В Японии запущен крупнейший в мире квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах. Систему разработали и изготовили компания Fujitsu и институт RIKEN. Над разработкой квантовых вычислителей они работают вместе с 2012 года. В марте 2023 года партнёры представили первый в Японии национальный 64-кубитный квантовый компьютер и обещали увеличить число кубитов до 100 в 2025 году, но превзошли сами себя и собрали систему на 256 кубитах — крупнейшую в мире.

Источник изображения: Roselyne Min/Euronews

Японские инженеры смогли достичь рекордных показателей благодаря новой архитектуре сверхпроводящих квантовых процессоров. Во-первых, они сделали её микрокластерной, организовав кубиты в ячейки по четыре штуки в каждой. Во-вторых, ячейки выстроили не только в ряд, но также в виде многоэтажной или трёхмерной структуры, не забыв при этом решить проблемы теплоотвода.

Возросшая плотность размещения кубитов позволила поместить 256-кубитный процессор в корпус прежнего 64-кубитного. Тем самым появился задел для дальнейшего масштабирования квантовых сверхпроводящих процессоров, что специалистами в этой сфере расценивается как наиболее сложная задача при создании имеющего практическую ценность универсального и устойчивого к ошибкам квантового компьютера.

Нелишне напомнить, что большинство научных работ доказывают, что имеющий практическую ценность отказоустойчивый квантовый компьютер может быть создан, начиная с платформы с миллионом физических кубитов. Японские исследователи считают, что новая кластерная и трёхмерная архитектура доказывает возможность приблизиться к заветному рубежу в миллион кубитов в пределах разумных объёмов помещений под квантовые системы.

Отдельно подчёркивается, что 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN достиг той же высочайшей плотности размещения сигнальных и управляющих кабелей, необходимых для работы с кубитами — чтения, программирования и коррекции ошибок, что и квантовые системы Google и IBM. Типичный квантовый компьютер на сверхпроводящих кубитах выглядит как люстра с массой входных и выходных кабелей с высокочастотными разъёмами.

Это всё потому, что для работы со сверхпроводящими кубитами для неразрушающего чтения требуются микроволновые (радиочастотные) сигналы. Добавим к этому тщательное экранирование каждого сигнального провода и получаем жгуты кабелей, затрудняющие масштабирование. Выходом может стать перенос контролирующей электроники внутрь криогенной камеры к кубитам, но такое охлаждение полупроводники пока не выдерживают. Это всё в будущем. А пока создаются гибридные платформы, в которых обычные суперкомпьютеры управляют кубитами. Европа, кстати, как отмечает источник, отстаёт от США и Японии в вопросе высокоплотного монтажа интерфейсов для сверхпроводящих квантовых вычислителей.

Добавим, 256-кубитный компьютер Fujitsu и RIKEN доступен клиентам через облако во всём мире. Впрочем, доступ, вероятно, ограничен узким кругом клиентов, имена которых держатся в тайне. В любом случае, пока идёт проверка идей и поиск задач, которые квантовые вычислители могут решать на современном уровне своего развития. В новом году Fujitsu и RIKEN обещают представить 1000-кубитовую платформу, что станет новым шагом вперёд к мечте — к универсальному отказоустойчивому квантовому вычислителю, в ряде задач в миллиарды раз превосходящему классические компьютеры.

Одна из глобальных целей в сфере чистой энергетики — это эффективное производство водорода с привлечением возобновляемых источников энергии. Обычно для этого используется электролиз — разложение воды на водород и кислород с использованием электрической энергии и катализаторов. Проблема состоит в дороговизне катализаторов с использованием благородных металлов. Японцы ближе всех подошли к решению задачи, для чего использовали обычный марганец.

Источник изображения: RIKEN

В последние годы наибольшую популярность приобрёл метод электролиза с протонно-обменной мембраной (PEM). Замена электролита на PEM стабилизирует выработку водорода и ускоряет его производство. Но применение мембран обходится значительно дороже и более хлопотно, поскольку в агрессивной среде мембраны быстро теряют свои свойства. Для продления их срока службы до настоящего времени в оксид марганца добавляли иридий, что резко увеличивало стоимость выработки водорода.

Исследователи из Института RIKEN в Японии взяли обычный марганец и изменили его трёхмерную структуру, что вылилось в создание наиболее эффективного и экологически чистого PEM-электролизёра без использования редких металлов.

Новый катализатор учёные разработали на основе оксида марганца (MnO₂), изменив структуру кристаллической решётки материала таким образом, чтобы она образовывала более прочные связи с атомами кислорода. Улучшенный MnO₂ оказался гораздо более стабильным, чем другие катализаторы на основе неблагородных металлов, и смог поддерживать реакцию с водой гораздо дольше, выработав на 1000 % больше водорода.

