1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Послезавтра: технологии будущего в экстремальной индустрии

Послезавтра: технологии будущего в экстремальной индустрии

5 материалов и технологий, способных навсегда изменить привычные дисциплины

5 материалов и технологий, способных навсегда
изменить привычные дисциплины

Недавно мы писали о новаторе и разрушителе традиций Говарде Хэде, изменившем ход истории целого спортивного направления. Инженер вовсе не изобретал лыжи заново, в основу его революционной разработки лишь легли новые материалы и конструкция, заменившие массив древесины. С тех самых пор многое изменилось в технологиях производства, вырос уровень катания, на свет родилось множество новых дисциплин, требующих соответствующего инвентаря, но материалы по прежнему меняют этот мир. Сегодня, примерив белые халаты и футуристические шапочки из фольги, мы пофантазируем на тему, как новейшие материалы и технологии, некоторые из которых еще не покинули лабораторий, могут изменить будущее горнолыжной индустрии.

Масками дополненной реальности, и солнечными батареями вшитыми в куртку уже мало кого удивишь, но еще пару десятков лет назад люди не смели мечтать о таком простом устройстве как мобильный телефон или даже пульт от музыкального центра. Разумеется, никаких принципиально новых отличий в спорте век новых материалов не принесет, и не исключено, что в недалеком будущем напротив, человек откажется от всевозможных датчиком и сенсоров в пользу куска цельной древесины, без каких либо излишеств. Короче говоря, пока спортсмены не спеша выходят на уровень «триплкорков» нащупывая грань человеческих возможностей, мы отправимся в нашу воображаемую лабораторию.

Фото: wikipedia.org

Гель против гусей. Утеплитель из аэрогеля

Самовосстанавливающийся бетон

Землетрясения, усадка почвы, ураганы — все эти и многие другие как природные, так и техногенные явления могут привести к утрате несущими бетонными конструкциями своей целостности. Трещины — враг любого здания. А что если вместо дорогостоящего капитального ремонта с частичной заменой поврежденных блоков научить бетонные балки и стены восстанавливаться самостоятельно? Именно эту идею удалось впервые реализовать на практике ученому-микробиологу Хэнку Джонкерсу (Henk Jonkers).

Суть метода заключается в максимально равномерном распределении внутри бетонных конструкций специальных капсул-гранул с находящимися в спячке специальными бактериями. Трещины разрушают оболочку капсул и дают доступ воде к их содержимому. Как только бактерии попадают в питательную среду, они «просыпаются» и начинают вырабатывать карбонат кальция. Спустя некоторое время нужно лишь высушить такую трещину — и ремонт окончен! Дополнительным преимуществом такого биобетона является отсутствие необходимости вносить какие-либо существенные и дорогостоящие изменения в производственные линии существующих заводов для его производства.

Та же бумага, только из известняка

Каменная бумага — это белоснежный прочный водонепроницаемый материал, писать на котором даже приятнее, чем на обычной бумаге. Производят его из карбоната кальция (основы мела и известняка) и нетоксичной смолы с добавлением полиэтилена низкого давления.

Первый каменный лист был произведен в 1990-х годах компанией Taiwan Lung Meng Technology Co.; с тех пор каменная бумага была запатентована более чем в сорока странах. При производстве каменной бумаги не требуется вода, кислоты и отбеливание, поэтому ее изготовление может стать альтернативой токсичному производству целлюлозы и способствовать уменьшению вырубки лесов (для производства каменной бумаги используются отходы известедобывающей промышленности). Необычная бумага легко поддается переработке, а в природе довольно быстро распадается на компоненты.

Такая бумага подходит для всех видов печати. Ее можно применять для производства любых изделий — от блокнотов и книг до упаковки и светильников.

Для экологичного производства одежды

Сьюзан Ли основала компанию BioCouture в 2003 году для того, чтобы продвигать идеи биодизайна в мире моды. Она научилась выращивать ткани для производства одежды в своей собственной ванной, имея под рукой только дрожжи, бактерии и подслащенный зелёный чай. Если весь этот компот оставить бродить на несколько недель, получается бактериальная целлюлоза — прочный материал, который напоминает полупрозрачную кожу. Пока материал влажный, ему можно придать любую трёхмерную форму. Чтобы вещи не напоминали по цвету чайный гриб, Сьюзан добавляет в него натуральные красители, например индиго, обладающий противомикробными свойствами. Главный плюс такой одежды в том, что материал для её изготовления можно брать из отходов предприятий пищевой промышленности. Бактериальная целлюлоза может пригодиться не только в производстве биоодежды, её также планируют использовать для создания кровеносных сосудов и замены костной ткани, а сейчас используют для заживления ран.

