материалы для хранения водорода

Внутри стали будущего термоядерного реактора образуются крошечные пузырьки гелия, и на их стенках разворачивается химическая драма. Атомы хрома и тантала, как стражи, занимают места у границы полости и меняют правила игры для водорода.

Книга с защёлками на страницах: перелистнуть можно, только если знать, как щёлкнуть по краю. Примерно так устроен механический метаматериал, о котором пойдёт речь. Каждая ячейка в нём — это маленькая масса внутри большей, соединённая с ней упругой фермой. Ферма может находиться в двух устойчивых положениях, как выключатель.

Каждую марсианскую ночь соляные кристаллы на поверхности планеты впитывают влагу из разреженного воздуха, как губка набирает воду из влажной тряпки. К утру внутри них скапливается микроскопический рассол, который днём, когда температура поднимается, оказывается запертым в крошечных полостях.

Горячая вода после душа, тёплый воздух из вентиляции, нагретые стенки двигателя — всё это низкопотенциальное тепло с температурой ниже 100°C. Обычно оно рассеивается в окружающей среде, не совершив полезной работы. Теперь появилась технология, которая позволяет улавливать такое тепло и превращать его в электричество. Внутри нового устройства — проволока из никель-титанового сплава.

Тёмная материя — невидимый архитектор Вселенной, удерживающий галактики от разлёта. С лёгкой руки Фрица Цвикки и Веры Рубин мы знаем: обычного вещества в космосе — лишь ничтожная примесь. Но что скрывается за этим тёмным веществом?

Субнептун — это планета, которая по размеру находится между Землёй и Нептуном. Таких миров очень много в нашей Галактике, но их устройство до сих пор вызывает споры. Новое исследование показывает, что в молодости эти планеты ведут себя как губка, пропитанная водой. Роль воды играет водород — самый лёгкий газ во Вселенной.

Марсианская поверхность — место, где всё живое быстро гибнет. Космические лучи и вездесущие окислители стерилизуют верхний слой грунта. Но стоит копнуть чуть глубже — и картина меняется. Там, куда не достаёт ультрафиолет, может скрываться зона, пригодная для жизни. Эта зона держится на странном топливе — радиации.

Бросьте мяч почти параллельно стене — он проскользит вдоль неё, прежде чем отскочить. С лучом света происходит то же самое: при отражении под пологим углом он смещается на микроны вдоль поверхности. Это явление, известное как сдвиг Гооса–Хенхен, долго считали лишь забавным парадоксом, не имеющим практического значения.

Квантовые батареи эксплуатируют квантовые эффекты, чтобы преодолевать ограничения классических устройств, связанные с энтропией — мерой беспорядка и неизбежных потерь энергии. Представьте ведро под мощной струёй: наполнение идёт стремительно. Но ведро дырявое: окружающая среда постоянно высасывает энергию.

Золотая крупинка размером в сотню атомов попадает под луч света — и раскаляется. В обычной жизни такое не страшно, но в мире нанотехнологий этот крошечный нагрев способен испортить биосенсор или сжечь микросхему. Вентилятор тут не поставишь: на таких масштабах тепло застревает, как в толстом пуховике.

Красную планету окружают обломки несостоявшихся миров — каменные глыбы, начинённые металлом. Отправить килограмм стали с Земли на Марс стоит как несколько автомобилей. Куда дешевле подобрать космический лом прямо на орбите.

Долгое время в планетологии господствовало убеждение: водород при низких давлениях почти не растворяется в жидком железе, а значит, в ядре Луны его искать не стоит. Однако серия лабораторных экспериментов заставила пересмотреть эту догму.

Водород — идеальное топливо: при использовании он даёт только воду, а не углекислый газ. Беда в том, что водород — самый лёгкий газ, его молекулы просачиваются из любых ёмкостей. Сейчас водород в машинах держат в тяжёлых баллонах под огромным давлением, что сводит на нет преимущества в весе. Исследователи обошли проблему без высокого давления.

Обычные солнечные батареи превращают свет в электричество, а здесь свет расщепляет воду на водород и кислород. Водород — чистое топливо, но процесс идёт медленно. Чтобы его ускорить, добавляют вещества-помощники, которые отдают электроны. Часто это спирт, но его жалко тратить.

Когда серверы в дата-центре работают на полную мощность, они греются, как утюг, оставленный без присмотра. Это тепло уходит в никуда, а на охлаждение тратится ещё больше энергии. Инженеры из Германии предложили пустить это тепло в дело: пусть оно само гонит жидкость по тонким трубкам, без всяких моторов и помп. Их устройство похоже на плоскую коробочку с несимметричным дном.

Водород — самый лёгкий газ, но он умеет проникать в металлы. Если накачать водород в стальной баллон под большим давлением, часть атомов заберётся между атомами металла. Металл может стать хрупким, как сухарь. А можно использовать это свойство наоборот — хранить водород внутри металлической губки. В новой работе взяли два сплава из алюминия, кобальта, хрома, железа и никеля.

