Физика в 2013 году: космический тренд

Ежегодно в конце декабря журнал «Science» называет  свою версию десяти прорывов в науке. В 2013 году только два из них связаны с физикой, причем оба имеют отношение к космосу. Это доказательство ускорения протонов в остатках оболочек сверхновых и создание перспективных солнечных батарей на основе перовскита.

Объяснение происхождения космических лучей  - потока высокоэнергичных частиц, преимущественно протонов, прилетающих на Землю из космоса, является одной из важных задач физики космоса. Ученые уже давно предположили, что ускорение заряженных частиц происходит в оболочках «взорвавшихся» звезд – сверхновых. К этому выводу приводят характерные особенности энергетического спектра космических лучей  и наличие мощного рентгеновского излучения остатков сверхновых.

В 2013 году было получено еще одно доказательство ускорения протонов в остатках сверхновых и одновременно установлен один из возможных механизмов мощных космических гамма-всплесков. Механизм этого грандиозного явления является одной из главных загадок астрофизики, несмотря на существование нескольких гипотез. Как писал В.Л. Гинзбург: «Гамма-всплески - самое мощное взрывное явление во Вселенной, не считая, конечно, самого Большого Взрыва». Энерговыделение в процессе возникновения этого гамма-излучения может на 10 порядков превосходить  самую мощную вспышку на Солнце.
  
Открытие, привлекшее внимание «Science»,  сделано большой международной группой ученых, занимающейся обработкой и анализом данных, полученных космическим гамма-телескопом «Ферми», запущенным на орбиту НАСА в 2008 году.  Важность исследования гамма-излучения при изучении природы космических лучей связана с тем, что из-за отклонения в космических магнитных полях направление их прихода на Землю уже не показывает на место их рождения. А вот электромагнитное гамма-излучение в отличие от заряженных частиц не отклоняется в магнитном поле и дает астрофизикам направление на источник. Но с другой стороны, идентификация излучения, связанного именно с протонами, сложна, потому что гамма-излучение порождают еще и электроны высоких энергий при тормозном и обратном комптоновском рассеянии.

Исследователи успешно решили проблему, открыв особенность формы спектра гамма-излучения, соответствующую происхождению гамма-излучения в результате распада нейтрального пиона на два гамма кванта. Сам пион в свою очередь возникает при столкновении ускоренных до релятивистских скоростей протонов с межзвездным веществом. Поэтому наличие этой особенности в спектрах гамма-излучения двух наблюдаемых остатков сверхновых IC 443 и W44 доказывает наличие там ускорения протонов до релятивистских скоростей и работу указанного механизма генерации гамма-вспышек.

Вторым прорывом 2013 года в физике по версии «Science» названо применение минерала перовскита для изготовления солнечных батарей.
Этот минерал (титанат кальция), найденный на Урале и названный в честь коллекционера минералов графа Л. A. Перовского, известен более 150 лет. Но в качестве материала для солнечных батарей он рассматривается лишь последние года четыре. И только в этом году появились работы, обосновавшие перспективность этого материала. Физики из Оксфордского университета в Великобритании показали возможность использования некоторых видов перовскита в качестве замены для тонкопленочных кремниевых элементов и получили эффективность преобразования энергии 15%. Из перовскита удается получить гибкие и полупрозрачные фотоэлементы.

Изделия на основе перовскита пока уступают кремниевым фотоэлементам, имеющим эффективность в среднем около 20%, а у лучших лабораторных образцов и  25%. Однако они имеют большое преимущество в дешевизне и простоте изготовления. Высококачественные кристаллы кремния для фотоэлементов надо выращивать при специальных условиях в достаточно дорогих установках. Образцы высокого качества из перовскита удавалось получить даже путем нанесения раствора недорогих соединений на основу с последующей сушкой. Удивительно, но качество кристалла получалось настолько высоким, что даже появились сообщения об изготовлении на их основе лазеров, где требования к качеству особенно велики.

Особо интересной является возможность интегрирования обоих видов фотоэлементов вместе  нанесением пленки из перовскита прямо на кремниевую панель. В этом случае перовскит будет захватывать фотоны сине-зеленого диапазона, а кремний менее энергичные красные. Это позволило бы поднять эффективность до 30%.

Некоторые эксперты уже прогнозируют вытеснение новым материалом кремния из солнечных батарей. Правда, для этого еще надо решить две проблемы. Во-первых, сделать перовскиты не такими хрупкими и растворимыми, что делает их ненадежными. И, во-вторых, найти замену токсичным компонентам вроде свинца, используемого в существующих образцах.

По материалам http://www.sciencemag.org/