, все вещества должны соприкасаться и при этом не смешиваться. Для этого мы решили придать нашей батарейке форму улитки. И не потому, что это красиво, а потому, что такая форма позволяет увеличить площадь поверхности соприкосновения между веществами. Сверху этой улитки вы надеваете крышку-поршень, и в итоге каждое вещество выдавливается через свой отсек.

Источник: extremetech.com
Источник: extremetech.com

Но в итоге давайте разберемся, как все это будет работать? Ведь, казалось бы, зачем так заморачиваться вместо того, чтобы взять один аккумулятор и перезарядить его. В обычных автомобилях есть бензин, он у вас сгорает, а потом вы приезжаете на заправку, где вам заливают его снова. Наш электромобиль будет работать по похожей схеме: вы тоже приезжаете на заправку, но вам будут заливать не бензин, а три вида топлива, то есть катод, анод и электролит и при этом выкачивать старое топливо. Куда его девать, спросите вы. Когда у вас накопится достаточное количество старого топлива, вы отвозите его на завод, где с помощью электролиза и добавив некоторые вещества, можно снова восстановить его свойства. Я надеюсь, что когда-нибудь это изобретение будет работать и электромобили станут безопаснее и доступнее.

Редакция новостного портала
Архив по годам:
Пресс-служба