Согласно опубликованному в журнале Nature Catalysis исследованию, MnO₂ в 40 раз увеличивает срок службы других недорогих катализаторов. Материал более устойчив к растворению в кислоте и более стабилен во время реакции. В ходе лабораторных испытаний катализатор проработал более 1000 часов при силе тока 200 мА/см², производя в 10 раз больше водорода, чем другие материалы.

Безусловно, это только начало. Предстоит ещё много работы, прежде чем новый материал можно будет использовать в промышленных электролизёрах, но исследователи считают, что их открытие сыграет решающую роль в устойчивом производстве водорода. Будущие модификации структуры марганца могут допустить ещё большее увеличение плотности тока и больший срок службы катализатора, а в долгосрочной перспективе обещают сделать возможным электролиз воды без использования иридия и других редких металлов.

Сама идея использования стекла в качестве материала для определённых видов электронных компонентов не так нова, даже если не учитывать отрасль по производству ЖК-панелей. Японская компания Nippon Electric Glass рассчитывает наладить поставки крупных стеклянных подложек для многокристальных чипов со следующего года, они помогут создавать новые ускорители для систем ИИ.

Источник изображения: Nippon Electric Glass

Производитель начнёт снабжать образцами стеклянных подложек размером 510 × 510 мм своих клиентов со следующего года. До сих пор компания специализировалась на выпуске стекла для упаковок, в которых хранятся полупроводниковые компоненты, но теперь она готова предложить свои материалы непосредственно для производства чипов. К 2028 году она собирается увеличить размеры подложек до 600 мм по каждой из сторон.

Преимущество стеклянных подложек, как считает производитель, заключается в более высокой устойчивости к воздействию высоких температур по сравнению с современными пластиковыми. Кроме того, стеклянная подложка банально жёстче пластиковой. В стеклянной подложке для монтажа чиплетов необходимо проделывать тончайшие отверстия, Nippon Electric Glass научилась делать это при помощи углекислотных лазеров. Сами стеклянные подложки можно изготавливать почти на том же оборудовании, что и панели дисплеев, поэтому техническое перевооружение не будет слишком сложным и затратным. Конкуренты нередко предлагают проделывать отверстия в стеклянной подложке методом химического травления с использованием составов, провоцирующих коррозию металлов. В этом сегменте рынка пытаются закрепиться компании AGC и Dai Nippon Printing, поэтому Nippon Electric Glass не является единственным игроком рынка, претендующим на внимание производителей сложных с точки зрения компоновки чипов.

Компания также разрабатывает гибридный вариант подложки из стекла и керамики, который будет отличаться повышенной прочностью. Образцы таких подложек в типоразмере более 500 мм начнут поставляться клиентам до конца текущего года. Компания Intel об использовании стеклянных подложек заговорила ещё в 2023 году, предрекая переход на них участников отрасли во второй половине текущего десятилетия. Соответственно, подобные материалы будут пользоваться спросом на рынке.

Магнитная левитация широко используется для скольжения без трения в игрушках, приборах, фурнитуре и даже в поездах (маглевах). Но всё это работает от внешних источников питания и иногда очень мощных, если мы говорим о сверхпроводящих магнитах для левитирующих поездов. С постоянными магнитами чуть проще, но там свои ограничения. Учёные из Японии попытались соединить оба магнитных эффекта в одном устройстве и кое-что из этого вышло.

Источник изображений: OIST

Для своего исследования учёные из Окинавского института науки и технологий (OIST) взяли обычный графит. Этот материал известен своими диамагнитными свойствами. Он может приобретать намагниченность в наведённом магнитном поле и благодаря ей на некоторое время приобретает способность левитировать над магнитами. Это свойство появляется вместе с возникновением вихревых токов в материале. Правда, эти токи быстро иссякают ввиду высокой проводимости графита, но это оказалось поправимо.

Материал под электронным микроскопом (зелёный — это оксид кремния вокруг графита)

Японцы заключили крупицы графита в оболочку из оксида кремния, который является отличным диэлектриком. Затем они с помощью воска создали из таких крупинок пластинки площадью по 1 см². Придав площадкам намагниченность, им создали условия для левитации над постоянными магнитами. Благодаря хорошей токоизоляции крупинок графита в материале, вихревые токи в них долго не затухали, обеспечивая образцам достаточно длительную левитацию без внешней подпитки.

