معرفی ۵ کاربرد اساسی برای ماده‌ی شگفت‌انگیز گرافین؛ آینده‌ای هیجان‌انگیز در انتظار دنیای تکنولوژی

(از سایت زومییت)

نویسنده: مسعود آموزگار یکشنبه, 19 مرداد 1393 ساعت 22:40 

گرافین

شتاب تکنولوژی‌های انقلابی این روزها حسابی بالا گرفته، اما هنوز بسیاری، پیشرفت‌های بعدی را ملزم به آماده شدن ماده‌ی برتری به نام گرافین می‌دانند. این ماده‌ی برتر هنوز برای مصارف عظیم آماده نشده، اما احتمالا آینده‌ی دنیای تکنولوژی را بسیار هیجان‌انگیز خواهد کرد.

 گرافین؛ ماده‌ای از جنس کربن خالص، با ضخامتی به اندازه‌ی یک اتم و تقریبا شفاف به شمار می‌رود که در صورت قرار گرفتن ورقه‌های آن بر روی یکدیگرمی‌تواند تا ۲۰۰ برابر سخت‌تر از فولاد باشد در حالی که ۶۰ هزار برابر نازک‌تر است. گرافین همچنین یک هادی بسیار عالی انرژی بوده و می‌تواند از منابع کربن یکتا (از نوک مداد گرفته تا کلوچه‌ی سوخته‌) سنتز شود. این ماده‌ی منحصر به‌فرد هزاران کاربرد محتمل را به دنبال خود می‌کشد.

چطور ممکن است یک ماده‌ به تنهایی تا این همه خصوصیات و رفتاری ایده‌آل داشته باشد؟ هنگامی که کلمه‌ی گرافین را در اینترنت مورد جستجو قرار دهید، متداول‌ترین تصویری که با آن روبرو خواهید شد، شبکه‌ای از مولکول‌های به هم پیوسته است که یادآور کندوی زنبور عسل هستند. در دنیای واقعی این تصویر از گرافین  احتمالا بهترین راه برای درک ویژگی‌های فوق‌العاده‌ی آن است. ساختار قابل مشاهده‌ی این ماده بسیار مستحکم و بهینه بوده و حتی قابلیت ترمیم خود به خودی را داراست. اما نکته‌ی دیگر، دو بعدی بودن ساختار این ماده است. بنابراین، گرافین انفعالی‌ترین فرم کربن محسوب می‌گردد که در نتیجه‌ی آن، ماده‌ای بسیار رسانا و منعطف و در عین حال قدرتمند و مستحکم را از آن شاهد هستیم.

مدتی پیش در زومیت نوشتیم که سامسونگ شیوه جدیدی را برای تجاری‌سازی گرافین کشف کرده است اما به نظر می‌رسد هنوز هم این ماده برای رسیدن به تولید و مصرف تجاری راه درازی در پیش داشته باشد. با این وجود، هنگامی که در خصوص کاربردهای احتمالی این حالت غیرعادی کربن مطالعه کنید کاملا هیجان زده خواهید شد. ماده‌ای که درهای غیرممکن بسیاری را باز خواهد نمود و توسعه‌ی سریع‌تر تکنولوژی را باعث خواهد شد...از زمانی که گرافین سرانجام برای اولین بار در سال 2003 ایزوله شد و بصورت مجزا بدست آمد، توجه علمی به آن به لطف تلاش برای ثبت پتنت‌های گوناگون بر اساس کاربردها و یافته‌های مربوط به گرافین، با سرعتی باور نکردنی رو به فزونی گذاشت. پتنت‌هایی که توسط کمپانی‌هایی نظیر اپل، IBM  ،Lockheed Martin و دیگر شرکت‌ها در زمینه‌های گوناگون از سراسر دنیا به ثبت رسیدند. بر اساس گزارش مجمع پتنت‌های بریتانیا، کشور چین برای ثبت بیشتر از ۲۲۰۰ پتنت مربوط به گرافین اقدام کرده که این کشور را در رده‌ی اول فهرست مربوطه قرار می‌دهد. ایالات متحده با ۱۷۰۰ پتنت در جایگاه دوم بوده و کره‌ی جنوبی با کمتر از ۱۲۰۰ پتنت بعنوان سومین کشوری که توجه ویژه به ثبت حق ابداع‌های مربوط به گرافین دارد شناخته می‌شود.

