Инновационные технологии в области электроники
Докладчик: Мусорин А.П., гр. 442 об3
Научн. рук.: Карпова Т.В.
Инновационные технологии 2016 года
Технология - то, что отвечает за продвижение и изменение этого мира. Новейшие технологические открытия и изобретения несут определенный риск, но и гарантируют изменения к лучшему, так как направлены на решение современных проблем, связанных с изменением окружающей среды.
Это результат человеческого потенциала и бескомпромиссности. Новые технологии - не пустое слово для каждого из нас, ведь благодаря ей мы можем улучшить стандарты жизни.
1) Инновационная воздушная платформа собирает энергию ветра прямо в небе
http://econet.ru/uploads/pictures/207110/content_hawe-vetrogenerator-3__econet_ru.jpgПортугальские инженеры в рамках Европейского исследовательского проекта разработали необычную ветрогененерационную установку, способную вырабатывать энергию ветра на разных высотах и своим внешним видом больше напоминающую воздушный дирижабль. Разработанный при активном участии компании Omnidea аппарат получил название HAWE (High Altitude Wind Energy) и, несмотря на свой внешний вид, эта воздушная платформа предназначена именно для производства энергии. Внутри летающего цилиндра содержится 180 кубических метров инертного газа, но он все равно весит легче воздуха. В отличие от обычных ветрогенераторов, этот прототип не требует башни, а потому может быть использован в любом месте. Тогда как ветротурбины используют довольно слабый ветер у поверхности земли, этот аэростат поднимается высоко в небо к сильным воздушным потокам. Платформа может подниматься на высоту до двух километров над землей. На такой высоте энергия ветра в восемь раз мощнее, а воздушные потоки -- более устойчивы. Поэтому благодаря этой системе можно получать значительно больше энергии.
Электромоторы вращают модуль, чтобы стабилизировать его в воздухе, также для того, чтобы создать физическое явление, известное под названием эффект Магнуса, что значительно увеличивает подъемную силу.
Вращение в потоках ветра генерирует аэродинамическую подъемную силу, подобную той, что создаётся крыльями самолета. Аэростат поднимается, натягивает трос, который вращает барабан, соединённый с электрическим генератором. Таким образом и производится электроэнергия. Схематично этом может быть представлено так:
http://econet.ru/uploads/pictures/207112/content_hawe-vetrogenerator__econet_ru.jpgЭти пропеллеры, которые разрабатывают в исследовательских компаниях, могут иметь несколько назначений: аэростат может выполнять функцию беспилотника, или же стать небольшим ветрогенератором. Набрав максимальную высоту, аэростат прекращает вращение. Благодаря этому его можно легко вернуть на землю, на что уходит гораздо меньше энергии, чем было произведено. Этот прототип генерирует в среднем 30 кВт. Следующая цель -- объединить несколько таких аэростатов в единую систему, чтобы производить еще больше энергии.
2) Мета-батарейки из массива нанопор.
https://nplus1.ru/images/2015/05/21/c205ebe81aaedf676097dc99ed983dcc.jpgМассив из множества нанопор-батареек (два миллиарда на квадратный сантиметр). Синим цветом выделен катод из пентоксида ванадия. Зеленым анод из того же материала. Красным токоприемник из рутения. Желтым - электролит (ионы лития).
Группа специалистов из Мэрилендского университета в Колледж-Парке создала массив из нанопор, каждая из которых представляет собой полноценную отдельную нанобатарейку. Работа опубликована в Nature Nanotechnology.
Хорошо сконструированные нанобатареи потенциально способны полностью использовать теоретическую электроемкость разнообразных материалов, демонстрировать высокую энергетическую плотность и гораздо более длительную продолжительность работы, чем у всех ныне существующих технологий химических источников тока. Чтобы достичь таких показателей, ученые организуют наноструктуры (например, нанотрубки) в гигантские (по наномеркам) трехмерные массивы - «нанотрубковые леса». В представленной работе исследователи скомпоновали в единый массив несколько миллиардов нанопор, каждая из которых, по сути, была отдельной нанобатарейкой, соединенной параллельно с остальными.
Массив нанопор был создан посредством метода атомно-слоевого осаждения. С его помощью производятся тончайшие пленки из оксидов, нитридов и сульфидов различных металлов. Каждая нанопора формировалась из анодированного оксида алюминия. Внутри нее находились анод, катод и жидкий электролит. Снаружи наноэлектрод покрывала внешняя нанотрубка из рутения, выполняющая функции токоприемника. Внутри нее находилась вторая нанотрубка из пентоксида ванадия (V2O5), наполненная электролитом. Ее нижняя часть служила анодом, а верхняя катодом. Вместе они создавали асимметрично функционирующую батарею с разностью потенциалов на концах проводника в 0.2 В и 1.8 В.
https://nplus1.ru/images/2015/05/21/8d6f811c4d1a174f5ec6c4a82403caa6.jpg Строение одной нанобатарейки. Внутри нанопоры из анодированного оксида алюминия находятся две вложенные друг в друга нанотрубки. Первая из рутения, а вторая из пентоксида ванадия, в которую залит жидкий электролит.
