Станислав Зигуненко - 100 великих достижений в мире техники

Механизм работы термоакустического устройства легче всего понять на примере теплового насоса. В простейшем случае он состоит из настроенной в резонанс со звуковыми колебаниями трубы, в которую помещен кусок пористой керамики или пучок параллельных заполненных газом тонких трубок. С одной стороны трубы помещают динамик, похожий на тот, что используют в звуковых колонках. В возбуждаемых динамиком стоячих звуковых волнах газ колеблется взад и вперед, нагреваясь при сжатии и охлаждаясь при расширении. Этот перепад температур мал – всего две сотые градуса даже для громкого звука на болевом пороге нашего слуха (120 децибел). Но если правильно подобрать материал и размеры трубок, этого оказывается достаточно, чтобы обменивающийся с ними теплом газ создал в пучке необходимый градиент температуры.

Точно так же, но в противоположном направлении работает и термоакустический генератор, в котором звуковые колебания возникают при поддержании перепада температур в пучке трубок. А уже эти звуковые колебания нетрудно превратить в электрический ток с помощью того же динамика, который будет работать как микрофон, то есть линейный электрогенератор.

Первые термоакустические холодильники и генераторы были примерно вдвое менее эффективны, чем обычные компрессорные холодильники и двигатели внутреннего сгорания. Однако постоянное совершенствование их конструкции позволило ликвидировать отставание, а в некоторых случаях даже добиться эффективности около 40 %.

В «кухонном комбайне» для развивающихся стран будет два пучка трубок и один динамик между ними в общей трубе-резонаторе, которая конструктивно соединена с плитой. Горящие дрова одновременно с кастрюлями и сковородами будут нагревать один из концов первого пучка – в нем возникнут звуковые колебания с частотой, по предварительным расчетам, около 50 Гц. Эти звуковые колебания будут раскачивать генерирующий электричество динамик и создавать перепад температур во втором пучке, работающем как холодильник. Конструкция гениально проста, и будем надеяться, что она действительно окажется эффективной.

Однако не очень понятно, станет ли хорошая хозяйка в жаркой Африке день и ночь что-то жечь, чтобы работал ее холодильник. Впрочем, до конца этого проекта, как уже говорилось, еще пять лет. Так что за это время многое может измениться, включая и саму концепцию устройства.

Например, в дополнение к этому устройству как бы сама собой напрашивается панель с фотоэлементами, которая может питать тот же холодильник, телевизор, ноутбук или иной электроагрегат в то время, когда чудо-печь не будет топиться. Уж чего-чего, а солнечного света в жарких странах всегда предостаточно.

Ныне все чаще можно увидеть человека, который сидит в общественном транспорте, уткнувшись в электронный планшет, и читает. На смену книгам обыкновенным приходят электронные, а библиотеки становятся цифровыми и даже виртуальными – из Интернета сегодня можно выудить практически любую книгу.

Но процесс обновления оказался далеко не столь простым, как может показаться…

Какая бумага?Ныне большинство электронных книг имеет «классическую» электронную бумагу. По существу, она представляет собой сверхтонкий дисплей, между покрытием и подложкой которого заключены мириады черных и белых микрочастиц, всплывающих к поверхности или тонущих в толще экрана под действием меняющегося электрического заряда.

Однако это не единственная технология электронной бумаги. Скажем, появившаяся в марте 2009 года первая в мире цветная электронная книга использует другой принцип формирования изображения. Он основан на отражающих жидких кристаллах (Reflex LCD). А в декабре 2008 года группа ученых из Канады и Британии создала дисплей на базе управляемого синтетического опала, мгновенно меняющего цвет почти во всем видимом спектре. Так что поиск идеала не прекращается.

Теперь молодежь читает в основном электронные книги

Все эти разработки объединяет одно – необычные экраны работают на отраженном свете, так же как «действует» и лист обычной бумаги с буквами и рисунками. Потому эти системы и именуют электронной бумагой. Расход энергии такими устройствами на порядки ниже классических экранов, а читаемость электронной бумаги только улучшается по мере роста внешней освещенности (это актуально на улице), в противовес обычным «светящим» дисплеям, которые при внешней засветке блекнут и весьма сильно.

И вот ныне сделан следующий шаг. Электронная бумага, превосходящая предшественников по контрастности, разрешению и быстродействию, создана группой ученых под руководством профессора Джейсона Хейкенфельда из Университета Цинциннати. Авторы разработки фактически придумали новый принцип работы устройства.

Каждый пиксель электронной бумаги теперь представляет собой пустотелую герметичную гексагональную ячейку, в основе которой лежит алюминиевая пластина (она отражает свет). А в центре ячейки – крошечные полимерные колодцы, заполненные углеродными чернилами (в черно-белом варианте устройства). Сверху же конструкцию прикрывает тонкопленочный прозрачный электрод из оксида индия и олова.

Напряжение, приложенное к электроду и подложке, заставляет чернила мгновенно вытечь из колодца и заполнить всю ячейку. После снятия напряжения чернила тут же собираются обратно в колодец. А поскольку резервуар занимает порядка 5 % от общей видимой площади, в «свернутом» состоянии чернила почти не видны, ячейка кажется белой.

Понятное дело, управляя состоянием всего массива ячеек с помощью выборочно приложенного напряжения, можно формировать на поле любой черно-белый текст или изображение по точкам.

Для получения цветных пикселей авторы проекта решили применить светофильтры, наложенные поверх ячеек. Ширина одной точки в новом дисплее составила 100 мкм, а разрешение экрана – 300 точек на дюйм. Это, по словам Хейкенфельда, больше, чем у большинства моделей электронных книг, имеющихся на рынке.

Но главное преимущество новинки в другом. Новая бумага отражает 55 % падающего света, в то время как серийные электронные книги – 35–40 %, из-за чего их поле кажется серым. Причем, уверяет Джейсон, новую технологию можно улучшить, подняв степень отражения света до 60 %, а потом и выше (тут подразумевается именно цветной вариант дисплея). А это уже сравнимо с обычной белой бумагой: у нее 85-процентное отражение.

Второе колоссальное преимущество новинки – время переключения пикселей между черным и белым состоянием составляет всего одну миллисекунду, что даже быстрее, чем у хороших ЖК-экранов, и в десятки, а то и в сотни раз лучше, чем у традиционных электронных книг.