Новейшие победы российских учёных: преобразование энергии и изучение чёрных дыр

К маю российские учёные нашли новый способ измерения массы чёрных дыр, разработали дешевый и экологичный способ очистки нефтепродуктов, придумали адаптивную шумоподавляющую конструкцию для авиадвигателей. Об этих и некоторых других достижениях далее в статье.

💡 Это материал из цикла «Сделано в России 🇷🇺», в котором описываются главные отечественные изобретения, а также важные события в различных областях науки и промышленности России.

Придумали, как с помощью водяного пара получать более качественные минеральные удобрения

💡 Простыми словами

Хлорид калия является наиболее распространённым минеральным удобрением в сельском хозяйстве. Его добывают в основном методом флотации (обогащения полезных ископаемых), часто используя амины (органические соединения, являющиеся производными аммиака, в молекуле которого несколько атомов водорода замещены на углеводородные радикалы). С их помощью хлорид калия очень легко извлекается из руды, однако они остаются на поверхности полученного вещества и мешают дальнейшему прессованию. Именно из-за скопившихся аминов флотационный хлорид калия имеет не очень прочные кристаллические связи, что в свою очередь приводит к хрупкости (сложностям с транспортировкой) и пониженной устойчивости к запылению. Учёные из Перми нашли способ очищения хлорида калия от аминов перед процессом прессования. Это позволит получать минеральные удобрения более высокого качества без существенного влияния на техпроцесс и стоимость конечной продукции.

👨‍🔬 Детально

Для того чтобы убрать амины с поверхности кипящего флотационного хлорида калия, специалисты использовали установку с подачей пара, включающую колбу с водой, плитку, электропечь, кварцевую печь кипящего слоя, электроподогреватель воздуха, воздушный компрессор. Для эксперимента флотационный концентрат также был обработан аминами в количестве почти в 4 раза превышающем их содержание в производственном концентрате. Это было сделано для того, чтобы продемонстрировать высокую эффективность разработанного метода очистки. Кипящий концентрат обрабатывается водяным паром и высушивается при температуре 120 °С. Разрушение плёнки солянокислого амина идёт как раз за счёт высоких температур без химических реакций. Время обработки составляет всего пятнадцать минут, после чего происходит кристаллизация с образованием солевого мостика, поэтому при прессовке образовывается прочная структура.

Нашли новый способ измерения массы чёрной дыры

Во Вселенной существует такое явление, как тесные двойные системы — разновидность двойных звёзд, в которых на тех или иных этапах эволюции входящие в неё компоненты могут обмениваться массой. Более того, такие системы могут быть не только звёздными, но и чёрными дырами. Как они могут обмениваться массой, если даже свет не может выбраться из-под горизонта событий чёрной дыры? Этот вопрос делает изучение подобных объектов важной задачей астрофизики. Теоретически двойные системы из сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД) могут образовываться при столкновении двух галактик. Одним из примеров таких систем является пара СМЧД в центре галактики OJ 287. Определить, что там находится именно два объекта, позволила относительная близость галактики к Млечному пути. На большем расстоянии понять, является ли ядро галактики двойной системой из чёрных дыр, можно только по косвенным признакам (к примеру, по характеру вспышек), и то подобных интерпретаций стараются избегать.

Природу ядра галактики OJ 287 как раз подтверждают её характерные всплески периодичностью в 12 лет. Строгим периодом обладают лишь двойные системы, вспышки активности обычных систем происходят спонтанно. Теперь астрономы из Москвы измерили массу меньшей сверхмассивной черной дыры в двойной системе в центре галактики OJ 287, впервые применив для подобных расчётов метод скалирования. Для этого они проанализировали спектр вспышки, которую зарегистрировал рентгеновский телескоп XRT на борту обсерватории SWIFT. Учёные поняли, что форма спектра меняется характерным для вспышек от чёрных дыр образом. Сопоставив её со спектром вспышек других СМЧД, астрономам удалось определить массу объекта в центре галактики OJ 287, полагая, что расстояние до него составляет порядка 1 гигапарсека (1 парсек приблизительно равен 31 триллиону километров). Интересно, что их расчёты совпали с ранее указанными величинами, полученными другими теоретическими методами. Таким образом, метод скалирования можно применять для более отдалённых объектов, которые невозможно наблюдать и, соответственно, оценивать их массу другими способами.

