Край Будущего

Основным достижением стало увеличение емкости углеродных наностен путем обработки оптимальной дозой высокоэнергетических ионов аргона. Результаты работы опубликованы в журнале Scientific Reports.

В отличие от традиционных накопителей энергии, таких как литий-ионные батареи, суперконденсаторы способны накапливать или отдавать энергию почти мгновенно, что делает их идеальными для резких всплесков мощности — например, при старте автомобиля, подъеме тяжестей или перепадах напряжения в электросети. Когда избыточная энергия выделяется (как при торможении электропоезда), суперконденсатор может ее захватить для повторного использования.

По сравнению с литий-ионными аккумуляторами суперконденсаторы функционируют в более широком диапазоне температур, менее подвержены деградации, представляют меньший риск возгорания и проще поддаются переработке. Комбинация двух технологий продлевает срок службы и ускоряет зарядку литиевых батарей.

«Чем больше энергии смогут хранить суперконденсаторы, тем шире область их применения. Мы исследуем методы улучшения их свойств путем различных видов обработки углеродного материала электрода», — отмечает руководитель исследования, доцент кафедры материалов Сколтеха Станислав Евлашин.

«Ранее в этом году мы продемонстрировали, что емкость можно увеличить за счет внедрения атомов других элементов в углеродные наностены. Сейчас мы получили более значимый прирост, обработав углеродный материал ионами аргона на ускорителе. Мы выявили оптимальную дозу ионов для максимального формирования полезных дефектов без чрезмерного повреждения вещества».

Углеродные наностены можно визуализировать как вертикально ориентированные стопки из примерно 10–15 слоев графена.

Благодаря своей структуре углеродные наностены обладают большой удельной поверхностью, что обеспечивает высокую емкость источников энергии. Для дальнейшего улучшения свойств наностены обрабатывались имплантацией ионов аргона, вызывавшей появление дополнительной дефектов в материале.

Эти дефекты и их взаимодействие с функциональными группами при окислении на воздухе привели к улучшению электрохимических характеристик углеродных наностен.

Соавтор исследования Никита Орехов, заместитель руководителя лаборатории вычислительного проектирования материалов МФТИ, подчеркнул: «Атомистическое моделирование на суперкомпьютере помогло нам обнаружить специфические структурные изменения в углеродных наностенах после воздействия разными дозами ионного облучения.

"Как выяснилось, при оптимальных дозах около 1014 ионов на квадратный сантиметр в материале формируются особые дефекты — наноразмерные полости. Поскольку молекулы электролита имеют нанометровые масштабы, они способны проникать в эти пустоты. Таким образом, материал отличается не только большой удельной поверхностью, но и наноструктурой, дополнительно повышающей емкость".

По словам участников исследования, ионная имплантация — это отлаженная технология, широко используемая в микроэлектронике для активации кремния. Теперь она может способствовать разработке современных энергоносителей. Ионная обработка эффективна даже для углеродных материалов с изначально высоким качеством.

Стоит отметить, что такая методика позволяет улучшать углеродный материал в объеме, а не только на поверхности, благодаря высокой проникающей способности ионов.

«По сравнению с гетероатомами, которые мы раньше внедряли в углеродные наностены, дефекты создавать проще, поэтому вместо тонкого активированного слоя такой "активированный уголь" можно производить практически в промышленных объемах», — добавил Евлашин.

Ссылка: https://www.nature.com/articles/s41598-025-03770-6

Астрономы, использующие телескоп «Субару» на Гавайях, в рамках программы OASIS совершили важное открытие, обнаружив массивную планету и коричневого карлика на орбитах вокруг далёких звёзд. Эта программа уникальна тем, что интегрирует высокоточные астрометрические данные миссий Hipparcos и Gaia Европейского космического агентства с передовой коронографической визуализацией на «Субару» с помощью системы SCExAO. Такой подход позволяет эффективно находить ранее скрытые массивные объекты, которые практически невозможно было обнаружить прямыми методами из-за их чрезвычайно низкой яркости по сравнению с материнскими звёздами.

