ТЕХНОГЕННЫЕНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

1.2. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.

Роль материалов в современной технике

Рассмотрим пример с компьютерной техникой. Первые компьютеры были на вакуумных электронных лампах и имели сравнительно скромные возможности. Размер их был примерно со спортивный зал, размер единичного элемента для хранения и обработки информации составлял несколько сантиметров. После открытия полупроводников размер элемента уменьшился примерно в 10 раз, размеры компьютера уменьшились также примерно в 10 раз. По мере исследования полупроводников их размер уменьшался, пока не произошел качественный скачок после открытия интегральных схем, когда несколько транзисторов соединили в одном элементе. В дальнейшем и этот элемент постоянно уменьшался и в нем соединяли все большее количество транзисторов. В настоящее время (2002 год) элементарный транзистор имеет размер примерно 0.5 мкм, в больших интегральных схемах соединяются тысячи элементов. Уже начался постепенно осуществляться переход на масштаб 0.2 мкм и 0.12 мкм. Имеются идеи о создании элементов размером в молекулу!

США: завершена разработка молекулярных "транзисторов"

Всегодняшнем (January 2005) номере американского “Journal of Applied Physics" трое учёных из HP Labs, объявили о завершении разработки технологии завтрашнего дня, призванной в итоге заменить транзисторы, как те в свою очередь сменили вакуумные лампы, а лампы сменили

механические реле.

Технология носит название "crossbar latch", что можно буквально перевести как "замок на перекрещении", а суть её состоит в использовании наномолекул для проведения электрического сигнала и создания элементов, способных выполнять логические операции. Ранее, в июле 2003 года, были представлены логические элементы, способные выполнять операции AND и OR, сейчас же операция NOT завершила триаду, необходимую для компьютерных вычислений.

Применяемые сегодня транзисторные технологии близки к технологическому пределу миниатюризации, и новая разработка готова подхватить эстафетную палочку, это произойдёт по прогнозам разработчиков хоть и не в ближайшие несколько лет, но вполне в обозримом будущем.

Бактерии могли бы использоваться, чтобы производить устройства типа транзисторов или светодиодов, с размерами в несколькими нанометров. В свою очередь, крошечные светодиоды могут быть использованы в составе оптических компьютеров, обрабатывающих сигналы быстрее обычных. В своих экспериментах авторы исследования задействовали бактерию Escherichia coli, она же – кишечная палочка. Они поместили культуры этих бактерий в раствор хлорида кадмия и добавили туда сульфид натрия. Бактерии "выкачивали" из раствора ионы, которые, реагируя между собой, создавали кристаллики полупроводника – сульфида кадмия. Каждая бактерия синтезировала 10 тысяч кристаллов с поперечником 2-5 нанометров.

Компьютеры на основе молекулы ДНК

Профессор Ричард Киль (Richard Kiehl) и его коллеги из университета Миннесоты (University of Minnesota) разработали экспериментальные биоэлектронные схемы, которые в будущем помогут создавать электронику с плотностью упаковки элементов в 100-1000 раз большей, чем сейчас.

Американские учёные используют цепочки ДНК для создания плоской ткани, по определённым свойствам напоминающей застёжку-липучку велькро, только на наноуровне.

В опытах команды Киля искусственные фрагменты ДНК самостоятельно собирались в заранее рассчитанную структуру.

С регулярным шагом на этой структуре образовывались "липучки", способные принять другие сложные органические молекулы, либо различные металлы, а в перспективе – целые электронные компоненты нанометрового масштаба.

Авторы проекта закрепляли такие молекулы на ткани, сформированной ДНК, словно радиодетали на пластмассовой плате.

Нанокомпоненты, собранные на основе ДНК, теоретически могут создать схему с характерным расстоянием между деталями в одну треть нанометра.

А поскольку такие компоненты могут сохранять электрические или магнитные заряды, испытываемая в Миннесоте технология – это прообраз будущей технологии создания сверхбыстродействующих (из-за малого пути сигналов) электронных схем с высокой плотностью упаковки информации, которые будут совмещать органические и неорганические компоненты.

1.2. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.

Материалы играют определяющую роль в техническом прогрессе. Выше я рассматривал пример из области вычислительной техники, когда совершенствование материала и технологии изготовления элементов оборудования из него приводит к радикально новым результатам. Можно привести еще примеры из других областей техники.

