Двигатели, аппараты и установки
Рентгеновская пушка готова. Зеленые из зеленых. Пламенный мотор. Суперлинза для лазера. Сенсор мал, да удал. Инфракрасный манипулятор. Водородный двигатель
В американской Национальной лаборатории Сандиа закончена модернизация самого мощного в мире источника прерывистого рентгеновского излучения. Эта гигантская установка, известная как Z-машина, была запущена в 1985 году. Она генерирует рентгеновские лучи с помощью очень коротких, но исключительно сильных импульсов электрического тока, которые рождаются при разряде батарей конденсаторов. Токовые импульсы проходят через пучки тонких вольфрамовых проводов, которые в результате нагрева испаряются и превращаются в плазменные облака. Эти облака сжимаются магнитным полем и испускают рентгеновские вспышки чрезвычайно высокой интенсивности. Физики используют это излучение для исследования свойств различных материалов, для экспериментов по получению управляемых термоядерных реакций и для изучения эффектов, возникающих при ядерных взрывах. В прошлом году Z-машина была поставлена на реконструкцию, в ходе которой ее снабдили более емкими конденсаторами. Ранее она могла генерировать импульсы тока силой до 18 миллионов ампер, однако новое оборудование должно повысить этот показатель почти в полтора раза, до 26 миллионов ампер. Модернизированная установка также позволит лучше нацеливать рентгеновские лучи и выстреливать ими с более высокой частотой. В Вирджинском политехническом институте составлен список пятисот крупнейших суперкомпьютеров мира, ранжированных по степени экономичности. Уровень экономичности каждого компьютера определяется по числу операцией с плавающей точкой в секунду (на компьютерном жаргоне - флопсов) в расчете на один ватт затраченной электрической мощности. Первая пятерка позиций в списке Green500 досталась вычислительным комплексам семейства Blue Gene\P, которые выпускает американская корпорация IBM. В нем лидирует компьютер, установленный в английской многопрофильной государственной лаборатории Дэйрсбери. По быстродействию эта машина стоит всего лишь на 121-м месте среди ныне действующих суперкомпьютеров, однако именно она оказалась самой экономичной. Суперкомпьютер из Дэйрсбери выдает 357 миллионов флопсов (мегафлопсов) на один ватт. Вторая позиция досталась куда более мощному суперкомпьютеру (40-е место по быстродействию), принадлежащему вычислительному центру немецкого Общества Макса Планка, находящемуся в баварском городе Гархинге неподалеку от Мюнхена. Эта машина производит 352 мегафлопса на ватт. Бронзовым призером (347 мегафлопсов на ватт) оказался суперкомпьютер из отделения корпорации IBM в Рочестере в штате Миннесота, который по скорости работы занимает 24-е место. Четвертая клетка (336 мегафлопсов на ватт) досталась вычислительному комплексу JUGENE, который совсем недавно был запущен в немецком научно-технологическом центре в Юлихе в земле Северный Рейн-Вестфалия. Это быстрейший суперкомпьютер Европы, да и по общему быстродействию он сейчас стоит на втором месте в мире. Пятерку самых «зеленых» суперкомпьютеров замыкает машина из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США, которая в расчете на один ватт производит 311 мегафлопсов. За пределами первой пятерки экономичность сразу резко падает. Идущий под шестым номером суперкомпьютер PowerEdge 1950, изготовленный корпорацией Dell для Центра биомедицинских вычислений Стэндфордского университета, делает только 245 мегафлопсов на ватт. Разделившие места с 7-го по 10-е компьютерные комплексы серии eServer Blue Gene фирмы IBM показывают 210,56 мегафлопсов на ватт. Американская авиакосмическая корпорация Northrop Grumman сообщила об успешном завершении серии огневых испытаний криогенного ракетного двигателя нового типа. Так называются ракетные моторы, которые используют сжиженные газы в качестве горючего и окислителя (иногда – только окислителя). Во всех серийных двигателях этого типа топливом служит водород, а окислителем – кислород. И тот, и другой превращаются в жидкости при очень низких температурах (водород для этого надо охладить до -253 градусов Цельсия, а кислород до -183 градусов). В настоящее время такие двигатели разработаны в нескольких странах, в том числе в США и России. Например, на евроракетах «Ариан» установлены криогенные моторы «Вулкан-1» и «Вулкан-2», которые выпускает французская фирма Snecma Moteurs. Американская компания Rocketdine производит самый мощный в мире криогенный двигатель RS-68, которым оснащены новейшие космические ракеты «Дельта-IV». Новый мотор TR408 тоже работает на жидком кислороде, однако топливом для него служит метан. Этот газ при сгорании выделяет меньше тепла по сравнению с водородом, но зато для ожижения его достаточно охладить только до -165 градусов. Двигатель отличается простотой конструкции, компактностью и высокой надежностью. Фирма-разработчик полагает, что он найдет применение в целом ряде проектов НАСА. Физики Гарвардского университета изготовили лазерную наноантенну, который найдет множество применений в химии, биологии и медицине. Устройство заставляет лазерный свет стянуться в очень узкую зону, размеры которой в десятки раз уступают длине его волны. В принципе то же самое делают и собирающие линзы, однако они могут фокусировать лучи только в пределах расстояний, превышающих эту длину. Наноантенна представляет из себя пару золотых параллельных пластинок микронной протяженности, разделенных щелью шириной в сто нанометров. Она работает в паре с квантовым каскадным лазером. Лазеры этого типа генерируют инфракрасное излучение в очень широком