Исследовательница Марин Савва сумела создать настольный биореактор для производства вегетарианской еды. Этот 3D-биопринтер использует различные питательные вещества, содержащиеся в микроводорослях, в качестве «чернил». Устройство получило название Algaerium, от слова algae, что означает «водоросль». В основе «домашней пищевой фермы» лежит принцип струйной печати. Устройство позволяет комбинировать питательные вещества, содержащиеся в различных видах микроводорослей, и создавать продукты питания в зависимости от потребности человека. Микроводоросли Chlorella, Spirulina и Haematococcus — это не просто еда, а богатые витаминами и минералами «суперфуды», которые могут обеспечить полноценный здоровый рацион питания. Мясо из домашних биореакторов тоже уже на подходе. Процесс производства мяса в пробирке включает в себя получение мышечных клеток животных и применение белка, который позволяет клеткам вырастать в большие куски мяса. Для этого биологическая матрица коллагена засеивается мышечными клетками, которые затем заливаются питательным раствором, что вынуждает их размножаться. А в августе 2013 года был представлен первый гамбургер, содержащий 140 граммов искусственно культивированного мяса. Говорят, не очень вкусного.

Читать еще:  Что лучше утеплять крышу или потолок?

Vantabalck

Британская компания Surrey Nanosystems разработала материал, способный поглощать до 99,965% падающего света, что делает его самым чёрным материалом в мире. Название у него соответствующее – Vantabalck.

Такое удивительное свойство объясняется тем, что он образован углеродными нанотрубками, которые настолько малы, что фотоны просто не могут пройти между ними.

Казалось бы, чем может быть полезен самый чёрный материал? Он позволяет предотвращать рассеивание света, что можно применять в телескопах. С помощью Vantabalck можно значительно повысить качество инфракрасных камер. Его можно использовать при создании систем тепловой защиты.

Способность материала поглощать различные излучения открывает перспективу создания максимально лёгких и прочных покрытий космических кораблей, защищающих от радиации.

Интересно, что специалистам Surrey Nanosystems запрещено обсуждать с журналистами перспективы военного применения Vantabalck, а на вопрос о стоимости они отвечают максимально лаконично: «он очень дорогой». Но Vantablack в военной сфере, как минимум, можно применить для создания «температурного камуфляжа».

Теплоизоляционные панели аэрогеля стен

Теплоизоляционные панели аэрогеля-это современная и достаточно высокоэффективные утеплители для стен домов.

11,25 — 44,50 дол./кв.м

  • информация о продукте
  • запрос

0,017 Вт/(м·К, что в два раза меньше теплопроводности воздуха. Все эти свойства позволяют использовать утеплитель в самых сложных условиях и достичь превосходного результата. Здесь я буду говорить об аэрогеле в строительстве — изоляционные панели на основе аэрогеля для строительства дома.

Изоляционная панель из аэрогеля или изоляционная плита-это современная и достаточно высокоэффективные утеплители для домов. Она в основном состоит из вакуума, который создается внутри оболочки теплоизоляционных материалов (плит или панелей), чтобы уменьшать их теплопроводность. Панели имеют различные размеры, что позволяет максимально точно подобрать материал для решения широкого спектра строительно-отделочных работ.

Благодаря отличным свойствам изоляционных плит из аэрогеля изоляционные панели на основе аэрогеля ещё используются для защиты элементов, находящихся вблизи промышленных установок, способных сильно нагреваться, для теплоизоляции трубопроводов, находящихся глубоко под землей или море, в местах, где требуется создать большой перепад температур. Утепления фасадов, подвалов, балконов, хамама. Также для создания беcкаркасных конструкций: стены, перегородки, экраны для ванн, полки, откосы, подоконники, потолки и т.д. Слой материала толщиной 6 мм выдерживает температуры свыше тысячи градусов. Считается, что такой показатель связан с тем, что впервые данный материал был разработан для военных.

Изоляционные панели из аэрогеля не выделяют опасных или вредных веществ, безопасны для людей и окружающей среды. Изоляционные панели из аэрогеля широко используют в множестве крупных торговых зданий, потому что изоляционная панель из аэрогеля также называется огнеупорной плитой, негорючесть которой достигает класса A1, Так что она защитит помещение от возгорания и несчастных случаев.

