Основы технологии и энергетики
Основы технологии и энергетики
СОДЕРЖАНИЕ
| |Информационные технологии….….………...………..…..…...…... |2 |
| |Микроэлектронные и лазерные технологии …………….…...…. |6 |
| |Новые виды топлива и энергии…………………………………… |7 |
| |Роль солнечного, космического излучения и превращения его в | |
| |энергию химических связей (фотосинтез)….…………..…….… |8 |
|5. |Задачи…………………….…………………………………………… |23 |
1. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Начало и середина XXI века будут ознаменованы неизбежным переходом от
индустриального к информационному обществу, в котором информация станет
важнейшим фактором производства, создающим общественное богатство.
Но информационное общество не может появиться на пустом месте.
Необходима очень серьезная интеллектуально-технологическая база. И такой
основой сегодня является информационный бизнес.
Информационный бизнес представляет собой сравнительно новую сферу
предпринимательской деятельности в виде крупнейшего многоотраслевого
комплекса со своей сложившейся инфраструктурой.
Сначала информационные технологии использовались, в связи со
сложностью и дороговизной, только в научных центрах и крупных промышленных
компаниях. По мере совершенствования и удешевления информационные
технологии проникли в разные отрасли и дали возможность совершенствования и
улучшения эффективности последних.
В результате развития информационных технологий появились и
сформировались новые потребности общества. Мировое потребление
информационных технологий в 1990 году достигло 2
трлн. долларов.
Информационное производство в США и Японии по уровню занятости
превзошло сферу материального производства. Причем в США в этой сфере к
началу 80-х годов было занято уже около 60% всех работающих. Сегодняшние
тенденции развития информационного бизнеса таковы, что он стабильно
опережает традиционные отрасли по темпам роста, занятости и другим
экономическим показателям.
Информационные технологии вторгаются в нашу повседневную жизнь,
изменяют мировое сообщество, изменяют человека и его окружение, дают основу
для поступательного развития общества. Новая отрасль приводит к коренным
изменениям в самом бизнесе, делая его более динамичным, совершенным.
В связи с развитием рыночных отношений в России и необходимостью
сокращения разрыва в технологическом отставании России от западных стран,
актуальным становится эффективное использование новых информационных
технологий. Информационный бизнес, являясь составной частью бизнеса,
придает общее ускорение развитию экономики.
Главным направлением перестройки менеджмента и его радикального
усовершенствования, приспособления к современным условиям стало массовое
использование новейшей компьютерной и телекоммуникационной техники,
формирование на ее основе высокоэффективных информационно-управленческих
технологий. Средства и методы прикладной информатики используются в
менеджменте и маркетинге. Новые технологии, основанные на компьютерной
технике, требуют радикальных изменений организационных структур
менеджмента, его регламента, кадрового потенциала, системы документации,
фиксирования и передачи информации. Особое значение имеет внедрение
информационного менеджмента, значительно расширяющее возможности
использования компаниями информационных ресурсов. Развитие информационного
менеджмента связано с организацией системы обработки данных и знаний,
последовательного их развития до уровня интегрированных автоматизированных
систем управления, охватывающих по вертикали и горизонтали все уровни и
звенья производства и сбыта.
Технология — это комплекс научных и инженерных знаний, реализованных в
приемах труда, наборах материальных, технических, энергетических, трудовых
факторов производства, способах их соединения для создания продукта или
услуги, отвечающих определенным требованиям.
Управленческие технологии основываются на применении компьютеров и
телекоммуникационной техники.
Информационная технология, согласно определению, принятому ЮНЕСКО, -
это комплекс взаимосвязанных, научных, технологических, инженерных
дисциплин, изучающих методы эффективной организации труда людей, занятых
обработкой и хранением информации; вычислительную технику и методы
организации и взаимодействия с людьми и производственным оборудованием, их
практические приложения, а также связанные со всем этим социальные,
экономические и культурные проблемы.
Сами информационные технологии требуют сложной подготовки, больших
первоначальных затрат и наукоемкой техники.
По мнению американского специалиста в области управления Г. Поппеля,
под информационными технологиями (ИТ) следует понимать использование
вычислительной техники и систем связи для создания, сбора, передачи,
хранения, обработки информации для всех сфер общественной жизни.
ИТ рассматривают и как часть информационного бизнеса - его некоторую
технологическую основу, и как отдельный сектор инфраструктуры, часто
развивающийся автономно.
В последние десятилетия в наиболее развитых странах, в частности, в
США и Японии, развиваются творческие (созидающие) информационные технологии
так называемого третьего (высшего) уровня. Они охватывают полный
информационный цикл - выработку информации (новых знаний), их передачу,
переработку, использование для преобразования объекта, достижения новых
более высших целей.
Информационные технологии третьего уровня означают высший этап
компьютеризации менеджмента, позволяют задействовать ЭВМ в творческом
процессе, соединить силу человеческого ума и мощь электронной техники.
Полная интегрированная автоматизация менеджмента предполагает охват
следующих информационно-управленческих процессов: связь, сбор, хранение и
доступ к необходимой информации, анализ информации, подготовка текста,
поддержка индивидуальной деятельности, программирование и решение
специальных задач.
Основные направления автоматизации информационно-управленческой
деятельности компаний следующие: автоматизация процесса обмена информацией,
включая учрежденческую АТС, “электронную почту”.
К информационным технологиям относятся:
- персональные компьютеры, объединенные в сети;
- электронные пишущие машинки;
- текстообрабатывающие системы (проблемно-ориентированные
компьютерные системы, имеющие большие функциональные возможности);
- копировальные машины;
- коммуникационные средства, телефонную технику;
- средства для автоматизации ввода архивных документов и поиска
информации (к ним относятся нетрадиционные носители информации:
магнитные и лазерные диски и ленты, микрофильмы, диски с
оптическими записями);
- средства для обмена информацией - “электронная почта”;
- видеоинформационные системы;
- локальные компьютерные сети;
- интегрированные сети учреждений.
Признавая, как факт, поразительные технологические достижения
наступившей эры информационных технологий, американские специалисты
спрогнозировали дальнейший прогресс в этой области, движущей силой которого
являются пять основных так называемых “информационных тенденций”:
- возрастание роли информационного продукта;
- развитие способности к взаимодействию (совместимости);
- ликвидация промежуточных звеньев (непосредственность);
- глобализация;
- конвергенция.
Дадим этим тенденциям определение и кратко их охарактеризуем.
Возрастание информационного продукта. Определены шесть секторов
экономики, в которых применение ИТ наиболее вероятно повысит эффективность
торговых операций: промышленные товары и поставки, расфасованные
потребительские и фармацевтические товары, страхование коммерческих
предприятий и отдельных лиц, коммерческие банки и кредиты, оптовая торговля
и услуги специалистов, фондовая торговля.
Информационный продукт (ИП) выступает в виде программных средств, баз
данных и служб экспертного обеспечения (определение дано Г. Поппелем и Б.
Голдстайпом). ИП в форме различного рода информации является источником
человеческих знаний. Р. У. Эмерсон определяет информацию как “накопленные
мысли и опыт бесчисленных умов”.
Следовательно, деятельность интеллектуальных работников в большей
степени зависит от содержания, точности и своевременности получаемой
информации. ИТ призвана донести информацию до места создания и
использования знаний.
Создание ИП включает 3 основные стадии: разработку, синтез и
распространение. Через эти стадии проходят 8 основных типов ИП: новости,
документальные программы, знания и мнения, данные и факты, протоколы, игры,
художественные и драматургические произведения, музыка и юмор.
Отсюда возрастающее значение ИП, причем в разных плоскостях.
Информационная часть ИП расширяет кругозор людей, позволяет более
эффективно использовать ресурсы, а развлекательная обеспечивает досуг.
Качество и доступность обеих составляющих оказывают существенное влияние на
чувство самоудовлетворения отдельного человека.
Способность информационных технологий к взаимодействию. Следующей
тенденцией развития ИТ является способность к взаимодействию между всеми
физическими и логическими элементами системы. Один из важнейших факторов
для обеспечения совместимости взаимодействия - появление новых стандартов
на программные и аппаратные средства, дисплеи, базы данных и сети, что
повлекло за собой процессы стандартизации.