کاربردهای گرافین

۱-  باتری‌ها

احتمالا بزرگ‌ترین مشکل فعلی اغلب گوشی‌ها و دستگاه‌های موبایل، این است که آن‌ها بطور مداوم نیاز به شارژ شدن دارند. اما از سال 2011 به بعد، یعنی زمانی که مهندسان و محققان دانشگاه شمال غربی متوجه شدند که آنودهای گرافین در نگهداری انرژی عملکرد بهتری در مقایسه با آنودهای ساخته شده از گرافیت دارند (و سرعت شارژ آن‌ها نیز تا ۱۰ برابر بیشتر است) محققان نیز کار خود را قدرت و سرعت بخشیده و به آزمایش ترکیبات مقیاس پذیر، مقرون به صرفه و قدرتمند گرافین پرداخته‌اند.

در ماه می گذشته، محققان دانشگاه رایس متوجه شدند که گرافین ترکیب شده با وانادیوم اکسید که یک راه حل تقریبا ارزان قیمت محسوب می‌شود قادر به ایجاد کاتدهای باتری هستند که می‌توان آن‌ها را در ۲۰ ثانیه شارژ مجدد نمود و بیش از ۹۰ درصد از ظرفیت ممکن خود را نیز حتی پس از ۱۰۰۰ سیکل استفاده، نگاه می‌دارند.

۲- مدارهای کامپیوتری

 سال پیش محققان دانشگاه MIT و هاروارد موفق شدند با استفاده از الگوی DNA، گرافین را به شکل ساختارهایی در مقیاس نانو درآورده و از آن برای ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده کنند. اگرچه این محققان هنوز برای کار بر روی صحت عملکرد این دستاورد به زمان بیشتری نیاز دارند، اما این ماده سرانجام جایگزین سیلیکون در چیپ‌های کامپیوتری خواهد شد.

متد و شیوه‌های اجرای این فرآیند هنوز در مرحله‌ی آزمایشی قرار داشته و گران قیمت است، اما پتانسیل موجود برای قطعات الکترونیکی مبتنی بر گرافین نمایانگر مزیت‌های فراوان این ماده هستند که به هیچ عنوان نمی توان از آن‌ چشم‌پوشی کرد.

۳- گوشی‌های هوشمند

علاوه بر کاربرد در میان باتری‌ها و چیپ‌های کامپیوتری، این مساله نیز محتمل است که گرافین سرانجام به ماده‌ی اصلی مورد استفاده برای تولید گوشی‌های هوشمند آینده بدل شود. این ماده حتی می‌تواند برای ساخت گوشی‌های نشکن و مقاوم استفاده شود؛ آن‌ هم نه در ساختاری سخت و غیرقابل انعطاف. دستگاه‌های همراهی را تصور کنید که در یک بدنه‌ی فوق‌العاده مقاوم قرار گرفته و در عین حال قابلیت خم شدن و پیچیده شدن را دارند. این ماده می‌تواند در صفحه‌نمایش‌های لمسی منعطف نیز بصورت مستقیم به کار گرفته شود.

۴- سلول‌های انرژی

گرافین می‌تواند امکان مهار انرژی را در سطحی برای ما فراهم سازد که هیچ گاه تا پیش از این ممکن نبوده است. باتری مورد نیاز برای گوشی‌ها و ساعت‌های هوشمند یکی از موارد هستند اما انرژی خورشیدی و الکتریکی نیز می توانند به نحو فوق‌العاده‌ای از این ماده بهرمند شوند.

سال گذشته، محققان دانشگاه تکنولوژی میشیگان به یافته‌ای دست پیدا کردند که بر اساس آن، گرافین قادر است با جایگزینی پلاتینیوم نیروبخش سلول‌های خورشیدی باشد. پلاتینیوم که در حال حاضر بعنوان ماده‌ی کلیدی سلول های خورشیدی به کار می‌رود بسیار گران قیمت بوده و حدود ۱۵۰۰ دلار در ازای هر اونس هزینه در بر دارد. اما گرافین به لطف ساختار ماژولار خود، خصوصیت رسانایی و فعالیت کاتالیزوری مورد نیاز برای مهار و تبدیل انرژی خورشید را بدون از دست دادن هیچ درجه‌ای از بهینگی در ساختار خود داراست.

۵- کاربرد در بافت‌های زنده

یکی از شماره‌های نشریه Nature در سال 2012 پیش‌بینی کرد که گرافین می‌تواند برای تولید ایمپلنت‌های مصنوعی مورد استفاده قرار گیرد. اما در مطالعات اخیر، دانشگاه منچستر در نتیجه‌ی یکی از تحقیقات خود اعلام کرد که گرافین توانایی برقراری تعامل با سیستم‌های بیولوژیکی و زیستی را دارد یا به بیان دیگر می‌تواند با سلول‌های زنده ارتباط برقرار کند. این خصوصیت گرافین می‌تواند اینترنت اشیا را به قله‌ها و چشم‌اندازهای جدیدی رهنمون سازد. گرافین بصورت دقیق ماده‌ای نیست که تعامل اصلی را ایجاد می‌کند بلکه این ماده در حقیقت در زیر لایه‌های فسفولیپید (چربی) مصنوعی قرار خواهد گرفت که اجرای تمام کارهای زیستی عضو مصنوعی را برعهده دارند؛ اما آنچه که حائز اهمیت است، نمایان شدن سطح همه فن حریف بودن گرافین و حتی ایفای نقش در سیستم‌های زیستی خود ما است.

