Редактор GeekTimes
390,2
рейтинг
2 июня 2015 в 20:33

На графене – к звёздам: материал из оксида графена двигается под воздействием света


Графеновая губка

Новое неожиданное свойство графена было обнаружено китайскими учёными из Нанькайского университета. Экспериментируя с «графеновой губкой», полученной из оксида графена, они обнаружили, что луч лазера способе придавать губке ощутимое ускорение.

Графеновую губку учёные получили из смятых листов оксида графена. Они пытались резать этот материал лазерным резаком, и внезапно обнаружили, что под воздействием лазерного луча материал начинает двигаться. Будучи помещёнными в вакуумную камеру, небольшие кусочки графеновой губки получилось подбросить лазером вверх на высоту до 40 см. Их заставляли двигаться даже солнечные лучи, сфокусированные при помощи обычной линзы.

Пока не до конца понятно, каким образом лазер (и свет вообще) сдвигает с места что-то ощутимо крупнее отдельных атомов. Возможно, имеет место эффект солнечного паруса, когда фотоны придают ускорение парусу, передавая ему свой импульс. Совсем недавно был запущен LightSail – первый коммерческий спутник, работающий на таком принципе.

Вторая идея, возникшая у экспериментаторов состояла в том, что под воздействием лазера из графена выбиваются атомы углерода, которые придают губке реактивное движение – но эту идею учёные, по некоторому размышлению, отбросили.

Согласно ещё одной гипотезе, графен поглощает энергию света и накапливает из-за этого заряд электронов. Когда накопленный заряд превышает ёмкость материала, «лишние» электроны «выстреливаются» наружу и придают губке импульс. Эта гипотеза была частично подтверждена, когда экспериментаторы зафиксировали ток, исходящий от кусочка губки. Неясно только, почему электроны не разлетаются в случайных направлениях, а летят организованно в одну сторону.

Если окажется, что на базе этого явления можно сконструировать, например, двигатель для космических аппаратов, то в деле космических полётов нас может ждать прорыв. Это фактически будет означать создание корабля, который может двигаться без топлива, при этом эффективность движителя на графене, по предварительным расчётам, на несколько порядков превышает эффективность солнечных парусов.
Вячеслав Голованов @SLY_G
карма
126,2
рейтинг 390,2
Редактор GeekTimes
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (51)

  • 0
    > графен поглощает энергию света и накапливает из-за этого заряд электронов
    то есть все таки топливо нужно?
    • +5
      Там была поправка — что скорее всего это будет использоваться просто как очень эффективный солнечный парус. Если так как описано в статье — то это даже существует в некотором виде — активный солнечный парус, материал, при воздействии света испаряется, придавая дополнительное ускорение.
      • +1
        не, ну использовать то можно и для вывода спутников — с наземными стационарными лазерами. Мне вот только непонятен этот момент:
        >Вторая идея, возникшая у экспериментаторов состояла в том, что под воздействием лазера из графена выбиваются атомы углерода, которые придают губке реактивное движение – но эту идею учёные, по некоторому размышлению, отбросили.

        Не увидел доводов — почему это не так.
        • –2
          вижу доводы, что скорее всего именно так(в смысле отклоненная идея и есть верная)!
  • +1
    Если окажется, что на базе этого явления можно сконструировать, например, двигатель для космических аппаратов, то в деле космических полётов нас может ждать прорыв. Это фактически будет означать создание корабля, который может двигаться без топлива,

    на каком расстоянии от звезды такое может работать?

    • +1
      По сути, так же, как солнечный парус. У звезды разгоняемся в сторону соседней, потом при подлёте начинаем тормозить.
      • 0
        Однако сила света падает обратно пропорционально квадрату расстояния. Так что даже если «на несколько порядков» то лететь до скопления Альфа Центавры всё равно будем лет сто, а то и тысячу.
        • 0
          Где-то недавно читал (не могу ссылку найти), что даже классический солнечный парус вменяемого размера позволяет разогнаться с помощью света Солнца вплоть до 0.1c. Только вот не помню, сколько для этого надо времени… Но всё равно это выглядело более-менее реалистично. А тут «на несколько порядков» лучше.
          • 0
            На нынешних парусах, которые уже летали, мы будем лететь десятки тысяч лет. Ещё учтите, что при приближение к другой звезде вы будете получать уже давление от её света. Причем даже если мы сделаем слой из сажи (поглощает 99.8% света), то импульс всё равно будет приличный, хоть и не двойной. То есть понадобятся двигатели типа ионных, чтобы поддерживать нужную скорость при приближении.

