Чтение онлайн

Углеродные аэрогели, обладающие электропроводящими свойствами и высоким коэффициентом оптического поглощения инфракрасного излучения, также являются перспективным материалом для высокотемпературной тепловой изоляции.

Очень значительную экономию электрической энергии может дать повсеместный и обязательный переход на газоразрядные лампы дневного света, особенно на светодиодную осветительную технику.

В нашей стране первые открытия в этой области были сделаны Олегом Владимировичем Лосевым (1903–1942), работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории, еще в 1923 году. В книге «У истоков полупроводниковой техники: избранные труды», вышедшей в свет только в 1972 году, так описываются наблюдения ученого: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА… Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света». О. В. Лосев умер в блокадном Ленинграде, отказавшись от эвакуации в глубь страны, и многие полученные им результаты были забыты.

Может быть именно поэтому первые светодиоды были изготовлены за рубежом в 1962 году, а уже в 1968 году появились первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett Packard.

К 1976 году были созданы оранжевые, желтые и желтозеленые светодиоды такой мощности, что они были видны и при ярком солнечном свете. До 1985 года светодиоды использовались исключительно в качестве индикаторов. В 1990 году светоотдача полупроводниковых диодов достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать равноценной заменой обычным лампам накаливания. В настоящее время светоотдача составляет более 60 лм/Вт.

Принципиальная схема современного светодиода показана на рис. 50. В корпусе из прозрачной пластиковой линзы 1, служащей для фокусировки света, на специальный кристалло-держатель (основание) устанавливается полупроводниковый кристалл 3, свойства которого определяют цвет видимого света. К полюсам кристалла при помощи соединительных проволочек 2 подключаются контакты (катод и анод) от источника питания.

Рис. 50. Принципиальная схема светодиода: 1 – прозрачная пластиковая линза; 2 – контактные проволочки; 3 – излучающий кристалл (полупроводник); 4 – кристаллодержатель (основание)

Рис. 51. Схема светодиода (чипа) на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN (индий-галлий-азот/алюминий-галлий-азот/галлий-азот)

Рассмотрим принцип работы и процесс создания светодиодного прибора. Классическая схема изготовления светодиода заключается в следующем. На поверхности сапфирового кристалла (подложке) выращиваются кристаллические слои полупроводникового материала, например на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN (индий-галлий-азот/алюминий-галлий-азот/галлий-азот), толщиной от 100 нм до 4,5 мкм (рис. 51). Продолжительность эпитаксиального роста светодиодной структуры, способной излучать свет при пропускании через нее электрического тока, составляет около шести часов.

На полученной пластине методами фотолитографической обработки, реактивного ионного травления, вакуумного напыления и др. создаются светоизлучающие кристаллы для изготовления полупроводниковых приборов. При этом на одной пластине могут находиться до 4000 кристаллов, которые разделяются на отдельные кристаллы (чипы) лазерной резкой.

Полученные чипы монтируются на специальные электрические платы, где ультразвуковой сваркой осуществляется соединение контактных площадок кристаллов и электропроводящих элементов печатных плат. Кристаллы заливаются компаундом (затвердевающим составом) для надежной фиксации и защиты от внешнего воздействия.

Для изготовления готового светового прибора разработано два конструкторских решения:

• группу кристаллов монтируют на печатную плату, коммутируют, заливают компаундом, и в результате получается готовый светодиодный модуль;

• несколько дискретных (отдельных) светодиодов устанавливают на общую печатную плату.

Полученный блок светодиодов (матрица) в дальнейшем применяется для создания различной осветительной техники и приборов, в том числе для подводного использования.

Значительный интерес представляют разработки так называемых органических светодиодов (organic light emitting diode, OLED), основанных на различных формах зеленого флуоресцентного белка (GFD). В перспективе GFP могут быть использованы при создании мониторов, телевизоров, различных дисплеев и т. п., совершенно безвредных для окружающей среды и потребляющих ничтожно малое количество энергии.

