Федеральное агентство науки и образования
Пензенский государственный университет
Кафедра нано- и микроэлектроники
Курсовая работа
«Роль нанотехнологии в создании более эффективных преобразователей энергии»
Выполнили:
ст. гр. 06ЕЮ1
Сапрыкин М.С.
Сорокин О.В.
Проверила:
Гришанова В.А.
2007
Содержание
1. Введение
2. Эйфория по поводу нанотехнологий вполне оправдана
3. Нанотехнологии и переход к водородной энергетике
4. Не «Дюраселом» единым
5. Наноканалы генерируют электричество за счёт тока жидкости
6. Побит рекорд эффективности пластиковых солнечных элементов
7. Создан двигатель с фотонным питанием
8. Топливо для нанороботов
9. Приложение
10.Литература
1. Введение
Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Поэтому переход от "микро" к "нано" - это качественный переход от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.
Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:
изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;
разработка и изготовление наномашин;
манипуляция отдельными атомами и молекулами и сборка из них макрообъектов.
Разработки по этим направлениям ведутся уже давно. В 1981 году был создан туннельный микроскоп, позволяющий переносить отдельные атомы. С тех пор технология была значительно усовершенствована. Сегодня эти достижения мы используем в повседневной жизни: производство любых лазерных дисков, а тем более DVD невозможно без использования нанотехнических методов контроля.
На данный момент возможно наметить следующие перспективы нанотехнологий:
1. Медицина. Создание молекулярных роботов-врачей, которые "жили" бы внутри человеческого организма, устраняя или предотвращая все возникающие повреждения, включая генетические.
2. Геронтология. Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и улучшения тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики.
3. Промышленность. Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул.
4. Сельское хозяйство. Замена природных производителей пищи (растений и животных) аналогичными функционально комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки "почва - углекислый газ - фотосинтез - трава - корова - молоко" будут удалены все лишние звенья. Останется "почва - углекислый газ - молоко (творог, масло, мясо)". Такое "сельское хозяйство" не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда.
5. Биология. Станет возможным внедрение наноэлементов в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными - от "восстановления" вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов.
6. Экология. Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы.
7. Освоение космоса. По-видимому, освоению космоса "обычным" порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком - сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из "подручных материалов" (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.
8. Кибернетика. Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным "переселение" человеческого интеллекта в компьютер.
9. Разумная среда обитания. За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет "разумной" и исключительно комфортной для человека.
2. Эйфория по поводу нанотехнологий вполне оправданна
Тот факт, что нанотехнологии способны внести важнейший вклад в решение проблем как энергетики, так и связанных с ними задач по сохранению окружающей среды, сомнений не вызывает. Линии электропередачи, да и вообще все проводники электроэнергии, аккумуляторы и солнечные фотопреобразователи становятся благодаря им мощнее и повышают свой КПД. Именно это обстоятельство побудило руководство германской земли Гессен, как отмечает еженедельная газета VDI-Nachrichten перейти к организации постоянного диалога между представителями различных энергетических отраслей и нано-учеными. Гессен, по словам земельного министра экономики Алоиса Риля делает ставку на надежную, экологически чистую энергию по доступным для населения ценам и именно достижению этой цели могут помочь нанотехнологии.
Проведенный по инициативе министерства в кооперации с таким научным учреждением Institut fur Solare Кnergieversorgungstechnik форум под названием «Нано-Энергия» продемонстрировал возможности нанотехнологий не только в сфере повышения качественного использования традиционных энергоносителей, в частности ископаемых, включая и ядерную энергетику, таких возобновляемых видов энергии, как тепло земли, солнце, ветер, вода, биомасса. Речь при этом может идти, например, об использовании новых технологий для производства более стойкого к износу бурового оборудования, применяемого для освоения нефтяных и газовых месторождений, для изготовления более легких и стабильных лопастей для роторов ветряных электростанций, для увеличения КПД солнечных панелей за счет роста объема поглощения света на электростанциях, использующих энергию нашего светила. Уже созданы «интеллигентные» окна, способные либо абсорбировать энергию солнца, либо отражать ее в зависимости от времени года и потребности жилища. Перспективным направлением применения нанотехнологий ученые считают работы по улучшению поглощающих свойств традиционных солнечных панелей с использованием кремния или созданию новых видов покрытия из полимерных пленок. Полимеры позволят не только снизить цену таких панелей, но и даже использовать их для энергоснабжения мобильных электронных устройств.
Широкое применение наноматериалы найдут в процессах превращения первичных видов энергоресурсов в другие виды энергии, в том числе в электроэнергию. В автомобильной промышленности это снизит потребление топлива за счет применения наноматериалов в генераторах, в шинах, в специальных добавках в бензин или за счет оптимизации сгорания топлива в моторах, изготовленных на базе наноматериалов. В электроэнергетике предполагается применение покрытий из нановещества в турбинах, топливных элементах. Можно добиться повышения емкости электрических батарей, аккумуляторов и конденсаторов за счет применения при их создании наноэлементов.
Сегодня ученые работают над применением наноматериалов при термоэлектрических превращениях энергии. Речь идет о создании полупроводников с наночастицами, что позволит использовать остаточное тепло как в автомобильных моторах, так и тепло человеческого тела с помощью специальных текстильных наноматериалов.
Потерь энергии можно будет в перспективе избежать за счет применения в системах электропередачи углеродных проводников с добавками наноэлементов.
Однако не только в высокотехнологичных областях возможно применение наноматериалов. Например, в спорте можно резко повысить энергетику мяча для гольфа. Смысл состоит в физических свойствах ротации мяча, благодаря которым он достигает наибольшей высоты. При этом если ротация неравномерно воздействует на ось мяча, то он отклоняется влево или вправо. Использование нанотехнологий при изготовлении таких мячей позволяет им равномерно достигать больших высот без каких-либо отклонений. Возможно, что подобная технология может применяться и при конструировании летательных аппаратов.
3. Нанотехнологии и переход к водородной энергетике
Если рассмотреть «водородные программы» правительств разных стран, становится видно, что их целью является достижение «технологической готовности» такого уровня, на котором станет возможным принимать решения о коммерциализации этой технологии и сателлитных разработок в масштабах промышленности.
На достижение столь амбициозных целей отпущено крайне мало времени: в качестве дат полного перехода к повсеместному использованию водородного топлива называются 2015, 2020 и 2025 гг. Нанотехнологии могут существенно помочь разработкам в этом направлении, поскольку уже сейчас предоставляют решения для каждого из трех ключевых аспектов водородной энергетики – производства водорода, его хранения и создания эффективных топливных ячеек.