Прозрачный алюминий

Как видно из названия, одним из полезных свойств такого алюминия является его прозрачность. Кроме того, он на 300% прочнее стали. Разумеется, потенциал этого материала по-настоящему безграничен. Например, можно построить офисное здание, стены которого будут прочны и прозрачны, или изготовить меч, который незаметен для врага!

Прозрачный корабль, самолет или космическая станция – любой стальной предмет в будущем сможет стать настоящим шедевром дизайна!

Когда воздух кажется тяжелым

В марте текущего года многочисленные технические СМИ опубликовали сенсационную новость: ученые из Чжэцзянского университета в Ханчжоу получили наилегчайший материал в мире — аэрогель на основе графена, кубический сантиметр которого весит всего 0,16 мг. Но это же в семь с половиной раз легче воздуха! Здесь явно какой-то подвох — может ли твердое вещество однородной структуры быть столь легким?

Аэрогель — это странный, очень странный материал. У него нет практически ни одного свойства, в которое можно сразу, без доказательств поверить. Лишь подержав брусок аэрогеля в руках или хотя бы посмотрев видеозаписи, где это делает кто-либо другой, начинаешь понимать: похоже, это правда. Являясь твердым материалом, он на 99,8% состоит из воздуха и при этом способен выдерживать вес, превышающий его собственный в 4000 раз (!), что говорит о нечеловеческой прочности.

Аэрогели огнеупорны, воздухопроницаемы, способны впитывать воду или масло, могут — в зависимости от материала изготовления — служить электрическим проводником или не менее эффективным изоляционным материалом. Тем не менее, несмотря на то что изобрели аэрогель почти сто лет назад, сфера его применения на данный момент ограничена. В первую очередь это связано с очень высокой ценой.

Себестоимость исходных материалов для аэрогеля составляет порядка $1000 за кубический сантиметр, и это не считая серьезных временных затрат. А время, как известно, это самый дорогостоящий ресурс. Так или иначе, на сегодняшний день аэрогель значительно дороже золота. Второй недостаток — чрезмерно малая пластичность, то есть аэрогели очень хрупкие. Они выдержат давление, но не удар.

Читать еще:  Нужно ли утеплять вентиляционную трубу на крыше

Аэрогель на кухне?

В принципе, изготовить аэрогель в домашних условиях можно. Но это будет очень дорого, сложно, и с высокой долей вероятности результат окажется несколько отличным от ожиданий. «Исходником» служит гель — материал (а точнее, дисперсная система), состоящий из двух компонентов — макромолекулярной сетки и низкомолекулярного растворителя, заполняющего поры сетки. «Наполнителем» может служить вода, спирт, углеводороды, а структурой — диоксид кремния, оксид алюминия, желатин и т. д. В аэрогеле же жидкий наполнитель заменяется воздухом, и получается пористая структура.

Первый аэрогель был получен из так называемого алкогеля — силикагеля (структуры, образованной растворами кремниевых кислот), поры которого были заполнены спиртом. Казалось бы, что может быть проще, достаточно извлечь жидкую составляющую и заменить газообразной. Но если провести такую операцию грубо, то структура «схлопнется» и деформируется. Поэтому получение аэрогеля предполагает определенные трудности.

Простейший способ, который использовал в 1920-х годах изобретатель аэрогеля Сэмюэл Кистлер, выглядит следующим образом. Сперва гель нагревается до критической точки — такой температуры и давления, при которой свойства жидкости и газа не различаются между собой. Затем давление понижается при сохранении критической температуры — при этом вещество сохраняет газообразное состояние.

Затем, второй ступенью, снижается и температура — спирта в структуре при этом слишком мало, чтобы он мог конденсироваться обратно в жидкость, и поры геля остаются наполненными газом (воздухом). В итоге мы получаем недеформированную структуру — аэрогель. Звучит несложно, но построить на кухне устройство для приведения геля к критической температуре, а тем более к давлению — задача не из тривиальных. Но, спешим заметить, это вполне возможно, и прецеденты есть.

Исходный продукт

Аэрогель можно сделать из значительного количества материалов — различных полимеров, металлов и т. д. Наиболее распространены в промышленности (если это можно назвать «распространением») три типа: на базе силикагелей, углеводородов и оксидов металлов. Чаще всего в экспериментах используют первый тип.

