Знание-сила, 2000 №09

К примеру, в Чикагском университете отслеживали быстрые структурные перестроения миоглобина – белка, обнаруженного в мускулах и ответственного за накопление и перенос кислорода. Их можно представить в виде фильма, каждый кадр в котором получен в результате очень короткого наносекундного импульса рентгеновских лучей, фиксирующего изменения молекулы миоглобина через каждую миллисекунду. Исследователи пытаются понять, как молекулы кислорода захватываются и высвобождаются из «пещерообразных» структур миоглобина.

Современные источники синхротронного излучения обладают такой мощностью, что одного короткого импульса достаточно, чтобы получить отчетливый «снимок» белка. Правда, для этого требуется достаточно сложная электроника, чтобы отслеживать приход лазерных импульсов длиной менее наносекунды. В процессе эксперимента ученые исследуют поведение не кислорода, а окиси углерода, поскольку эта молекула легче отделяется от миоглобина под воздействием рентгеновских лучей.

Самый главный результат эксперимента: впервые удалось наблюдать развитие молекулярно-биологического процесса. Это первый шаг на пути к детальному (на атомном уровне) пониманию кинетики и динамики важных белковых реакций и одно из важнейших применений ультраярких источников излучения в ближайшем будущем. Наиболее перспективное направление развития таких источников – лазеры на свободных электронах, которые уже строятся вокруг очень длинных и сложных ондуляторов. Эта технология позволит получить пучки яркостью на много порядков величины больше, чем от современных накопительных колец. С их помощью ученые смогут продвинуться в понимании самых разных процессов и структур.

Александр Семенов

Колесо, хранящее энергию

Тридцать лет назад мы писали об этой идее как о фантастике, которая, несмотря ни на что, может претвориться в жизнь. И вот прошли годы, идея становится явью.

«Взгляните на все эти современные автомобили, – говорит Джек Биттерли с иронической усмешкой. – Они сконструированы так, как будто собираются ехать задом наперед. Оптимальная форма для любого движения – самолетное крыло с закругленной передней частью и более тонкой задней. Все, что ездит по нашим улицам, – это ужасно». Аэродинамика – одновременно и профессия, и хобби Джека Биттерли.

В свои восемьдесят лет Джек выглядит как типичный пожилой американец – энергичный, подтянутый, хорошо одетый. Почти полвека назад он начал работать экспертом аэродинамики в известной компании «Локхид» и разработал немало удачных самолетов. И сейчас он никак не может уйти на покой: до сих пор это бурлящий вулкан, радикал, ниспровергатель основ, работающий по пятьдесят часов в неделю над своим новым проектом «Летающее колесо». Он решил совершить революцию в одной из наиболее традиционных областей – отрасли хранения энергии. Примерно то же самое, что изобрести велосипед.

Тема хранения энергии на первый взгляд не слишком увлекательна. Но задумываться о ней пора, поскольку она переходит из старой экономики в новую, при этом острота ее возрастает. Полупроводниковые приборы очень плохо переносят даже незначительное колебание в напряжении питания, поэтому используются запасные источники питания, что дорого. Автомобилестроители уже не один десяток лет разрабатывают электромобиль и никак не добьются успеха, потому что электрические батареи не могут запасать энергию, достаточную для перемещения на большие расстояния, да и заряжать их долго.

Новую экономику иногда называют «экономика всегда online», и она зависит от постоянного энергоснабжения. Неудивительно, что источники бесперебойного питания превращаются из экзотического сопровождения для супердорогих компьютеров в стандартное оборудование любого офиса, а особенно – активно работающего с Интернетом.

Типичный современный источник бесперебойного питания состоит из большого количества кислотно-свинцовых батарей, устройств, которые Томас Альва Эдисон мгновенно узнал бы, если бы перенесся к нам из прошлого века. Эти «пережитки прошлого» выходят из строя в течение нескольких лет, они очень ненадежны, поскольку плохо переносят слишком высокие или слишком низкие температуры. Они ломаются совершенно неожиданно, а после выхода из строя становятся кошмаром для защитников окружающей среды, поскольку содержат и кислоты, и свинец. Тем не менее ожидается, что рынок таких батарей, который сегодня составляет около миллиарда долларов в год, в ближайшие два-три года будет ежегодно увеличиваться на 10 процентов в год.

Фотография одной из таких батарей висит на стене Джека Биттерли. Он объясняет, что весит она более двухсот килограммов, а работает не более пяти лет. В некоторых энергетических компаниях, не включенных в единые энергосистемы стран, приходится держать по пять – десять тысяч таких батарей. «И это считается торжеством технической мысли» – закатывая глаза, говорит Биттерли.

Он показывает блестящий черный диск толщиной 'в 7-8 и диаметром в 25 сантиметров с дырой в центре. Диск весит 10 килограммов:. Бросается в глаза его тщательная обработка и очень правильная форма. Изготавливаются такие диски в компании Биттерли, и именно их он считает инструментом революции в накопителях энергии. Еше раз революция колеса. По мнению создателя. именно такие колеса станут источниками бесперебойного энергоснабжения.

Странно звучит: после эры высокотехнологичной электроники опять возвращается механическое колесо. Но это так. Биттерли не одинок в своих разработках, аналогичные колеса появляются по обеим сторонам океана и одновременно идет формирование рынка. Идея предельно проста: вначале электромотор раскручивает колесо до высокой скорости, и оно крутится в специальной подвеске в вакууме, практически не теряя скорости. Когда надо извлечь из него энергию, к нему подключают электромотор в режиме генератора, и колесо отдает все, что было накоплено. У колеса есть несколько преимуществ перед батареей: возможность запасти в десять раз больше энергии (при одинаковом весе), полная независимость от температуры, возможность быстрой разрядки.

Естественно, чем больше удастся запасти в колесе энергии, тем привлекательней оно будет. Для этого колеса надо делать более тяжелыми и заставлять их вращаться быстрее, поскольку энергия пропорциональна массе и квадригу скорости вращения. Наращивать скорость выгодней, но с ростом скорости нарастают и проблемы: с такой же скоростью нарастают и центробежные силы, разрывающие колесо.

Это действительно сложная проблема. В каждом автомобиле есть подобное колесо, но оно крутится со скоростью всего 5 тысяч оборотов в минуту. Биттерли хочет раскручивать свои колеса в двадцать раз быстрее, что порождает в четыреста раз более мощные центробежные силы. Колесо может начать разрушаться, разбрасывая осколки со скоростью в тысячи километров в час. Пока тестовые образцы Биттерли крутятся со скоростью 60 тысяч оборотов в минуту.

А начиналось все лет тридцать назад, когда известный американский физик Ричард Пост написал статью для известного популярного журнала «Сайнтифик Америкэн» о том, что новые материалы и системы управления могут полностью революционизировать идею накопления энергии в крутящихся колесах. Он предложил изготавливать колеса из углеродных волокон, которые прочнее стали, и подвешивать их в магнитных подвесках, чтобы полностью устранить трение. Тогда эти идеи реализовать было нельзя. Джек Биттерли прочел статью в 1973 году, и она оставила след в его душе.

Биттерли всегда отличало то, что, кроме ума эксперта-аэродинамика, у него билась жилка предпринимателя. За свою долгую трудовую жизнь он успел не только поработать в «Локхиде», но и руководил собственной консультационной фирмой в области космической медицины. Прочитав статью Поста, он вместе с приятелем приобрел лицензию на использование идей Поста, которые тот предусмотрительно запатентовал. В 1975 году родилась компания «Летающее колесо».