В данной главе необходимо остановиться на уникальной разработке отечественных ученых и практиков из ракетнокосмической отрасли по созданию на околоземной орбите крупногабаритных солнечных отражателей.

Академик РАН Юрий Павлович Семенов в докладе «Новые российские технологии в ракетно-космической технике последних лет» рассказал о некоторых результатах уникального эксперимента, который не был до конца реализован и, на наш взгляд, может быть успешно решен за счет новых достижений в области нанотехнологий.

Эксперимент заключался в реализации идеи использовать плоские космические отражатели для передачи световой энергии Солнца на поверхность Земли. Идея использования такого отражателя, а также солнечного паруса для межпланетных перелетов была высказана еще в 20-х годах Ф. А. Цандером. Он впервые рассмотрел несколько конструкций этого устройства, наиболее целесообразная из которых была подробно описана в 1924 году в неопубликованном варианте статьи «Перелеты на другие планеты».

Наверное, любой из нас играл в детстве с «солнечным зайчиком», зеркалом направляя отраженный солнечный свет в темные уголки двора. Теоретически было рассчитано, что солнечные отражатели можно эффективно применять и для освещения отдельных участков Земли, если площадь рефлектора будет составлять 5000-10 000 м2 (рис. 52). При планировании эксперимента главной задачей являлось обеспечение минимизации массы отражателя и его автоматического развертывания из транспортного положения, а также последующее позиционирование на заданные участки земной поверхности.

Уже на тот период времени в распоряжении ученых были разработки по изготовлению зеркальных отражателей (рефлекторов) из полимерной металлизированной пленки нанометровой толщины. Устройство должно было развертываться в рабочее положение, а затем сохранять необходимую округлую форму с помощью центробежных сил, возникающих при вращении отражателя вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.

В начале 90-х годов прошлого столетия РКК «Энергия» приступила к практической реализации этой идеи, а в феврале 1993 года был проведен первый демонстрационный эксперимент «Знамя-2». После отстыковки грузового космического корабля «Прогресс М-15» от российской орбитальной станции «Мир» на консольной части «Прогресса» успешно развернули двадцатиметровый отражатель из алюминизированной пленки ПЭТФ-ОА толщиной 7 мкм и массой 4,2 кг (рис. 53).

Рис. 52. Подсветка ночной поверхности Земли ««солнечным зайчиком» (эксперимент ««Знамя-2»)

Рис. 53. Грузовой космический корабль ««Прогресс М-15» с солнечным отражателем в ходе автономного полета 4 февраля 1993 года (рисунок с сайта www.vivovoco.rsl.ru )

Формообразование бескаркасного пленочного отражателя, как и рассчитывали, осуществлялось центробежными силами, возникавшими при вращении барабана и принудительном сматывании секторов отражателя с катушек с помощью электромеханических приводов.

Анализ телевизионной и телеметрической информации, переданной в Центр управления полетами с орбитальной станции «Мир», подтвердил правильность принятых технических решений. Отражатель действительно смог осуществить подсветку земной поверхности отраженными солнечными лучами в автоматическом режиме на одном витке вокруг Земли. Эксперимент также подтвердил правильность основных принципов и расчетных методик, послуживших базой для разработки нового направления в создании крупногабаритных бескаркасных пленочных конструкций (солнечных отражателей и солнечных парусов). Казавшаяся фантастической идея направления солнечного света на отдельные участки Земли была реализована российскими учеными и конструкторами.

Через пять лет, 25 октября 1998 года, грузовой корабль «Прогресс М-40» с доработанной экспериментальной установкой «Знамя-2,5» на борту стартовал с космодрома Байконур в Казахстане. Новый отражатель был выполнен с учетом замечаний, поступивших в ходе первого эксперимента и имел диаметр 25 м. Подсветку земной поверхности планировали осуществлять в двух режимах: автоматическом и ручном – на 16 витках вокруг Земли при общей продолжительности эксперимента 24 ч. Диаметр светового пятна на Земле должен была составить 6–8 км, а яркость космического освещения – около 2–5 лунетт (в 2–5 раз выше освещения в полнолуние).