Силика-аэрогели выглядят воздушно-голубыми. Их окраска объясняется тем, что материал содержит большое количество частиц силики (оксида кремния) и заполненных воздухом или газом пор нанометровых размеров, которые рассеивают коротковолновое излучение (синий и фиолетовый) лучше, чем длинноволновое. То есть по той же самой причине, почему небо в ясный день имеет голубой оттенок: за счет рассеяния света на молекулах газов в атмосфере.

Аэрогели на основе углеродных гелей черные, напоминают и на вид, и на ощупь уголь, только очень легкий. Имея очень большую площадь поверхности и будучи хорошими проводниками, они могут использоваться для изготовления суперконденсаторов или топливных элементов.

Наконец, аэрогели на базе оксидов металлов используются в качестве катализаторов при химических реакциях, а также при производстве взрывчатых веществ, карбоновых нанотрубок и т. д. В отличие от силикогелевых и углеродных собратьев, металлические аэрогели могут быть разных цветов — в зависимости от используемого металла.

Что с этим делать?

Применяются аэрогели в достаточно широком спектре областей, но, так сказать, понемногу. Одна из основных отраслей, использующих подобные материалы, — космическая.

Например, в 1999 году агентство NASA запустило космический аппарат «Стардаст», созданный специально для исследования короткопериодической кометы 81P/Вильда. Пролетев около 4,8 млрд. километров, «Стардаст» успешно достиг кометы, сделал ряд фотоснимков и, что очень важно, собрал частицы «звездной пыли» из комы (облака пыли и газа), окружающей комету.

Для сбора образцов как раз и использовался аэрогель, известный своими абсорбирующими качествами. 260 аэрогелевых параллелепипедов уловили значительное количество частиц и послужили «контейнерами», позволившими доставить «звездную пыль» на Землю в полной сохранности. В 2006 году «Стардаст» успешно вернулся, и ученые впервые за много лет получили образцы космического вещества — причем не какого-то, а из «окружения» кометы; анализ полученных образцов стал еще одной вехой в исследовании космоса.

Образцы «звездной пыли» из кометы 81P/Вильда, пойманные аэрогелевыми ловушками исследовательского аппарата Stardust. Фото с сайта stardust.jpl.nasa.gov

В принципе, в качестве ловушки можно было использовать и другие вещества, но ничто не могло сравниться с аэрогелем по сочетанию «малая масса — высокая адсорбирующая способность».

Конечно, не космосом единым жив человек. Для нас значительно более важно не исследовательское, а прикладное применение того или иного изобретения. Интересно, что на ранних стадиях аэрогели пытались применять практически во всех сферах человеческого существования — от косметики до взрывчатки, от сигарет до холодильников.

В 1940-х годах Сэмюэл Кистлер подписал контракт с компанией Monsanto, которая производила и продавала этот материал под торговой маркой Santocel. Содержание воздуха в «сантоселе» составляло порядка 94%. В первую очередь «сантосель» рекламировался как изоляционный материал для пожароопасных производств, поскольку был негорючим и очень легким.

Его абсорбирующие свойства позволяли использовать его в качестве загустителя в напалмовых бомбах, также он использовался при производстве лакокрасочной продукции и т. д. В течение четверти века Monsanto была единственным производителем аэрогелей в мире, но в 1970-х годах и она свернула производство странного вещества. Слишком мал был спрос, и слишком дорогим и опасным оставалось производство.

Читать еще:  Утепление потолка фольгированным утеплителем. В чем преимущества фольгоизолона?

Но в 1980-х годах ученые разработали ряд более простых способов получения аэрогеля. Спирт был заменен диоксидом углерода, а применение в технологии изготовления силикагелей алкоголятов кремния снизило токсичность и повысило скорость производства. Аэрогель снова приобрел коммерческую ценность и получил второй шанс.

Ныне аэрогели применяются в различных отраслях промышленности, например при производстве силикона и строительных материалов. Аэрогель можно встретить в красках, косметике, водонепроницаемых и огнеупорных тканях, в ядерной отрасли. Но основное употребление он нашел в сфере изоляционных материалов.

В частности, это идеальный огнеупорный материал, позволяющий увеличить пожарную безопасность зданий, а также теплоизоляционная структура для труднодоступных участков (скажем, оконные щели в точках открывания). Да, стоимость его высока, но при грамотном использовании в определенных местах она выходит даже меньше, нежели при применении традиционных методов. Если в ближайшее время будут разработаны новые, более дешевые методики производства аэрогеля и его стоимость упадет, аэрогель вполне может стать товаром широкого потребления. Как алюминий, нейлон или дерево.