جدا از کاربردهای مصرفی که در بالا به آن‌ها اشاره شد، مجموعه‌ی کاربردهای کلی گرافین تقریبا بی انتها محسوب می‌شود. از آنجا که خصوصیات گرافین تنها در ترکیب با المان‌های دیگر نظیر گازها، فلزها و دیگر منابع کربن به کار گرفته می‌شود، محققان سراسر دنیا در حال اجرای آزمایش‌های متعدد و گوناگون با گرافین هستند تا از این ماده در آنتن‌ها، فیلترهای تصفیه‌ی آب، پنجره‌ها، رنگ، هواپیماها، بال وسیله‌های نقلیه هوایی، راکت تنیس، دستگاه‌های توالی یاب DNA، تایرها، جوهر و صدها و هزاران کاربرد گوناگون و بی ارتباط با یکدیگر هستند که این ماده قادر است نفسی تازه به کالبد آن‌ها بدمد.

مسیر درازی در پیش است

کمپانی سامسونگ که حدود یک چهارم کل پتنت‌های مرتبط با گرافین کره‌ی جنوبی را در اختیار دارد، میلیون‌ها دلار سرمایه را بر روی تحقیقات مرتبط با این ماده صرف کرده است. در ماه آوریل، انستیتو تکنولوژی‌های پیشرفته‌ی سامسونگ در همکاری با دپارتمان علمی یک دانشگاه محلی، دستیابی به شیوه‌ی جدیدی برای تولید گرافین در مقادیر عظیم را اعلام کرد که طی آن هیچ یک از خصوصیات الکتریکی و مکانیکی که موجب بی‌نظیر شدن این ماده می‌شود از دست نخواهد رفت. این موسسه‌ی تحقیقاتی وابسته به سامسونگ اعلام کرد:

این یکی از بزرگ‌ترین پیشرفت‌ها و دستاوردها در تاریخ تحقیقات مربوط به گرافین بوده است. ما انتظار داریم این اکتشاف جدید شتاب بخش تجاری سازی گرافین باشد که قادر است درهای ورود به دوران بعدی تکنولوژی‌های مصرفی را به روی ما بگشاید.

در این شیوه، گرافین رشد خود را از مقطع‌های گوناگون بر روی صفحه آغاز کرده و سرانجام قسمت‌های مختلف آن به هم پیوسته که منجر به همگرایی چند ورقه‌ی کوچک و ایجاد یک ورقه‌ی وسیع می‌گردد. این مساله قدمی است که تا کنون بسیار چالش‌برانگیز محسوب می‌شد. همچنین اخیرا گروهی از دانشمندان در موسسه‌ی علوم و فناوری کره توانسته‌اند ماده‌‍‌ای پلیمری را به عنوان جایگزین گرافن توسعه دهند که سوای از خواص مشابه، قابلیت تولید انبوه جهت کاربردهایی همچون سلول‌‍‌های خورشیدی و چیپ‌‍‌های نیمه رسانا را دارا است.

روشی که هم اکنون برای تولید انبوه گرافن با کیفیت بالا پتانسیل زیادی را از خود نشان می‌دهد روش لایه نشانی از بخار شیمیایی (CVD) است. این روش فرایندی پیچیده و هشت مرحله‌‍‌ای است که در آن واکنشگری گازی بر روی بستری از جنس فیلمی فلزی به عنوان کاتالیست می‌نشیند. با شکل گرفتن گرافن می‌بایست آن را از بستر فلزی جدا کرد و آن را بر روی سطح دیگری منتقل کرد، که این مورد خطر ترک خوردن یا شکستن گرافن را افزایش می‌دهد.

با وجود مقادیر بسیار زیاد برتری‌ها و مزایای گرافین، جای هیچ تعجبی نیست که چرا دنیای فناوری تا به این اندازه در خصوص پتانسیل‌ها و ورود هرچه سریع‌تر این ماده به تولید انبوه هیجان زده است. اما باید در نظر گرفت که تنها به این دلیل که گرافین کارها را به مراتب بهتر از سیلیکون به انجام می‌رساند، این معنی را در بر نخواهد داشت که کمپانی‌های تکنولوژی به این زودی‌ها آمادگی ایجاد تحول در فرآیندهای تولیدی خود را خواهند داشت.

