Академик Олег Фиговский

Атомная энергетика остается одним из крупнейших в мире источников низкоуглеродной электроэнергии, надежно обеспечивая потребность в энергии для миллионов людей. В 2024 году атомные электростанции планеты выработали 2818 тераватт-часов электроэнергии, что составляет примерно 10% от общего объема мирового производства электроэнергии. США остаются безусловным лидером и вырабатывают почти 30% мировой электроэнергии на АЭС, что эквивалентно показателям двух следующих за ними стран вместе взятым. Несмотря на отсутствие ввода в эксплуатацию новых крупных реакторов в течение десятилетий, высокие коэффициенты использования установленной мощности и продление срока службы существующих станций позволили сохранить стабильную выработку ядерной энергии в США.

Китай быстро поднялся на второе место, поскольку страна продолжает расширять свой парк реакторов и строит несколько новых блоков. Франция, где более 60% электроэнергии вырабатывается на АЭС, в 2024 году продемонстрировала самый большой годовой рост среди пяти крупнейших производителей (+12,2%). Между тем Россия — четвертый по величине производитель атомной энергии — в 2024 году столкнулась с небольшим снижением выработки (-1,0%). Канада, Испания и Финляндия также зафиксировали небольшое падение, в основном из-за плановых отключений или корректировки нагрузки в своих сетях. 

С другой стороны, в 2024 году в Индии наблюдался самый большой рост производства атомной энергии — более на 13% по сравнению с уровнем 2023 года. По состоянию на 2025 год в мире действует 416 ядерных реакторов, и примерно две трети из них старше 30 лет. Ядерные реакторы обычно рассчитаны на 40–50 лет, хотя их срок службы может быть увеличен благодаря модернизации оборудования. Несмотря на то что действующий парк устаревает, за последние 10 лет было введено в эксплуатацию более 60 новых реакторов. Кроме того, в настоящее время в 15 странах строится около 70 новых реакторов, что улучшает перспективы мирового реакторного парка.

Философия материализма десятилетиями доминировала в теоретической физике и нейробиологии. Ученый Алекс Гомес-Марин, специалист в этих областях знаний, утверждает, что отторжение любых альтернатив материализму, царящее в академическом сообществе, — самый опасный вид лженауки. Он убежден, что для достижения научного прогресса необходимо изучить то, что мы не понимаем в современных «пограничных» теориях и исследованиях. Полвека назад в журнале Nature была опубликована исследовательская статья под названием «Передача информации в условиях сенсорного экранирования». Авторы, американские физики Рассел Тарг и Гарольд Путхофф, представили психологические и нейрофизиологические доказательства того, что люди могут получать подробную информацию об окружающей среде некими способами, выходящими за рамки известных чувств. В контролируемых лабораторных условиях талантливые испытуемые могли описывать картины и сцены из удаленных мест, достигая результатов, вероятность случайного появления которых была поразительно мала.

Гипотетическую способность видеть на расстоянии активно изучали в Стэнфордском исследовательском институте в рамках проекта Stargate — финансируемой правительством США инициативы по изучению подобных феноменов. Однако за последние 50 лет новых открытий в этой области не было. Никто не имеет ни малейшего представления о механизмах этого способа передачи информации, если он действительно существует. Большинство ученых даже не слышали об этом исследовании, а если и слышали, то обычно предполагают, что это выдумки. Время от времени в научных журналах появляются статьи на подобные пограничные темы. В 2018 году Этцель Карденья опубликовал в American Psychologist обзорную статью «Экспериментальные доказательства парапсихологических явлений». В ней используя современные методы были повторно проанализированы эксперименты в области паранормального, включая исследования сенсорной депривации, предвидения, пси-снов, дистанционного видения, дистанционного воздействия, бесконтактного исцеления, микро- или мелкомасштабные психокинетических эффектов, глобальное сознание и т. д. Другими словами, телепатию, ясновидение, предвидение и психокинез.