Особое значение имеет открытие коричневого карлика HIP 99718 B. Этот объект обладает свойствами, которые делают его идеальной целью для будущих наблюдений с космического телескопа «Роман» НАСА. До сих пор у астрономов не было подтверждённой цели, удовлетворяющей всем требованиям для тестирования коронографов — технологий, необходимых для прямого изображения землеподобных планет, чья яркость может быть в десять миллиардов раз меньше, чем у их звёзд. HIP 99718 B, находящийся на подходящем расстоянии от яркой звезды, позволяет провести такие испытания с беспрецедентной точностью.

Эти результаты демонстрируют, что сочетание космической астрометрии и наземной адаптивной оптики открывает новые возможности в поиске и характеристике экзопланет и субзвёздных объектов. Программа OASIS подтверждает, что даже в условиях появления новых орбитальных телескопов наземные обсерватории, такие как «Субару», продолжают играть ключевую роль в решении самых сложных задач астрофизики.

Новое исследование, проведенное физиками из Университета Миннесоты, предлагает смелый пересмотр самой истории темной материи. Согласно этой работе, таинственные частицы, формирующие основную массу космоса, могли родиться в невообразимо раннюю эпоху, сразу после инфляционного расширения новорожденной Вселенной. В тот момент, известный как период повторного нагрева, вся материя была ультрарелятивистской — ее частицы носились со скоростями, близкими к световой. И именно в этом кипящем хаосе темная материя, согласно предложенному механизму «ультрарелятивистского замораживания», отделилась от обычного вещества.

Эта идея является радикальным отходом от общепринятых моделей. Долгое время главным кандидатом считались тяжелые медленные частицы (WIMP), которые должны были заморозиться much позже. Десятилетия их безуспешных поисков заставили физиков искать альтернативы. Теория же из Миннесоты возвращает нас к чему-то, напоминающему старую модель «горячей темной материи» 1970-х, но с критически важным усовершенствованием. Да, частицы изначально были релятивистскими и горячими, но поскольку это произошло так рано, у них было всё последующее время истории Вселенной, чтобы остыть и замедлиться. Ко времени начала формирования галактик они уже стали «холодными», что снимает ключевое противоречие старой теории, которая не могла объяснить образование космических структур.

Главная сила этой новой модели — в ее способности объяснить неуловимость темной материи. Если она заморозилась в столь экстремальных условиях, ее взаимодействие с обычным веществом должно быть неизбежно слабым, гораздо слабее, чем у гипотетических WIMP’ов. Это идеально согласуется с нулевыми результатами дорогостоящих экспериментов по прямому обнаружению. Более того, теория не просто констатирует прошлые неудачи, а дает новые конкретные предсказания по массе и силе взаимодействия частиц, открывая новые направления для поиска. По сути, она предлагает ученым искать следы темной материи не в относительно спокойные эпохи, а в самую бурную юность мироздания, переписывая тем самым инструкцию по ее поиску.

Международная коллаборация астрономов из Китая, США, Европы и Мексики готовят масштабное исследование с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST). Их цель — подтвердить или опровергнуть существование экзотического спутника, вращающегося вокруг коричневого карлика HD 206893 B. Этот проект может коренным образом изменить наши представления о формировании планетных систем и классификации небесных тел.

Объектом исследования является сложная и богатая система в созвездии Козерога, удаленная от нас на 133,091 световых года. В ее центре находится звезда HD 206893 A — бело-желтый карлик спектрального класса F5V, чья масса и размеры примерно на 25% превышают солнечные. Система известна наличием массивных поясов обломков, похожих на пояс Койпера в нашей Солнечной системе, но значительно более плотных. На периферии системы, на расстоянии около 79 астрономических единиц (а.е.), находится кандидат в планеты-гиганты HD 206893 ABc массой примерно 1,4 массы Юпитера.