اگرچه توسعه‌های اجرا شده‌ی اخیر به دست سامسونگ نوید بخش نزدیک شدن به آینده‌ی دلخواه است؛ اما همچنان راهی بی‌نقص برای تولید گرافین بوسیله‌ی ماشین‌ها و تجهیزات تولید انبوه وجود ندارد که به معنی سودآور نبودن آن است. گفته می‌شود که اندکی زمان خواهد برد تا سرانجام گرافین بتواند ماده‌های جانشین اثبات شده‌ای نظیر سیلیکون را از میدان به در کند چرا که لازم است، ابتدا گرافین بتواند هزینه‌های سنگین ماده و نیز هزینه و اختلالی که در فرآیندهای صنعتی موجود، ایجاد خواهد شد را رفع و رجوع نماید. یک محقق هندی در این خصوص می‌گوید:

تمام صنعت تکنولوژی بر پایه‌ی سیلیکون بنا شده است. نه به این دلیل که مواد دیگر قادر نیستند عملکرد آن را به نحو بهتری به انجام برسانند، بلکه به این دلیل که سیلیکون کارها را در مقابل هزینه‌ای که شما حاضر به پرداخت آن هستید به اندازه‌ی کافی خوب به پیش می‌برد. کمپانی‌هایی نظیر اینتل میلیاردها پوند برای ایجاد کارخانجات و فرآیندهای تولید بهینه شده برای سیلیکون هزینه کرده‌اند. بنابراین اگر از این شرکت‌ها بخواهید به گرافین روی آورند، لازم است احتمالا به زور و کتک متوصل شوید! آن‌ها به این سادگی‌ها دست از سر سیلیکون بر نخواهند داشت.

بنابراین ممکن است سال‌ها یا حتی دهه‌ها به طول انجامد تا اینکه سرانجام گرافین خود را وارد تولیدات صنعتی کند. اما پیش از آنکه این ماده به اندازه‌ی کافی ارزان شود تا کمپانی‌ها به استفاده از آن در مقیاس وسیع راغب شوند، تمام کاری که از دست ما بر می‌آید رویاپردازی در خصوص پتانسیل‌های مثال زدنی ناشی از مقاومت و نازکی این ماده و اثرات آن بر روی زندگی تکنولوژیک ماست.

SpaceX تصمیم دارد ۱۰ سال زودتر از ناسا انسان‌ها را به سیاره مریخ ببرد

(از سایت زومیت)

نویسنده: محمد درستکار یکشنبه, 19 مرداد 1393 ساعت 21:16 

چند وقت پیش ایلان ماسک در مصاحبه‌ای با CNBC از گره خوردن آینده بشریت با توانایی رفتن از این سیاره صحبت کرد و گفت که امیدوار است اولین انسان 10 تا 12 سال دیگر با کمک راکت‌های SpaceX و فضا‌پیما‌ها پا بر مریخ بگذارد. صحبت‌های جدید ایلان ماسک در راستای همان اظهار نظر‌هایی است که درباره مستعمره کردن سیاره مریخ در دهه 2020 میلادی گفته بود. در ادامه با زومیت همراه باشید تا بیشتر درباره SpaceX و زمان احتمالی رفتن انسان به سیاره سرخ  صحبت کنیم.

 ناسا اخیرا گفته بود که تلاش دارد انسان را تا سال 2035 بر روی مریخ بگذارد، البته این را هم گفته بود که این هدف در صورتی محقق خواهد شد که بودجه لازم تامین شود و بتواند ماموریت‌هایی مهمی را پیش از آن انجام دهد. ماسک البته گفته که به زودی شرکت تحت اختیار او یعنی SpaceX به بازار سهام وارد می‌شود، که احتمالا بتواند خیال خود را از مساله مالی راحت کند و منابع مورد نیاز را تامین کند.

ماسک رویا پرداز، مدیر عامل شرکت فضایی SpaceX و شرکت خودروسازی Tesla مدت زیادی است که دوست دارد به مریخ برود و انسان‌ها را به سیاره سرخ مسلط کند. بگذارید به اوایل سال 2012 برگردیم، زمانی که ماسک گفت در حال کار برای پیدا کردن راهی است که انسان‌ها را به صورت رفت و برگشت و با هزینه 500,000 دلار به مریخ ببرد. با اینکه چند وقتی است ماسک صحبتی در این موارد نکرده، اما به تازگی در مصاحبه خود با CNBC زمان تخمینی برای این عملیات را 10 تا 12 سال دیگر یعنی سال 2026 برآورد کرده است. برای سفر به مریخ احتمالا SpaceX از Falcon Heavy که به دو راکت تقویت‌کننده بزرگ متصل است و همچنین از سفینه فضایی Dragon که اخیرا آن را معرفی کرده استفاده خواهد کرد. ماموریت سفر به مریخ ناسا قرار است با کمک سفینه فضایی Orion (تقریبا برای آزمایش آماده شده است) و سیستم راه‌انداز جدید فضایی (انتظار نمی‌رود تا چند سال دیگر آماده شود) این شرکت انجام شود.