            А про то что на скорости 0.1с от паруса очень быстро останется только решето, я вообще молчу :)
            Наверно нужен какой-то очень компактный источник энергии (термоядерный синтез к пример) для создания мощного магнитного поля вокруг этой конструкции, чтобы протоны и электроны, встречающиеся в космосе не разрушали корабль. Хотя от нейтронов это не спасет (А они вообще есть в космосе? Ведь распадаются быстро).
            • +1
              Паруса как разворачиваются, так и свернуться могут, чтоб не тормозить «об другую звезду» раньше времени. Это же относится и к «решету».
              Само собой, техничекие проблемы есть, но 0.1c – это уже никакие не «десятки тысяч лет», а «всего лишь» 40 лет до ближайшей звезды.
              • +1
                Ага, только это при условии если вы вылетите с Земли на такой скорости и прилетите к другой звезде с такой же. Разгон и торможение займут 95% времени. А насчет решета я так и не понял: Ведь какое-то время их всё равно придется держать открытыми на высочайших скоростях.
                • 0
                  А числа можете привести насчёт разгона и торможения? Я вот прямо написал, что точно не помню, но видел вполне вменяемые числа. Никаких «десятков тысяч лет».
                  • 0
                    Я на досуге посчитаю, завтра ЕГЭ по математике :)
            • 0
              После достижения 0.1с парус можно отстреливать и лететь «накатом».
              • 0
                А тормозить потом чем?
                • +4
                  Отставить отстрел! Парус сворачиваем!
                • 0
                  Lithobraking, как же еще :)
                  • 0
                    Это же не то

                    en.wikipedia.org/wiki/Lithobraking

                    да и такая, кхм, «посадка», ибо скорее получится аннигиляция, вряд ли понравится экипажу, да и небесному телу тоже не поздоровится от такого выделения энергии.

                    Или я чего то не понял и у термина есть другое значение?
                    • 0
                      Вы все правильно поняли, это просто была шутка такая :)
                      Видимо не очень удачная.
    • 0
      Лучше уж лазером толкать. На корабль реактор, питающий лазер а лазер на графен. Так можно менять направление импульса.
    • 0
      На любом, достаточно сфокусировать луч лазера на парусе. Т.е. рядом со звездой строится большой лазер, который и «ведёт» корабль.
  • +1
    Было бы неплохо видео сего эксперимента увидеть. Больно уж интересно.
    На ТыТубе нашел только это
    www.youtube.com/watch?v=fB3nsvqRKaQ
  • +1
    совсем школьную физику забыли — ru.wikipedia.org/wiki/Радиометрический_эффект
    • 0
      Они в вакууме тестировали.
      The team placed pieces of graphene sponge in a vacuum and shot them with lasers of different wavelength and intensity.
      They were able to push sponge pieces upwards by as much as 40 centimetres.
      They even got the graphene to move by focusing ordinary sunlight on it with a lens.

      источник
  • 0
    Килограмм угольных таблеток, фонарик — и готова платформа Гребенникова )

    Кстати, у него там тоже летало в основном в ясную погоду и снизу бил потоки электронов. И эффект он заметил, когда крыло жука попало под сильное освещение прямо как на видео выше.
  • +1
    Графен — то, графен — се… Он где-нибудь в реальном мире уже используется? Вот прямо сейчас от него кто-нибудь профит получает, кроме журналистов?
    • +2
      ты случайно не из тех, кто пишет «нужны разработчики на swift с пятилетним стажем»?
  • 0
    ???

    habrastorage.org/files/e1d/525/bb1/e1d525bb1f6e4ea99a1dbf42e3265656.png
    • 0
      Третий закон Ньютона не даст. Лазер будет тянуть пепелац назад.
      • 0
        Это просто шутка, в интернете таких много)
        • 0
          O RLY?
          • 0
            В таком случае зачем вы говорите очевидные вещи?)
            • 0
              Можете называть меня «Капитан» (:
      • +1
        А я так понял статью, что дело не в давлении света, а в том, что под его действием на поверхности собираются электроны, и когда их становится слишком много — они «выстреливают», перпендикулярно пластине графена (что логично), и соответственно создают реактивную тягу.

        Т.е. лазер будет тянуть назад, но в упомянутое «на порядки меньшее» число раз…

        В таком случае получается и взлететь можно, если достаточную плотность луча направить на пластину достаточного размера…
        Правда электроны в такой системе должны по идее заканчиваться. В атмосфере запас может возобновляться из воздуха, а вот в космосе сложнее.

        Или я не правильно понял статью?
      • 0
        Почему так уверены что не даст? Ну лазер то естественно будет толкать назад, в этом сомнений нет: с силой равной мощность излучения / скорость света.
        И если вместо графеновой губки будет просто обычное черное тело, то эти силы друг друга скомпенсируют и движения не будет.

        Но если верить статье, в ней написано что эффективность такого движетеля на графене на пару порядков выше светового паруса, а значит сила с которой графеновая губка будет тянуть такой пепелац вперед намного выше чем «отдача» лазера светящего на эту губку и в результате пепелац будет получать приличное ускорение в нужном направлении намного превосходящие «фотонный двигатель» (который уже сейчас реален, но ввиду своих параметров никому не интересен)
        Законы сохранения при этом соблюдаются, если механизм описан правильно, то дополнительный импульс дают «выскакивающие» с поверхности такой губки электроны (необычная разновидность фотоэффекта).

