Юный техник, 2005 № 10 - [7]

Многоатомные часы дают более мощный сигнал, но они менее точны из-за помех, создаваемых электромагнитными полями самих атомов. Созданные в Токийском университете стронциевые часы объединяют преимущества двух подходов — здесь задействовано шесть лазерных лучей, благодаря которым электромагнитные волны атомов оказываются как бы заключены в своего рода решетке, защищающей их от постороннего влияния. И тогда измеряется сигнал каждого из атомов. Затем все показания суммируются. Таким образом сигнал не только усиливается, но и исключаются ошибки случайных отклонений; ведь в итоге за истину принимается среднее арифметическое многих значений.

Создатели атомных часов. Слева — Хидетоши Катори.

Шесть лазерных лучей воздействуют на атомы, каждый из которых находится в своей ячейке.

Понятно, что бытового применения такие часы иметь не будут — людям сверхточность в их повседневных делах попросту не нужна. Но вот для решения задач спутниковой навигации, расчета траекторий движения межпланетных зондов она весьма пригодится. Новый эталон времени также повысит качество функционирования чувствительных к отсчету времени широкополосных сетей связи. Кроме того, полагают исследователи, с помощью сверхточного эталона в очередной раз можно будет проверить некоторые положения теории относительности и законов квантовой электродинамики.

Д.ПЕТРОВ

ВОЗВРАЩАЯСЬ К НАПЕЧАТАННОМУ … Словно паста из тюбика

Мы уже рассказывали вам, чем хороши топливные элементы, как их совершенствуют в нашей стране (см. «ЮТ» № 8 за 2005 г.). Сейчас расскажем о том, как в США был сконструирован топливный элемент нового поколения.

Топливный элемент, или, как его иногда называют, — топливная ячейка, является ключевым агрегатом топливного генератора. Он обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. Как и прочие источники тока, топливные элементы состоят из анода, катода и электролита между ними. Электрическая энергия выделяется в процессе восстановительно-окислительной реакции, которая поддерживается за счет подачи топлива и окислителя. На практике, напомним, речь обычно идет о реакции образования обычной воды.

Звучит все очень просто. Однако техническая реализация идеи потребовала преодоления целого ряда трудностей. Прежде всего, оказалось непрактично и расточительно использовать в качестве топлива непосредственно водород. Его ведь надо специально получать, каким-то образом хранить, а этот газ занимает большой объем и весьма взрывоопасен.

Поэтому сейчас в качестве топлива чаще используют бензин или метиловый спирт — метанол. В результате процесса разложения — реформинга — метанол при температуре 280 °C выделяет водород, который затем и поступает на анод топливного элемента. Функции электролита в современных топливных элементах обычно выполняет тончайшая полимерная мембрана с нанесенным на нее слоем платинового катализатора. Она обладает уникальным свойством: пропускает положительные ионы, то есть ядра атомов водорода, но задерживает электроны.

Ионы, проходя сквозь мембрану, вступают на катоде в реакцию в атомами кислорода, содержащегося в воздухе. В обычных условиях такая реакция приводит к образованию гремучего газа и носит взрывной характер, но в топливном элементе она протекает мирно благодаря тому, что идет не во всем его объеме, а лишь на поверхности мембраны с катализатором. Выделяемое при этом тепло поддерживает процесс реформинга. А электроды, отобранные мембраной у атомов водорода, следуют к катоду по внешней цепи, создавая тот самый электрический ток, который необходим для питания тех или иных приборов.

На схеме, взятой нами из научного журнала, сам изобретатель поясняет, как работает его топливный элемент.

Такая схема стала почти классической. Однако недавно американские инженеры внесли в эту конструкцию существенные, возможно, даже решающие коррективы. Пол Кеннес, профессор Иллинойского университета (США), говорит, что в новом топливном элементе нет мембраны. Однако каким же образом функционирует такой элемент? Как осуществляет разделение реагентов?

Идея пришла в голову профессору Кеннесу в тот момент, когда он чистил зубы. «Я обратил внимание, как выходит из тюбика двухцветная зубная паста, — поясняет он. — Когда выдавливаешь ее из тюбика, полоски разного цвета не смешиваются. И тут я вспомнил, что аналогично ведут себя и жидкости в пространстве, измеряемом микрометрами»…

Дело в том, что смешивание потоков происходит лишь при турбулентном, вихревом течении жидкостей. Это хорошо заметно, например, в том месте, где одна река впадает в другую. А вот если посмотреть под микроскопом на микропотоки, становится очевидно, что главную роль начинает играть вязкость жидкости, благодаря которой потоки сосуществуют, не смешиваясь друг с другом.

«Поток топлива и поток окислителя мы сводим вместе в капилляре с внутренним диаметром менее 1 мм, — поясняет Кеннес. — В этой трубочке слишком мало места для образования завихрений. На границе двух потоков, там, где они соприкасаются, происходит обмен ионами и электронами, образуется электрический ток».

Понятно, что такое объяснение весьма схематично. Масса технических деталей самим Кеннесом специально опущена, поскольку и составляет его «ноу-хау». Но в принципе схема работает достаточно стабильно.