Существуют различные типы топливных элементов, но у всех имеется положительный и отрицательный электроды (анод и катод), а между ними — электролит. Большинство топливных элементов работают на водороде и кислороде. Атомы водорода подаются на анод, где они реагируют с катализатором (обычно это порошок платины). Каждый атом водорода теряет свой единственный электрон, который проходит по внешнему контуру, создавая электрический ток. Без электрона атомы водорода становятся положительными ионами и движутся через электролит к катоду. На катоде они вступают в реакцию с электронами и кислородом, образуя отход производства — воду, которая вытекает из аппарата. Очень важен правильный выбор электролита: он должен пропускать только положительные ионы водорода. Таким электролитом может служить гидроксид калия, фосфорная кислота или соли.
Экспериментальный топливный элемент, используемый в исследованиях по повышению эффективности
НАСА активно использует топливные элементы для производства электроэнергии на космических кораблях. На фото топливный элемент извлекают из грузового отсека космического челнока
В отличие от батарей электрохимические генераторы требуют постоянной подачи топлива (обычно это водород) и кислорода, чтобы поддерживать химическую реакцию. Однако в них нет движущихся частей и не происходит горение, поэтому в идеальных условиях их надежность достигает 99,9999 %. У топливных элементов есть и еще одно преимущество: они не загрязняют окружающую среду. Одно из самых впечатляющих использований топливных элементов — электромобили. Сейчас уже производится несколько моделей таких машин, в том числе Toyota Mirai, которая может пройти без дозаправки около 502 км. Время заправки такой машины — 3–5 минут, после чего она за девять секунд может разогнаться до 97 км/ч. В Японии уже есть «водородное шоссе» с водородными заправочными станциями.
Беспилотный автомобиль
Люди мечтали о создании беспилотных автомобилей еще в 1920-х гг., но эта мечта смогла реализоваться только с появлением компьютеров. В 2011 г. Невада стала первым американским штатом, разрешившим такие автомобили на общественных дорогах.
Работа над автомобилями с компьютерным управлением началась в университете Карнеги — Меллон в Питтсбурге, США, в 1984 г. Несколько крупных производителей машин, в том числе Mercedes-Benz и General Motors, построили собственные прототипы беспилотных автомобилей. Затем над созданием беспилотного автомобиля Google стал работать Себастьян Трун, бывший директор лаборатории искусственного интеллекта Стэнфордского университета.
Сегодня Google имеет целую автотранспортную фирму, занимающуюся серийным и заказным производством автомобилей с программой «Личный шофер». Автомобили оснащены GPS и способны следовать по запрограммированным маршрутам. Датчики распознают дорожные знаки, сигналы светофоров, другой транспорт и пешеходов. Если на светофоре включается красный свет, датчики улавливают его и машина останавливается в положенном месте. С помощью лазеров определяется расстояние до других объектов, что позволяет автомобилю держать безопасную дистанцию. Система поддерживает функцию ручного управления, которой человек-водитель может воспользоваться в любой момент. К марту 2016 г. совокупный пробег беспилотных автомобилей составил около 2,4 млн км, причем значительная часть пробега приходится на движение по городу. Произошло несколько аварий, но в основном по вине других водителей.
Сидеть на переднем сиденье беспилотного автомобиля — очень необычный опыт. Передав управление компьютеру, каждый человек в машине становится пассажиром
Беспилотные автомобили дают возможность ездить с комфортом людям, которым трудно водить из-за возраста или инвалидности, а также освобождают время водителя для других задач. Они помогут уменьшить количество аварий и позволят лучше контролировать дорожное движение. Эксперты прогнозируют, что к 2040 г. более 75 % всех транспортных средств будут беспилотными.
Google внес большой вклад в развитие беспилотных автомобилей. На крыше этой ранней модели установлены датчики, передающие машине информацию о том, что происходит вокруг
Марсоход Curiosity
В отсутствие команды исследователей изучение Марса проводится с помощью марсоходов, которые становятся все более сложными. В 2012 г. произошла посадка последнего марсохода — Curiosity.
Curiosity — четвертый марсоход, высадившийся на Марсе. Первый — Sojourner — был шестиколесным грузовичком немного больше обычной игрушки и управлялся дистанционно. В 1997 г. он, упакованный в подушки безопасности, был сброшен на Марс. Sojourner доказал, что на Красной планете техника может работать на солнечных батареях, и в 2004 г. на Марс отправили два крупных марсохода — Spirit и Opportunity. Они тоже питались от солнечных батарей, и инженеры не были уверены, что марсоходы смогут пережить первую темную марсианскую зиму, не потеряв всю энергию. Перед наступлением зимы марсоходы были припаркованы на склонах, обращенных к низкому солнцу, и благодаря аккуратному управлению питанием остались работоспособными. В 2009 г. Spirit застрял в глубоком песке, не сумел добраться до зимней стоянки и полностью разрядился в 2011 г. Opportunity работал до февраля 2019 г., многократно превысив запланированный срок в 90 марсианских дней. В 2012 г. Opportunity связался с Curiosity — марсоходом нового поколения.