Главный интерес ученых сосредоточен на объекте HD 206893 B — коричневом карлике, вращающемся вокруг главной звезды на расстоянии 9,85 а.е. (что сравнимо с расстоянием от Солнца до Сатурна). Его масса, равная 21 массе Юпитера, помещает его в интересную «серую зону» между самыми массивными газовыми гигантами и самыми легкими звездами. Он слишком массивен, чтобы считаться планетой, но недостаточно массивен для запуска устойчивых термоядерных реакций синтеза гелия в ядре.

В ходе предыдущих наблюдений с помощью наземных телескопов и «Уэбба» астрономы под руководством Юнь Вана обнаружили интригующие намёки на наличие у этого коричневого карлика собственного массивного компаньона. Данные спектроскопии и астрометрии указывают на объект с расчетной массой около 0,8 массы Юпитера, вращающийся вокруг HD 206893 B на очень тесной орбите — всего 0,21–0,26 а.е. (примерно половина расстояния от Меркурия до Солнца). Предварительный анализ показывает, что его орбита может быть сильно наклоненной, возможно, близкой к полярной.

Это открытие порождает фундаментальный вопрос терминологии: можно ли такой объект называть «луной»? Традиционно лунами считаются спутники, обращающиеся вокруг планет. Коричневый карлик — это не планета, а неудавшаяся звезда. Поэтому многие астрономы предлагают более точный, хотя и более громоздкий термин — «спутник субзвездного объекта». Масса кандидата (≈0.8 M_J) также стирает грань между понятиями «спутник» и «компонент двойной системы». Для сравнения, самый массивный спутник в Солнечной системе, Ганимед, легче Юпитера в 12 000 раз.

Хотя текущие данные обнадеживают, команда Вана избегает громких заявлений об открытии. Сигнал слаб, и требуется его однозначное подтверждение и независимая верификация. Ключевой этап намечен на 2027 год. К тому времени орбитальное движение HD 206893 B и его возможного спутника значительно изменят их взаимное положение, что позволит «Уэббу» зафиксировать изменения в спектре и траектории и окончательно подтвердить или опровергнуть его существование.

Если гипотеза подтвердится, это будет первое в истории открытие спутника у коричневого карлика. Оно предоставит бесценные данные для проверки моделей формирования планет и звезд в двойных системах, особенно в таком редком и экстремальном массовом соотношении. Это откроет новую главу в астрономии, посвященную изучению лун в совершенно чуждых нам мирах.

3 декабря китайский стартап LandSpace впервые запустил свою частично многоразовую ракету-носитель «Чжуцюэ-3» с космодрома Цзюцюань. Запуск был признан частично успешным: хотя вывод полезной нагрузки на орбиту прошел штатно, первая ступень потерпела крушение в момент торможения перед посадкой.

Компания, основанная в 2015 году, уже создала первую в мире метановую ракету, достигшую орбиты («Чжуцюэ-2»), и привлекла более $400 млн инвестиций. Теперь её цель — создать конкурента SpaceX в виде многоразовой ракеты для поддержки развёртывания китайских спутниковых группировок.

«Чжуцюэ-3» высотой 65,9 метра внешне напоминает Falcon 9 и оснащена девятью двигателями, посадочными опорами и решётчатыми рулями. В многоразовой конфигурации она сможет выводить до 8 тонн на НОО, а после модернизации — более 18,3 тонн. Успех в этом направлении даст LandSpace ключевое преимущество на растущем рынке запусков Китая.

Новое исследование, проведенное международной командой астрономов с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), совершило прорыв в понимании атмосферной динамики коричневых карликов. Исследование, возглавляемое Шанхайским университетом Цзяо Тонг при участии профессора Станимира Мечева из Университета Западного Онтарио, кардинально меняет прежние представления о формировании гигантских пылевых бурь на этих загадочных объектах. Оказалось, что их природа фундаментально отличается от процессов, формирующих знаменитое Большое красное пятно Юпитера.