Вперед в будущее

Исследование аэрогелей продолжается. Перед учеными стоит целый ряд задач: сделать материал прочнее, дешевле, а также обезопасить его производство. В 2002 году профессор Николас Левентис из Университета науки и технологий штата Миссури объявил о том, что разработал метод производства нехрупкого аэрогеля (раньше хрупкость была одной из основных проблем материала).

Вещества, созданные по методике Левентиса, получили наименование X-аэрогели — они более прочные и эластичные, но, с другой стороны, их производство весьма опасно и занимает больше времени. Ухудшились и изоляционные свойства. X-аэрогели могут найти применение в сфере производства брони, автомобильных шин, самолетов. Углеродные аэрогели можно применять для создания суперконденсаторов и топливных элементов.

Современная наука чаще всего базируется на исследованиях, которые проводятся в хорошо оборудованных лабораториях целыми институтами. Аэрогелем, как ни странно, может заниматься и ученый-одиночка — необходимое оборудование сравнительно доступно. Это открывает достаточно широкие возможности для исследований. В интернете можно найти целые сайты, посвященные методике и рецептам по изготовлению аэрогелей.

Но мы, кажется, так и не ответили на два важных вопроса, заданных в начале материала: действительно ли аэрогель может быть легче воздуха и почему китайский графеновый аэрогель стал сенсацией. Плотность различных аэрогелей обычно варьируется в пределах от 0,001 до 0,5 г/см 3 (чаще всего порядка 0,02 г/см 3 ), а плотность воздуха — 0,001225 г/см 3 .

То есть аэрогель действительно может быть немного легче воздуха — такой эффект достигается удалением воздуха из пор и замещением его газом, более легким, чем воздух. Китайские же ученые поставили рекорд, добившись плотности 0,00016 г/см 3 . Предыдущий рекорд сверхмалой плотности принадлежал материалу под названием аэрографит, созданному год назад немецкими учеными, — его плотность составляла 0,0002 г/см 3 .

Основное достижение китайцев не только в разработке нового метода получения аэрогеля и установлении рекорда, но и в отличных свойствах графенового аэрогеля: он удивительно эластичен (восстанавливается после 90-процентного сжатия) и способен абсорбировать количество жидкости (масла), в 900 раз превышающее его собственную массу. Вполне вероятно, новое вещество станет великолепным улавливателем океанического мусора и, что немаловажно, загрязняющих воду веществ, например нефти.

В общем, широкое практическое применение аэрогелей в повседневной жизни, как говорится, на носу. Правда, пока совершенно непонятны размеры этого носа.

Сделай сам

На сайте aerogel.org приведена пошаговая инструкция по изготовлению установки для сверхкритической сушки — того самого устройства, которое позволит получать аэрогели в домашних условиях, а также целый ряд инструкций по созданию аэрогелей различных типов.

Сверхкритическая сушка

1. Высокотемпературный процесс начинается с того, что берется твердый гель (изготовленный с использованием, например, алкоголятов кремния), катализатор и водный раствор спирта.

2. Для удаления избытка воды гель несколько раз замачивают в спирте.

3. Затем гель под давлением помещают в контейнер со спиртом и доводят до критической точки путем повышения температуры и давления.

4. По прохождении критической точки вещество приобретает одновременно свойства жидкости и газа. Затем давление постепенно понижается при сохранении постоянной температуры. Флюиды в газообразной форме выходят из вещества.

5. Во время охлаждения частицы диоксида кремния образуют твердую структуру. Оставшегося спирта в газообразной форме слишком мало, чтобы конденсироваться обратно в жидкость, — он остается в нанопорах в качестве газа. Остаточный газ выводится из аэрогеля с помощью вентиляции.

Электронная ткань

Если мы встретимся за чашечкой кофе в 2020 году, я скорее всего буду одет в электронную одежду. Зачем носить с собой электронные гаджеты, которые легко потерять, если можно просто носить с собой компьютеры?

В настоящее время ведется разработка альтернативных методов ношения компьютеров, и если в ближайшее время мы увидим разве что очки и часы, скоро схемы будут вшиты непосредственно в то, что мы надеваем. Ведь замечательно говорить с кем-то по телефону, просто поднося руку к уху. Возможности электронной одежды воистину безграничны.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector