Jéki László | Fizikai érdekességek: mikrorobotok, átlátszó napelemek, hidrofonok

Népszerű tudomány

Fizikai érdekességek: mikrorobotok, átlátszó napelemek, hidrofonok

Fantasztikus, parányi mikrorobotok mozognak egymástól függetlenül, majd minden látható irányítás nélkül különböző szerkezetekbe állnak össze. A korábbiaknál százszor kisebb robotok az amerikai Duke Egyetemen tíz éve folyó kutatások eredményei, fizikusok, mérnökök mellett matematikusok is dolgoztak a programon. A biológusok pedig már a robotok munkára fogására készülnek: nanocsöveket akarnak velük idegsejtekbe juttatni.

A mikrorobot építést 1997-ben kezdték el az egyetemen. 2002-re készültek el az első olyan robotok, amelyek pányva, vezetékes kapcsolat nélkül működnek. A következő lépésben megvalósították a robotok globális irányítását, valamennyi robot ugyanazokra a feltételekre reagált. Ezután jött a legnehezebb feladat: ugyanarra a globális irányításra a robotok egyidejűleg egymástól eltérően reagáljanak. Több robot találkozik tehát ugyanazokkal a feltételekkel és az azonos utasítások ellenére más tevékenységbe kezdenek: egyik például jobbra fordul, a másik előrefelé mozog.

A robotok hivatalos neve MEMS: microelectromechanical system – mikroelektromechanikai rendszer. Alakjuk spatulára hasonlít, a legújabb típusok mérete 60 mikron széles, 250 mikron hosszú és 10 mikron magas. Ilyen méretek mellett persze nincs elem bennük, energiát abból a felületből vesznek, amelyen mozognak, az elektromossá tett felszínről vesznek át töltést. A felület elektromossága valósítja meg egyben az irányítást is, a feszültség megváltoztatása jelent egy utasítást.

A mikrorobotok úgy mozognak, mint az araszoló hernyók, mert a kutatók karcolásokat rajzoltak az egyébként sima felszínre, ezek a karcolások késztetik alakváltozásra a szerkezetet. Egyetlen araszolással mindössze 10-20 nanométert tesznek csak meg, de képesek másodpercenként 20 ezerszer araszolni, ez viszont már jelentős, másodpercenként néhány tizedmilliméteres elmozdulást jelent. A hernyóként mozgó robot az eléje került akadálytól függően előre mozog, megfordul vagy körbejár. A csoportba rendeződő mikrorobotok „tánctermének padlóját”, azt a lemezt, amelyen mozognak, matematikusok tervezték meg. Az azonos jelre különbözőképpen reagálás problémájának megoldása elvben nagyon egyszerű: a robotok mérete kissé eltér egymástól, az eltérő méret miatt másként reagálnak. Ennek az egyszerű elvnek a gyakorlatba való sikeres átültetésén három évig dolgozott a kutatócsoport. Utólag ezt tartják a legnehezebb feladatnak.

*

Merész tervvel álltak elő az ausztrál Queensland Műegyetem kutatói: átlátszó napelemből készítik el a házak ablakait. A napelem a ráeső fény egy részéből energiát termel és ellátja a hagyományos üvegablak szerepét is, beengedi a fényt a lakásba. Átlátszó napelemük halvány rózsaszín árnyalatú, tehát az ablakon kinézve rögtön jókedvünk kerekedik, rózsaszínben látjuk a világot!

A napenergia hasznosítása, a fényből elektromos energiát előállító napelemek gyártása hatalmas iparág, üzlet. 2007-ben a napenergia cégek közel 12 milliárd dollárt vontak be tőzsdéken, hitelekből és kockázati tőkealapoktól. Az iparág évente átlagosan 40%-kal nő. A napenergia költsége folyamatosan csökken, az 1980. évi 21,8 dollárcent/wattról 2005-re 2,7 cent/wattra csökkent, a következő évtized közepén a hálózatra termelő nagy erőművek áraival fog versenyezni. A piac 90%-ban szilícium napelemeket használ. A szilícium napelemeknél már nem lehet jelentős hatásfokjavulásra számítani, csúcsteljesítményükhöz közel működnek. Ígéretes laboratóriumi kísérletek folynak más anyagokkal, a szilíciummal elért hatásfok megduplázását remélik. Műanyag napelemekkel a mai költség töredékéért lehet majd energiát termelni.

A napsugárzás különböző energiájú (hullámhosszú) sugárzások egyvelege. Különböző hullámhosszakon más-más félvezető anyagok alakítják leghatékonyabban elektromossággá a beeső fényt. Ezért építenek szendvics szerkezetű, többrétegű napelemeket, de az eltérő kristályszerkezetű anyagok pontos egymásra illesztésének nehézsége korlátozza az optimális szerkezet kialakítását.