Коричневые карлики, часто называемые «неудавшимися звездами», занимают уникальную нишу в космосе. Их масса недостаточна для запуска термоядерного синтеза, но значительно превышает массу планет. Наиболее массивные из них, в 10 и более раз тяжелее Юпитера, получили прозвище «супер-Юпитеры». Именно их сходство с гигантскими экзопланетами и чрезвычайно активная атмосфера делают их идеальными лабораториями для изучения климата вне нашей Солнечной системы.

Фокусом нового исследования стал объект VHS 1256b, коричневый карлик в созвездии Ворона, известный своей экстремальной изменчивостью блеска. Мощные спектрографы «Джеймса Уэбба» (NIRSpec и MIRI) предоставили прямые доказательства наличия и состава силикатной пыли в его атмосфере. Ранее доминировала гипотеза, что атмосферы таких объектов устроены по аналогии с Юпитером, имея устойчивые полосы и долгоживущие вихри. Однако моделирование и данные «Уэбба» показали, что для VHS 1256b это не так.

Был обнаружен принципиально иной механизм, ключом к которому являются крупномасштабные экваториальные волны. Облака силикатной пыли, сконцентрированные у экватора, активно поглощают внутреннее излучение, сильно нагреваясь. Этот локальный перегрев создает мощный температурный дисбаланс, для компенсации которого в атмосфере возникают масштабные волны. Эти волны инициируют гигантские, быстро движущиеся пылевые бури, которые постоянно меняют структуру облачного покрова. Предложенный механизм «обратной связи между излучением и облаками» создает самоподдерживающийся цикл активности: бури поднимают новую горячую пыль, которая усиливает нагрев и поддерживает волновой процесс.

Главная причина отличия от Юпитера — температура. Гораздо более горячая атмосфера VHS 1256b сильно чувствительна к излучению, что приводит к мощным конвективным процессам, которые генерируют волны и препятствуют формированию стабильных полос. В отличие от этого, более медленные процессы в холодной и плотной атмосфере Юпитера успевают организоваться в устойчивые структуры.

Это открытие suggests, что атмосферы многих горячих юпитеров могут циркулировать по сценарию, более близкому к VHS 1256b. Это заставляет пересмотреть существующие климатические модели для этих далеких миров. Дальнейшие наблюдения с помощью «Джеймса Уэбба» помогут определить, насколько распространен открытый волновой механизм, продолжая раскрывать сложное устройство атмосфер вне нашей Солнечной системы.

В условиях экстремальной изоляции, таких как космические миссии, подводные экспедиции или герметичные убежища, поддержание пригодного для дыхания воздуха является критической задачей. Ключевым элементом здесь выступают системы контроля уровня углекислого газа (CO2), которые не только поглощают этот газ, но и позволяют его безопасное выделение. Традиционные технологии, основанные на адсорбентах вроде цеолитов или активированного угля, требуют значительных энергетических затрат: для регенерации материалов необходимо нагревание до температур 100–200°C, что увеличивает потребление энергии и снижает эффективность в условиях ограниченных ресурсов. Это побуждает инженеров и ученых искать инновационные решения, способные работать при более низких температурах и с минимальным энергопотреблением.

Исследователи из Университета Гуанси (Китай) под руководством Вэй Лу и Римей Чен разработали революционную систему на основе реконфигурируемых микро- и нанороботов, способных обратимо улавливать CO2 при температурах, значительно ниже стандартных. Их работа, опубликованная в престижном журнале Nano-Micro Letters, демонстрирует потенциал для применения в системах жизнеобеспечения замкнутых пространств, таких как космические корабли, подводные лодки и аварийные убежища. В экспериментах с мышами роботы увеличили время выживания в герметичных контейнерах на 54,61%, что открывает путь к более устойчивым

Дизайн и компоненты роботов.