        Правда если дело в электронах, то такая губка в условиях космоса быстро приобретет большой положительный заряд и ее эффективность начнет падать (т.к. вылетающим электронам придется преодолевать все возрастающее электрическое поле). Но если ее электрически соединить с металлическим корпусом корабля, то вероятно получится достаточно неплохой запас «топлива» для ее работы. К тому же положительно заряженный корпус корабля начнет собирать свободные электроны и отрицательные ионы в космосе и постепенно восстанавливать утраченный заряд.
        • 0
          Shame on me, читал статью «по диагонали», думал, что работает по типу паруса. :(
    • 0
      Тогда уж так:

      • 0
        Вот так веселее
  • 0
    Тоесть черные паруса появятся и в космосе )
  • 0
    Вот я все ещё не увидел, в какую сторону движение-то?
    • –1
      Перпендикулярно поверхности, в сторону противоположную направлению падения луча лазера.
    • +1
      Вот так нагляднее будет:
  • 0
    Какой к чертям солнечный парус? где в космосе будет восполняться запас электронов?
    Это же бабльгам готовая солнечная батарея.
  • +1
    Прочитал оригинал научной статью (скачать можно тут)

    В общем китайцы заново открыли внешний фотоэффект , только новую необычную его форму.

    Выглядит все это достаточно интересно, например у них куски графеновой губки «стояли» (левитировали) на луче лазера:

    (на фото куски губки «стоящие» на луче света внутри вакуумных трубок)

    А кусок губки одетый на микроскопическую ось лучом лазера смогли раскурить до тысяч оборотов в минуту, применив такой нехитрый механизм:


    По сравнению с подобными экспериментами типа приведенных в ролике выше это действительно намного сильнее выраженный эффект. Лазеры при этом не слишком мощные использовались — порядка 1 Вт (постоянные, не импульсные).

    Важное отличие всего этого от классического фотоэффекта открытого почти 100 лет назад — тут энергия электронов не ограничена максимальной энергией фотонов! В классическом фотоэффекте максимальная энергия 1 электрона это энергия упавшего фотона минус работа выхода.
    А тут средняя энергия выбрасываемых электронов составила порядка 70 эВ, если верить замерам китайцев. Тогда как лазеры использовались видимого диапазона (с длинами волн соответствующими энергии от 1.5 до 3 эВ).
    Т.е. своего рода элементарный ускоритель частиц(электронов) где множество фотонов участвуют в разгоне 1 электрона.
  • +1
    Да, еще забыл написать — сила эффекта примерно в 1000 раз больше чем можно было бы ожидать просто от давления света. Т.е. про несколько порядков это не преувеличение от журналистов, а реальные результаты экспериментов.
  • +1
    То есть можно сделать вот такую классическую штуку, но с лепестками из графеновой губки, и она будет крутиться в тысячу раз сильнее?
    А кстати, в классическом варианте чернят ли не графитом? Может, там и так графеном намазано оказывается?

    image
    • +1
      Да, должно. Там обычное чернение, на подобных штуках как раз подтвердили (и примерно измерили) давление света.
      Если заменить чернение на графеновую губку (это не плоский «лист» графена, а объемная губка), то должно вращаться на порядки быстрее причем в противоположную сторону. В классическом варианте давление сильнее(в примерно 2 раза) на зеркальную поверхность чем на черную и из-за этой разницы сил получается вращение даже под воздействием рассеянных источников света.

      А тут будет где-то в 1000 раз сильнее давление на поверхность с графеновой губкой. Собственно китайцы похожий эксперимент и провели — лучом лазера менее 1 Вт мощности раскручивали кусок губки на тонкой оси до тысяч оборотов в минуту.

      Ждем стартап по производству таких штук. Думаю будут весьма популярной игрушкой — для классической нужен довольно яркий свет и вращается она еле-еле. А с графеном будет бодро и постоянно вращающийся «вечный двигатель» (т.к. для его вращения будет достаточно даже очень слабого света, пока человек способен его видеть, т.е. будет казаться что он вращается вообще всегда).

      Видимо придется еще тончайшее металлическое напыление изнутри сферы сделать и ось вращения так же металлическую — чтобы выбитые заряды могли обратно на губку стекать и цикл замкнуть.
      • 0
        Через какое-то время (даже очень большое) электроны же исчерпаются, разве нет?
        • 0
          По мере «расхода» электронов губка будет приобретать положительный постепенно возрастающий заряд и на каком-то уровне разницы потенциалов электроны начнут «стекать» к ней обратно по материалам корпуса.
          Чтобы игрушка работала максимально эффективно и неограниченное время я и предложил сделать внутри стеклянной колбы тончайшее металлическое напыление (выглядит такое как «тонированное» прозрачное стекло) чтобы электроны легко стекали обратно на губку.
  • 0
    Становится понятной классическая форма и свечение снизу у «тарелки» пришельцев))
    Там просто дно графеновое, а по контуру мощные лазеры, направленные на дно, снизу под небольшим углом…

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.