راستش را بخواهید سفر انسان به سیاره مریخ آنقدر‌ها هم عملیات سختی نیست. بله درست است سفری بسیار طولانی پیش رو است (حدودا 200 روز) و خطر در معرض اشعه‌های مختلف قرار گرفتن نیز وجود دارد، اما رفتن به سیاره سرخ در برابر الف) فرود بر مریخ، ب) نجات و زنده ماندن در مریخ ، ج) برگشتن به زمین، مشکلی بسیار کوچک به نظر می‌رسد. ناسا تجربه بسیار بیشتری نسبت به SpaceX دارد چون شرکت ایلان ماسک تا به حال بر روی ماه فرود نیامده و فاقد تجربه‌ ناسا از سفر به ماه است. همچنین SpaceX اطلاعات بسیار کمی را درباره برنامه‌ریزی‌های خود و چگونگی و زمان انجام این عملیات منتشر کرده است. درست است که سفینه Dragon این شرکت آینده سفر فضانوردان به ایستگاه بین‌المللی فضایی خواهد بود، اما باز هم سفینه‌های این شرکت امکانات فرود بر سیاره‌ ماه را ندارند. البته نمی‌توان گفت که ایلان ماسک قصد دارد با این سفینه‌ها به مریخ برود و قطعا تحقیق و توسعه بسیار بیشتری را در آینده انجام خواهد داد و آزمایش‌های مختلفی را پشت سر خواهد گذاشت، اما گذاشتن هدفی کوتاه مدت به اندازه 10 یا 12 سال برای رفتن به مریخ کمی بلند پروازی به نظر می‌رسد.

احتمال بسیار قوی که مطرح است، شروع شدن یک مسابقه فضایی برای رسیدن به مریخ است تا اینکه SpaceX بتواند فضانوردان را در دهه 2020 به دور محور مریخ به پرواز درآورد و نه اینکه بر روی سیاره بنشیند و انسان‌ها را بر سطح مریخ بگذارد. نکته‌ جالب موضوع این است که یک شرکت تجاری که توسط ایلان ماسک رهبری می‌شود قصد دارد در مسابقه با ناسا 10 سال زودتر رویای انسان‌ها را تحقق بخشد، هر چند شک و تردید‌های فراوانی درباره این موضوع وجود دارد. 

ا
یلان ماسک درون سفینه فضایی جدید Dragon V2 تولید شده توسط شرکت SpaceX

ایلان ماسک در مصاحبه با CNBC می‌گوید:

من امیدوارم اولین انسان تا 10 یا 12 سال دیگر به مریخ فرستاده شود. اما موضوعی که در دراز مدت حائز اهمیت است، ساخت یک شهر خود کفا در مریخ است که انسان بتواند به زندگی خود ادامه دهد.

فضای داخلی سفینه فضایی SpaceX Dragon V2

زمانی که از ماسک پرسیده شد چه زمانی شرکت‌ش را به بازار سهام می‌برد گفت:

ما نیاز داریم به شرایطی ثابت و قابل پیش‌بینی برسیم، ممکن است زمانی که توانستیم وسیله رفتن به مریخ را آماده کنیم یا اینکه چند بار با آن پرواز انجام دادیم. پس من فکر می‌کنم در این زمان بردن SpaceX به بازار سهام منطقی خواهد بود.

کپسول سفینه فضایی Orion ناسا تحت ساخت

از او درباره شیوه رقابت سفینه فضایی جدید این شرکت یعنی Dragon V2 با ناسا و همچنین قرارد‌اد‌های دولتی این شرکت نیز سوال شد که در پاسخ گفت:

احتمال اینکه در قرارداد‌های خدمه‌های تجاری برنده نباشیم، وجود دارد اما ما بهترین تلاش خود را می‌کنیم تا راه خود را ادامه دهیم، آن هم با پول خودمان.

کاربرد کوچکترین پروانه‌ی پیشران دنیا در نانوربات ها

(از سایت زومیت)

نویسنده: ‫کاوه جهان آرای‬‎ یکشنبه, 19 مرداد 1393 ساعت 14:11 

در سراسر دنیا دانشمندان در حال کار بر روی ساخت نانوربات‌های میکروسکوپی برای اهدافی همچون دارورسانی هدفمند هستند. برای نیل آمدن به چنین هدفی این نانوربات‌ها به نیروی پیشرانی نیاز دارند تا آن‌ها را به محل مورد نظر هدایت کند. اگرچه هم اکنون نیز سامانه‌های بسیاری در حال طی کردن مراحل توسعه‌ای هستند اما این بار ما شاهد کوچک ترین آن‌ها هستیم.