Разработали дешевый и экологичный способ очистки нефтепродуктов

💡 Простыми словами

Сейчас при очистке нефтепродуктов придерживаются строгих требований содержания в них серо- и азотсодержащих соединений, чтобы уменьшить вред природе. Кроме того, технологии очистки (самая широко используемая — каталитическая гидроочистка) требуют применения дорогих катализаторов, а также больших затрат энергии и материальных ресурсов для поддержания высокого давления, температуры и так далее. Также многие реагенты являются токсичными и пожароопасными. Московские химики обнаружили, что для очистки от серо- и азотсодержащих соединений можно применять жидкостную экстракцию (это технология извлечения вещества из раствора или сухой смеси с помощью растворителя, который не смешивается с исходной смесью) с применением безопасных селективных растворителей на основе коммерчески доступных и пожаробезопасных водорастворимых полимеров, которые к тому же являются полностью возобновляемыми. Это сделает очистку нефтепродуктов и дешевле, и экологичнее. Более того, такие полимеры уже производятся в России.

👨‍🔬 Детально

По словам кандидата химических наук Юлии Заходяевой (старший научный сотрудник Лаборатории теоретических основ химической технологии ИОНХ РАН), специалистами института был предложен комплексный и инновационный подход к процессу. Использование водного раствора поливинилпирролидона эффективно для первичной очистки от азотсодержащих соединений. Далее с помощью полиэтиленгликоля производится очистка от серосодержащих соединений. Затем происходит регенерация полимеров за счет обработки углекислым газом, что позволяет эффективно выделять тиофен, хинолин и индол. Всё это без использования дорогостоящих или токсичных реагентов и катализаторов.

Сконструировали «интеллектуальную» шумоподавляющую конструкцию для авиадвигателей

💡 Простыми словами

Требования Международной организации гражданской авиации к уровню звукопоглощения с каждым годом ужесточаются, а шумоподавляющие конструкции уже давно стали неотъемлемым элементом современных авиадвигателей. На сегодняшний день ведущим способом звукоизоляции двигателей самолётов является установка звукопоглощающих конструкций в виде сотовых панелей из полимерных композиционных материалов, которые за счет резонансного взаимодействия поглощают акустические волны. Они размещаются на внутренней поверхности воздухозаборника для снижения шума в передней полусфере двигателя и на стенках наружного воздуховодного канала для снижения шума в задней полусфере двигателя. Российские учёные спроектировали новую «интеллектуальную» шумоподавляющую конструкцию с эффективным звукопоглощением в широком диапазоне частот при минимальном увеличении веса, что крайне важно для авиастроения.

👨‍🔬 Детально

Для этого учёные разработали модель адаптивного управления резонансными частотами ячеек через встроенные в перфорацию пьезоактивные элементы, которые способны преобразовывать механическое напряжение в электрический заряд и наоборот. Таким образом, пьезоактивные элементы трансформируют подаваемое на них электрическое напряжение в деформации, изменяющие диаметр горловин адаптивных резонаторов. Далее они смоделировали функционирование отдельной ячейки шумоподавляющей конструкции и группы таких ячеек с учётом различных параметров, провели вычислительные эксперименты, варьируя диаметр перфорации в ячейках, и определили схему их взаимного расположения для наилучшего шумопоглощения. Эти знания они применили для проектирования адаптивных шумопоглощающих конструкций.

Получили уникальный материал для преобразования энергии света

💡 Простыми словами

Екатеринбургские учёные совместно с китайскими коллегами синтезировали материал для эффективного преобразования энергии. Его можно будет применять как для улучшения существующих устройств, к примеру, фотодетекторов, биосенсоров, светодиодных дисплеев и так далее, так и в приборах нового поколения (квантовых и фотонных). Технология получения материала отличается быстродействием и минимальными потерями энергии. Кроме того, учёные полностью разобрали физический механизм преобразования энергии, что позволит получать наилучшие характеристики материала для каждой задачи.

👨‍🔬 Детально

Учёные обработали подложки из кварцевого стекла гадолиниевой плазмой, чтобы получить тонкие пленки оксида гадолиния (редкоземельный металл, который уже давно используют для преобразования энергии электромагнитного излучения). Далее вместо стандартного легирования другим редкоземельным металлом, учёные использовали ионы висмута. Благодаря поливалентности висмутсодержащие материалы способны проявлять люминесценцию в широком диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового излучения (редкоземельные металлы работают в ограниченном спектральном диапазоне). Кроме того ионы висмута эффективно поглощают и с минимальными потерями передают световую энергию. Пленки оксида гадолиния, легированные ионами висмута, получают уникальную способность к образованию оптических эмиссионных центров (центров фотолюминесценции). На тестовом стенде энергия фотонов различного спектра поглощалась такими пленками и передавалась оптическим центрам, которые демонстрировали излучение также в различных спектрах. Таким образом, происходило преобразование энергии в широком диапазоне как поглощаемого ультрафиолетового света, так и излучаемого видимого.