Электричество хаотично, и обычно его использование приходится ограничивать проводами и цепями. Однако международной группе учёных из Европы и Канады удалось точно направлять электрические искры в воздухе и даже заставить их огибать препятствия с помощью ультразвуковых волн. Детальная информация о проделанной работе опубликована в журнале Science Advances.

Источник изображения: newatlas.com

В новом исследовании учёные из Хельсинского университета, Университета Наварры и Университета Ватерлоо продемонстрировали способ управления передаваемыми по воздуху электрическими искрами. Представленная технология позволяет направлять искры настолько точно, что они могут огибать препятствия и достигать определённых точек на каком-либо материале, даже если он не обладает электропроводностью.

«Мы наблюдали это явление более года назад, после чего нам потребовались месяцы, чтобы взять его под контроль, и ещё больше времени, чтобы найти объяснение», — сказал Асьер Марзо (Asier Marzo), один из участников исследования.

Хитрость заключается в использовании ультразвуковых волн. Дело в том, что звуковые волны на таких частотах создают давление воздуха, достаточное для обеспечения левитации крошечных объектов. В данном случае волны не стимулируют само электричество, а лишь формируют траекторию его движения. При образовании искры воздух вокруг неё нагревается. Более тёплый воздух расширяется, из-за чего снижается его плотность. Поскольку электричество лучше проходит через воздух с меньшей плотностью, искра движется именно в этом направлении. Ультразвуковые импульсы позволяют перемещать более тёплый воздух с меньшей плотностью, который, в свою очередь, задаёт направление для движения электричества.

Исследователи протестировали технологию с помощью пары ультразвуковых излучателей, окружающих точку, в которой с помощью катушки Теслы генерируется искра. При включении ультразвука искра превращается из древовидной формы в единую линию, которую можно направить в нужную сторону, физически перемещая излучатель или регулируя мощность ультразвука. Учёным удалось направлять искры таким образом, чтобы они попадали на определённые электроды и избегали другие, что помогло обеспечить контролируемое переключение в беспроводных цепях.

«Я в восторге от возможности использования очень слабых искр для создания контролируемых тактильных ощущений в руке и, возможно, создания первой бесконтактной системы Брайля», — заявил один из авторов исследования, Джозу Ирисарри (Josu Irisarri).

Доля возобновляемых источников в производстве всей электроэнергии в мире достигла рекордного показателя — 33 %. Особенно стремительный рост показали солнечная и ветровая энергия. По прогнозам через 10 лет доминирование ископаемого топлива сойдет на нет.

Источник изображения: Copilot

Согласно недавнему отчету независимого аналитического центра Ember, 2023 год стал поворотным для возобновляемой энергетики. Объемы выработки электроэнергии солнечными электростанциями выросли на 23 %, а ветровыми — на 10 %. В то же время производство электроэнергии с использованием ископаемого топлива, такого как уголь и газ, увеличилось лишь на 0,8 %. Такие темпы роста возобновляемых источников энергии являются беспрецедентными.

Стоит отметить, что ещё в 2000 году на возобновляемые источники приходилось лишь 19 % мирового производства электроэнергии, но за последние два десятилетия ситуация радикально изменилась. Аналитики прогнозируют, что в ближайшие 10 лет мир вступит в новую эру, когда доминирование ископаемого топлива сойдет на нет.

Причины стремительного роста возобновляемой энергетики очевидны. Во-первых, стоимость солнечных панелей и ветряных турбин неуклонно снижается. Во-вторых, все больше стран вводят жесткие экологические нормы, стимулируя развитие «зеленой» энергетики. Наконец, растет общественное давление на правительства и корпорации с требованиями ускорить энергетический переход.

Впрочем, пока рано говорить о тотальном доминировании возобновляемых источников энергии. В 2023 году мировое производство гидроэлектроэнергии упало до пятилетнего минимума, что частично компенсировалось за счет угля и газа. Кроме того, глобальный спрос на электричество продолжает расти примерно на 2 % в год, и чтобы удовлетворить этот спрос исключительно за счет «зеленой» энергетики потребуются колоссальные инвестиции в ветровые и солнечные мощности.

Источник изображения: Ember

Тем не менее, общая тенденция такова — мир неуклонно движется к возобновляемому энергетическому будущему, а согласно прогнозам Ember, в ближайшее десятилетие масштабы использования ископаемого топлива будут неуклонно сокращаться, что приведет к существенному снижению выбросов парниковых газов. И хотя полная декарбонизация энергетики потребует значительных усилий, 2023 год продемонстрировал, что этот процесс необратим.

В отчете Ember собраны данные из 215 различных стран, включая данные по 80 странам, на которые приходится 92 процента мирового спроса на электроэнергию. Также включены данные из 13 географических и экономических регионов, таких как Азия, Африка, ЕС и G7.