این پروانه‌ی مارپیچ مانند که در همکاری موسسات ماکس پلانک آلمان با دو مسسه‌ی علمی دیگر ساخته شده است در حقیقت از جنس رشته‌ای از سیلیکا و نیکل است که 400 نانومتر طول و 70 نانومتر عرض دارد و به گفته‌ی تیم سازنده 100 بار از قطر یک سلول خونی انسان کوچک تر است.

به جای نیروگیری از موتور داخلی این پروانه از میدان مغناطیسی گردانی که از خارج به آن اعمال می‌شود نیرو می‌گیرد که این موجب چرخیدن پروانه و هدایت آن به سمت هدف نهایی می‌شود. برای آزمودن این ابزار دانشمندان آن را درون ژل هایلورونان قرار دادند که از نظر غلظت و سفتی مشابه محیط داخلی بدن انسان است و درست مشابه درون بدن انسان رشته‌های بلندی از پروتئین‌های به هم گره خورده‌ی پلیمری شبکه‌ای را در آن تشکیل داده اند. در مطالعات پیشین پروانه‌های بزرگتری که ساخته شده بودند درون این شبکه گیر می‌کردند و با کند شدن حرکت نهایتا در یک جا به دام می‌افتادند. نانوپروانه‌ی جدیدی که ساخته شده قادر است از بین حفرات و فضاهای خالی موجود در این شبکه گذر کرده و به سادگی مسیر خود را تا رسیدن به هدف بپیماید.

به کمک این ربات هم اکنون می‌توان به کاربردهای هدفمند شده‌ی آن فکر کرد، به طوری که می‌توان از آن برای دسترسی به محل‌های حساسی همچون قرنیه استفاده کرد. نتایج این پژوهش در نشریه‌ی علمی ACS Nano به چاپ رسیده است.

ESA Launching Reusable, Robotic Space Plane

http://roboticstrends.com/research_academics

/article/esa_launching_reusable_robotic_space_plane

Officials hope to eventually use the reusable space place as an automated vehicle that will fly through the atmosphere.

By Elizabeth Howell, Space.com - Filed Jul 31, 2014

MoreResearch and Academicsstories

• Autonomous Underwater Vehicles to Track Endangered Whales - Aug 06, 2014
• ESA Launching Reusable, Robotic Space Plane - Jul 31, 2014
• What’s Better than Five Human Fingers? An Extra Two Robotic Fingers - Jul 23, 2014
• MIT Phase-Changing Robots Switch Between Hard, Soft States -Jul 15, 2014
• Robots with Green Thumbs in Space: Yes, It Could Happen - Jul 10, 2014

[ view all ]

The launch of a robotic space plane prototype in November could pave the way toward the creation of a reusable cargo vehicle that would survive the blistering re-entry into Earth's atmosphere, according to the European Space Agency.

ESA officials plan to launch the unmanned space plane, called the Intermediate eXperimental Vehicle (IXV), on a Vega rocket in early November. The flight plan calls for Vega to make an eastward flight - different than its usual polar orbit track - to release IXV into a suborbital path that would end in the Pacific Ocean.

Officials with the space agency hope to eventually use the reusable space place as an automated vehicle that will fly through the atmosphere aerodynamically, controlled by thrusters and its surfaces, then splash down safely in the sea.

"In this mission we are not only monitoring the spacecraft all along its autonomous flight, but also tracking its progress back to Earth to a particular spot – this is different [than] what we are used to," Giorgio Tumino, the project manager for IXV, said in a statement.

IXV will include sensors and infrared cameras to examine how heating is distributed across the belly of the spacecraft. The space plane will also fly with new technologically advanced features.

"The technical advancements that have been made since the first experiments with our Atmospheric Reentry Demonstrator in 1996 are huge," Jose Longo, ESA's head of aerothermodynamics, said in the same statement. "This is the first flight demonstration of features such as highly advanced thermal structures: thrusters and flaps that are part of the control system, and the 300 sensors and infrared camera to map the heating all along the spacecraft from the nose to the flaps. These things just cannot be tested in the same way in laboratories."

ESA is also going to test an infrared camera on its final automated transfer vehicle (ATV), called Georges Lemaitre, on a mission launching to the International Space Station Tuesday (July 29). You can watch the ATV launch live on Space.com via NASA TV starting at 7:15 p.m. EDT (2315 GMT) Tuesday (July 29).