В поездах на магнитных подушках подобный материал вряд ли появится. Всё-таки, там другой уровень энергии и мощностей. Но эта технология может найти применение в датчиках — силы, ускорения и других. Возможны даже датчики с обратной связью, хотя в этих случаях придётся использовать питание. Зато этим можно будет увеличить чувствительность измерений вплоть до использования в квантовых системах, уверены учёные.

Исследователи из Университета Тохоку представили экологически безопасную одноразовую воздушно-магниевую батарейку. Для её активации нужна только обычная вода. В основе батареи лежит магний, который взаимодействует с водой и воздухом (кислородом). Такую батарею легко утилизировать, а использоваться она может для диагностических и носимых устройств.

Источник изображения: Tohoku University

В публикации учёные рассказали о разработке и тестировании высокоэффективной бумажной батареи, активируемой водой. Она использует нейтральный электролит и безопасный высокоэффективный электрокатализатор AZUL на основе пигмента. Бумажная батарея была изготовлена путём приклеивания фольги из магния (Mg) к бумаге и формирования катодного катализатора, а также газодиффузионного слоя (GDL) непосредственно на противоположной поверхности батареи.

Изготовленная таким образом бумажная батарея обеспечила напряжение постоянного тока 1,8 В. Плотность тока достигла 100 мА/см², а максимальная выходная мощность составила 103 мВт/см². Отдельно была проверена и подтверждена безопасность материалов, используемых в бумажной батарее. Кроме того, учёные на примерах показали применение экспериментальной батареи в носимых сенсорных устройствах, таких как пульсоксиметр (датчик SpO₂) и GPS-регистратор.

Источник изображения: The Royal Society of Chemistry 2024

Самым сложным в разработке было создать капиллярный механизм насыщения батареи водой в процессе активации, чтобы магний начинал взаимодействовать с водой и отдавать электроны и ионы. Учёные с этой задачей справились и считают, что для целого ряда сфер применения воздушно-магниевые батареи подойдут лучше литиевых.

Группа учёных из Токийского университета использовала искусственно выращенную мышечную ткань в качестве привода для передвижения двуногого робота. Такой привод может превзойти по эффективности иные способы приведения конечностей роботов в движение. К тому же, он будет мягкий на ощупь и сможет легко копировать способы перемещения людей. Иначе говоря, будет приспособлен жить в окружении человека.

Источник изображения: Shoji Takeuchi research group, University of Tokyo

Экспериментальная конструкция не отличалась сложностью. Мышечная ткань была натянута вдоль гибкой конструкции каждой из пластиковых ног робота. Ноги заканчивались поплавком, и вся конструкция была помещена в сосуд с питательным раствором. Мышечные клетки хоть и искусственные, но живые, поэтому требовали подвода питания.

Сокращение мышц происходило после пропускания тока через жидкость вблизи мышц от одного электрода к другому. Учёные вручную приближали электроды то к одной ноге, то к другой, заставляя их подниматься и совершать шажок вперёд. Отключение тока расслабляло мышцы, и нога совершала движение. Таким образом, были проверены режимы ходьбы по прямой и развороты на месте, когда сокращалась только одна мышца на той или иной ноге.

Поднесённые к ноге робота электроды, по которым через жидкость и мышцу пропускается ток

Учёные отметили, что предложенное ими решение работает, и робот с живыми мышцами способен перемещаться и совершать манёвры на местности. В будущем они планируют разработать устройства подвода питания к мышцам, чтобы они могли работать на воздухе, а также эффективные схемы подачи электрических сигналов для управления движением.

Можно не сомневаться, что исследователи найдут удобное решение. Ранее мы рассказывали, например, что японские учёные смогли научить роботов обрастать кожей из живых человеческих клеток, хотя это уже другая история.

Японское космическое агентство JAXA сообщило подробности посадки модуля SLIM на Луну. Прилунение прошло мягко, но в итоге аппарат опрокинулся. По всей видимости, на высоте 50 м при выполнении манёвра уклонения от препятствия пропала тяга одного из двух главных двигателей модуля, что привело к аварийной посадке. Но это не означает, что всё пропало. У модуля остаётся шанс зарядить батареи и продолжить работу.

Положение модуля SLIM после посадки. Источник изображения: LEV-2 / JAXA

Модуль SLIM опустился на Луну со скоростью 1,4 м/с, что было в пределах допустимого. Посадка совершена мягко даже на одном двигателе из двух. Это сделало Японию пятой страной в истории земной космонавтики, которая смогла посадить на наш спутник спускаемый аппарат. Но за счёт отказа одного из двигателей и отклонения в горизонтальной ориентации модуля возникла достаточно высокая боковая скорость, что привело к опрокидыванию модуля.

