Научный дайджест №20 / Аналитика

⇡#Оптимизация проезда перекрёстков беспилотными автомобилями

Для большинства из нас компания Google ассоциируется в первую очередь с популярной поисковой системой. Но этим её интересы не ограничиваются. Google работает над множеством разнообразных проектов, которые могут кардинально изменить нашу жизнь. Один из них — так называемый беспилотный автомобиль, или гугломобиль.

Рис. 1. Гугломобиль

Для реализации функции автопилота используется целый ряд достижений современной науки и технологий, включая сервис Google Street View, радары и датчики в разных частях автомобиля плюс множество видеокамер. Есть основания полагать, что такие машины будут гораздо безопаснее современных. Ведь более 90% аварий случаются по ошибке водителей, в результате того, что они отвлеклись или у них внезапно ухудшилось самочувствие. Кстати, Google уже успешно испытала несколько беспилотных автомобилей, а власти Невады, Флориды и Калифорнии даже узаконили тестирование на общественных автодорогах подобных транспортных средств. Собственные технологии автопилота разрабатывают также ключевые автопроизводители.

Как видите, это направление сейчас весьма актуально и требует интенсивных научных исследований. Одной из важнейших проблем беспилотной технологии является проезд перекрёстков. Эту задачу решают сотрудники Технического транспортного института Виржинии в своей научной работе, которая описывается в недавней публикации Optimizing Driverless Vehicles at Intersections. Главная цель — разработка эвристического оптимизационного алгоритма, который управляет беспилотными автомобилями на нерегулируемых перекрёстках. С помощью оптимизации учёные пытаются увеличить скорость прохождения перекрёстков, грамотно выбирая траектории движения для каждого автомобиля.

Рис. 2. Мультиагентная система управления проездом перекрёстков

Изобретатели используют концепцию мультиагентной системы, в которой автомобили выступают автономными агентами, управляемыми специальным контроллером перекрёстка (агентом-менеджером). Главная идея системы — контроллер общается с автомобилями, находящимися в контролируемой зоне ISZ (Intersection Study Zone), и определяет оптимальную траекторию и скорость движения для каждого автономного агента. В условиях эксперимента длина контролируемой зоны составила 200 метров в каждом направлении. Входными данными для контроллера являются: характеристики перекрёстка (например, ограничение скорости проезда для данного перекрёстка и количество полос движения в каждом направлении), данные локальной метеостанции, данные автономных агентов (скорость в данный момент, направление движения и точные координаты, ускорение, физические параметры автомобиля). Эти данные обрабатываются с помощью встроенного симулятора реального времени.

Рис. 3. Проезд перекрёстка беспилотными автомобилями

Разработанный учёными симулятор по ряду показателей выгодно выделяется среди подобных решений. Изобретатели утверждают, что ни один другой симулятор не оптимизирует движение автомобилей на глобальном уровне с целью уменьшения общей задержки при проезде перекрёстка. Также не берётся во внимание влияние погодных условий. Кроме того, большинство симуляторов не учитывают физические характеристики автомобиля, такие как масса и мощность двигателя, и не позволяют организовать плавный и быстрый проезд перекрёстка (традиционные симуляторы одним машинам разрешают проезд, тогда как другие в этот момент полностью остановлены).

Согласно предварительным тестам, предложенная система в случае приближения к перекрёстку четырёх автомобилей с четырёх разных направлений позволяет на 65% сократить время его проезда. Результаты работы были представлены на конференции Intelligent Transportation Society World Congress в Вене.

⇡#Питание электромобиля от дорожного полотна

Раз уж мы заговорили об автомобилях, то стоит упомянуть также научную работу Dielectric Coupling from Electrified Roadway to Steel-Belt Tires Characterized for Miniature Model Car Running Demonstration. Речь в ней идёт об испытании технологии беспроводной передачи энергии электромобилям.