Стереоскопические видеокамеры Curiosity создают 3D изображение окружающей среды, которое на Земле используют для того, чтобы направлять марсоход. С помощью «руки» анализируются горные породы, происходит поиск признаков воды и, возможно, древних форм жизни на Марсе
Curiosity по размеру похож на семейный автомобиль, он в четыре раза больше Spirit или Opportunity и весит 899 кг. Он работает на радиоизотопном термоэлектрическом генераторе, который рассчитан на два десятилетия или даже больше, обеспечивая работоспособность в течение всего года. Посадка Curiosity на Марс также отличалась: его не сбросили вниз в специальном мешке, а спустили на поверхность с помощью аппарата на реактивной тяге. Как и все марсоходы, Curiosity — передвижная геологическая лаборатория. Он оснащен дрелями, лопатами и разнообразными миниатюрными детекторами. Двигаясь в районе кратера Гейла, марсоход анализирует минералы и горные породы. Полученная информация не только рассказывает ученым НАСА об истории Марса, но и помогает планировать первый полет человека на Марс.
Робот Atlas
Atlas — это один из передовых роботов с компьютерным управлением. Этот андроид предназначен для помощи аварийно-спасательным службам в условиях, слишком опасных для человека.
Представьте себе картину: землетрясение, разрушенные здания, из поврежденных труб просачиваются смертельно опасные химикаты, повсюду огонь. Такая кошмарная ситуация будет трудна даже для прекрасно оснащенной и подготовленной аварийной бригады. Здесь-то и пригодится робот Atlas. Он был профинансирован Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и разработан компанией Boston Dynamics и другими корпорациями. Когда он впервые был представлен в 2013 г., набор его возможных навыков поразил публику. Atlas изготовлен из алюминия и титана, снабжен электрическим двигателем и гидравлическим приводом. Его руки обладают развитыми моторными навыками, а суставы всех четырех конечностей могут двигаться независимо друг от друга в разных направлениях. Встроенный компьютер робота получает информацию со стереокамер и оценивает окружающую среду. В этом ему помогает лидар (так называемый лазерный радар).
Рост первой модели Atlas был 1,82 м, вес — 150 кг. Рост последней модели — 1,75 м, вес — 82 кг
Демонстрация способностей
Чтобы показать новейшие технологии робототехники и поощрить лучшие проекты, DARPA организовало соревнование Robotics Challenge. В 2015 г. Atlas участвовал в нем и прекрасно показал себя — в смоделированной ситуации он выполнил ряд задач, с которыми сталкиваются аварийно-спасательные службы. Atlas вел машину, пробрался через груды обломков, убрал мусор, блокирующий вход, и открыл дверь, чтобы войти в здание. Затем он взобрался по лестнице, с помощью инструмента пробил панель, закрыл клапан, чтобы перекрыть протекающую трубу, и, наконец, подключил шланг к стояку и включил воду.
Последняя, улучшенная версия Atlas может ходить по самым разным поверхностям, в том числе по заснеженным и ледяным склонам. При ударе он может выровняться, а после падения — снова встать.
Энергия ветра
Все больше беспокойства вызывает использование ископаемого топлива, которое при сжигании сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому активно разрабатываются альтернативные источники энергии. Объем энергии, полученной из возобновляемых источников, увеличивается с каждым годом, и второе место (после гидроэнергетики) принадлежит энергии ветра.
Ветряные турбины преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую. Обычно турбина состоит из стальной башни с двумя-тремя лопастями. Когда дует ветер, лопасти вращаются, поворачивая вал, который уходит внутрь корпуса обтекаемой формы — гондолы. Там коробка передач ускоряет вращение вала, а генератор преобразует энергию движения в электричество. Датчики отслеживают направление ветра и разворачивают лопасти, чтобы ветер дул прямо на них — так установка приносит максимальную пользу.
Ветряные турбины на шельфе более эффективны, потому что морские ветра более постоянны, им не мешают холмы и другие особенности ландшафта
Ветряная турбина — современная «реинкарнация» ветряной мельницы. В I в. н. э. Герон Александрийский разработал «ветроколесо» для вдувания воздуха в трубы органа. Ветряные мельницы использовались в Персии для откачки воды из земли как минимум с IX в., а в Индии, Китае и Европе — в Средние века. В 1887 г. Джеймс Блит построил первую ветряную мельницу для выработки электроэнергии на заднем дворе своего дома в Шотландии.