Отказоустойчивость интернета как сетевой инфраструктуры поражает, если не знать, что она разрабатывалась для сохранения связи в зонах ведения боевых действий. Нечто подобное американские учёные решили создать для сетей электроснабжения с упором на микросети на возобновляемых источниках энергии и системы накопления.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Выбор микросетей на возобновляемых источниках энергии был очевиден — они не зависят от внешних поставок энергоресурсов для производства электрической энергии и даже в случае каких-либо аварий смогут работать локально. Поэтому главной задачей было создание архитектуры и протоколов для обхода или изоляции повреждений на линии и балансировки выдаваемой и потребляемой мощности. Также важным моментом стала защита от кибернетических атак, что сегодня вообще не должно вызывать вопросов.

Сообщается, что поставленная задача в основном была решена группой исследователей из Сандийских национальных лабораторий (Sandia National Laboratories) — одной из 16 национальных лабораторий под управлением Министерства энергетики США. Они разработали протоколы и алгоритмы для управления микросетями, включая работу программируемых сетевых реле.

Платформа по обеспечению отказоустойчивого энергоснабжения сама оценивает повреждения на линиях или оборудовании, а также вырабатываемую и потребляемую мощность. Она также может подключаться к общей сети электроснабжения, но в случае перегрузки будет управлять не возможностями инвертора, а начнёт отключать менее важных потребителей, например, частные домохозяйства, отдавая предпочтение больницам и другим критически важным структурам. Кроме того, протокол предусматривает разрывы нежелательных закольцовок, которые могут появиться при обрывах и восстановлении энергоснабжения.

Интересно отметить, что разработать алгоритм реконфигурации сети электроснабжения помогло программное обеспечение для сферы автоматизированного проектирования. Представленные учёными алгоритмы на примере трёх небольших взаимосвязанных микросетей позволили локализовать неполадки, в том числе повреждённые поваленными деревьями линии электропередач и повреждения на электростанции, а затем восстановить электроснабжение основных объектов инфраструктуры.

Учёные из США разработали эффективную конструкцию микробных топливных элементов (МТЭ или MFC — microbial fuel cell), детали к которым можно найти на полках магазинов. Идея таких элементов была предложена около 100 лет назад, однако пока им не находилось применения. Сегодня подобные источники питания могут пригодиться для автономных датчиков с малым потреблением, и это может дать технологии путёвку в жизнь.

Источник изображений: Bill Yen/Northwestern University

Микробные топливные элементы работают на способности бактерий в процессе питания органическими остатками в субстрате — буквально в грязи — отрывать электроны и передавать их аноду. В новой батарее анод изготовлен из пористого углеродного материала в виде диска на её дне. Бактерии живут в нём и в процессе питания освобождают электроны. Процессы происходят без доступа кислорода. Для работы батарею необходимо донышком погрузить в грязь почти доверху.

Для длительной работоспособности подобных элементов важным условием было поддержание высокой влажности субстрата. Несоблюдение его могло свести на нет использование микробных топливных элементов. Также распространению МТЭ прежде мешала низкая выходная мощность. Для современных автономных датчиков низкая мощность источников питания — это не проблема. Что касается перепадов влажности, то учёные из Северо-Западного университета создали такую конструкцию батареи, чтобы она могла находиться как можно глубже в почве, где колебания влажности меньше.

Совсем погружать такую батарею в грязь нельзя. Для осуществления окислительно-восстановительных реакций на катоде, что ведёт к протеканию электрического тока, к катоду должен быть доступ кислорода. Катод в новой батарее располагается вертикально перпендикулярно дисковому аноду на дне элемента. По внешней стороне катод покрыт водоотталкивающим покрытием, что обеспечивает ему контакт с воздухом. Внутренняя сторона катода закрыта ионоселективной мембраной. Мембрана обращена внутрь пустого контейнера с крышкой, защищающей его от попадания грязи вовнутрь.

Тестирование конструкции показало стабильную работу при различных уровнях влажности почвы, от полностью пропитанной влагой до «умеренно сухой» с 41 % воды по объёму. В среднем элемент вырабатывал примерно в 68 раз больше энергии, чем требовалось для работы простейших датчиков влажности и касания, а также обеспечивал работу передатчика для отправки данных на базовую станцию.

«Если мы представим будущее с триллионами таких устройств [автономных датчиков], мы не сможем изготовить каждое из них с питанием от лития, тяжёлых металлов и других токсических веществ, которые опасны для окружающей среды, — говорят разработчики. — Нам нужно найти альтернативы, которые могут обеспечить небольшое количество энергии для питания децентрализованной сети устройств. В поисках решений мы обратились к почвенным микробным топливным элементам, которые используют специальные микробы для расщепления почвы и вырабатывают небольшое количество энергии для питания датчиков. Пока в почве есть органика, необходимая для питания и разложения микробами, топливный элемент потенциально может работать вечно».