The ATV is designed to break up in Earth's atmosphere during re-entry after it leaves the space station about six months after it docks, according to ESA. For the first time, ESA plans to track the spacecraft's re-entry using a special infrared camera.

The camera will transmit information to a special pod designed to survive re-entry, which will then send the information on to Earth through the Iridium satellite network.

تبدیل هر سطحی به پنل خورشیدی به کمک تکنولوژی اسپری سلول‌های خورشیدی

(از سایت زومیت)

نویسنده: مسعود آموزگار شنبه, 18 مرداد 1393 ساعت 16:19 

سلول خورشیدی

پنل‌های خورشیدی پس از یک دهه تحقیق و توسعه هنوز هم از دو مشکل اساسی رنج می‌برند. این پنل‌ها چندان بهینه نیستند و همچنین هزینه‌ی تولید بسیار بالایی دارند. حداقل یکی از این مشکل‌های اساسی باید پیش از جایگزین نمودن انرژی خورشیدی با انرژی‌های ارزان نظیر سوخت فسیلی حل و فصل شده باشد؛ و اکنون به نظر می‌رسد قدمی به این سو برداشته شده است.

 تا کنون بارها خبرهایی در خصوص افزایش اندک بهینگی سلول‌ها و پنل‌های خورشیدی با استفاده از روش‌های مختلف را به اطلاع شما رسانده‌ایم. برای نمونه مدتی پیش گفتیم که محققان دانشگاه استنفورد به شیوه‌ای برای خنک‌سازی خودکار و در نتیجه افزایش بهینگی سلول‌های خورشیدی سنتی دست یافته‌اند. همچنین گفته بودیم که شرکت‌های بزرگ فناوری نظیر گوگل نیز آستین‌ها را بالا زده و برای گسترش این شیوه‌ی تولید انرژی وارد میدان شده‌اند، اما هیچ یک از این دستاوردها به آن میزان بزرگ و اساسی نبوده که بتواند مشکل این پنل‌ها را حل کرده و آن‌ها را بعنوان رهکاری جایگزین برای بحران انرژی مطرح سازد.

پروسکایت در اصل یک ماده‌ی آلی فلزی با ساختار بلوری است که بیشتر از تیتانات‌های کلسیم شکل گرفته است و در سراسر دنیا از ته‌نشین رسوبات استخراج می‌شود. این ماده برای اولین بار حدود 150 سال پیش کشف شد اما دانشمندان به تازگی و در مدت اخیر تحقیق و بررسی بر روی آن به منظور جایگزین کردن این نیمه هادی با سیلیکون، بعنوان سازنده‌ی پنل‌های خورشیدی را آغاز کرده اند. بنابراین در صورتی که خواص این ماده و شیوه‌ی بهره بردن از آن مشخص شود بطور مشخص می‌توان از آن بهره‌های فراوانی برد. استخراج و بدست آوردن پروسکایت به شکل قابل توجهی ارزان‌تر از سیلیکون تمام می‌شود و لایه‌های جذب نور ایجاد شده با این ماده می‌تواند به شکل چشمگیری نازک باشد. کافی است ضخامت ۱ میکرومتری این ماده در حالت حداقلی را با میزان ۱۸۰ میکرومتری سیلیکون مقایسه کنید تا متوجه بهینگی فرآیند تولید آن شوید. بر همین اساس، راهکار اسپری کردن بر روی پنل‌های خورشیدی با استفاده از این ماده که توسط دانشگاه شیفلد مطرح شده را می‌توان بعنوان یک راهکار کاملا عملی و ممکن در نظر گرفت.بحران انرژی تا به جایی پیش رفته که برخی محققان برای بهبود وضع دریافت نیروی خورشیدی به ماده‌ای معدنی به نام پروسکایت دل خوش کرده‌اند. پروسکایت ماده‌ای آلی فلزی به شمار می‌رود که از خصوصیات عجیبی در جذب نور برخوردار است. اکنون یک تیم تحقیقاتی از دانشگاه شیفلد می‌گوید که آن‌ها به روشی برای ساخت پنل‌های خورشیدی بسیار بهینه با استفاده از پروسکایت دست یافته‌اند که در آن از اسپری نمودن ماده‌ی مذکور بر روی سطح استفاده می‌شود. بنابراین به زودی ممکن است شاهد اسپری کردن سلول‌های خورشیدی بر روی سطوح مورد نیاز باشیم.