A szilícium napelem rendszerint egyetlen fotont nyel el és ezzel egyetlen elektron nyerhető. Sokan foglalkoznak olyan anyagok keresésével, amelyekben egyetlen foton elnyelését több elektron kilépése, tehát erősebb áram követi. A folyamat megvalósulhat kvantumpöttyökben, nanoméretű félvezető részecskékben, ólom-szelenid, indium-arzenid kvantumpöttyökkel kísérleteznek.

Az ausztrál kutatók által kikísérletezett anyagról egyelőre keveset tudni. A fényelnyelést felerősítő festékanyagba titán-dioxidot kevertek. A napelem által termelt energia felhasználható a ház működtetésére, hűtésére, fűtésére, sokféle eszköz működtetésére.

Angol kutatók néhány éve különleges tulajdonságú, a hősugarakat kizáró, de a fényt beengedő intelligens üveget fejlesztettek ki. A különleges bevonat 29 Celsius-foknál lép működésbe. A vanádium-oxid alapú bevonat válogat a beérkező elektromágneses hullámok között: a látható fény tartományába eső hullámokat változatlanul átengedi, az infravörös hullámokat viszont visszaveri. A vanádium-oxid csak egy adott hőmérsékleti küszöb felett viselkedik így, a küszöbérték alatti hőmérsékleten a hő- és fénysugarakat egyaránt beengedi. Ez teszi igazán hasznossá, hiszen így egy napos téli délelőttön beengedi a hősugarakat is, viszont a nyári forróságban csak fény juthat be. Az alkalmazhatóság szempontjából a küszöbérték helyes beállítása a döntő, ezt megfelelő mennyiségű volfrám hozzáadásával érték el. A rózsaszín napelem-üveggel összevetve ez a megoldás kevésbé szép, mivel az üveg sárgászöld színű.

*

Az északi féltekén már javában tart a hurrikánok szezonja. A hurrikánok, tájfunok mozgását műholdakról könnyen követni lehet. Erősségük meghatározása azonban nem egyszerű, márpedig erősségük alapján hoznak döntéseket a lakosság riasztásáról, kitelepítéséről. Ma repülőgépeket küldenek a ciklonba, ezek átrepülnek a legnagyobb szélsebességű területeken és a vihar központján, eközben mérik a szél sebességét. Nicholas Makris, a Massachusetts Institute of Technology (MIT) professzora egyszerűbb és olcsóbb módszert javasol: a vihar által felkorbácsolt hullámok hangját kell figyelni. Elméleti számításait az első próbák fényesen igazolták.

Hidrofonokat, vízalatti mikrofonokat telepítene a közeledő hurrikán útjába. A szél felkavarja a vizet, a víz buborékkal teli habbá válik, ezt hangjelenségek kísérik. Ennek a hangnak az erősségét mérve vissza lehet következtetni a szél, ezen keresztül a hurrikán erősségére. Makris évek óta dolgozott elméleti modelljén és nemrég rátalált az első olyan adatsorra, amellyel ellenőrizhette számításait. 1999-ben a Gert hurrikán a Közép-Atlanti-hátság felett áthaladt egy 800 méter mélyre telepített hidrofon felett. A következő 24 órán belül repülőgépek mentek keresztül ezen a viharon és mérték a szélsebességet. Makris számításai 5%-nál kisebb eltéréssel megegyeztek a mért adatokkal, az egyezés tehát kifejezetten jónak mondható.

A módszer gyakorlati alkalmazását is végiggondolták már. A közeledő ciklon útjába, még biztonságos repülési viszonyok között, kis repülőgépekről lehetne ledobni az akusztikai érzékelőket. A hidrofonok folyamatosan küldött adatai alapján lehet majd megtervezni, eldönteni a lakosság kitelepítését. Hasonló rendszereket a szárazföldre is érdemes telepíteni, például India és Bangladesh tengerparti területeire.

Az Egyesült Államok évente mintegy 2,5 milliárd dollárt költ hurrikán-előrejelző rendszerére. Ezt tehetné jóval olcsóbbá az új megoldás. Egyetlen hidrofon sorozat telepítése az átrepülés költségének töredékébe kerülne csak. Pusztító ciklonok a világ más részein is gyakoriak, olyan szegény országokban is, amelyek nem képesek drága előrejelző rendszert fenntartani. Számukra hatalmas segítséget jelentene az új megoldás. Előbb azonban le kell folytatni az ellenőrző méréssorozatokat, hogy biztonsággal lehessen igazolni a szellemes módszer alkalmazhatóságát.

Print Friendly, PDF & Email
Please follow and like us:

Hozzászólások

Nincs hozzászólás ehhez: “Fizikai érdekességek: mikrorobotok, átlátszó napelemek, hidrofonok”



Szóljon hozzá!



Archívum

Hirdetés