Начальный этап проекта «Знамя-2,5» прошел без замечаний, в строгом соответствии с запланированной программой эксперимента. Корабль был успешно выведен на орбиту и состыкован с орбитальной станцией «Мир», в составе которой находился до февраля 1999 года. Основной этап эксперимента по развертыванию отражателя начался сразу же после отстыковки грузового корабля от станции 4 февраля 1999 года. К сожалению, дальнейший его ход был прекращен из-за несогласованности в работе обеспечивающих систем (ошибки в автоматической программе управления кораблем). Команда на открытие антенны не была блокирована, полотнище отражателя зацепилось за эту открытую антенну и пришло в негодность.

В настоящее время остается неоднозначная оценка результатов проведенных экспериментов, а также подвергается сомнению целесообразность дальнейших исследований в этой области. Перед началом эксперимента «Знамя-2,5» на собрании Международного астрономического союза астрономы выражали беспокойство, что будут созданы помехи для наблюдения ночного неба, так как лучом рефлектора могут быть уничтожены чувствительные астрономические детекторы. Также высказывались опасения, что по аналогии с улицами городов и экранами телевизоров, вскоре и «романтическое» ночное небо будет не загадочно мерцать миллиардами звезд, а светиться лучами, которые будут проецировать рекламу на огромные площади, что впрочем вполне возможно.

Однако, по нашему мнению, реализация данной программы имеет громадное практическое и экономическое значение, например, для ночного освещения таких крупных городов, как Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, освещения городов в высокоширотных районах, особенно в период долгой полярной ночи, а также для работ, проводимых в чрезвычайных ситуациях на больших и удаленных территориях.

В настоящее время российскими учеными из Консорциума «Космическая регата» ведется подготовка к осуществлению принципиально нового этапа данного эксперимента – «Знамя-3». Проект по-прежнему предполагает использование для вывода на околоземную орбиту конструкции солнечного отражателя отечественным грузовым кораблем «Прогресс». В конструкцию грузового отсека корабля будет встроен рефлектор солнечного отражателя диаметром 60–70 м, что уже в 2,5 раза превосходит предыдущие показатели. При этом современные возможности нанотехнологий по созданию тонких металлизированных пленок могут не только обеспечить изготовление экрана таких размеров, но и позволить значительно снизить общий вес конструкции.

Система следующего поколения солнечных отражателей должна состоять из группы (10–12 штук) космических рефлекторов (диаметром более 200 м), отражающих солнечный свет с орбиты высотой 1658 км (двухчасовая орбита) на ночную сторону Земли. При этом они будут способны последовательно обеспечить искусственное освещение нескольких больших городов с освещенностью до 40 лк (в 400 раз выше естественной освещенности в полнолуние). Общая площадь освещения может достигать десятков квадратных километров.

Также необходимо разработать и разместить на борту «Прогресса» электромеханическое и вычислительное оборудование нового типа для управления ориентацией корабля. Возможности современной нанотехнологической электроники способны обеспечить осуществление данных задач, что позволит осуществлять ориентирование корабля с более значительным моментом инерции без дополнительного расхода топлива реактивных двигателей.

Планировалось, что эксперимент будет повторно осуществлен еще в 2008 году в рамках прикладной научной программы Международной космической станции, но на данный момент он остается нереализованным.

Практические достижения современных нанотехнологий по созданию нанометрического пленочного полотна с большими габаритами и незначительной массой способны не только внести вклад в решение проблем энергосбережения, но и открыть совершенно новые возможности космонавтики. Тонкопленочные нанотехнологии в будущем позволят построить космические аппараты специализированного назначения (энергетические системы в космосе, парусные космические корабли, антенны-ретрансляторы, антенны-излучатели для аппаратов исследования дальнего космоса, противометеорные вакуумные экраны, гироскопические энергосберегающие системы и т. д.).