Модуль SLIM кувыркнулся с ног на голову. Точнее, он встал в стойку на голове. К сожалению, солнечные панели оказались полностью повёрнуты в сторону от солнца. Это был самый худший сценарий из всех, и именно он был реализован слепым случаем. Остаётся надежда, что солнце постепенно переместится, и его лучи смогут осветить спину модуля, на которой жёстко закреплены солнечные панели.

Модуль опустился на поверхность Луны в 00:20 по токийскому времени. В 00:57 питание систем было отключено, когда данные телеметрии и изображения с камер были сняты. Дальше разряжать дефицитный ресурс аккумуляторов было нельзя. Команда миссии оставила запас энергии для последующей перезагрузки оборудования, если заряд аккумуляторов всё же пойдёт.

Снимки с камеры ориентации с места посадки

Другой целью миссии SLIM ставилась задача прилуниться с отклонением не более 100 м от целевой точки. Хотя данные ещё уточняются, модуль с поставленной задачей справился. Он отклонился от целевой точки примерно на 55 м. Позже отклонение получит более точную оценку.

Всё научное оборудование модуля работает. Точнее, работало, пока ему не отключили питание. За время работы была открыта сканирующая оптика многолучевой камеры низкого разрешения (MBC), которая даже из положения стоя на голове прошлась по поверхности Луны и определила цели для сканирования спектральной камерой высокого разрешения. Если питание модуля восстановится, оборудование сможет в деталях изучить интересные объекты.

Собранное из множества снимков камерой MBC изображение поверхности Луны в месте посадки

Также стал удачным сброс двух миниатюрных зондов LEV-1 и LEV-2. Именно второй из них, созданный в содружестве с компанией Sony в виде разделяющегося на две половинки мячика, сделал снимок посадочного модуля в ракурсе вид сбоку. Ждём новых сообщений, JAXA обещает информировать о всех событиях. Это тем более интересно, что неясна ситуация с отказом двигателя.

Японское космическое агентство подтвердило мягкую посадку лунного модуля SLIM. С ним была установлена связь и канал по передаче телеметрии. В то же время нет сообщений о начале зарядки аккумуляторов модуля от солнечных батарей, хотя в месте посадки лунный день и Солнце заливает его окрестности. Команда JAXA отключила от питания всё лишнее, в том числе системы обогрева электроники, и пытается всесторонне оценить ситуацию.

Художественное представление спуска лунного модуля SLIM. Источник изображений: JAXA

«Если бы спуск с помощью двигателя не был успешным, то произошло бы столкновение с поверхностью на очень большой скорости, и функции космического аппарата были бы полностью утрачены», — сказал во время пресс-конференции журналистам вице-президент JAXA Хитоси Кунинака.

Передача и приём телеметрии означают, что бортовые системы работают как положено, значит, посадка была мягкой. Отсутствие работы солнечных батарей, в свою очередь, намекает на возможное опрокидывание модуля. У него была своеобразная схема посадки, и она могла сыграть роковую роль в судьбе миссии.

Также телеметрия подтвердила, что сброс минизондов произошёл в штатном режиме до касания модулем поверхности Луны. Эти два зонда должны были получить изображения момента приземления. Сейчас команда пытается извлечь эти фотографии и фотографии с камер посадочного модуля, чтобы получить больше информации о совершённой посадке. Минизонды, очевидно, могут контактировать только с посадочным модулем. Прямой связи с центром управления на Земле они не имеют.

Место посадки на склоне кратера в центре изображения

Также в JAXA прокомментировали точность спуска. Целью ставилось опуститься на Луну с отклонением не больше 100 м. Судя по предварительной оценке траектории спуска, эта цель была достигнута. Но для гарантированного подтверждения успеха агентство берёт паузу примерно на месяц, чтобы всесторонне оценить ситуацию.

Два минизонда, сброшенных с модуля перед прилунением (рендер)

Лунный день продлится в зоне прилунения до конца января. Есть надежда, что солнечные лучи всё же упадут на фотопанели модуля и они зарядят его аккумуляторы. Без этой энергии система отопления модуля не будет работать лунной ночью длительностью 14 земных суток и это приведёт к порче электроники и утрате модуля.

Японское космическое агентство JAXA сообщило, что её посадочный модуль SLIM совершил мягкую посадку на Луну. Связь с ним установлена. Более точные данные будут опубликованы позже, поскольку солнечные батареи не приступили к сбору энергии для питания бортовых систем и заряда аккумуляторов. В момент посадки, как следовало из показаний телеметрии, в аккумуляторах модуля оставалось чуть больше 70 % заряда.