Эти миниатюрные роботы представляют собой гибридные конструкции, сочетающие наночастицы и молекулярные элементы, которые позволяют динамически изменять форму и функциональность в зависимости от внешних условий. Основные компоненты включают:

• Молекулярные охотники за CO2: Специализированные молекулы, химически связывающиеся с CO2, образуя стабильные соединения, такие как карбаминовая кислота и бикарбонат аммония. В состоянии "расширения" (когда робот не активирован) они способны поглощать до 6,19 ммоль/г CO2, что сравнимо с эффективностью лучших современных адсорбентов, но без необходимости высоких температур для активации.

• Термочувствительный молекулярный переключатель: Основано на полимере Pluronic F127, который при нагреве сворачивается, вызывая "скручивание" молекулярных цепей. Это изменяет конфигурацию робота на наноуровне, способствуя десорбции CO2. Переключатель реагирует на температуру, позволяя контролируемое выделение газа при относительно низких значениях — всего 55°C, что на 45–145°C ниже, чем в традиционных системах. Это достигается благодаря фототермическому преобразованию, где солнечный свет или другой источник энергии преобразуется в тепло локально, без перегрева всей системы.

• Солнечный фототермический преобразователь: Интегрированный элемент, который поглощает солнечное излучение и преобразует его в тепло для активации переключателя. Это делает систему частично автономной, снижая зависимость от внешних источников энергии и повышая энергоэффективность.

• Двигатель с магнитным приводом: Позволяет роботу перемещаться и реконфигурироваться под действием внешних магнитных полей. Это обеспечивает бесконтактное управление, предотвращая локальный перегрев и позволяя оптимизировать распределение роботов в пространстве. Магнитный привод также способствует электростатическим изменениям, которые усиливают избирательность улавливания CO2, снижая вероятность побочных реакций, таких как образование трудноразлагаемой мочевины.

Механизм работы основан на взаимосвязи хиральности (асимметрии молекулярных структур) и электростатических свойств. При реконфигурации робот изменяет микроокружение аминогрупп, увеличивая их поверхностный электростатический потенциал и снижая энергию на самой низкой незанятой молекулярной орбитали (LUMO). Это ослабляет нуклеофильные взаимодействия, подавляя побочные реакции и обеспечивая чистую десорбцию CO2. Авторы отмечают, что такое сочетание создает "инновационную парадигму" для микро- и наноразмерных устройств, интегрируя экспериментальные и теоретические подходы.

Экспериментальные результаты и тестирование.

Команда протестировала роботов в контролируемых условиях, помещая их в герметичный контейнер с мышами. В отсутствие роботов уровень CO2 быстро поднимался, приводя к удушью, но с роботами время выживания увеличилось на более чем половину. Это не только подтверждает эффективность технологии, но и демонстрирует ее безопасность для биологических систем. Исследователи подчеркивают, что роботы могут быть адаптированы для различных сред: от космических кораблей, где вес и энергия ограничены, до подводных лодок, где важно минимизировать шум и вибрацию.

Потенциал и будущие перспективы.

Эта разработка имеет широкие применения. В космосе она может улучшить системы жизнеобеспечения для дальних миссий, таких как полеты на Марс, снижая энергозатраты на борту. На Земле роботы могут использоваться в экстремальных условиях, например, в шахтах или аварийных убежищах, где традиционные системы неэффективны. Кроме того, технология способствует "зеленым" инновациям, уменьшая зависимость от энергоемких процессов и способствуя устойчивому управлению выбросами CO2 в промышленности.

Авторы планируют дальнейшие исследования: тестирование в реальных космических симуляторах, оптимизацию масштабируемости и интеграцию с другими нанотехнологиями. Они также отмечают необходимость изучения долгосрочной стабильности роботов и их взаимодействия с другими газами в воздухе. В целом, эта работа подчеркивает роль междисциплинарного подхода — сочетания химии, материаловедения, инженерии и биологии — в решении глобальных вызовов, таких как освоение космоса и борьба с изменением климата. Исследование не только повышает шансы на выживание в экстремальных условиях, но и открывает новые горизонты для энергоэффективных технологий.

Источник: https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01932-9