частотном диапазоне. В данном случае был использован лазер, испускающий инфракрасный свет с длиной волны в семь микронов. Эксперименты показали, что наноантенна концентрирует этот свет внутри щели, откуда он вновь уходит в окружающее пространство. В результате источником излучения оказывается область, размеры которой составляют от одного до двух процентов длины его волны. Обычные линзы на такое в принципе не способны. Лазерная наноантенна разработана под руководством профессора прикладной физики Федерико Капассо, который в 1994 году построил первый квантовый каскадный лазер. Ее можно использовать для детального сканирования внутренних структур живых клеток, молекулы которых сильно поглощают инфракрасное излучение. Ученые полагают, что с помощью таких приборов удастся многократно повысить разрешающую способность инфракрасных микроскопов. В американском Национальном институте стандартов разработан чрезвычайно чувствительный лазерный магнитометр. Он надежно регистрирует колебания магнитного поля, амплитуда которых не превышает одной миллиардной части земного магнитного поля. Более высокой чувствительностью обладают только сверхпроводящие магнитные сенсоры, так называемые сквиды. Однако эти устройства требуют охлаждения почти до абсолютного нуля, в то время как новый прибор действует при температурах до 150 градусов Цельсия. Поэтому он гораздо компактней и, главное, дешевле. В новом магнитометре задействован инфракрасный лазер малой мощности,. Он направлен на контейнер миллиметровых размеров, содержащий пары рубидия. В отсутствие внешнего магнитного поля лазерный свет проходит через контейнер практически без потери интенсивности. Если же контейнер поместить в магнитное поле, направленное перпендикулярно лазерному лучу, световой поток будет частично поглощаться атомами рубидия. Степень этого поглощения увеличивается вместе с напряженностью магнитного поля. Поэтому измерение интенсивности выходящего луча с помощью стандартного оптического детектора дает возможность определить и силу магнитного поля. Современная медицина широко использует диагностические приборы, отслеживающие магнитную активность сердца и мозга. Магнитные поля сердца зарегистрировать проще, поскольку они в сто раз сильнее мозговых. Новый сенсор уже в своем нынешнем виде может использоваться в качестве кардиомагнитометра. Разработчики доказали это в эксперименте, осуществив мониторинг магнитной активности сердца мыши. По их мнению, чувствительность прибора удастся увеличить еще раз в десять. В этом случае такими сенсорами можно будет оснащать и аппаратуру для магнитной энцефалографии. В Массачусетском технологическом институте испытана техника оптического перемещения микроскопических объектов по поверхности кремниевого микрочипа. Этот метод сам по себе не нов. Свет оказывают давление на тела, которые его поглощают или отражают. Такую гипотезу впервые высказал в 1619 году великий немецкий астроном Иоганн Кеплер, который на ее основе объяснил, почему кометные хвосты преимущественно направлены в сторону от Солнца. Через два с половиной столетия создатель теория электромагнитного поля Джеймс Клерк Максвелл вычислил величину светового давления. А в 1899 году профессор Московского университета Петр Николаевич Лебедев впервые измерил его в эксперименте, полностью подтвердив предсказание Максвелла. Хотя световое давление очень мало, с его помощью все же можно манипулировать частицами микронных или нанометровых размеров. Для этого применяют импульсы лазеров или светодиодов, которые способны удерживать частицы в подвешенном состоянии или сдвигать их в заданных направлениях. Такие системы называются оптическими пинцетами и используются уже много лет. Например, они позволяют перемещать клетки на приборном стекле микроскопа, что сильно облегчает их изучение. Однако до сих пор не удавалось создать оптический пинцет, способный управлять движением микрообъектов, расположенных на непрозрачной поверхности вроде силиконового чипа. Теперь доказано, что и это возможно. Мэтью Ланг и Дэвид Эпплъярд воспользовались тем обстоятельством, что тонкие кремниевые пластинки хорошо пропускают инфракрасное излучение. Проведя немало экспериментов, они построили оптический пинцет, который манипулирует частицами на кремниевой подложке с помощью импульсов инфракрасных лазеров. Для демонстрации возможностей своего метода они изобразили на поверхности чипа аббревиатуру названия своего института MIT, расположив по контурам этих трех букв 16 живых клеток кишечной палочки. Авиакосмическая корпорация «Боинг» успешно закончила серию стендовых испытаний экспериментального двигателя внутреннего сгорания на водородном топливе, созданного фирмой «Форд». Этот мотор с турбонаддувом предназначен для беспилотного самолета-разведчика HALE, над которым работает «Боинг». В ходе четырехдневных тестов имитировались условия полета на высотах до 20 километров. Двухмоторный винтовой самолет HALE сможет нести приборную нагрузку весом до 910 килограммов и беспосадочно летать в стратосфере в течение семи и более суток. Сотрудники Ренсселаерского политехнического института обнаружили новое применение для углеродных нанотрубок. Выполненные ими эксперименты показали, что электрическое сопротивление твердого блока, изготовленного из нанотрубок, изменяется в точности пропорционально внешнему давлению. Эта зависимость сохранялась до тех пор, пока в результате сжатия высота блока не уменьшалась более чем вдвое, после чего он просто разрушался. Ученые полагают, что нанотрубочные материалы можно использовать в качестве очень точных датчиков давления.