Несмотря на все преимущества электромобилей, некоторые их ключевые недостатки перечёркивают плюсы. Главными проблемами остаются: малое время пробега от одного заряда аккумулятора, длительная зарядка, высокая цена батарей. Решение проблемы некоторые учёные видят в разработке специальных электрифицированных дорог, которые могли бы использоваться для непрерывной подзарядки электромобилей. В начале 2012 года исследователи Стэнфордского университета предложили систему беспроводной зарядки, которая использует магнитное поле для передачи мощных электрических токов между металлическими катушками, встроенными в дорожное полотно и в электромобиль. Такая беспроводная передача энергии основывается на резонансной магнитной связи, при которой ток проходит между катушками, настроенными на одну частоту. Пока их исследования ограничиваются компьютерным моделированием.

Рис. 4. Проект Стэнфордского университета

Ещё дальше пошла группа учёных из Технологического университета Тойохаси (Toyohashi University of Technology) под руководством профессора Такаси Охира (Takashi Ohira). В рамках проекта Electric Vehicle on Electrified Roadway (сокращённо EVER) исследователи предлагают подзаряжать электромобили от магнитного поля, создаваемого стальными лентами, которые встроены в дорожное полотно. При движении электромобиля по такой трассе ток передаётся благодаря диэлектрической связи между стальным брекером колеса и металлическими пластинами дороги. Роль диэлектрика в данном случае играет резиновая шина. Японские изобретатели ещё летом создали экспериментальный стенд — запитанную беспроводным способом лампочку, размещённую между двумя колёсами.

Рис. 5. Лампочка, подзаряжаемая при вращении колёс

Теперь же учёные провели «первую в мире демонстрацию передачи энергии электромобилю от дороги». В рамках эксперимента исследователи спроектировали копию настоящего электромобиля, уменьшенную в 32 раза. Эта модель передвигалась по электрифицированному полотну, при этом КПД беспроводной передачи энергии составил 75% при частоте 52 МГц.

Рис. 6. Проект EVER

Пока что перспективы подобных проектов весьма туманны. Ведь для их реализации необходимо переоборудовать дороги, на что придётся затратить много времени и денег. Особенно для нашей страны с её десятками и сотнями тысяч километров дорог. До массового появления электромобилей технологии наподобие EVER представляют скорее теоретический интерес.

⇡#Литиево-ионные батареи из пурпурина

Если электромобили, подзаряжаемые от дороги, вас не удивляют, возможно, следующая разработка всё же впечатлит больше. На страницах «Научного дайджеста» уже не раз появлялись заметки о разных способах улучшения литиево-ионных аккумуляторов. Но на звание самого оригинального, похоже, претендует способ, предложенный химиками из Сити-колледжа Нью-Йорка, Университета Райса и Исследовательской лаборатории армии США. Речь идёт о разработке нетоксичной литиево-ионной батареи, использующей пурпурин (органическое красное красящее вещество, извлекаемой из корней марены).

В большинстве современных литиево-ионных батарей катод изготавливается из соединения кобальта и лития, образуемого при высокой температуре. Добыча кобальта и его обработка являются довольно дорогими процессами. Также больших денежных затрат требует последующая утилизация таких батарей. Поэтому необходимо исследование новых экологически чистых материалов, которые бы легко утилизировались без вреда для окружающей среды и при этом были бы выгодными с экономической точки зрения.

Кандидатом на замену кобальту является пурпурин, способный играть роль электрода. Ароматические кольца пурпурина включают карбонильные и гидроксильные группы, которые позволяют проталкивать электроны в прямом или обратном направлении точно так же, как это делают традиционные электроды. Разработчики отмечают, что пурпурин прекрасно сочетается с литием.

Рис. 7. Механизм литиирования молекулы пурпурина

В научной литературе также упоминались ещё одна или две натуральные органические молекулы, которые пригодны для использования в аккумуляторах, но процесс их изготовления довольно сложный и затратный. А вот электрод из пурпурина можно изготовить очень просто. Пурпурин необходимо растворить в алкогольном сольвенте и добавить литиевой соли. Когда ионы лития из соли образуют связи с молекулами пурпурина, вещество поменяет цвет с красновато-желтого на розовый.