В настоящее время технология может являться и сдерживающим фактором:
отсутствие способности к взаимодействию средств автоматизации делает
нерациональной ее реализацию. Это обусловлено взрывным расширением ИТ, в
результате чего стандартизация продуктов не успевает за техническими
стандартами. С другой стороны, в результате более активной маркетинговой
деятельности и успехов в распространении ИП, захвате большой рыночной доли
какой-либо компанией, её продукт становится стандартом для всех остальных.
В качестве примера можно привести персональные компьютеры фирмы IBM,
операционные системы корпорации Microsoft, локальная сеть Novell, стандарты
бытовой видеозаписи VHS фирмы JVC, Video-8 фирмы Sony.
Ликвидация промежуточных звеньев. По мере того как информационные
технологии все глубже проникает в различные сферы бизнеса, она изменяет
различные стоимостные показатели, на которых базируется конкуренция.
Ликвидация промежуточных звеньев означает устранение тех стадий, которые
включают посредников между потребителями и производителями. В частности, в
банковской сфере уменьшается роль мелких банков, так как на внедрение
информационных технологий требуются значительные ресурсы.
Информационные технологии уже в настоящее время обеспечивают
возможности для ликвидации промежуточных функций внутри компаний и между
ними. Телемаркетинг и система заказов “компьютер—компьютер” устраняют,
например, промежуточные торговые организации.
В целом оценивая ситуацию, американские специалисты утверждают
следующее: “Вводя новое оружие конкуренции в различные сферы деятельности,
ИТ вызывает острую борьбу между фирмами”.
Intel предсказывает, что в конце концов "электронная" коммерция
вытеснит среднее звено бизнеса (дистрибьюторов), которые сегодня играют
важную роль в доведении всех видов продукции до конечного пользователя.
Основная причина превращения ИТ в такую мощную силу состоит в том,
что информация часто выступает в качестве основного продукта обмена при
совершении сделки, например, когда закупается программа обучения или
заключается контракт на предоставление консультационных услуг.
Глобализация. Еще одной тенденцией развития информационных технологий
является глобализация информационного бизнеса. Чисто теоретически любой
человек (или фирма) является сегодня возможным потребителем информации.
Поэтому возможности информационного рынка по-прежнему являются
беспредельными, хотя и существует довольно жесткая конкуренция между
основными производителями.
Можно сказать, что, несмотря на различие рынков, продукция,
пользующаяся спросом в Америке, фактически аналогична той продукции, на
которую существует спрос в Японии и Европе. Наличие пяти основных факторов
обуславливает этот процесс:
- различный уровень знаний в области ИТ, определяющий темпы ее
распространения, которые варьируют в широких пределах в зависимости от
сферы применения и от особенностей страны;
- соотношение "стоимость — эффективность" ИТ;
- правительственная поддержка;
- стандартизация;
- сравнительные достоинства сосуществующих и взаимозаменяемых
технологий.
Конвергенция. Глобализация непосредственно связана с конвергенцией
(сближением в сторону слияния, устойчивого равновесия и развития).
Ранее сферу производства и сферу услуг можно было легко определить и
дифференцировать. Однако описанные выше “информационные тенденции” меняют
традиционные представления. Некоторые виды продукции и услуг разграничить
достаточно просто. Пишущие машинки и калькуляторы - это продукция, телекс и
радиовещание - это услуги. Сложнее обстоит дело, когда речь идет, например,
о телексной аппаратуре и ТВ-приемниках, которые приобретают конкретную
значимость только в совокупности с вышеупомянутыми видами услуг.
Кроме того, определенные виды продукции и услуг, выполняя одинаковые
функции, становятся по существу взаимозаменяемыми.
Учет анализа динамики развития индустрии информационных технологий
позволяет выделить следующие основные области ИТ:
- услуги связи - реализуются посредством таких сетей общего пользования,
как телефонная передача данных, передачи изображения и звуковых
сигналов, а также традиционных методов доставки, например по почте;
- информационные услуги - представлены различного рода публикациями,
осуществляемыми как традиционными методами, так и посредством
электроники; пакетами прикладных программ, заказными программными
средствами, компьютерной обработкой данных, рекламой и другими видами
профессиональных услуг;
- развлечения - обеспечиваются за счет создания информационного продукта:
музыкального, художественного, юмористического и игрового характера,
распространения его в виде печатных изданий, пластинок, кассет, дискет и
т.д., а также посредством радио- и ТВ-трансляции,
кабельного телевидения, театров и др;
- потребительская электроника - представлена стандартными устройствами и
системами, обеспечивающими потребности частных лиц в информации и
развлечениях. Например, телефонная, аудио- и ТВ-аппаратура, такие
новейшие системы, как бытовые компьютеры и лазерные проигрыватели;
- конторское оборудование - от простейших автономных устройств для
перенесения с носителя на носитель (копировальные и пишущие машины) до
сегодняшних - с сетями персональных компьютеров, телефонных аппаратов и
других видов АРМ, которые хранят, обрабатывают и передают информацию;
- системы обеспечения бизнеса. К ним относятся системы общего назначения
для обработки, хранения и передачи информации (например, универсальные
компьютеры с соответствующим программным обеспечением), а также
устройства и системы специализированного назначения (коммутаторы для
сетей связи, устройства сбора технологической информации, роботы,
средства автоматизированного контроля и управления технологическими
процессами, “электронные киоски”, автоматические кассовые аппараты и
системы продажи бензина).
Техническое обеспечение — фундамент информационных технологий. Оно
включает в себя аппаратные средства, средства коммуникации, программное
обеспечение
Все лидеры компьютерной индустрии обнародовали свои стратегические
планы относительно Internet/Intranet и совокупности новых технологий, спеша
утвердиться в общественном мнении, как Internet-компании. Не сделать этого
и не подтвердить свои заявления делами — означает потерять доверие клиентов
и проиграть. Например, корпорацией Microsoft уже произведена внутренняя
структурная перестройка, выпущена целая гамма продуктов для Internet, все
существующие продукты дополняются средствами интеграции с Internet,
развиваются новые технологии. Идет работа в независимых комитетах и
консорциумах по согласованию стандартов. Сегодня Microsoft тратит на
исследования и разработки в области Internet больше, чем любая другая
компания.
Не отстают от разработчиков компьютерной техники и другие
разработчики технического обеспечения. Планируется развернуть глобальную
спутниковую телефонную сеть, состоящую из 86
низкоорбитальных спутников, которая позволит связываться по спутниковому
телефону из любой точки планеты.
Internet - яркое проявление основных тенденций развития информационных
технологий. Эта глобальная сеть привлекает все больше абонентов, для
которых компьютер является лишь инструментом в их профессиональной
деятельности.
Появление технологии WWW привело к революционному подъёму
использования Internet. Wold Wide Web (WWW) новейшая и быстро
разрастающаяся информационная технология в Internet. Всего за полгода
количество WWW-серверов в мире увеличилось от 3000 до 10000. И "плетение
паутины" продолжается, ежедневно появляются новые хранилища данных,
содержащие разнообразнейшую информацию. Диапазон тем - от ловли рыбы на
муху и домашнего пивоварения до обзоров кинофильмов и электронных газет.
WWW поддерживает набор стандартов, позволяющих пользователям получить
доступ к информационным ресурсам Internet. Отличительной особенностью Web
являются гипертекстовые средства, с помощью которых можно без сложных
манипуляций получать доступ к информации, находящейся на другом конце
света.
Первые нити "паутины" были сплетены в 1989 году в Херне, European
particle physics laboratory под руководством Тима
Бернерс-Ли.
WWW был задуман как целостный мир, в котором информация из любых
источников легко доступна на любых типах компьютеров, в любой стране, с
использованием стандартизованных программ.
WWW - новое средство для издательского бизнеса и количество изданий,
появляющихся в виде электронных версий, постоянно растет.
Эта технология, помноженная на прогнозируемые масштабы внедрения
операционной системы Windows, рекордные за всю историю индустрии, сделает
Internet таким же привычным средством общения, как телефон.
Области бизнеса, наиболее эффективно использующие достижения
информационных технологий. В промышленности системы моделирования позволяют
обходиться без дорогостоящих испытаний, сокращают время создания продукции.