 اکنون سوالی که مطرح می‌شود از این قرار است که این سلول‌های خورشیدی اسپری شده تا چه میزان بهینه خواهند بود؟ در حال حاضر محققان موفق شده‌اند 11 درصد جذب انرژی را از یک لایه‌ی نازک پروسکایت بدست آورند. سلول‌های خورشیدی که به روش سنتی با استفاده از این ماده‌ی معدنی تولید شده‌اند تا بهینگی 19 درصد نیز پیش رفته‌اند که انتظار می‌رود در نهایت روش اسپری نمودن نیز به همین سطح از بهینگی دست یابد. ممکن است این ارقام چندان هیجان انگیز به نظر نرسد، اما سطح 20 درصد جذب انرژی برای یک پنل خورشیدی که در مرحله‌ی آزمایشی قرار دارد کاملا قابل قبول است. باید در نظر گرفت که سطح متوسط بهینگی در سلول‌های خورشیدی سیلیکونی پس از سال‌های سال تحقیق و توسعه تازه به حد 25 درصد رسیده و البته مواد دیگری نیز وجود دارد که می‌توانند سطح بازدهی بالاتری در بر داشته باشند اما هیچ یک از آن‌ها به مرحله‌ی قابل استفاده بودن نزدیک هم نشده‌اند.

پیشرفت و دستاورد اصلی در این تحقیقات، فرآیند اعمال لایه‌ی نازک پروسکایت بر روی یک لایه‌ی نازک یکپارچه است که در نتیجه ی آن، قادر خواهد بود نور را بر روی هر سطحی به شکل بهینه جذب کند. یک لایه از این ماده می‌تواند بعنوان پایه‌ی پنل‌های خورشیدی مورد استفاده در خودروها و دستگاه‌های موبایل که سطح کاملا تخت و مسطحی ندارند بسیار کاربردی باشد. همانطور که می‌دانید ساختار و خصوصیات سیلیکون بلور چندان انعطاف‌پذیر نبوده پنل‌های خورشیدی که به روش سنتی تولید می‌شوند حالتی کاملا تخت یا غیرقابل انعطاف دارند و نمی‌توان چندان با طراحی آن‌ها سر و کله زد؛ اما وقتی صحبت از اسپری کردن سلول‌های خورشیدی در میان باشد روال کار بسیار گسترده‌تر خواهد شد. البته محققان دانشگاه شیفلد اذعان کرده‌اند که سطح بهینگی پنل خورشیدگی اسپری شده بر روی سطوح غیر مسطح اندکی کمتر از سطوح صاف خواهد بود.

فرآیند اسپری کردن، علاوه بر مزیت سطوح غیر مسطح، چند مزیت کلیدی دیگر نیز به همراه خواهد داشت. مهم‌ترین منفعت این فرآیند، سادگی بی حد و حصر تولید پنل‌ها در مقیاس‌های دلخواه است. همان نازل اسپری که در تولید یک پنل خورشیدی کوچک برای استفاده‌ی شخصی مورد استفاده قرار می‌گیرد می‌تواند بدون نیاز به هیچ تغییری به تولید پنل‌های خورشیدی بزرگ برای خودروها یا صنایع بپردازد. تنها مساله‌ی موجود، مقدار دفعاتی است که این نازل برای پوشش دادن کامل سطح با لایه‌های دلخواه باید رفت و برگشت داشته باشد. راه‌حل مبتنی بر پروسکایت که مورد استفاده قرار گرفته، نیز می‌تواند با هزینه‌ای اندک به تولید انبوه رسیده و کنترل بسیار بهتری نسبت به سیلیکون نیز به تولیدکننده ارائه می‌کند. تمام این موارد دست به دست هم داده و هزینه‌ی تولید پایین‌تر سلول‌های خورشیدی در آینده‌ی نزدیک را سبب خواهد شد.

در حقیقت پروسکایت تقریبا به مرحله‌ای رسیده که بتواند جایگزین سیلیکون باشد و به این نقطه نزدیک می‌شود که سیلیکون را به کلی از تکنولوژی استاندارد تولید پنل‌های خورشیدی خارج سازد. تنها در عرض چند سال، پنل‌های مبتنی بر پروسکایت از سطح بهینگی تک رقمی خود را به مرحله‌ای نزدیک به سیلیکون رسانده‌اند و نشانی از توقف رشد آن‌ها نیز وجود ندارد.

دیر یا زود شاهد رو به اتمام رفتن سوخت‌های فسیلی خواهیم بود و در این میان، برنده کسی خواهد بود که آینده‌نگر بوده و صنعت کشور خود را با اطمینان تمام به این سوخت‌های آلوده واگذار نکند. ممکن است این همان دستاورد انقلابی باشد که برای حرکت به سمت انرژی‌های تجدید پذیر منتظرش بوده‌ایم. نظر شما در این خصوص چیست؟ آیا انرژی خورشیدی بدست آمده از این سلول‌ها می‌تواند روزی انرژی بخش حیات صنعتی ما باشد؟