Возможно это настоящий снимок посадочного модуля SLIM на Луне, но это не точно. Источник изображения: JAXA

Японский спускаемый аппарат SLIM коснулся лунной поверхности точно по графику полёта в 18:20 по московскому времени. Ранее он снизил высоту пролета над Луной до 15 км и на последних минутах движения к зоне посадки совершил что-то в виде фигуры высшего пилотажа «бочка» с набором высоты до 25 км. Затем начался спуск, продлившийся 20 минут.

Пока солнечные батареи посадочного модуля не обеспечивают стабильного питания, агентство не будет инициировать запуск иных задач, кроме сбора данных о состоянии модуля. Более подробно о спуске и выполнении главной задачи — приземлиться с отклонением не более 100 м — будет рассказано позже.

Программа миссии включала сброс двух малых роботизированных зондов — прыгающего и в виде мяча, разделяющегося на две половинки-колеса — до момента касания поверхности Луны. Зонды оснащены камерами и должны были запечатлеть момент прилунения. Пока в этом вопросе ясности нет.

Предварительно можно сделать вывод, что Япония, похоже, стала пятой страной в истории земной космонавтики, кто смог посадить спускаемый аппарат на поверхность Луны. В прошлом веке это сделали СССР и США, а в нынешнем — Китай, Индия и теперь Япония. Посадочный модуль SLIM высотой 2,4 м и массой 200 кг проведёт на Луне ряд исследований, включая осмотр камерой с датчиком в ближнем инфракрасном диапазоне поверхности спутника для оценки его минерального состава.

Посадочный модуль должен был спуститься в районе со сложным рельефом — в идеале на склоне кратера, чтобы доказать возможность прицельной посадки. Все предыдущие спуски на Луну происходили с отклонениями до 10 км, тогда как SLIM должен был продемонстрировать «снайперский выстрел» — посадку с отклонением не более 100 м. Эта технология стала бы вкладом Японии в программу освоения Луны «Артемида» под эгидой США.

Сегодня 19 января в 18:00 по московскому времени (20 января в 00:00 по токийскому), Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) отдаст команду на спуск на Луну небольшого зонда SLIM. Основной задачей посадочного модуля станет отработка «снайперской» посадки в центр круга радиусом 100 м на склоне кратера. В будущем эта технология пригодится для посадок в районе южного полюса Луны, который буквально изрыт кратерами.

Источник изображений: JAXA

Япония не может похвастаться космическими бюджетами на уровне США, Китая и других стран. Но японцы намерены брать не масштабом, а технологиями. Космические специалисты JAXA уже заслужили бесконечное уважение за возвращение образцов грунта с астероидов. Японские аппараты дважды спускались на астероиды и оба раза вернули на Землю образцы.

Будущая лунная база будет создаваться, судя по всему, в районе южного полюса спутника. Это планируется с прицелом на возможные залежи водяного льда в кратерах в условиях вечной темноты. Посадка на полюсе — задача сама по себе сложная, которая становится во много крат сложнее в связи с изрезанным рельефом. Отработка технологии точной посадки поможет избежать проблем и ускорит разведку Луны.

Космический аппарат с посадочным модулем был выведен на лунную орбиту 25 декабря 2023 года. На Луну он должен опуститься через 20 минут после отдачи команды на посадку (в 18:20 мск).

«Ни одна другая страна не достигла такого. Доказательство наличия у Японии этой технологии дало бы нам огромное преимущество в предстоящих международных миссиях, таких как Artemis», — сказал Шиничиро Сакаи, руководитель проекта SLIM в JAXA, говоря о технологии прицельного спуска.

После спуска модуля SLIM на поверхность будут развёрнуты два мини-зонда: прыгающий аппарат размером с микроволновую печь и луноход в форме мяча, которые проведут собственную разведку окрестностей в месте спуска. На оценку точности посадки может уйти до одного месяца, предупреждают в JAXA. Поэтому сегодня не стоит рассчитывать на сенсационные заявления, хотя сам факт удачного спуска на Луну для Японии — это историческое событие.

Согласованные квантовые состояния боятся любых помех, что усложняет реализацию квантовых компьютеров. Для снижения шумов их охлаждают до запредельно низких температур, но в идеале квантовые системы должны работать при комнатной температуре, без чего невозможно их массовое применение. Возможно, в этом поможет новая работа японских учёных, которые смогли добиться квантовой когерентности в обычных условиях без криогенного охлаждения.