Полученная батарея продемонстрировала прекрасные характеристики работы. Она сохраняла высокую зарядную емкость: 95 процентов при 5 кулон или 46 процентов при 150 кулон с временем цикла зарядки-разрядки в 24 секунды. После тысячи циклов батарея теряла лишь несколько процентов своей начальной энергоемкости.
По мнению авторов работы, такие показатели связаны с хорошо продуманным дизайном и технологическим процессом создания массива нанотрубковых электродов, обеспечивающих быстрое и эффективное перемещение ионов и электронов.
3)Квантовый компьютер, шаг в будущее.
http://www.oszone.net/user_img/120221101138/qubit-quantum-computer-chip_mini_oszone.jpghttp://www.dsnews.ua/static/files/gallery_uploads/images/020789.jpgКвантовый компьютер - это устройство, которое использует явления квантовой суперпозиции и квантовой запутанности для передачи и обработки данных. Если говорить проще, то квантовые компьютеры - это компьютеры, которые могут решить проблемы, слишком сложные для обычных компьютеров, обрабатывающих информацию только в 1 и 0. В квантовой вселенной эти единицы и нули могут существовать в двух состояниях (кубитах) одновременно, позволяя выполнять параллельные вычисления. Таким образом, если вы создаете два кубита, у них могут быть одновременно четыре значения: 00, 01, 10, 11.
Квантовые компьютеры не только мощнее всего, что было создано на сегодняшний день, они требуют специальных алгоритмов для работы, таких, как, например, алгоритм Шора. Агентство национальной безопасности США предсказывает, что текущая криптография немедленно устареет, как только квантовые компьютеры будут широко использоваться.
Google объявила о серьезном прорыве в развитии квантовых вычислений. В компании считают, что обнаружили квантовый алгоритм, позволяющий в 100 миллионов раз быстрее выполнять поставленные задачи, чем более традиционный способ вычисления. Если технологический прорыв действительно будет подтвержден сторонними специалистами, то это не только откроет путь к созданию более продвинутого искусственного интеллекта, но и расширит возможности той же американской программы по исследованию космоса.
В 2013 году Google и NASA объединили свои усилия для создания компьютерной системы D-Wave X2. Считается, что D-Wave является первым в мире работающим квантовым компьютером, однако эксперты, как внутри, так и за пределами компании, не имели возможности окончательно доказать, что эта машина действительно работает в квантовых реалиях при выполнении тех или иных вычислений. Однако недавно такая возможность появилась.
http://ti.arc.nasa.gov/quantum/images/assets/d-wave_exterior.jpg Решение вопроса концентрируется вокруг «квантового отжига» (или квантовой нормализации) -- метода нахождения глобального минимума для некоторой заданной функции среди некоторого набора возможных решений. Если более простым языком -- метод позволяет вычислить наиболее подходящий (то есть наиболее эффективный) набор действий (среди нескольких представленных), позволяющий решить поставленную определенную задачу.
Над квантовой нормализаций ученые работают с помощью двух основных методов -- «имитации нормализации» и «квантового метода Монте-Карло» -- оба являются по сути системами моделирования (имитации), работающими на обычном компьютерном оборудовании, в то время как система D-Wave жестко закодирована на работу с алгоритмом с квантового отжига посредством квантовых массивов.
Недавно Google провела испытания алгоритма квантового отжига для доказательства повышенной эффективности вычислений по сравнению с традиционными компьютерными системами, работающими на базе метода имитации отжига, а также квантового метода Монте-Карло. Результаты оказались более чем просто впечатляющими. На графике выше видно, что метод Google очень легко обходит два других метода при решении функций с одной тысячей двоичных переменных. Эффективность алгоритма в 100 миллионов раз превосходит вышеуказанные методы.
Google оценивает эти результаты как «очень интригующие и очень впечатляющие», однако компания отмечает, что до возможности использования метода на коммерческом рынке предстоит пройти еще очень длинный путь. Однако, как только это случится… В общем, нас ждет настоящая техническая революция. Благодаря этому методу исследователи искусственного интеллекта смогут разрабатывать более умные и отзывчивые системы компьютерного обучения, а NASA сможет использовать его для проведения виртуальных симуляций космических запусков (или даже целых миссий). И это если не говорить о более гражданских сферах использования.