Что касается перспектив данной разработки, то исследователи предрекают её коммерциализацию в течение нескольких лет. Подробнее о пурпуриновых электродах можно почитать в статье Lithium storage mechanisms in purpurin based organic lithium ion battery electrodes.

⇡#Троекратное увеличение КПД органических солнечных ячеек

Органические солнечные ячейки по эффективности проигрывают кремниевым, зато себестоимость их производства гораздо ниже. Если удастся ощутимо повысить КПД таких ячеек, то они могут занять весомую нишу на рынке солнечной энергетики.

Многообещающее исследование учёных из Принстонского университета предлагает новую технологию, которая позволяет повысить КПД органических солнечных ячеек почти в три раза. Снижению их эффективности способствуют отражение света от поверхности ячейки, а также неспособность полностью захватить свет, который проник в середину. Для решения этих проблем изобретатели разработали металлическую многослойную структуру. Созданная на основе такой структуры солнечная ячейка отражает всего 4% света, а поглощает оставшиеся 96. По сравнению с традиционными решениями новая ячейка преобразовывает свет в электрическую энергию на 52% эффективнее.

Рис. 8. Разница в эффективности работы традиционной и новой ячейки

Верхний слой представляет собой пластину из золота толщиной 30 нм, которая усеяна отверстиями диаметром 175 нм каждое. Этот слой заменяет традиционный материал — оксид индия-олова (ITO), довольно, кстати, дорогой. Остальные слои — стандартные для солнечных ячеек. Это прозрачный пластик толщиной 10 нм, пластиковый полупроводник толщиной 85 нм и оксид титана толщиной 5 нм.

Расстояния между отверстиями в верхнем слое, их диаметр и толщина всего «бутерброда» меньше, чем длина волны света, который собирается в солнечной ячейке. Это ключевая особенность новой технологии. В структурах с размерами меньше длины волны свет подчиняется другим законам. Такая наноструктура позволила разработчикам создать ловушку, в которую свет попадает, практически не отражаясь, и задерживается там.

Рис. 9. «Бутербродная» структура ячейки

В рамках эксперимента учёные заменили в солнечной ячейке с эффективностью 2,9% соединение ITO металлическим слоем. Это позволило поднять КПД до 4,4% (на 52%). При рассеянном свете КПД повышается до 8%, то есть на 175%. Если учесть, что рекорд эффективности органических солнечных ячеек составляет примерно 10%, то данная технология теоретически может увеличить этот рекорд до 27,5%.

Подробнее о новой технологии и физических процессах, лежащих в её основе, можно почитать в публикации Ultrathin, high-efficiency, broad-band, omni-acceptance, organic solar cells.

⇡#Ткань со встроенными солнечными ячейками

Парад любопытных изобретений последних дней завершает уникальная ткань, созданная японскими компаниями Sphelar Power и Industrial Technology Center. Пока что изобретатели разработали только прототип, но потенциальные возможности грядущего устройства уже впечатляют. Ведь эта ткань работает по принципу солнечной батареи. Одежда из такой ткани позволит на ходу подзаряжать электронные устройства. Из неё можно делать и пляжные зонтики: лежишь себе у моря и подзаряжаешь всё, что забыл подзарядить в отеле. Полезных приложений этому изобретению можно найти много. Лишь бы мощность была достаточной.

Рис. 10. Ткань с солнечными ячейками

Разработчики пока не раскрывают всех деталей своей технологии. Известно лишь, что базовая структура заряжаемой от солнца ткани включает оболочку и непосредственно саму ткань со сферическими солнечными ячейками Sphelar диаметром 1,2 мм каждая, на обратной стороне которых прикреплены электроды. В отличие от традиционных плоских солнечных ячеек, Sphelar-ячейки менее зависимы от угла падения солнечных лучей и захватывают свет со всех направлений.