Системы автоматизированного проектирования ускоряют проектирование сложной
продукции, делают возможным более тесное использование потенциала рабочих
групп. Система электронной передачи данных позволяет более эффективно
управлять предприятием, вести быструю переписку между партнёрами, позволяет
создавать рабочие группы внутри корпорации, не объединённые территориально,
и даже за счет разницы часовых поясов расширить время работы над проектами.
В банковской системе возникают новые платежные системы, карточные
системы, электронные кошельки, электронные клиринговые системы на основе
достижений ИТ. Первоначально карточки использовали принцип магнитной ленты,
в дальнейшем удалось создать микросхемы, обладающие миниатюрностью,
большими возможностями и лучшей защитой.
Индустрия развлечений активно разнообразнейшим образом использует
достижения информационных технологий. Это и разработка новых компьютерных
игр, новых аттракционов, использование ИТ в кино- и видеопроизводстве.
Опасности и сложности при использовании ИТ. В сложном программном
обеспечении есть недостатки, которыми могут воспользоваться посторонние
лица (хакеры) и использовать их в свою пользу. Так, хакер украл с
кредитных карточек Парекс-банка около 7000 долларов, из компьютеров полиции
одной прибалтийской республики исчезла база данных на все автомобили,
зачисленные в угон не только из бывшего СССР, но и проходящую по базам
поиска Интерпола.
В 1993-1995 годах было зафиксировано более 300 попыток проникнуть в
компьютерную сеть ЦБ России. В России материальный ущерб в 1995 году
составил 250 млрд. рублей.
Для предотвращения несанкционированного доступа используются
дорогостоящие системы защиты, совершенствуется программное обеспечение
(ПО).
При использовании программного обеспечения существует возможность
потери данных от действия компьютерных вирусов, которые используют
недостатки ПО. В связи с возрастающей стоимостью информации потери могут
быть очень весомыми. Вирусы создаются людьми, либо психически нездоровыми,
обуреваемые деструктивными мотивами, либо для нанесения вреда пользователю,
пользующемуся нелицензированной копией программного обеспечения, либо
начинающим программистом, не имеющим достойной сферы применения своей
энергии. Для защиты приходится использовать специальные программы-
антивирусы. Российские программисты являются лидерами в разработке
антивирусов.
В силу того, что сейчас произошла концентрация в отрасли
информационных технологий, и работают лишь по несколько крупных компаний в
каждой специализированной области, перед пользователем ИТ встает дилемма
выбора платформы информационной технологии, так как в дальнейшем он будет
зависеть от своего поставщика.
Легкость тиражирования информационных продуктов позволяет с лёгкостью
нарушать авторские права разработчика ИП. Это касается, в первую очередь,
аудио- и видеопродукции, программного обеспечения. Так, в США нелегально
используется, по приблизительным подсчетам, 20% объёма всей продукции, в
Китае - до 80%, в России - около 70%. Выход для разработчиков ИП - судебное
преследование "пиратов", давление правительства на страны, нарушающие
авторские права. В частности, в России фирма Microsoft, российские
производители программного обеспечения выиграли в 1996 году несколько
судебных процессов против пиратов.
Сегодня никто не может игнорировать новые информационные технологии,
широко распространяющиеся в нашей жизни, не говоря уже о той
непосредственной выгоде, которую из них могут извлекать потребители уже
сегодня.
Таковы основные черты развития сегодняшнего индустриального
бизнеса, который уже сейчас конкурирует с промышленностью и в будущем может
быть основным видом экономической деятельности.
2. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ
И ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Микроэлектронные технологии. Электроника прошла несколько этапов
развития, за время которых сменилось несколько поколений элементной базы:
дискретная электроника электровакуумных приборов, дискретная электроника
полупроводниковых приборов, интегральная электроника микросхем
(микроэлектроника), интегральная электроника функциональных
микроэлектронных устройств (функциональная микроэлектроника).
Элементная база электроники развивается непрерывно возрастающими
темпами. Развитие изделий электроники от поколения к поколению идет в
направлении их функционального усложнения, повышения надежности и срока
службы, уменьшения габаритных размеров, массы, стоимости и потребляемой
энергии, упрощения технологии и улучшения параметров электронной
аппаратуры.
Одной из характерных особенностей нынешнего этапа научно-технического
прогресса является все более широкое применение микроэлектроники в
различных отраслях народного хозяйства. Роль микроэлектроники в развитии
общественного производства определяется ее практически неограниченными
возможностями в решении различных задач во всех областях народного
хозяйства, глубоким влиянием на культуру и быт современного человека.
Значительное усложнение требований и задач, решаемых электронной
аппаратурой, привело к росту числа элементов в ней. Число элементов
постоянно увеличивается. Разрабатываемые сейчас сложные системы содержат
десятки миллионов элементов. В этих условиях важное значение приобретают
проблемы повышения надежности аппаратуры и ее элементов,
микроминиатюризация электронных компонентов и комплексной миниатюризации
аппаратуры. Все эти проблемы успешно решает микроэлектроника.
Особое внимание в настоящее время уделяется внедрению
микропроцессоров, обеспечивающих решение задач автоматизации управления
механизмами, приборами и аппаратурой. Адаптация микропроцессора к
особенностям конкретной задачи осуществляется в основном путем разработки
соответствующего программного обеспечения, заносимого затем в память
программ. Аппаратная адаптация в большинстве случаев осуществляется путем
подключения необходимых интегральных схем обрамления и организации ввода-
вывода, соответствующих решаемой задаче.
В микропроцессорной технике выделился самостоятельный класс больших
интегральных схем (БИС) - однокристальные микроЭВМ (ОМЭВМ), которые
предназначены для “интеллектуализации” оборудования различного назначения.
Архитектура однокристальных микроЭВМ - результат эволюции архитектуры
микропроцессоров и микропроцессорных систем, обусловленной стремлением
существенно снизить их аппаратные затраты и стоимость. Как правило, эти
цели достигаются как путем повышения уровня интеграции БИС, так и за счет
поиска компромисса между стоимостью, аппаратными затратами и техническими
характеристиками ОМЭВМ.
Становление микроэлектроники как самостоятельной науки стало возможным
благодаря использованию богатого опыта и базы промышленности, выпускающей
дискретные полупроводниковые приборы. Однако по мере развития
полупроводниковой электроники выяснились серьезные ограничения применения
электронных явлений и систем на их основе. Поэтому микроэлектроника
продолжает продвигаться быстрыми темпами как в направлении
совершенствования полупроводниковой интегральной технологии, так и в
направлении использования новых физических явлений.
Разработка любых ИМС представляет собой довольно сложный процесс,
требующий решения разнообразных научно-технических проблем. Вопросы выбора
конкретного технологического воплощения ИМС решаются с учетом особенностей
разрабатываемой схемы, возможностей и ограничений, присущих различным
способам изготовления, а также технико-экономического обоснования
целесообразности массового производства.
Эти вопросы находят решение путем использования двух основных классов
микросхем - полупроводниковых и гибридных.
Оба эти класса могут иметь различные варианты структур, каждый из
которых с точки зрения проектирования и изготовления обладает определенными
преимуществами и недостатками. По своим конструктивным и электрическим
характеристикам полупроводниковые и гибридные интегральные схемы дополняют
друг друга и могут одновременно применяться в одних и тех же
радиоэлектронных комплексах.
При массовом выпуске различных ИМС малой мощности, особенно
предназначенных для ЭВМ, используются, в основном, полупроводниковые ИМС.
Гибридные микросхемы заняли доминирующее положение в схемах с большими
электрическими мощностями, а также в устройствах СВЧ, в которых можно
применять как толстопленочную технологию, не требующую жестких допусков и
высокой точности нанесения и обработки пленок, так и тонкопленочную
технологию для обеспечения нанесения пленочных элементов очень малых
размеров.
Изделия микроэлектроники: интегральные микросхемы различной степеней
интеграции, микросборки, микропроцессоры, мини- и микро-ЭВМ – позволили
осуществить проектирование и промышленное производство функционально
сложной радио- и вычислительной аппаратуры, отличающейся от аппаратуры
предыдущих поколений лучшими параметрами, более высокими надежностью и
сроком службы, меньшими потребляемой энергией и стоимостью.