В заключение следует отметить, что в России у ряда политиков бытует мнение, что раз мы являемся богатой энергетической державой, то развивать альтернативные источники энергии, особенно возобновляемые, заниматься энергосбережением нецелесообразно и даже вредно. Однако это не так – катастрофическая зависимость российской экономики от невозобновляемых природных энергоресурсов, так называемая нефтегазовая игла, не только не стимулирует развитие в нашей стране энергоемких производств, но и в целом негативно сказывается на перспективах будущего России.

Наиболее заметные практические шаги нанотехнологии сделаны в области электроники. Сегодня электроника представляет собой самую динамичную отрасль науки и техники. Она изучает физические основы (электронные и ионные процессы в газах и проводниках), а также практическое применение различных электронных приборов и устройств.

Приведем основные показатели, характеризующие мировой рынок электронной промышленности в долларовом эквиваленте:

• отрасли промышленности, связанные с электроникой, – 15 трлн;

• электронное оборудование – более 1 трлн;

• полупроводниковые компоненты – 205 млрд;

• полупроводниковое производственное оборудование – 30 млрд;

• материалы для производства полупроводников – 20 млрд.

При этом среднегодовые темпы роста рынка электронной промышленности и связанных с ней других отраслей составляют более 7 % в год.

Основными этапами развития электронных вычислительных машин явились следующие важнейшие достижения:

• разработка и создание первого компьютера на основе электронных ламп (ENIAC, 1945 год);

• изготовление первого транзистора (Bell Laboratories, 1947 год);

• выпуск первого компьютера на транзисторах (TRADIC, 1955 год);

• разработка первой интегральной схемы (Texas Instruments and Fairchild Semiconductor, 1959 год);

• изготовление первого мини-компьютера (DEC, 1965 год);

• сборка микропроцессора (Intel, 1971 год).

Рассматривая развитие интегральных схем, выделим следующие этапы:

• I этап (1959–1969 годы) – интегральные схемы малой степени интеграции (МИС), 102 транзисторов на кристалле размером 0,25x0,5 мм;

• II этап (1969–1975 годы) – интегральные схемы средней степени интеграции (СИС), 103 транзисторов на кристалле;

• III этап (1975–1980 годы) – интегральные схемы с большой степенью интеграции (БИС), 104 транзисторов на кристалле;

• IV этап (1980–1985 годы) – интегральные микросхемы со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), 105 транзисторов на кристалле;

• V этап (с 1985 года по настоящее время) – интегральные микросхемы с ультрабольшой степенью интеграции (УБИС), 107 и более транзисторов на кристалле.

Следует отметить, что в 1981–1982 годах создание и развитие микросхем со сверхбольшой степенью интеграции стимулировались наличием технологии литографии (электронно-лучевой, рентгеновской и на глубоком ультрафиолете от эксимерного лазера), а также наличием производственного оборудования, и в основном определялись потребностями рынка. Наблюдался процесс их перепроизводства как в США, так и в странах Азии (Японии, Корее, Гонконге и т. п.)

Однако переход от УБИС к следующему поколению интегральных схем или какому-то новому устройству длится уже более четверти века и в настоящее время является сдерживающим фактором в дальнейшем развитии компьютерной техники.

В современных серийно выпускаемых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, однако применение ряда наноструктур открывает потенциальные возможности сокращения времени на несколько порядков.

Наиболее реально ожидаемое и самое эффективное практическое применение нанотехнологии должны получить в области нанозаписи и хранения информации, поскольку компьютерная память основана на том, что бит (единица информации) задается состояниями среды (магнитной, электрической, оптической), в которой записывается информация. Как известно, элемент памяти показывает наличие или отсутствие показателя. Поэтому на поверхности можно реализовать ситуацию, при которой 1 бит будет записан в виде скопления, например, 100 или даже 10 атомов. Как отмечается рядом авторов, если такая память будет создана, все содержимое библиотеки Конгресса США уместится на одном диске диаметром 25 см (вместо 250 тыс. лазерных компакт-дисков).