Например изготовление баллонов для хранения газов под давлением. Вес баллона определяется толщиной стенки сосуда, который, в свою очередь, определяется механической прочностью материала. Чем менее прочный материал, тем тяжелее сосуд. Так вот, сосуд для хранения азота, примерно на давление 100 атм, объемом 100 л, изготовленный из стали имеет разный вес в разных странах, где разная технология изготовления стали и, соответственно, разная ее механическая прочность. К примеру вышеупомянутый сосуд в США имеет вес 40 кГ, у нас - 80 кГ, а в Китае - 150 кГ.

1.2. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.

Другой пример, более близкий к энергетике. Рабочая напряженность электрического поля в мощном импульсном накопителе энергии (большой конденсатор, в котором в качестве диэлектрика использована вода. Напряженность поля в воде у американцев 150 кВ/см, в нашем накопителе «Ангара» - всего 80 кВ/см, а в накопителе ЛИУ-10, ЛИУ-15 – 50 кВ/см. У американцев лучше технология приготовления воды и электродов, следовательно лучше свойства материала (воды) в накопителе, значит пробой в воде достигается при более высокой напряженности, и можно выбрать большую рабочую напряженность.

Еще более близкий пример - изоляторы высоковольтных линий. Исторически первыми придумали изоляторы из фарфора. Технология их изготовления достаточно сложна, капризна. Изоляторы получаются довольно громоздкими и тяжелыми. Научились работать со стеклом - появились стеклянные изоляторы. Они легче, дешевле, их диагностика несколько проще. И, наконец последние изобретения - это изоляторы из кремнийорганической резины. Первые изоляторы из резины были не очень удачны. На их поверхности с течением времени образовывались микротрещины, в которых набивалась грязь, образовывались проводящие треки, затем изоляторы пробивались. Подробное изучение поведения изоляторов в электрическом поле проводов ВЛ в условиях внешних атмосферных воздействий, позволило подобрать ряд добавок, улучшивших атмосферостойкость, стойкость по отношению к загрязнениям и действию электрических разрядов. В результате сейчас создан целый класс легких, прочных изоляторов на различные уровни воздействующего напряжения.

1.2. Роль материалов в современной технике, в частности в энергетике.

Для сравнения, вес подвесных изоляторов для ВЛ 1150 кВ сопоставим с весом проводов в пролете между опорами и составляет несколько тонн. Это вынуждает ставить дополнительные параллельные гирлянды изоляторов, что увеличивает нагрузку на опору. Требуется использовать более прочные, а значит более массивные опоры. Это увеличивает материалоемкость, большой вес опор значительно поднимает расходы на монтаж. Для справки, стоимость монтажа составляет до 70% стоимости строительства линии электропередач. На примере видно, как один элемент конструкции влияет на конструкцию в целом. Применение кремнийорганической резины позволяет резко удешевить и ускорить строительство. Сейчас в Новосибирске действуют, по крайней мере, три фирмы, разработавшие конструкции быстромонтируемых опор. Основой для этого прогресса является разработка и использование для изоляторов новых электротехнических материалов. Легкие изоляторы дают возможность облегчить опоры, тем самым уменьшается ветровая нагрузка, удешевляется изготовление, доставка и монтаж ВЛ.

1.3. Основные типы материалов, применяемых в энергетике и электротехнике,

композиционные материалы.

Основные материалы, которые используются в энергетике

материалы, которые используются в энергетике

Общим для них является то, что они эксплуатируются в условиях действия напряжения, а значит и электрического поля. В них протекают электрические токи, выделяется тепловая энергия,

происходят потери электрической энергии, происходит нагревание материалов. Более специфичны магнитные материалы, в них

запасается магнитная энергия, в них также происходят ее потери, выделяется тепло при работе в переменном электрическом поле.

Структуры материалов

Кристалл. Ближний и дальний порядок в расположении атомов, анизотропия свойств, наличие точки плавления

Аморфное. Наличие ближнего и отсутствие дальнего порядков, изотропия свойств, отсутствие точки плавления.

Полимер. Одномерный дальний порядок, длительно развивающиеся деформации, отсутствие точки плавления.

Пример с углеродом. Алмаз, графит, графен, карбин, нанотрубки и фуллерены.