Аппаратура на базе изделий микроэлектроники находит широкое применение
во всех сферах деятельности человека. Способствует созданию систем
автоматического проектирования, промышленных роботов, автоматизированных и
автоматических производственных линий, средств связи и многому другому.
В последние годы в одной из важнейших областей микроэлектроники -
фотолитографии, без применения которой практически невозможно изготовление
сверхминиатюрных печатных плат, интегральных схем и других элементов
микроэлектронной техники, обычные источники света заменяются на
лазерные. С помощью лазера на ХеСL (1=308 нм) удается получить разрешение
в фотолитографической технике до 0,15 - 0,2 мкм.
Лазерные технологии. Создание лазера - прибора оптического квантового
генератора, стало одним из самых замечательных достижений физики второй
половины двадцатого века.
Лазер представляет собой источник монохроматического когерентного
света с высокой направленностью светового луча.
Само слово “лазер” составлено из первых букв английского
словосочетания, означающего” усиление света в результате вынужденного
излучения”.
Наряду с научными и техническими применениями лазеры используются в
информационных технологиях для решения специальных задач, причем эти
применения широко распространены или находятся в стадии исследований.
Наиболее распространенными примерами таких применений являются оптическая
цифровая память, оптическая передача информации, лазерные печатающие
устройства, кроме того они применяются в вычислительной технике в качестве
различных устройств.
Лазеры в вычислительной технике применяются:
- в качестве логических элементов (да-нет, или);
- для ввода и считывания из запоминающих устройств в вычислительных
машинах.
В этих целях рассматриваются исключительно инжекционные лазеры.
Преимущества таких элементов: малые времена переключения и считывания,
очень маленькие размеры элементов, интеграция оптических и электрических
систем.
Достижимыми оказываются времена переключения примерно 10-10 с
(соответственно этому быстрые времена вычисления); емкости запоминающего
устройства 107 бит/см2, и скорости считывания 109 бит/с.
Лазерные принтеры. Для печати в вычислительной технике и в других
случаях часто применяется лазерное излучение. Преимущество их в более
высокой скорости печати по сравнению с обычными способами печатания.
Принцип действия их такой: поступающий от считываемого оригинала свет
преобразуется в ФЭУ в электрические сигналы, которые соответствующим
образом обрабатываются в электронном устройстве вместе с управляющими
сигналами (для определения высоты шрифта, состава краски и т.д.) и служат
для модуляции лазерного излучения. С помощью записывающей головки
экспонируется расположенная на валике пленка. При этом лазерное излучение
разделяется на ряд равных по интенсивности частичных лучей (шесть или
больше), которые посредством модуляции при данных условиях подключаются или
отключаются.
Применяемые лазеры: ионный аргоновый лазер (мощность не более 10 мВт),
инжекционный лазер.
Для становящейся все более тесной связи между обработкой данных,
текста и изображения необходимо применять новые методы записи информации, к
которым предъявляются следующие требования:
- более высокая емкость запоминающего устройства;
- более высокая эффективность хранения архивных материалов,
- лучшее соотношение между ценой и производительностью.
Это может быть достигнуто с помощью записи и считывания цифровой
информации.
Информация (речь, музыка, изображения, данные), содержащиеся в виде
электрических сигналов, преобразуется в цифровые величины и выражается тем
самым в виде последовательности импульсов, которая записывается в различной
форме (в виде углублений или отверстий различной длины и расстояний между
ними или магнитным способом) на диске запоминающего устройства.
При считывании считывающий свет, отраженный (рассеянный в обратном
направлении) от этих углублений (отверстий), модулируется и с помощью
фотоприемника преобразуется в соответствующий электрический сигнал.
С разработкой лазера в распоряжении специалистов оказался источник
света с большой длиной когерентности, излучение которого при большой
частоте ( (не более 1015 Гц) и тем самым большой возможной полосе модуляции
и малой ширине линии подходит для оптической передачи информации.
В настоящее время существует большое число линий с лазером в качестве
источника света. Оптические системы передачи информации работают с несущими
частотами 1013 - 1015 Гц, соответствующими длинам волн (=33(0,33 мкм.
Принципиально система для оптической передачи информации состоит из
шести компонентов (рис).
Рис. Схема системы для оптической передачи информации:
1 - источник света; 2 - модулятор света; 3 - линия передач;
4 - фотоприемник; 5 - сигнал.
При использовании полупроводниковых лазеров в качестве источников
света внешний модулятор может быть исключен (напосредственная модуляция
лазера с помощью возбуждающего тока в этом случае имеет преимущество).
Задача оптической передачи информации является передача излучения от
передатчика к приемнику, и тем самым решающее значение приобретает среда
распространения сигнала. Свойства среды в основном определяют конструкцию и
размеры всей системы передачи, включая выбор источника света и приемника.
Лазеры нашли широкое применение, и в частности используются в
промышленности для различных видов обработки материалов: металлов,
бетона, стекла, тканей, кожи и т. п.
Лазерные технологические процессы можно условно разделить на два
вида. Первый из них использует возможность чрезвычайно тонкой
фокусировки лазерного луча и точного дозирования энергии как в импульсном,
так и в непрерывном режиме.
В таких технологических процессах применяют лазеры сравнительно
невысокой средней мощности: это газовые лазеры импульсно-периодического
действия, лазеры на кристаллах иттрий-алюминиевого граната с примесью
неодима. С помощью последних были разработаны технология сверления тонких
отверстий (диаметром 1 - 10 мкм и глубиной до 10 -100 мкм) в рубиновых и
алмазных камнях для часовой промышленности и технология изготовления
фильеров для протяжки тонкой проволоки. Основная область применения
маломощных импульсных лазеров связана с резкой и сваркой миниатюрных
деталей в микроэлектронике и электровакуумной промышленности, с
маркировкой миниатюрных деталей, автоматическим выжиганием цифр, букв,
изображений для нужд полиграфической промышленности.
Второй вид лазерной технологии основан на применении лазеров с большой
средней мощностью: от 1 кВт и выше. Мощные лазеры используют в таких
энергоемких технологических процессах, как резка и сварка толстых стальных
листов, поверхностная закалка, наплавление и легирование крупногабаритных
деталей, очистка зданий от поверхностей загрязнений, резка мрамора,
гранита, раскрой тканей, кожи и других материалов. При лазерной сварке
металлов достигается высокое качество шва и не требуется применение
вакуумных камер, как при электроннолучевой сварке, а это очень важно в
конвейрном производстве.
Мощная лазерная технология нашла применение в машиностроении,
автомобильной промышленности, промышленности строительных материалов. Она
позволяет не только повысить качество обработки материалов, но и улучшить
технико-экономические показатели производственных процессов. Так, скорость
лазерной сварки стальных листов толщиной 14 мКм достигает 100 м\ч при
расходе электроэнергии 10 кВт. ч.
Основным примером работы полупроводниковых лазеров является магнитно-
оптический накопитель(МО).
МО накопитель построен на совмещении магнитного и оптического
принципа хранения информации. Записывание информации производится при
помощи луча лазера и магнитного поля, а считывание при помощи одного только
лазера.
Область применения МО дисков определяется его высокими
характеристиками по надежности, объему и сменяемости. МО диск необходим
для задач, требующих большого дискового объема, это такие задачи, как
САПР, обработка изображений звука. Однако небольшая скорость доступа
к данным, не дает возможности применять МО диски для задач с
критичной реактивностью систем. Поэтому применение МО дисков в таких
задачах сводится к хранению на них временной или резервной информации. Для
МО дисков очень выгодным использованием является резервное копирование
жестких дисков или баз данных. В отличии от традиционно применяемых для
этих целей стримеров, при хранение резервной информации на МО дисках,
существенно увеличивается скорость восстановления данных после сбоя.
Кроме этого при таком способе восстановления нет необходимости
полностью останавливать систему до полного восстановления данных. Эти
достоинства в сочетании с высокой надежностью хранения информации
делают применение МО дисков при резервном копировании выгодным, хотя и
более дорогим по сравнению со стримерами.
3. НОВЫЕ ВИДЫ ТОПЛИВА И ЭНЕРГИИ
Опыт прошлого свидетельствует, что проходит не менее 80 лет, прежде
чем одни основные источники энергии заменяются другими - дерево заменил
уголь, уголь - нефть, нефть - газ, химические виды топлива заменила атомная
энергетика.