Источник изображения: Science Advances

Физики изучили квантовые свойства таких молекул, как хромофоры. Они могут поглощать электромагнитное излучение определённых длин волн и излучать также в определённом диапазоне. Ранее на базе хромофоров были созданы фотоэлементы для перспективных солнечных панелей, однако в контексте нужд квантовых вычислений или квантовых датчиков они не изучались.

Японские физики поместили молекулы хромофоров в так называемые металл-органические каркасы (MOF). Это микропористый материал, который способен абсорбировать и фактически изолировать друг от друга предельно малые порции вещества. Пары электронов в молекулах хромофоров оказывались в суперпозиции по отношению друг к другу.

Микроволновое зондирование показало, что спины электронов остаются в когерентном состоянии около 100 нс. Дальнейшая настройка систем обещает ещё больше увеличить время квантовой когерентности в представленной платформе, что можно считать прорывом, поскольку всё это получено при обычной комнатной температуре, что очень дёшево и намного доступнее, чем современные квантовые криогенные платформы.

Сверхохлаждённые кубиты могут оставаться в согласованном (когерентном) состоянии квантовой неопределённости вплоть до нескольких миллисекунд. В этом они выгодно отличаются от предложенной японцами схемы. Однако цена вопроса и стоимость эксплуатации криогенных систем также кратно снижает практическую ценность квантовых расчётов и симуляций.

Остаётся надеяться, что японские физики смогут довести свою разработку до уровня квантовых вычислителей или квантовых датчиков. Пока же это только демонстрация возможностей, с которой ещё работать и работать, о чём они сообщили в статье в журнале Science Advances.

Япония и весь мир проиграли Китаю на рынке кремниевых солнечных панелей. По данным Международного энергетического агентства, китайские компании контролируют более 80 % в мировой цепочке поставок кремниевых солнечных панелей и ещё больше в сфере выпуска поликристаллического кремния для таких панелей. Переломить ситуацию можно только с помощью новых решений, которыми должны стать тонкоплёночные перовскитные солнечные панели.

Источник изображения: George Nishiyama/The Wall Street Journal

«Мы выиграли в технологии, но проиграли в бизнесе», — заявил Хироо Иноуэ (Hiroo Inoue), генеральный директор Японского агентства природных ресурсов и энергетики, добавив, что японские фирмы постигла аналогичная участь в производстве жидкокристаллических дисплеев и полупроводников. Но в Японии продолжают считать, что инженерный и научный персонал в стране всё ещё качественно опережает китайский.

Массовое производство тонкоплёночных перовскитных солнечных панелей может стать тем рычагом, который опрокинет доминирование Китая на рынке солнечных элементов. По крайней мере, власти Японии не жалеют средств, чтобы подтолкнуть отечественные компании к массовому производству перовскитных элементов. На эти цели, например, с недавних пор выделено свыше $400 млн и этим власти не ограничатся. В США также выделяются бюджетные средства на разработку перовскитных фотоэлементов.

Перовскитные фотоэлементы начали своё восхождение менее десяти лет назад. К сегодняшнему дню массовые кремниевые солнечные элементы имеют КПД не выше 22 %. Опытные перовскитные элементы, которые готовят к массовому производству, готовы стартовать с КПД от 25 %. К этому следует добавить намного менее энергоёмкое производство панелей с перовскитом, которое не требует обжига, как кремниевые пластины. Также перовскит может наноситься из жидкой фазы на плёнки, что позволит покрыть фотопанелями едва ли не любую поверхность. На ощупь они как фотоплёнка, только намного шире, говорят разработчики. Толщина перовскитного слоя составляет всего 1 мкм. Кремний раз в 20 толще и тяжелее. Это прошлый век, считают в Японии.

Одними из первых массовый выпуск фотопанелей из перовскита в Японии намерена начать компания Sekisui Chemical. Она будет выпускать перовскитные панели рулонами шириной 30 см. Строительство фабрики уже началось. Начало производства ожидается в 2025 году. Такие панели можно будет использовать также в помещении, собирая энергию от света везде, где только можно. Обычным солнечным панелям из кремния такое даже не снилось. Для гибких панелей есть столько места, что эта ниша будет ещё не скоро заполнена.

Важным моментом производства перовскитных панелей станет независимость от поставок сырья из Китая. Для Японии и других передовых стран это одно из самых больных мест. «Посмотрите, что Китай делает с полупроводниками. Это издевательство, — говорит учёный Цутомо Миясака, один из ведущих специалистов страны по перовскитам, имея в виду ограничения Пекина на экспорт редкоземельных элементов галлия и германия, используемых в чипах. — Компоненты из перовскитовых элементов могут быть изготовлены внутри страны».