Автор не пытается доказать или опровергнуть существование подобных явлений. По его совам, эти исследования показывают, живем ли мы в мире, где наука свободна от цензуры. «На карту поставлена не столько легитимность результатов или их выводов, сколько легитимность самого процесса проведения исследований и попытки поделиться ими с научным сообществом, не подвергаясь остракизму», — пишет он. Сциентизм — самый опасный вид псевдонауки, потому что это дело рук самих ученых. А материализм — его верный приспешник. Но пришло время серьезно разобраться в том, чего мы не понимаем. Только тогда мы шагнем в неизведанное. Цензура материализма царит и на страницах Википедии, и в архивах научных онлайн-изданий, и на конференциях, и при распределении грантов. Чатботы с ИИ станут, по мнению Гомеса-Марина, следующим рубежом цензуры, «поскольку они, как правило, обучены придерживаться ортодоксального, порой догматичного, консенсусного взгляда.

«Мы не должны останавливать научный прогресс, навешивая клеймо на загадку. Такие аномалии — бесценный дар, поскольку они свидетельствуют об ограниченности наших нынешних теорий. Как выразился в Твиттере математик Эрик Вайнштейн: „Невидимый мир впервые обнаруживается в неспособности видимого мира закрыться от него“. Давайте же искать золотую середину между „вау“ наивных верующих и „бу“ гневных разоблачителей. Цензура — это использование власти для предотвращения распространения идей. Разве научная цензура не оксюморон?» Исследование 2023 года обнаружило связь между верой в паранормальные явления и сном. Субъективные показатели плохого качества сна были связаны с более сильной верой в призраков, демонов, душу, жизнь после смерти, способность общаться с мертвыми и инопланетянами.

3D-мэппинг — технология проекции анимации на реальные объекты — позволяет цифровым художникам превращать городские пространства в интерактивные арт-объекты. 3D-мэппинг, или проекционный 3D-мэппинг, представляет собой технологию, которая превращает любой объект — от небольшой скульптуры до фасада здания — в поверхность для видеопроекции. В отличие от обычного показа видео на плоском экране, 3D-мэппинг учитывает геометрию объекта, создавая иллюзию того, что само здание меняет форму, цвет и текстуру. Истоки этого направления диджитал-арта восходят к экспериментам с видео-артом 1960–1970-х годов, но настоящий расцвет технология получила в 2000-х с развитием мощных проекторов и компьютерной графики. Сегодня 3D-мэппинг превратился из экспериментальной практики в полноценное направление медиа-арта.

Процесс создания контента для 3D-мэппинга начинается с детального изучения объекта проекции. Цифровые художники формируют точную 3D-модель здания или поверхности, учитывая каждый архитектурный элемент — окна, колонны, выступы, углы. Эти особенности не просто учитываются, а становятся частью художественного замысла. Окно может превратиться в глаз гигантского существа, а колонна — в ствол фантастического дерева. Технические требования к 3D-мэппингу довольно высоки: для проекции на крупные объекты используются проекторы мощностью до 20 тыс. люменов, а создание контента требует специализированного программного обеспечения, способного работать с трехмерными моделями и сложной геометрией поверхностей.

Одним из самых ярких примеров использования 3D-мэппинга стал берлинский Festival of Lights — ежегодное международное мероприятие, которое уже более 18 лет превращает немецкую столицу в огромную галерею светового искусства. Бранденбургские ворота, символ Берлина, становятся холстом для работ цифровых художников из разных стран. Так, например, в 2023 году пять студий из четырех стран создали уникальные проекции на историческом памятнике, каждая длительностью около 6 минут. Мероприятие стабильно привлекает миллионы посетителей и демонстрирует, как 3D-мэппинг может превратить весь город в площадку для творчества.  Еще более впечатляющий пример — динамическая проекция на собор Саграда Фамилия (Sagrada Familia) в Барселоне, реализованная студией Moment Factory в 2012 году. Это стало первым звуко-световым шоу на фасаде знаменитого творения архитектора Гауди. Пятнадцатиминутное мультимедийное представление с использованием 16 мощных проекторов воплотило давнюю мечту архитектора о многоцветном фасаде здания. Сложная геометрия собора потребовала предварительного 3D-сканирования для точной адаптации визуального контента к архитектурным особенностям. В музыкальных событиях 3D-мэппинг играет роль визуального сопровождения, синхронизируясь с ритмом и настроением композиций. Технология позволяет создать иммерсивную атмосферу, где зрители оказываются внутри художественного произведения, а не просто наблюдают за ним.

3D-мэппинг обладает уникальной способностью трансформировать городское пространство без физического вмешательства в архитектуру. Здания могут временно «надевать» новые визуальные оболочки, превращаясь в носители художественных сообщений или информации. Современные проекты уже экспериментируют с интерактивными возможностями технологии. Проекции могут реагировать на движение людей, изменения погоды, время суток или другие внешние факторы. Это открывает перспективы для создания по-настоящему живых городских пространств. Будущее 3D-мэппинга видится в интеграции с концепцией «умных городов». Технология может стать инструментом городской коммуникации — от художественных инсталляций до информационных систем. Фасады зданий превратятся в динамичные поверхности, способные адаптироваться к потребностям горожан и событиям городской жизни. Социокультурное значение 3D-мэппинга трудно переоценить — он демократизирует доступ к искусству, превращая общественные пространства в галереи под открытым небом. В эпоху цифровизации это становится мостом между виртуальным и физическим миром, позволяя диджитал-арту выйти за пределы экранов и стать частью реальной городской среды.

Новый углеродный материал, созданный австралийскими инженерами, позволит изготавливать ионисторы следующего поколения. Они смогут накапливать столько же энергии, сколько свинцово-кислотные аккумуляторы, при этом гораздо быстрее отдавать энергию, чем позволяют современные технологии. Это открытие может кардинально изменить электротранспорт, электросети и бытовую электронику. Ионисторы, или суперконденсаторы накапливают заряд электростатически, в отличие от аккумуляторов, работающих на основе химических реакций. Они отличаются долгим сроком службы, большими максимальными токами зарядки и разрядки, высокой надежностью, однако их удельная энергоемкость оставляет желать лучшего.

В качества электродов для ионисторов используются пористые материалы, от площади которых зависит объем накопленной энергии. Команда специалистов из Университета Монаш нашла способ значительно увеличить площадь поверхности, просто изменив способ термической обработки материала, сообщает IE. Секрет изобретения кроется в архитектуре материала на основе оксида графена (multiscale reduced graphene oxide, M-rGO). Он синтезируется из природного графита. Используя быстрый термический отжиг, исследователи создали сильно изогнутые графеновые структуры с точными траекториями для быстрого перемещения ионов. В результате получился суперконденсатор, обладающий как высокой плотностью энергии, так и высокой плотностью энерговыделения — сочетанием, которое редко встречается в одном устройстве. Исследователи также подчеркнули совместимость материала с технологиями промышленного производства.

«Плотность энергии по объему достигает в ионных жидких электролитах 99,5 Вт·ч/л, а плотность энерговыделения — 69,2 кВт/л. Устройства быстро заряжаются и демонстрируют отличную циклическую стабильность», — отметил Петар Йованович, один из исследователей. Эти показатели — одни из самых высоких среди углеродных ионисторов. Разработчики уже приступили к коммерциализации изобретения.

Коллектив ученых ( Department of Electrical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology, Korea).  разработал миниатюрное оптическое устройство, которое позволяет независимо управлять интенсивностью и фазой света приложением напряжения. Оно работает с излучением второй гармоники. Свет второй гармоники — излучение, получившееся при взаимодействии фотонов с нелинейной оптической средой. При генерации такого излучения ученые получают свет удвоенной частоты, а немного первичных фотонов проходят через препятствие без изменений. Вторая гармоника важна в тех областях физики, где свет используют как носитель энергии, — тогда частота становится критически важна. Возможности генерации второй гармоники также связаны с созданием и использованием запутанных фотонов.  Физики создали управляемый электрическим сигналом оптический компонент, способный осуществлять полную независимую модуляцию фазы и интенсивности света второй гармоники.

Обычно такие оптические компоненты пассивны — хранят, рассеивают или потребляют энергию. Новый элемент активен при своем небольшом размере в 4,5 на два микрометра. Контроль работы осуществляется приложением напряжения. Регулируя этот параметр, исследователи смогли точно выбирать как фазу, так и амплитуду излучения. Исследование опубликовано в журнале Science Advances. Экспериментальные данные об устройстве многообещающие: диапазон яркости устройства можно изменять практически от максимально возможного значения до полного нуля при доступности любой фазы от нуля до 360 градусов. Исследователи также смогли настроить нелинейный отклик в диапазоне приблизительно 0-30 нанометров на вольт, а значит, можно регулировать чувствительность устройства. Они могут сделать так, что напряжение вовсе не будет менять фазу излучения или будет влиять на нее значительно.

Научная группа рассказала о созданных с помощью свежей разработки фазовых и амплитудных решетках, обеспечивающих динамическое управление дифракционной картиной выхода света. Легкое переключение от одного типа к другому делает из нового устройства универсальный метод управления светом. Самым важным в разработке стала конструкция поверхности устройства. Ученые создали на ней наноструктуры с квантовыми ямами и металлическими нанополостями, расположенные парами с противоположными фазами. «Впервые нам удалось преодолеть физические ограничения существующих нелинейных оптических устройств, предложить миниатюрную платформу, которая обеспечивает высокоскоростное и высокоточное оптическое управление исключительно с помощью электрических сигналов. Эта технология может стать фундаментальной платформой для активных квантовых оптических систем, таких как источники запутанных фотонов и системы управления квантовой интерференцией», — подытожил профессор Чжонвон Ли (Jongwon Lee), руководивший исследованием.

Команда ученых из США заявила о получении «первого в истории кристалла пространства-времени». Система, структурированная как в пространстве, так и во времени, представляет собой жесткую решетку из топологических солитонов, которые поддерживаются устойчивыми колебаниями ориентаций молекул жидкого кристалла. Кристалл продемонстрировал устойчивость к временным пространственным возмущениям. Открытие может найти применение в оптических устройствах, телекоммуникации и системах защиты от подделок.

В обычном кристалле атомные или молекулярные структуры повторяются в пространстве с периодическими интервалами. Однако в 2012 году американский физик-теоретик Фрэнк Вильчек предположил, что могут существовать также системы с квантовыми состояниями, повторяющимися во времени с идеально периодическими интервалами, даже оставаясь в состоянии с самой низкой энергией. Эти кристаллы времени, впервые обнаруженные экспериментально в 2017 году, озадачивают физиков, поскольку спонтанно нарушают Т-симметрию, которая постулирует, что законы физики одинаковы независимо от времени наблюдения. В отличие от этого, кристалл времени непрерывно колеблется во времени, не потребляя энергию.

Ну, а кристалл пространства-времени еще более странный. Помимо симметрии времени такая система нарушает и пространственную симметрию. Однако до недавнего времени такие кристаллы экспериментально не наблюдались, пишет Physics World. Ученые из Колорадского университета (США) смогли получить кристалл пространства-времени в нематической фазе жидкого кристалла. В этом состоянии вещества стержнеобразные молекулы кристалла выстраиваются параллельно друг другу, а также текут подобно жидкости. Основываясь на компьютерном моделировании, они поместили жидкий кристалл между двумя стеклянными пластинами, покрытыми светочувствительным красителем. Под действием линейно поляризованного света постоянной интенсивности молекулы красителя поворачивались, выстраиваясь перпендикулярно направлению поляризации. Это переориентировало соседние молекулы жидкого кристалла, и эффект распространялся глубже в объем. Однако с глубиной влияние ослабевает, так что молекулы, находящиеся дальше от верхней пластины, оказывались менее выровненными.

По мере прохождении света через эту постепенно закручивающуюся структуру его линейная поляризация преобразуется, становясь к моменту достижения нижней пластины эллиптической. Молекулы красителя выстраиваются в соответствии с этой новой поляризацией, изменяя ориентацию жидкого кристалла вблизи нижней пластины. Эти изменения распространяются обратно вверх, снова влияя на молекулы вблизи верхней пластины. Получается петля обратной связи, в которой верхняя и нижняя пластины непрерывно влияют друг на друга посредством поляризованного света, проходящего через жидкий кристалл. «Эта динамика, обусловленная светом, в ограниченных жидких кристаллах приводит к возникновению частице-подобных топологических солитонов и кристалличности пространства-времени», — сказал Иван Смалюх, один из исследователей.

В этой среде частице-подобные топологические солитоны возникают как устойчивые, локализованные завихрения в ориентации жидкого кристалла, которые не исчезают со временем. Подобно частицам, солитоны движутся и взаимодействуют друг с другом, оставаясь неизменными. После установления петли обратной связи эти солитоны возникают в повторяющемся решетчатом узоре. Такое расположение не только сохраняется при продолжении действия петли обратной связи, но и поддерживается ею. Это явный признак того, что система демонстрирует кристаллический порядок одновременно во времени и в пространстве. «Это первый случай, когда подобное явление наблюдается в системе жидкокристаллического мягкого вещества, — заявил Смалюх. — Наше исследование требует переосмысления различных периодических во времени явлений, чтобы выяснить, соответствуют ли они критериям поведения темпоральных кристаллов».

Сварка трением с перемешиванием (СТП) известна с прошлого века. Эта технология предполагает использование вращающегося стержня с наконечником для нагрева свариваемых деталей трением. При этом расходуется лишь малая доля энергии, необходимой для традиционных методов сварки, но сегодня он редко используется на сборочных линиях из-за технических трудностей. Инновация специалистов из США преодолевает эти трудности и открывает путь к широкому применению этой технологии. Вращающийся стержень с наконечником погружается в стык между двумя металлическими деталями, вращаясь с высокой скоростью. Постепенно он размягчает и перемешивает частицы металла, создавая прочный сварной шов, надежно соединяющий одинаковые и разнородные материалы без заклепок, крепежа или клея. Минус этой технологии в том, что она создает огромное усилие (более двух тонн), и что-то должно это силу выдерживать. Сегодня для этого используют жесткую, идеально профилированную наковальню, на которую кладут свариваемые детали. Для большинства сборочных линий это невыполнимое требование.

«Если вы хотите сварить трением с перемешиванием что-то неплоской формы, вам понадобится наковальня в форме этой детали, — пояснил Пиюш Упадхай, один из инженеров проекта. — Если вы свариваете рейлинг на крыше, вам понадобится наковальня в форме рейлинга. Для реальной сборочной линии это слишком сложно». Он и его коллеги из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) решили избавиться от наковальни. Новый подход — самофиксирующаяся сварка трением с перемешиванием — использует насадку для робота-манипулятора, которая выполняет роль как инструмента для сварки трением, так и миниатюрной опорной пластины. Если прежний подход можно сравнить с рукой, удерживающей карандаш, то новый подход — это рука, удерживающая и карандаш, и планшет.

Команды PNNL работает над еще одной функцией нового сварочного аппарата: гидравлической системой, которая приводит в действие насадку и создает замкнутый контур для создаваемого ею усилия. Она поможет улавливать усилия, возникающие при нажатии и/или наклоне инструмента, пишет Newswise. «Как только этот метод будет доведен до совершенства, не будет никаких приспособлений, никакой наковальни, и никакое усилие не будет передаваться на сборочную линию, — сказал Блохер, участник проекта. — Единственной задачей робота будет удерживать насадку для СТП на месте и поддерживать правильное положение».

Одним из важнейших ресурсов на планете является энергия. Без нее невозможно производство, быт, исследования, медицина и многое другое. Добыча энергии с использованием ископаемых ресурсов была когда-то единственным вариантом, но с приходом осознания конечности таких ресурсов, мы переключили внимание на чистую и возобновляемую энергию. А что может быть лучшим источником такой энергии, чем Солнце? На данный момент существует множество видов систем по сбору и переработке солнечной энергии, которые работают как отдельно стоящие устройства или целые комплексы. В последние годы вызывает большой интерес возможность интеграции таких систем в архитектуру городов, получая от них желаемую энергии, при этом не отнимая лишнее пространство и не вредя эстетике. К сожалению, внедрение солнечных концентраторов в стекло, используемое для окон, страдает от низкой эффективности и снижения эстетического качества ввиду помутнения стекла. Ученые из Китайского общества оптической инженерии (Пекин) разработали новый метод внедрения солнечных концентраторов в стекло, который позволяет избежать вышеперечисленных проблем.

Тепловые и атомные электростанции сталкиваются с проблемами загрязнения окружающей среды и рисками утечки ядерных отходов, в то время как возобновляемые фотоэлектрические, ветро- и гидроэлектростанции должны занимать большие площади и располагаться вблизи соответствующих источников. Централизованное электроснабжение также страдает от высоких потерь при передаче. В связи с этим новые концепции интегрированных в здания фотоэлектрических систем, встраивающих улавливание солнечной энергии в фасады зданий, привлекают большое внимание в контексте создания зданий с «нулевым» энергопотреблением. Стеклянные окна широко применяются в современной архитектуре для обеспечения комфортных условий проживания и работы. Их, как правило, размещают на солнечной стороне зданий для оптимизации естественного освещения и обогрева. Интеграция фотоэлектрических технологий в архитектурное стекло открывает перспективный путь к созданию «зеленых» зданий и устойчивого общества.

Для существующих фотоэлектрических технологий, включая аморфные кремниевые элементы, органические фотоэлектрические элементы, арсенид-галлиевые, сенсибилизированные красителем и перовскитные солнечные элементы, их непрозрачность и хрупкость препятствуют замене архитектурного стекла. Для решения этих проблем были разработаны солнечные концентраторы, которые концентрируют солнечную энергию вбок и затем улавливают ее с помощью фотоэлементов, закрепленных на краях архитектурного стекла. Сообщалось о люминесцентных и рассеивающих типах таких концентраторов.

В первом случае флуоресцентные материалы, такие как органические красители, полимеры, квантовые точки, перовскиты или углеродные квантовые точки, внедряются в стекло, образуя волновод для захвата падающего света. Во втором случае встроенная рассеивающая среда отклоняет часть падающего света внутрь волновода, где он улавливается тонкими фотоэлементами, расположенными по краям стекла.

Несмотря на улучшенную адаптируемость к существующим окнам, такие солнечные концентраторы по-прежнему сталкиваются с несколькими критическими проблемами:

• так как волновод может собирать только тот свет, направление распространения которого превышает критический угол для полного внутреннего отражения (TIR от total internal reflection), всенаправленное флуоресцентное излучение и рассеяние ограничивают эффективность концентрации;
• узкие полосы поглощения и флуоресценции по отношению к солнечному спектру не только снижают эффективность, но и придают стеклу окрашенную прозрачность, что мешает соответствию эстетическим требованиям. В то же время рассеивающий тип имеет врожденную заметную мутность, препятствующую использованию там, где требуется свободный обзор;
• встроенные функциональные слои не могут быть добавлены к существующим окнам, а фотоэлектрические элементы требуются на всех краях архитектурного стекла, что делает стратегию сложной в производстве и неэффективной по стоимости.

Разработка новой технологии, преодолевающей все эти препятствия, является важной задачей. Поляризационная объемная решетка – оптическое устройство, зависящее от круговой поляризации. Она пропускает свет одной круговой поляризации и одновременно однонаправленно диафрагмирует в противоположную в стеклянную подложку, образуя волновод. Кроме того, она удовлетворяет высоким требованиям к прозрачности и цветопередаче в дисплеях дополненной реальности. Такая пленка может быть легко нанесена на архитектурное стекло, превращая его в дифракционный солнечный концентратор.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые описывают солнечный концентратор дифракционного типа и демонстрируют его, нанося на архитектурное стекло слой специально разработанного холестерического жидкого кристалла (cholesteric liquid crystal). CLC представляет собой одномерный хиральный фотонный кристалл, который избирательно отражает падающий свет с одинаковой направленностью в фотонной зоне и позволяет остаточному свету передаваться напрямую. Был сформирован стек из ряда CLC-слоев с различным шагом спирали, чтобы расширить фотонную зону на весь видимый спектр. Более того, предварительно было установлено субмикронное латеральное выравнивание, чтобы гарантировать дифракцию всего видимого света и полное внутреннее отражение в широком диапазоне углов. Дифрагированный свет однонаправленно концентрируется к краю архитектурного стекла, соответствующему наклонному направлению брэгговских плоскостей.

При нормальном падении света средний коэффициент пропускания видимого света (AVT от average visible transmission) достигает 64.2% для видимого света. В этих условиях достигается индекс цветопередачи (CRI от color rendering index) 91.3, который остается выше 85.5 при угле обзора ≥ 60°, что идеально соответствует эстетическим стандартам. Благодаря разделению энергии, зависящему от круговой поляризации, до 38.1% энергии нормально падающего лазера с длиной волны 532 нм выходит через рабочий край архитектурного стекла. Моделирование дополнительно демонстрирует оптические характеристики при углах падения ≥ 40°, подтверждая высокую эффективность концентрации энергии в широком диапазоне углов.

Ученые протестировали фотоэлектрические характеристики прототипа диаметром 1 дюйм, который способен напрямую питать вентилятор мощностью 10 мВт на открытом воздухе. Кроме того, пленку CLC можно легко интегрировать в существующее архитектурное стекло, что значительно сокращает количество необходимых фотоэлектрических элементов, предлагая практичный и экономичный подход к созданию интегрированных фотоэлектрических систем с учетом эстетических и экономических соображений.

Солнце является основным источником энергии для Земли, поддерживающим существование и развитие человечества. Электромагнитная волна является основным носителем солнечной энергии, распространяясь со скоростью света. Поперечно-волновая природа света индуцирует поляризационно-зависимое взаимодействие с пространственно-периодическими структурами. Солнечный свет изначально не поляризован и может быть эквивалентно разложен на левую и правую круговую поляризацию. CLC представляет собой одномерный хиральный фотонный кристалл. Он селективно отражает падающий круговой поляризованный свет той же полярности в пределах фотонной зоны и напрямую пропускает остаточный свет. Фотонная зона выражается модифицированным уравнением Брэгга:

Из уравнения следует, что фотонная зона может быть эффективно расширена до всего видимого диапазона путем укладки ряда слоев CLC с разным P. Чтобы обеспечить покрытие без зазоров в диапазоне 400–750 нм, были численно оптимизированы шаги спирали пятислойной структуры CLC для достижения перекрытия полос отражения. После нанесения такой пленки CLC на архитектурное стекло образуется солнечный концентратор, который можно легко использовать при построении интегрированных фотоэлектрических систем (1a). В этой конструкции при освещении AM 1.5G выбранная круговая поляризация, расположенная в фотонном диапазоне, отражается и переносится к краю стекла посредством полного внутреннего отражения (TIR) (1b). Свет, выходящий с края, улавливается кремниевыми фотоэлектрическими элементами (Si-PV), установленными на торце.

Для того чтобы CUSC (от colorless and unidirectional solar concentrator, т. е. бесцветный и однонаправленный солнечный концентратор) улавливал как можно больше солнечной энергии, была разработана и изготовлена многослойная CLC-пленка с наклонными плоскостями Брэгга. Для создания субмикронного периодического выравнивания вдоль оси x (2a) использовалась голография с круговой поляризацией (CP от circular polarization). После последовательного нанесения на CLC различных концентраций хирального легирующего вещества и отдельной УФ-полимеризации была получена многослойная CLC-пленка с объективом P. Благодаря направлению периодического выравнивания с субмикронным периодом (Λ) (0–π) формируются наклонные брэгговские плоскости с углом наклона α = sin⁻¹(P/2Λ), возникающие в результате наклона спиральных осей CLC (2a).

Согласно уравнению решетки и уравнению Брэгга, Λ = 460 нм является оптимизированным значением для достижения широкоугольного TIR во всем видимом спектре. Λ определяется по формуле Λ = λ_e/(2 sinβ), где λ_e — длина волны для CP голографии, а 2β — угол между двумя падающими пучками с противоположной круговой поляризацией. Здесь λ_e = 405 нм, 2β = 52.3°. При таких параметрах формируется крупноразмерная равномерная решетка с Λ = 460 нм (2b).

Снимок поперечного сечения многослойной пленки CLC, полученный с помощью СЭМ, показывает наклонную слоистую структуру (2c), что согласуется с трехмерной иллюстрацией на 2a. Толщина пленки составляет 7.5 мкм. Пленку CLC нанесли на коммерческое архитектурное стекло (10 × 10 см, 2d) и нанесли решетки на пять круглых областей диаметром 2.5 см. Из-за дифракции света эти области обладают более низким коэффициентом пропускания по сравнению с областями, не покрытыми решеткой. В частности, благодаря своим широкополосным дифракционным характеристикам они бесцветны и не имеют мутности, что позволяет отчетливо видеть объекты за ними.