Атомная энергетика. История овладения атомной энергией началась в 1939
году, когда была открыта реакция деления урана. В 30-е годы нашего
столетия известный ученый И.В. Курчатов обосновывал необходимость
развития научно-практических работ в области атомной техники в интересах
народного хозяйства страны.
В 1946 г. в России был сооружен и запущен первый на Европейско-
Азиатском континенте ядерный реактор. Создается уранодобывающая
промышленность. Организовано производство ядерного горючего – урана-235 и
плутония-239, налажен выпуск радиоактивных изотопов.
В 1954 г. начала работать первая в мире атомная станция в
г. Обнинске, а через 3 года на океанские просторы вышло первое в мире
атомное судно – ледокол «Ленин».
Начиная с 1970 г. во многих странах мира осуществляются масштабные
программы развития ядерной энергетики. В настоящее время сотни ядерных
реакторов работают по всему миру.
На сегодняшний день энергия атома широко используется во многих
отраслях экономики. Строятся мощные подводные лодки и надводные корабли с
ядерными энергетическими установками. С помощью мирного атома
осуществляется поиск полезных ископаемых. Массовое применение в биологии,
сельском хозяйстве, медицине, в освоении космоса нашли радиоактивные
изотопы.
В России имеется 9 атомных электростанций (АЭС), и практически все они
расположены в густонаселенной европейской части страны. В 30-километровой
зоне этих АЭС проживает более 4 млн. человек.
Атомные электростанции – третий «кит» в системе современной мировой
энергетики. Техника АЭС, бесспорно, является крупным достижением НТП. В
случае безаварийной работы атомные электростанции не производят практически
никакого загрязнения окружающей среды, кроме теплового. Правда в результате
работы АЭС (и предприятий атомного топливного цикла) образуются
радиоактивные отходы, представляющие потенциальную опасность.
Однако объем радиоактивных отходов очень мал, они весьма компактны, и
их можно хранить в условиях, гарантирующих отсутствие утечки наружу.
АЭС экономичнее обычных тепловых станций, а, самое главное, при
правильной их эксплуатации – это чистые источники энергии.
Вместе с тем, развивая ядерную энергетику в интересах экономики,
нельзя забывать о безопасности и здоровье людей, так как ошибки могут
привести к катастрофическим последствиям.
Всего с момента начала эксплуатации атомных станций в 14 странах мира
произошло более 150 инцидентов и аварий различной степени сложности.
Наиболее характерные из них: в 1957 – в Уиндскейле (Англия), в 1959 г. – в
Санта-Сюзанне (США), в 1961 – в Айдахо-Фолсе (США), в 1979 – на АЭС Три-
Майл-Айленд (США), в 1986 – на Чернобыльской АЭС (СССР).
Широкие перспективы появляются в случае применения АЭС с реакторами на
быстрых нейтронах, в которых используются практически весь добываемый уран.
Это означает, что потенциальные ресурсы ядерной энергетики с реакторами на
быстрых нейтронах примерно в 10 раз выше по сравнению с традиционной (на
органическом топливе). Больше того, при полном использовании урана
становится рентабельной его добыча и из очень бедных по концентрации
месторождений, которых довольно много на земном шаре. А это в конечном
счете означает практически неограниченное (по современным масштабам)
расширение потенциальных сырьевых ресурсов ядерной энергетики.
Ядерное топливо не может быть израсходовано в реакторе полностью.
Ядерная цепная реакция не может идти, если количество топлива в реакторе
меньше определенного значения, называемого критической массой.
Уран (плутоний) в количестве, составляющем критическую массу, не
является топливом в собственном смысле этого слова. Он на время как бы
превращается в некоторое инертное вещество наподобие железа или других
конструкционных материалов, находящихся в реакторе. Выгорать может лишь та
часть топлива, которая загружается в реактор сверх критической массы. Таким
образом, ядерное топливо в количестве, равном критической массе, служит
своеобразным катализатором процесса, обеспечивает возможность протекания
реакции, не участвуя в ней.
Естественно, что топливо в количестве, составляющем критическую массу,
физически неотделимо в реакторе от выгорающего топлива. В тепловыделяющихся
элементах, загружаемых в реактор, с самого начала помещается топливо как
для создания критической массы, так и для выгорания.
Значение критической массы неодинаково для различных реакторов и в общем
случае относительно велико.
Так, для серийного отечественного энергетического блока с реактором на
тепловых нейтронах ВВЭР-440 (водо-водяной энергетический реактор мощностью
440 МВт) критическая масса U 235 составляет 700 кг. Это
соответствует количеству угля около 2 млн тонн. Иными словами,
применительно к электростанции на угле той же мощности это как бы означает
обязательное наличие при ней такого довольно значительного
неприкосновенного запаса угля. Ни один кг из этого запаса не расходуется и
не может быть израсходован, однако без него электростанция работать не
может.
Наличие такого крупного количества "замороженного" топлива, хотя и
сказывается отрицательно на экономических показателях, но в силу реально
сложившегося соотношения затрат для реакторов на тепловых нейтронах
оказывается не слишком обременительным.
В качестве теплоносителя для теплоотвода из реакторов на быстрых
нейтронах был выбран обладающий прекрасными теплофизическими и ядерно-
физическими свойствами расплавленный натрий. Который позволил достичь
высокой плотности тепловыделения.
Топливо, образующее критическую массу, становится непригодным для
дальнейшего использования. Его приходится периодически извлекать из
реактора и заменять свежим. Извлеченное топливо для восстановления
первоначальных свойств должно подвергаться регенерации. В общем случае -
это трудоемкий, длительный и дорогой процесс.
Но кроме совершенствования самого реактора перед учеными все время
встают вопросы о совершенствовании системы безопасности на АЭС, а также
изучение возможных способов переработки радиоактивных отходов,
преобразования их в безопасные вещества. Речь идет о методах превращения
стронция и цезия, имеющих большой период полураспада, в безвредные элементы
путем бомбардировки их нейтронами или химическими способами.
С развитием промышленности – основного потребителя энергетической
отрасли, человечество начинает использовать все новые виды ресурсов, так
называемые «нетрадиционные» источники энергии. К нетрадиционным источникам
энергии относятся источник не применяемые для коммерческого производства,
электрической и тепловой энергии – солнечная и геотермальная энергия,
гидроэнергия приливов и отливов, ветряная и другие нетрадиционные
источники.
Использование этих источников энергии вызвано необходимостью
значительных финансовых затрат на разведку новых месторождений, так как
часто эти работы связаны с организацией глубокого бурения (в частности, в
морских условиях) и другими сложными и наукоемкими технологиями. А также
экологическими проблемами, связанными с добычей энергетических ресурсов.
Склады нефтепродуктов и окружающие их территории подчас напоминают “города
мертвых”, а кадры кинохроники о плавающих в нефтяной пленке морских птицах
и животных тревожат не только Greenpeace.
Не менее важной причиной необходимости освоения альтернативных
источников энергии является проблема глобального потепления. Суть ее
заключается в том, что двуокись углерода (СО2), высвобождаемая при сжигании
угля, нефти и бензина в процессе получения тепла, электроэнергии и
обеспечения работы транспортных средств, поглощает тепловое излучение
поверхности нашей планеты, нагретой Солнцем и создает так называемый
парниковый эффект.
Солнце. Основным видом “бесплатной” неиссякаемой энергии по
справедливости считается Солнце. Оно ежесекундно излучает энергию в тысячи
миллиардов раз большую, чем при ядерном взрыве 1 кг U235. Ежесекундно оно
дает Земле 80 триллионов киловатт, то есть в несколько тысяч раз больше,
чем все электростанции мира. Нужно только уметь пользоваться им. Внутри
Солнца происходят термоядерные реакции превращения водорода в гелий и
ежесекундно 4 млрд. кг материи преобразуется в энергию, излучаемую Солнцем
в космическое пространство в виде электромагнитных волн различной длины.
Впервые на практическую возможность использования людьми огромной
энергии Солнца указал основоположник теоретической космонавтики
К.Э. Циолковский в 1912 году.
