Пыль вокруг Энцелада
У Сатурна 146 спутников, шестой по размеру (диаметр 500 км) и четырнадцатый по удалённости — Энцелад, самый светлый объект в Солнечной системе (альбедо больше, чем у Венеры). Знаменит он тем, что под ледяной корой там есть океан из воды и, возможно, микробная жизнь. На нём существуют криовулканы, которые испускают фонтаны частиц льда, а также других составляющих, например, силикатных частиц. Часть из них падает на поверхность, часть улетает в космос. Энцелад обменивается веществом с одним из колец Сатурна и вообще может быть его создателем. Ещё один источник частиц на поверхности — удары по ней компонентов кольца. Аппарат «Кассини» в 2005 году обнаружил в окрестности спутника плазменно-пылевое облако, вроде того, которое имеется у Луны. Энцелад — фактически первый объект во внешней области Солнечной системы, в окрестности которого удалось наблюдать пылевую плазму.
Механизм образования облака выглядит так. Поверхность Энцелада и частицы пыли испускают фотоэлектроны из-за воздействия электромагнитного излучения Солнца и солнечного ветра. В результате поверхность Энцелада заряжается. Пылевые частицы поглощают эти фотоэлектроны, а также электроны и ионы солнечного ветра. Все эти процессы приводят к зарядке пылевых частиц, их взаимодействию с заряженной поверхностью Энцелада, подъёму и движению пыли.
Физики из Института космических исследований РАН и Высшей школы экономики построили модель формирования пылевой плазмы, определили зависимость от высоты концентрации пылевых частиц, их зарядов и размеров, а также электрического поля и концентрации фотоэлектронов. Концентрация фотоэлектронов над поверхностью Энцелада на порядок может превосходить концентрацию электронов и ионов солнечного ветра, размеры пылевых частиц (в основном 0,2—0,4 мкм) превышают характерные размеры пылевых частиц в окружении Луны (0,1 мкм). Типичные концентрации пылевых частиц 10-4—10-2 см-3, фотоэлектронов — порядка 1 см-3. И несмотря на удалённость Энцелада от Солнца, фотоэффект оказался важным процессом при формировании пылевой плазмы.
Шохрин Д. В. и др. Пылевая плазма у поверхности Энцелада — спутника Сатурна. Письма в ЖЭТФ, 2024, вып. 6, с. 419.
Электросопротивление при 9000 кельвинов
Увидев такой заголовок, человек изумится. Разве при этой температуре не всё обращается в газ? Как они там что-то измеряли, в чём держали исследуемые вещества — графит и гадолиний? Кстати, при таких температурах и больших давлениях они не газ, а жидкость. Выбор объектов исследования определяется тем, что графит и гадолиний применяются в ядерных реакторах (замедлитель и поглотитель нейтронов соответственно), а об их свойствах в жидком состоянии при температурах в тысячи градусов известно недостаточно.
Но как создать большие давления при таких температурах? Исследователи из Объединённого института высоких температур (ОИВТ РАН) и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) провели эксперименты с тонкими пластинками из пиролитического графита толщиной 37 мкм и из гадолиния толщиной 80—100 мкм. Пластинку зажали между двух толстых стеклянных пластин и пропустили через неё импульс тока амплитудой до 16 кА, длительностью до 9 мкс. При таком малом времени импульса процесс был адиабатическим (без теплообмена) и графит нагревался до 9000 К, а гадолиний до 6000 К. Оба вещества при нагреве должны были бы расшириться, но толстые стеклянные пластины не позволяли этого, создавая давление не менее 5—8 тыс. атмосфер. Температуру определяли по мощности теплового излучения на длине волны 856 нм, давление — расчётом по скорости расширения образца и скорости звука в стекле.
Что удалось выяснить? В условиях эксперимента электросопротивление твёрдого углерода линейно растёт с температурой. При плавлении, которое наступает при 5400 К и давлении 4—8 кбар, оно увеличивается в 1,5 раза и далее не изменяется до 9000 К.
Электросопротивление жидкого гадолиния остаётся примерно постоянным до 6000 К.
Онуфриев С. В., Савватимский А. И. Электросопротивление жидкого углерода (до 9000 К) и жидкого гадолиния (до 6000 К) при повышенном давлении и высоких температурах. Теплофизика высоких температур, 2023, № 5, с. 685.
Кремний — чёрный и волосатый
Один из способов улучшить использование солнечного излучения — увеличить долю излучения, поглощённого фотоэлементами. Обычно поглощение зависит от угла падения излучения на панель, который меняется при перемещении Солнца по небу. Можно поворачивать панели вслед за ним, но это усложнение конструкции и уменьшение надёжности, а иногда такое вообще невозможно. Известно понятие «абсолютно чёрное тело» и его инженерные реализации, которые прекрасно поглощают излучение, падающее под любым углом. Оказывается, можно изобразить нечто подобное и на солнечных панелях — создать «чёрный кремний». Для этого поверхность кремния делают не гладкой, а «ворсистой». Надо только выяснить, какой «ворс» эффективнее.
Поверхность кремния: справа — текстурованный, в центре — «чёрный кремний» с волокнами, слева — «чёрный кремний» с конусообразными волокнами. На основе иллюстрации из реферируемой статьи.
Специалисты из Санкт-Петербургского национального исследовательского академического университета им. Ж. И. Алфёрова, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе и Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета им. В. И. Ульянова (Ленина) измерили зависимость коэффициента отражения от длины волны (400—1000 нм) и от угла падения (0—90°) для трёх типов солнечных элементов. На фото справа — элемент с текстурированной пирамидальной поверхностью с просветляющим слоем. В центре — «чёрный кремний» с тонкими волокнами разных диаметров. Слева — «чёрный кремний» с конусообразными волокнами, изготовленный по технологии, предложенной авторами. У последнего варианта средний коэффициент отражения оказался меньше всех — не более 2%. Конкретное увеличение выработки электроэнергии будет зависеть от расположения солнечных батарей, и для Санкт-Петербурга годовой выигрыш для «чёрного кремния» с нитевидными волокнами по отношению к текстурованному составит 6—7,5%, а в случае конусообразных волокон 7—9%.
Кажется, игра стоит не только свеч.
Ярчук Э. Я. и др. Исследование возможности повышения годовой выработки электроэнергии за счёт использования кремниевых солнечных элементов с наноструктурированной поверхностью. Физика и техника полупроводников, 2023, вып. 7, с. 522.