В частности, для выпуска перовскитных фотоячеек требуется много йода. Япония является одним из крупнейших в мире поставщиком этого элемента. Треть йода на мировом рынке японского производства. Больше йода поставляет только Чили. Япония может не бояться зависимости от Китая в случае массового выпуска перовскитных ячеек.

Почти всё хорошо. Но значительным минусом перовскитных фотоэлементов остаётся их высокая чувствительность к влаге из окружающего воздуха. Это быстро приводит в негодность потенциально хорошие панели. Их нужно защищать от этого и японские учёные создали перспективный герметик, который не даёт панелям превратиться в слизь. Панели Sekisui Chemical смогут работать целых 10 лет и оставаться эффективными всё это время. Хвалёное долголетие кремниевых солнечных панелей, кстати, оказалось далеко от заявленных 25 лет. Они тоже начинают быстро деградировать после 10 лет эксплуатации.

Премьер-министр Японии Фумио Кисида пообещал сделать технологию производства перовскитных фотопанелей коммерчески жизнеспособной в течение двух лет. Япония импортирует около 90 % энергии и энергоносителей с тех пор, как закрыла большинство своих атомных станций после катастрофы на АЭС «Фукусима» в 2011 году. Цель Кисиды амбициозна, но японские инженеры и чиновники настроены оптимистично, ссылаясь на последние технологические достижения.

«Чем сложнее это [технология производства] будет, тем труднее китайцам будет скопировать её», — сказал Миясака, профессор Университета Тоин в Йокогаме и бывший сотрудник лаборатории компании Fujifilm в области солнечных технологий.

Доминирующие сейчас на рынке литийионные аккумуляторы используют жидкий электролит, который опасен перегревом и возгоранием при механическом повреждении батареи. Твердотельный электролит подобных недостатков лишён, но его ресурс до сих пор был ограничен. Японские разработчики нашли способ увеличить долговечность батарей с твердотельным электролитом в десять раз.

Источник изображения: Koike

По крайней мере, компания Koike в сотрудничестве с исследовательским подразделением института AIST, как сообщает Nikkei Asian Review, создала монокристаллический материал, который может быть использован в качестве электролита в твердотельных аккумуляторах. В отличие от поликристаллических аналогов, такой материал снижает электрическое сопротивление на 90 %, тем самым облегчая прохождение тока в электролите и обеспечивая увеличение ресурса всего аккумулятора.

Пока Koike по силам создавать монокристаллические пластины диаметром не более 25 мм, что ограничивает сферу применения нового материала твердотельными аккумуляторами небольшого размера и ёмкости. Тем не менее, даже их можно применять в разного рода носимой электронике, которая в силу требований к герметичности корпуса не подразумевает замены аккумуляторов вообще или допускает такую операцию лишь изредка. В частности, если такими аккумуляторами оснащать кардиостимуляторы, то срок их службы можно увеличить с нынешних 5–10 до 50 лет. Массовое производство компактных аккумуляторов с твердотельным электролитом нового типа планируется наладить в 2027–2028 годах через формирование технологических альянсов с прочими производителями.

Дальнейший вектор исследований будет направлен на совершенствование материалов катодов аккумуляторов и увеличение размеров ячеек. Теоретически, подобные разработки можно будет применить и в производстве тяговых батарей для электромобилей. Твердотельные аккумуляторы не боятся высоких температур и механических воздействий, что значительно повышает их безопасность. Впрочем, технически жидкость при создании электродов из нового материала всё же применяется, поскольку она наносится на их поверхность для предотвращения деградации свойств. По большому счёту, аккумуляторы с таким электролитом следует называть «полутвердотельными».

Твердотельные аккумуляторы разрабатывают многие автопроизводители или связанные с ними стартапы, японская корпорация Toyota Motor не является исключением, но она делает ставку на использование сульфидов в качестве электролита, которые не так безопасны в эксплуатации, как монокристаллический материал, предложенный Koike и партнёрами. По оценкам экспертов Emergen Research, ёмкость мирового рынка аккумуляторов с твердотельным электролитом в период с 2021 по 2030 годы увеличится с $600 млн до $10,1 млрд.

Крупнейший в мире термоядерный реактор получил первую плазму. Это установка JT-60SA, которая создавалась для помощи в отработке термоядерных технологий международному проекту ITER. Высота рабочей камеры JT-60SA всего вполовину меньше высоты камеры реактора ITER, что делает эксперименты на японском реакторе достаточно ценными для приближения успеха международного проекта.