Хотя солнечная энергия и бесплатна, получение электричества из нее не
всегда достаточно дешево. Поэтому специалисты непрерывно стремятся
усовершенствовать солнечные элементы и сделать их эффективнее. Новый рекорд
в этом отношении принадлежит Центру прогрессивных технологий компании
“Боинг”. Созданный там солнечный элемент преобразует в электроэнергию 37
процентов попавшего на него солнечного света.
Были разработаны параболо-цилиндрические концентраторы. Эти устройства
концентрируют солнечную энергию на трубчатых приемниках, расположенных в
фокусе концентраторов. Это привело к созданию первых солнечных
электростанций (СЭС) башенного типа.
Широкое применение эффективных материалов, электронных устройств и
параболо-цилиндрических концентраторов позволило построить СЭС с
уменьшенной стоимостью - системы модульного типа. В качестве теплоносителя
использовалась вода, а полученный пар подавался к турбинам. Первая СЭС,
построенная в 1984 г., имела КПД 14,5%, а себестоимость
производимой электроэнергии 29 центов/(кВт-
ч).
В период между 1984 и 1990 г. фирмой Луз было построено девять СЭС
общей мощностью 354 МВт. Последние СЭС, построенные фирмой Луз, производят
электроэнергию по 13 центов/(кВт-ч) с перспективой снижения до 10
центов/(кБт-ч).
Д. Миле из университета Сиднея улучшил конструкцию солнечного
концентратора, использовав слежение за Солнцем по двум осям и применив
вакуумированный теплоприемник, получил КПД 25-30%. Стоимость
получаемой электроэнергии составит 6
центов/(кВт-ч). Считают, что подобная система позволит снизить стоимость
получаемой электроэнергии до 5,4 цента/(кВт-ч). При таких показателях
строительство СЭС станет экономичным и конкурентоспособным по сравнению с
ТЭС.
Другим типом СЭС, получившим развитие, стали установки с двигателем
Стирлинга, размещаемым в фокусе параболического зеркального концентратора.
КПД таких установок "может достигать 29%.
Предполагается использовать подобные СЭС небольшой мощности для
электроснабжения автономных потребителей в отдаленных местностях.
Мировой объем производства фотоэлектрических преобразователей с 6,5
МВт в 1980 г. увеличился до 29 МВт в 1987 г. и в 1993 г. составил более 60
МВт (рис.).
Рис. Производство фотоэлектрических устройств
в мире в 1970-1993 гг.
В Японии ежегодно выпускается 100 млн. калькуляторов общей мощностью 4
МВт, что составляет 7% мировой торговли фотоэлектрическими
преобразователями. Более 20 тыс. домов в Мексике, Индонезии, Южной Африке,
Шри-Ланке и в других развивающихся странах используют фотоэлектрические
системы, смонтированные на крышах домов, для получения электроэнергии для
бытовых целей.
Ветер. На первый взгляд ветер кажется одним из самых доступных и
возобновляемых источников энергии. В отличие от Солнца он может “работать”
зимой и летом, днем и ночью, на севере и на юге. Но ветер - это очень
рассеянный энергоресурс. Природа не создала “месторождения” ветров и не
пустила их, подобно рекам, по руслам. Ветровая энергия практически всегда
“размазана” по огромным территориям.
Основные параметры ветра - скорость и направление - меняются подчас
очень быстро и непредсказуемо, что делает его менее “надежным”, чем Солнце.
Таким образом, встают две проблемы, которые необходимо решить для
полноценного использования энергии ветра. Во-первых, это возможность
“ловить” кинетическую энергию ветра с максимальной площади. Во-вторых, еще
важнее добиться равномерности, постоянства ветрового потока. Вторая
проблема пока решается с трудом.
Выработка электроэнергии с помощью ветра имеет ряд преимуществ:
- экологически чистое производство без вредных отходов;
- экономия дефицитного дорогостоящего топлива (традиционного и для
атомных станций);
- эоступность;
- эрактическая неисчерпаемость.
Ветровые двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень
громоздкие и шумные. Чтобы производить с их помощью много электроэнергии,
необходимы огромные пространства земли. Лучше всего они работают там, где
дуют сильные ветры. И тем не менее всего одна электростанция, работающая на
ископаемом топливе, может заменить по количеству полученной энергии тысячи
ветряных турбин.
Море. Основной источник возобновляемой энергии – солнце. Второй по
величине – Мировой океан, являющийся одновременно и природным
концентратором солнечной энергии.
Формы аккумуляции энергии в океане разнообразны. Энергетические
источники океана имеют различные по потенциалу ресурсы. Значительные
энергетические возможности заключают в себе: волны, приливы и течения,
тепловая энергия океана, перепады солености.
Исследования дают основание сделать вывод, что волны в сравнении с
другими возобновляемыми источниками энергии океана обладают довольно
хорошими показателями, что позволит в будущем эффективно использовать их
энергию.
Каждая волна моря, направляющаяся к берегу, несет с собой огромную
энергию (например, волна высотой в 3 м несет около 90 кВт
мощности на 1 м побережья). В настоящее время имеются реальные инженерные и
технические возможности для эффективного преобразования волновой энергии в
электрическую. Однако надежные волноустановки пока не разработаны. Опыт
использования волновых электростанций уже имеется и в СНГ, и в других
странах мира.
Наиболее совершенен проект “Кивающая утка”, предложенный конструктором
С. Солтером. Поплавки, покачиваемые волнами, дают энергию стоимостью всего
2,6 пенса за 1 КВт\ч, что лишь незначительно выше стоимости электроэнергии,
которая вырабатывается новейшими электростанциями, сжигающими газ (в
Британии это - 2,5 пенса), и заметно ниже, чем дают АЭС (около 4,5 пенса за
1 КВт\ч).
Приливы. Первая большая электростанция, работающая на энергии
приливов, была построена в 1968г. в устье реки Ранс (Франция).
Электростанция работает следующим образом. Когда начинается отлив, заслонки
в дамбе закрывают, поддерживая высокий уровень воды за плотиной. При
разнице уровней в 3 м. заслонки открывают, и вода устремляется в море,
вращая лопатки 24-х больших турбин, а вместе с ними и роторы
электрогенераторов. Когда опять начинается прилив, вода через открытые
заслонки проходит за плотину, и цикл повторяется (см. рис. №5).
Реки. Примерно 1/5 часть энергии, потребляемой во всём мире,
вырабатывают на ГЭС. Её получают, преобразуя энергию падающей воды в
энергию вращения турбин, которая в свою очередь вращает генератор,
вырабатывающий электричество. Гидростанции бывают очень мощными. Так,
станция Итапу на реке Парана на границе между Бразилией и Парагваем
развивает мощность до13 000 млн.Квт.
Энергия малых рек также в ряде случаев может стать источником
электроэнергии. Возможно, для использования этого источника необходимы
специфические условия (например, речки с сильным течением), но в ряде мест
его, где обычное электроснабжение невыгодно, установка мини-ГЭС могла бы
решить множество локальных проблем. Бесплотинные ГЭС для речек и речушек
уже существуют. Этот двухметровый агрегат есть не что иное, как
бесплотинная ГЭС мощностью в 0,5 КВт. В комплекте с аккумулятором она
обеспечит энергией крестьянское хозяйство или геологическую экспедицию,
отгонное пастбище или небольшую мастерскую... Была бы поблизости речушка!
Роторная установка диаметром 300 мм и весом всего 60 кг выводится на
стремнину, притапливается на придонную “лыжу” и тросами закрепляется с двух
берегов. Мультипликатор вращает автомобильный генератор постоянного тока
напряжением 14 вольт, и энергия аккумулируется.
Опытный образец бесплотинной мини-ГЭС успешно зарекомендовал себя на
речках Горного Алтая.
Земля. Геотермальная энергия. Тепло от горячих горных пород в земной
коре тоже может генерировать электричество. Через пробуренные в горной
породе скважины вниз накачивается холодная вода, а в вверх поднимается
образованный из воды пар, который вращает турбину.
За прошедшие 15 лет производство электроэнергии на геотермальных
электростанциях (ГеоТэс) в мире значительно выросло. В последние два
десятилетия выполнялись обширные программы научно-исследовательских, опытно-
конструкторских и технологических работ в этом направлении. Накоплен также
определенный опыт создания и многолетней эксплуатации опытно-промышленных
и промышленных геотермальных установок различного назначения.