Мембрана для электролиза воды похожа на губку, пропитанную водой. Внутри неё должны свободно передвигаться гидроксид-ионы — частицы, которые переносят электрический заряд. Но как именно они движутся, долго оставалось загадкой: слишком сложно проследить за каждым ионом в эксперименте.

Водород — чемпион по энергии на килограмм, но хранить его — морока. В виде газа он занимает огромный объём, а если сжать или охладить до жидкости, нужны тяжёлые баллоны и много энергии. Есть третий путь: некоторые твёрдые материалы впитывают водород, как губка впитывает воду, и держат его внутри себя. Нагрел — водород вышел, остудил — впитался обратно.

Марсианская поверхность сегодня — холодный, почти безвоздушный дом. Многие мечтают полностью его перестроить: нагреть планету, наполнить атмосферу углекислым газом и азотом.

Железный порошок, нагретый до 650–800 градусов, впитывает водород, как сухая губка — воду. Но после нескольких циклов частицы слипаются в плотный ком, и губка перестаёт работать. Добавка вольфрама меняет картину: при каждом нагреве порошок сам себя вспенивает, оставаясь рыхлым и пористым.

Водород — чистое топливо: при сгорании он даёт только воду. Но чтобы добыть его из воды, нужно разорвать крепкую связь между водородом и кислородом. Обычно это делают с помощью платины — дорогого металла. Дисульфид молибдена (MoS2) — дешёвый минерал, похожий на графит, — может заменить платину, если его правильно приготовить.

Современные аккумуляторы с жидким электролитом могут протечь или загореться. Полимерные электролиты — твёрдые, как пластик, — решают эту проблему, но ионы в них движутся медленнее, и батарея теряет мощность. Исследователи создали виртуальный конвейер: компьютерная программа генерировала новые структуры полимеров, как повар пробует новые рецепты теста.

Внутри топливного элемента протоны должны быстро бежать сквозь твёрдый материал, как пассажиры сквозь турникеты в час пик. Если турникеты редкие и узкие — ток слабый. Раньше, чтобы найти материал с хорошей протонной проводимостью, химики перебирали соединения почти вслепую, по одному.

Обычный провод греется, когда по нему идёт ток. Сверхпроводник — нет. Но почти все известные сверхпроводники работают либо при очень низкой температуре, либо под огромным давлением, как в недрах планет. Учёные давно ищут материал, который обходится без этих крайностей. В новой работе взяли соединение лития, меди и водорода — Li3CuH4.

Старую футболку растворили в щёлочи, получили гель — и он стал сердцем накопителя энергии. Второй компонент сделали из хитозана, вещества из панцирей креветок. Никаких металлов: только переработанный хлопок и морепродукты. Гель пропитали солью аммония, и его проводимость выросла почти вдвое: с 17,1 до 37,8 миллисименс на сантиметр.

В банке с маслянистой жидкостью плавают миллионы крошечных магнитных крупинок — каждая размером с бактерию. Включили магнит — и крупинки, как послушные солдатики, выстраиваются в длинные нити. Но почему они образуют именно нити, а не комки? Оказывается, дело не только в магнетизме. Каждая частица, двигаясь в жидкости, тянет за собой поток — как весло в воде оставляет за собой завихрения.

Тёмная материя невидима, но её можно поймать на отскоке. Водород, встроенный в углеродную плёнку, работает как бильярдный шар: когда в него попадает частица тёмной материи, протон вылетает наружу. Этот вылет и есть искомый сигнал. Авторы идеи предлагают покрыть детектор гидрированным углеродом — материалом, который уже умеют делать тонкими слоями.

Принтер, который печатает не чернилами, а металлом и керамикой, — теперь реальность. Учёные взяли обычную каплю воды с растворёнными солями металлов и заставили её осаждать на поверхность то медь, то оксид цинка, то гидроксид никеля. Всё это — с точностью до миллионных долей метра. Секрет в электричестве. Капля висит на кончике тонкой иглы, а под поверхностью пропускают слабый ток.

Чтобы установить, содержится ли вода в марсианском образце, не нарушая его целостности, учёные использовали просвечивание нейтронами и рентгеновскими лучами — подобно тому, как в медицине получают томографические снимки.

В ядрах многочисленных галактик таятся сверхмассивные чёрные дыры, погружённые в газопылевые аккреционные диски, насыщенные космической пылью и звёздным веществом. Взаимодействия объектов в этих дисках способны возбуждать гравитационные волны — рябь самой ткани пространства-времени.

Обычный способ заморозить живую клетку похож на попытку надеть на неё скафандр: сначала нужно ввести внутрь защитное вещество, но пока оно проникает через оболочку, клетка может лопнуть от перепада солей или отравиться химией.

Термоядерный реактор можно представить как исполинский котёл, в котором из изотопов водорода синтезируется гелий. Плазма внутри разогрета до 150 миллионов градусов — вдесятеро горячее солнечного ядра. Но, подобно накипи в чайнике, в плазме накапливаются вредные примеси — тяжёлые частицы, оседающие на стенках и охлаждающие реакцию.