Источник изображения: Japan’s National Institutes for Quantum Science and Technology

Термоядерный реактор JT-60SA был заново построен на месте старого реактора JT-60. Он стал больше, а магниты были заменены на сверхпроводящие. Это позволит ему удерживать плазму в самом большом на сегодня в мире объёме рабочей зоны в 135 м³. В реакторе ИТЭР, отметим, объём рабочей камеры составит 840 м³.

Обслуживающие реактор JT-60SA специалисты пока не сообщили о параметрах полученной в реакторе плазмы. В идеальном случае её температура (очевидно, речь об электронной плазме) должна дойти до 200 млн °C. В таком случае для запуска термоядерной реакции температура ионной плазмы должна достичь 100 млн °C. В таком состоянии реактор JT-60SA должен будет поддерживать работу в течение 100 секунд.

Получение первой плазмы на реакторе JT-60SA как на уменьшенной копии реактора ITER свидетельствует о правильном выборе конструкции и стратегии международного проекта. Реактор JT-60SA уже помог специалистам ITER, хотя далось это немалой кровью. В 2021 году во время пробного запуска JT-60SA в катушке одного из сверхпроводящих магнитов возникло короткое замыкание, что почти на три года отсрочило начало работы установки. Длительный и дорогой ремонт JT-60SA заставил инженеров ITER с повышенным вниманием отнестись к магнитам своего реактора помимо решения текущих проблем.

Эксперименты на JT-60SA позволят лучше подготовиться к запуску реактора во Франции. На последующих этапах пути этих реакторов разойдутся. Японский реактор может работать только на дейтериевом топливе, тогда как реактор ИТЭР со временем сможет перейти на более эффективное дейтерий-тритиевое топливо. Тем не менее, эксперименты на JT-60SA позволят японцам разработать собственную термоядерную электростанцию — проект DEMO, которую они намерены построить к 2050 году. А пока тон в отрасли задают китайцы, опытные термоядерные реакторы которых разогревают плазму до температур свыше 100 млн °C на сотни секунд.

Аккумуляторы с твёрдым электролитом обещают лучшие эксплуатационные качества, но всё ещё дороги в производстве. Над удешевлением процесса работают учёные всего мира, включая учёных из Японии. Группа из страны Восходящего солнца сообщила, что нашла возможность удешевить процесс производства аккумуляторов с твёрдым электролитом, и намерена довести его до коммерческой стадии до конца десятилетия.

Источник изображения: Kento Fukui / asia.nikkei.com

По оценкам Японского научно-технического агентства, производственное оборудование для изготовления полностью твердотельных аккумуляторов будет стоить в 10–20 раз дороже, чем оборудование для производства современных литийионных аккумуляторов. Имея развитое производство обычных литиевых батарей, никто из производителей не пойдёт на такие расходы. Исследовательская группа Токийского технологического института под руководством доцента Синтаро Ясуи (Shintaro Yasui) поставила перед собой цель разработать твёрдый электролит, который можно было бы наносить в виде покрытия, не требующего специального оборудования.

Основная проблема в том, что изготовление твердотельных аккумуляторов во многом необходимо проводить без доступа воздуха (кислорода и водяного пара). В противном случае материал электролита будет разрушаться. Создание вакуумной среды для масштабного производства — задача не из дешёвых, чего необходимо избежать во всех случаях.

Японские исследователи нашли выход в соединении лития, бора и кислорода, которое в процессе измельчения по специальной технологии и смешивания с водой и нелетучими невоспламеняющимися солями лития образует суспензию. Эту суспензию наносят как на материал катода, так и анода. За счёт вязкого состояния материал плотно ложится на оба электрода, обеспечивая плотный контакт по всей поверхности. Всё это сушится на открытом воздухе, а потом соединяется в один аккумуляторный блок.

Характеристики получившейся батареи были измерены под давлением около 3 атмосфер и рабочим напряжением 2,4 В. Главный показатель эффективности электролита — ионная проводимость — составил 5,9 мСм/см (миллисименс на сантиметр), что можно считать довольно высоким показателем для твердотельных электролитов. Опытная батарея выдержала до 300 циклов зарядки и этот параметр учёные намерены довести до 1000 циклов.

Не обошлось без недостатков. Разработанные технология и смесь оказались относительно восприимчивы к довольно невысоким температурам. Так, опытная батарея разрушилась при нагреве до 140 °C. Учёным есть ещё над чем поломать голову, но в течение примерно 10 лет они обещают довести технологию производства твердотельных аккумуляторов в обычных условиях без вакуума до коммерчески доступного уровня.