Современное развитие геотермальной энергетики предполагает
экономическую целесообразность использования следующих видов подземных
геотермальных вод:
- температурой более 140°С и глубиной залегания до 5 км для выработки
электроэнергии;
- температурой около 100°С для систем отопления зданий и сооружений;
- температурой около 60-70°С для систем горячего водоснабжения;
- геотермальные холодильные установки;
- системы геотермального теплоснабжения теплиц.
ГеоТЭЦ позволит получать дополнительно 760-1010 млн. кВт/ч
электроэнергии в год.
Использование теплоты геотермальных вод представляет пока еще
определенную сложность, связанную со значительными капитальными затратами
на бурение скважин и обратную закачку отработанной воды, создание
коррозийно-стойкого теплотехнического оборудования
Энергия Биомассы. Большие возможности в собственном энергообеспечении
сельскохозяйственных предприятий и экономии ТЭР заложены в использовании
энергии отходов сельхозпроизводства и растительной биомассы. В
сельскохозяйственном производстве в качестве источников тепла можно принять
любые растительные отходы, непригодные для использования по прямому
назначению или не нашедшие иного хозяйственного применения.
За последнее время использование биомассы в различных ее формах
(дерево, древесный уголь, отходы сельскохозяйственного производства и
животных) в мире в целом снизилось.
В ряде стран использование древесного топлива, древесного угля и
сельскохозяйственных отходов поставлено на коммерческую основу. Следует
отметить, что в сельских районах бывшего СССР доля использования древесного
топлива весьма значительна и при переходе на новые энергоносители можно
ожидать определенного роста самозаготовок.
Значительное развитие получила переработка биомассы, основанная на
процессах газификации, теролиза и получения жидких топлив.
При переработке биомассы в этанол образуются побочные продукты, прежде
всего – промывочные воды и остатки перегонки. Последние являются серьезным
источником экологического загрязнения окружающей среды. Представляют
интерес технологии, которые позволяют в процессе очистки этих отходов
получать минеральные вещества, используемые в химической промышленности, а
также применять их для производства минеральных удобрений.
Теплотворная способность сжигания 1 т сухого вещества соломы
эквивалентна 415 кг сырой нефти, теплотворность 1 кг пшеничной соломы и
сухих кукурузных стеблей равна 15,5 МДж, соевой соломы - 14,9 , рисовой
шелухи - 14,3 , подсолнечной лузги - 17, 2 МДж. По этому показателю
растительные отходы полеводства приближаются к дровам - 14,6-15,9 МДж/кг и
превосходят бурый уголь - 12,5 МДж/кг.
Проблемы утилизации твердых бытовых отходов (бытового мусора) остро
стоят перед всеми странами. Выход мусора составляет 250-700 кг на душу
населения в год, увеличиваясь на 4-6% в год, опережая прирост населения.
Решение проблемы переработки мусора найдено в использовании технологии
твердофазного сбраживания на обустроенных полигонах с получением биогаза.
Эта технология самая дешевая, не оперирует с токсичными выбросами и
стоками.
В настоящее время в мире действуют десятки установок для получения
биогаза из мусора с использованием его в основном для производства
электроэнергии и тепла суммарно мощностью сотни МВт.
В последние годы в связи с лавинообразным накоплением изношенных
автомобильных шин, особенно в учетом ужесточения требований по их хранению
(на ряде свалок возникли пожары (которые не удавалось потушить годами),
активно развивается технология их сжигания.
Водород. Набирает силу новая отрасль промышленности - водородная
энергетика и технология. Потребность экономики в водороде идет по
нарастающей. Ведь это простейшее и легчайшее вещество может
использоваться не только как топливо, но и как необходимый сырьевой элемент
во многих технологических процессах.
Он незаменим в
нефтехимии для глубокой переработки нефти, без него не обойтись, скажем в
химии при получении аммиака и азотных удобрений, а в черной металлургии с
его помощью восстанавливается железо из руд.
Такие существующие виды органического топлива, как газ, нефть и уголь,
тоже служат сырьем в этих или подобных процессах, но еще полезнее извлечь
из них самый экономный и чистый энергоноситель - тот же водород.
Водород - идеальный экофильный вид топлива. Очень высока и его
калорийность - 33 тыс. Ккал/кг, что в 3 раза выше калорийности бензина.
Он легко транспортируется по газопроводам, потому что у него очень малая
вязкость. По трубопроводу диаметром 1,5 м с ним передается 20тыс.
Мегаватт мощности. Перекачка легчайшего газа на расстояние в 500км. почти
вдесятеро дешевле, чем передача такого же количества электроэнергии по
линиям электропередачи. Как и природный газ, водород пригоден на кухне для
приготовления пищи, для отопления и освещения зданий.
Но передавать водород в жидком виде - удовольствие очень дорогое,
т.к. для его сжижения нужно потратить почти половину энергии, содержащейся
в нем самом. Кроме того, должна быть обеспечена идеальная теплоизоляция
трубопровода, так как температура жидкого водорода очень низка.
Как топливо водород сжигается в двигателях ракет и в топливных
элементах для непосредственного получения электроэнергии при соединении
водорода и кислорода. Его можно использовать и как топливо для авиационного
транспорта.
Сейчас в мире получают около 30 миллионов тонн водорода в год, причем
в основном из природного газа. Согласно прогнозам за 40 лет производство
водорода должно увеличиться в 20-30 раз.
Предстоит с помощью атомной энергетики заменить нынешний источник
водорода - природный газ на более дешевое и доступное сырье - воду. Здесь
возможны два пути.
Первый путь - традиционный, с помощью электрохимического разложения
воды.
Второй путь менее известен. Если нагреть пары воды до 3000-3500 C, то
водные молекулы развалятся сами собой.
Оба способа получить водород из воды пока дороже, чем из природного
газа. Однако природный газ дорожает, а методы разложения воды
совершенствуются. Через какое-то время водород из воды станет дешевле.
4. РОЛЬ СОЛНЕЧНОГО И КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЕ ЕГО В ЭНЕРГИЮ
ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ (ФОТОСИНТЕЗ)
Космическое излучение. Достаточно давно было доказано, что не Солнце
является основным источником космического излучения.
В нашей Галактике существует Крабовидная туманность, которая
образовалась в результате взрыва звезды в 1054 г. Опыт показывает, что она
является источником радиоволн и источником космических частиц. Это
объясняет огромную энергию космических протонов.
Нет необходимости полагать, что только взрывы звезд приводят к
появлению космических частиц. Любые звездные источники радиоволн могут быть
одновременно источниками космических лучей.
Существование космических лучей было обнаружено еще в 1912 г. С
помощью воздушных шаров было установлено, что интенсивность ионизирующего
излучения возрастает с увеличением высоты. Следовательно, это излучение
возникает не на Земле, а где-то в мировом пространстве. Милликен первый
уверенно высказал такое предположение и дал явлению его современное
название: космическое излучение.
В 1927 г, советский ученый Д. В. Скобельцын первый получил фотографию
следов космических лучей в ионизационной камере.
Была определена энергия космических частиц. Она оказалась огромной.
Для изучения природы космических лучей использовали радиолокаторы,
затем начали строить радиотелескопы с огромными чашеобразными антеннами и
чувствительными приемниками излучения. Быстрое развитие радиоастрономии
привело к целому ряду важнейших открытий.
Было обнаружено, что нейтральный холодный водород, который составляет
основную массу межзвездного газа и в оптическом диапазоне невидим,
испускает монохроматическое радиоизлучение с длиной волны 21 см. Это
помогло изучить распределение водорода в нашей звездной системе -
Галактике, включая даже далекие области, закрытые пылевыми облаками,
которые, однако, для радиоволн прозрачны.
Было доказано существование позитрона. Мезоны - частицы с массой,
промежуточной между массами протона и электрона, были впервые обнаружены в
космических лучах.
В настоящее время установлено, что первичное космическое излучение
состоит из стабильных частиц высоких энергий, летящих в самых различных
направлениях в космическом пространстве.
