МОСКВА, Москва.Ру. Ученые из РАН придумали, как можно создать микроскопический двигатель внутреннего сгорания, который можно будет встроить в смартфоны, ноутбуки или микрочипы для проведения медицинских анализов, говорится в статье, опубликованной в журнале Scientific Reports.
«Для ноутбуков и прочих мобильных устройств мы используем электрохимические батареи, в которых запасено энергии в десятки раз меньше, чем в любом автомобильном топливе того же объема. Почему же мы не применяем микродвигатели внутреннего сгорания для гаджетов? Фундаментальная проблема в том, что реакции горении гаснут в малых объемах из-за быстрого ухода тепла. В нашем проекте мы предлагаем решение этой проблемы», – объясняет Виталий Световой из Физико-технологического института РАН в Ярославле, чьи слова приводит Российский научный фонд.
Пламенный мотор
За последние годы ученые активно пытаются найти замену современным щелочным и литий-ионным источникам питания, которые используются в различных цифровых гаджетах, автономным медицинских приборах, промышленных инструментах и космических зондах. Одним из вариантов их замены являются так называемые топливные элементы – своеобразные аналоги батареек и аккумуляторов, в которых электрический ток возникает благодаря реакциям окисления топлива.
Подобные источники питания обладают более высоким КПД, чем обычные аккумуляторы, и они могут работать фактически бесконечно при наличии топлива и окислителя, но при этом они все же уступают в эффективности и мощности двигателям внутреннего сгорания, которые примеряются сегодня в автомобильной промышленности.
У подобных двигателей, как объясняет Световой, есть ограничения – их минимальный объем должен составлять несколько кубических сантиметров, что не позволяет создать миниатюрный «мотор» классической конструкции, который можно было бы встроить внутрь телефона или других небольших гаджетов.
Российские химики нашли способ преодолеть это ограничение, наблюдая за необычными реакциями, которые происходят в обычном стакане с водой при попытке ее разложить при помощи электрического тока.
Как рассказывают ученые, относительно недавно их коллеги заметили, что пропускание через воду тока с постоянно меняющейся полярностью приводит не к разложению воды, а к формированию внутри нее микроскопических пузырьков из смеси кислорода и водорода. При определенной частоте «переключений» электродов и определенном расстоянии между ними эта смесь начинает спонтанно загораться, формируя молекулы воды. Этот процесс нельзя увидеть из-за небольших размеров пузырьков, но его можно услышать – сгорание пузырьков сопровождается «щелчками».
Полезные действия
Световой и его коллеги задумались, можно ли преобразовывать энергию подобных «нано-взрывов» в механические колебания и в электричество. Для ответа на этот вопрос ученые создали специальную экспериментальную установку, которая позволяла им следить за формированием и сгоранием одиночных пузырьков газа, а также оценивать давление которое они порождают.
Как объясняют физики, взрывообразное сгорание любого топлива порождает две вещи – тепло и давление. Фактически, во всех двигателях используется лишь вторая вещь, а тепло только мешает их работе. Соответственно, если вся энергия взрыва уходит в тепло, то тогда такой двигатель будет крайне неэффективным или просто бесполезным.
Раньше ученые считали, что почти вся энергия сгорающего топлива в столь небольших пузырьках уходит в тепло, однако наблюдения ярославских физиков показали, что это не так. По их расчетам, во время «взрыва» каждого нанопузырька примерно 0,3 микроджоуля энергии преобразуется в механические колебания, которые можно использовать для полезной работы – производства электричества или для приведения в движение насоса или любого другого механического прибора.
«Конечная цель нашего проекта — создание компактного, но обладающего достаточной удельной мощностью микронасоса, который может служить двигателем, например, для анализа крови на микрочипах. Не в каждом медицинском кабинете или в полевых условиях имеется компрессор, позволяющий нагнетать давление. Энергию взрыва пузырьков в рабочей камере насоса можно использовать для толкания жидкости по микроканалам», – заключают ученые.