Интенсивность космического излучения в районе Солнечной системы
составляет в среднем 2-4 частицы на 1 см2 за 1 с. Оно состоит в основном из
протонов (~91 %) и а-частиц (6,6%); небольшая часть приходится на ядра
других элементов (менее 1%) и электроны (~1,5%). Среднее значение энергии
космических частиц - около 104 МэВ, а энергия отдельных частиц
достигает чрезвычайно высоких значений – 1012 МэВ и более.
Далее были открыты галактики, мощность радиоизлучения которых в
миллионы раз больше, чем у нашей галактики (их назвали радиогалактиками).
Оказалось, что такое мощное радиоизлучение имеет нетепловую природу. Оно
вызвано гигантскими взрывами, при которых выбрасываются огромные массы
вещества, в миллионы раз большие массы Солнца. Выброшенные при взрыве
быстро летящие заряженные частицы в межзвездном магнитном поле движутся по
криволинейным траекториям, т. е. с ускорением. Ускоренное же движение
заряда сопровождается излучением электромагнитных волн.
Это нетепловое излучение называют магнитотормозным или синхротронным
(оно наблюдается в синхротронах-ускорителях заряженных частиц). Изучение
синхротронного излучения дает ценные сведения о движении потоков
космических частиц и о межзвездных магнитных полях. Обычно излучаются
радиоволны, но если частицы движутся с очень большими скоростями или в
достаточно сильном магнитном поле, то они испускают видимое,
ультрафиолетовое и даже рентгеновское излучение.
Для регистрации космического излучения, от инфракрасного до
рентгеновского, очень широко используется фотографический метод. Кроме
того, в качестве приемников излучения применяются термопары,
термосопротивления, а также фотоэлектрические устройства.
Атмосфера сильно поглощает коротковолновое излучение. До поверхности
Земли доходит только ближнее ультрафиолетовое излучение, да и то сильно
ослабленное. Поэтому коротковолновое космическое излучение можно изучать
только с помощью ракет и спутников.
Солнечное излучение. Такие исследования позволили изучить
ультрафиолетовую область спектра Солнца. Поскольку температура солнечной
короны составляет около 10" К, то в соответствии с законами теплового
излучения корона должна быть источником рентгеновского излучения. Первые же
опыты с помощью ракет подтвердили это. Оказалось, что рентгеновское
излучение Солнца непостоянно.
Солнце периодически (во время вспышек) испускает солнечные космические
лучи, которые состоят в основном из протонов и а-частиц.
Имеют небольшую энергию, но высокую интенсивность, что приходится учитывать
при планировании космических полётов.
При хромосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского
излучения. Это объясняется тем, что выброшенные при вспышке быстро летящие
электроны испускают рентгеновское излучение при столкновении с другими
частицами солнечной атмосферы, а также при торможении в сильном магнитном
поле активных областей (синхротронное излучение). Заметим, что
рентгеновское излучение Солнца - важнейший источник ионизации верхнего слоя
атмосферы Земли – ионосферы.
В основном первичные космические лучи состоят из протонов (около 90%);
кроме протонов в них присутствуют и более тяжелые ядра. Сталкиваясь с
другими молекулами, атомами, ядрами, космические лучи способны создать
элементарные частицы всех типов.
Исследования космического и солнечного излучения продолжают оставаться
одним из увлекательных занятий физиков.
Фотосинтез. Благодаря солнечному и космическому излучению
осуществляется процесс фотосинтеза и рост растений, происходят различные
фотохимические процессы.
Слово «фотосинтез» означает буквально создание или сборку чего-то под
действием света. Обычно, говоря о фотосинтезе, имеют в виду процесс,
посредством которого растения на солнечном свету синтезируют органические
соединения из неорганического сырья.
Все формы жизни во Вселенной нуждаются в энергии для роста и
поддержания жизни. Водоросли, высшие растения и некоторые типы бактерий
улавливают непосредственно энергию солнечного излучения и используют ее для
синтеза основных пищевых веществ. Животные не умеют использовать солнечный
свет непосредственно в качестве источника энергии, они получают энергию,
поедая растения или других животных, питающихся растениями.
Итак, в конечном счете источником энергии для всех метаболических
процессов на нашей планете, служит Солнце, а процесс фотосинтеза необходим
для поддержания всех форм жизни на Земле.
Мы пользуемся ископаемым топливом - углем, природным газом, нефтью и
т. д. Все эти виды топлива - не что иное, как продукты разложения наземных
и морских растений или животных, и запасенная в них энергия была миллионы
лет назад получена из солнечного света. Ветер и дождь тоже обязаны своим
возникновением солнечной энергии, а следовательно, энергия ветряных мельниц
и гидроэлектростанций в конечном счете также обусловлена солнечным
излучением.
Важной вехой в истории изучения фотосинтеза было сделанное в 1845 г.
немецким физиком Робертом Майером утверждение о том, что зеленые растения
преобразуют энергию, солнечного света в химическую энергию
Важнейший путь химических реакций при фотосинтезе - это превращение
углекислоты и воды в углероды и кислород. Суммарную реакцию можно описать
уравнением СО2+Н20 ( [СН20]+02 .
Углеводы, образующиеся в этой реакции, содержат больше энергии, чем
исходные вещества, т. е. СО2 и Н20. Таким образом, за счет энергии Солнца
энергетические вещества (СО2 и Н20) превращаются в богатые энергией
продукты - углеводы и кислород. Энергетические уровни различных реакций,
описанных суммарным уравнением, можно охарактеризовать величинами
окислительно-восстановительных потенциалов, измеряемых в вольтах. Значения
потенциалов показывают, сколько энергии запасается или растрачивается в
каждой реакции.
Скорость фотосинтеза возрастает линейно, или прямо пропорционально
увеличению интенсивности света. По мере дальнейшего увеличения
интенсивности света нарастание фотосинтеза становится все менее и менее
выраженным, и, наконец, прекращается, когда освещенность достигает
определенного уровня 10000 люкс. Дальнейшее увеличение интенсивности света
уже не влияет на скорость фотосинтеза. Область стабильной скорости
фотосинтеза называется областью светонасыщения. Если нужно увеличить
скорость фотосинтеза в этой области, следует изменять не интенсивность
света, а какие-либо другие факторы.
Интенсивность солнечного света, попадающего в ясный летний день на
поверхность земли, во многих местах нашей планеты составляет примерно
100000 люкс. Следовательно, растениям, за исключением тех, которые растут в
густых лесах и в тени, падающего солнечного света бывает достаточно для
насыщения их фотосинтетической активности.
В случае низких интенсивностей света скорость фотосинтеза при 15 и
25°С одинакова. При более высоких интенсивностях скорость фотосинтеза при
25°С гораздо выше, чем при 15°С. Следовательно, в области светового
насыщения уровень фотосинтеза зависит не только от поглощения фотонов, но
и от других факторов. Большинство растений в умеренном климате хорошо
функционируют в интервале температур от 10 до 35°С, наиболее благоприятные
условия - это температура около 25°С.
Итак, фотосинтез можно рассматривать как сложный процесс
преобразования лучистой энергии Солнца в энергию химических связей
органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих
фотосинтезирующих организмов, так и других организмов, не способных к
самостоятельному синтезу органических веществ.
5. ЗАДАЧИ
БИОЛОГИЯ
Сколько глюкозы (г) израсходует один школьник за урок (45 минут), если
за минуту он израсходует 8 кДж энергии? Кислород доставляется в количестве,
достаточном для полного расщепления глюкозы.
ЭКОЛОГИЯ
Решением городской администрации с предприятия было взыскано10 млн.
руб. в счёт погашения ущерба, причинённого сбросом неочищенных вод в водоём
общего пользования. Предприятие (причинитель вреда) обратилось в
арбитражный суд с просьбой о признании данного взыскания недействительным и
о возвращении взысканной суммы на том основании, что предприятие постоянно
перечисляет на счёт экологического фонда платежи за нормативные и
сверхнормативные выбросы, сбросы вредных веществ.
Решите дело.
ХИМИЯ
Насколько уменьшится масса серебряного анода, если электролиз
раствора A9NO3 проводить при силе тока 2А в течении 38 минут 20 секунд?
Составьте электронные уравнения процессов, происходящих на гранитовых
электродах.
-----------------------
[pic]
[pic]