Поскольку человеческие глаза наиболее чувствительны к зеленому свету, для характеризации зависящего от круговой поляризации (CP) распределения энергии в CUSC использовался монохроматический свет с длиной волны 532 нм. До 38.1% энергии распространяется внутри архитектурного стекла и в конечном итоге извлекается через одну рабочую грань. Чтобы охарактеризовать поляризационную зависимость устройства, ученые вращали быструю ось четвертьволновой пластины, чтобы изменить падающую поляризацию и соответственно записать интенсивности прошедшего света и света, вышедшего из края стекла. Как показано на 2e, наблюдается ортогональное разделение по круговой поляризации между дифрагированным и прошедшим светом с максимумами, возникающими при 55°/145° и 235°/325° соответственно. Отклонения по сравнению с идеальным нормальным отражением (45°/135° и 225°/315°) объясняются наличием наклонных плоскостей Брэгга.

Далее были охарактеризованы коэффициенты пропускания, зависящие от угла падения (θ), в диапазоне 400–800 нм при −60° ≤ θ ≤ 60° (для волнового вектора в направлении x/-x) (2f). Коэффициент светопропускания (AVT) для нормально падающего белого света достигает 64.2%, тогда как при изменении θ от −60° до 60° значение постепенно уменьшается с 90.7% до 60.5%. Цветовые сдвиги при различных значениях θ обусловлены изменениями фотонных полос, зависящими от угла падения. На 2g показаны координаты цветового пространства CIELAB (a*, b*), соответствующие различным углам падения при фиксированной яркости L* = 90°. Видно, что для большинства углов падения координаты находятся в разумном диапазоне цветового оттенка (−15 < a* < 15 и −15 < b* < 15) для архитектурного стекла. Эффективность может быть улучшена путем наложения большего количества различных P-слоев для дальнейшего расширения фотонной зоны. Таким образом, предлагаемый дифракционный солнечный концентратор подходит для создания архитектурного стекла с высокой прозрачностью и широким углом обзора без окрашивания.

При нормальном освещении направленным белым светом CUSC асимметрично диафрагмирует свет к краю архитектурного стекла со стороны −x. Кроме того, свет пространственно рассеивается из-за дифракции, вызванной короткопериодными решетками. Свойство однонаправленного волновода наглядно подтверждается изображением сверху, представленным в левом нижнем углу 3a. Более того, логотип Нанкинского университета отчетливо виден благодаря высокому коэффициенту пропускания бесцветного CUSC.

Для моделирования CUSC использовалась модель упругого континуума Франка-Озеена. Серия параллельных наклонных плоскостей Брэгга рассчитывается на основе конфигурации многослойной пленки CLC. Как показано, что угол наклона α изменяется от 21° на стороне, прилегающей к стеклу, до 30° на противоположной стороне. Распространение дифрагированного света подчиняется следующему уравнению дифракции:

Многослойный CLC демонстрирует широкополосное CP-селективное брэгговское отражение; отражается только свет RCP в пределах фотонной зоны, а свет, удовлетворяющий условию TIR, однонаправленно распространяется в стеклянном волноводе (3b). Примечательно, что разные длины волн диффамируются отдельными слоями CLC с разными P. В то время как плоскости Брэгга определяют угол дифракции, ограничение света в конечном итоге определяется условием полного внутреннего отражения, которое является ключевым для распространения в волноводе.

Далее было проведено моделирование дифракции CUSC, зависящей от θ. Как показано на 3c, в диапазоне −60° ≤ θ < θ_t, где θ_t = sin⁻¹(n_g − λ/Λ) и n_g = 1.52, пленка CLC действует как волновая пластинка, а не как решетка. Таким образом, падающий свет зеркально отражается согласно закону n_gsinφ = sinθ. В результате состояние поляризации меняется с изменением толщины пленки. При θ_t ≤ θ ≤ 60° пленка CLC действует как объемная решетка поляризации с наклонными плоскостями Брэгга. Результаты показывают, что CP-селективное отражение удовлетворяет уравнению выше. Условие полного внутреннего отражения выполняется только при |φ| > φ_c = sin⁻¹(1/n_g). То есть, только случаи, расположенные в красной области на 3c, транспортируются по волноводу и затем захватываются на краю стекла. Подробные характеристики однонаправленного волновода смоделированы и представлены на 3d. Центральные длины волн смещаются в красную область при изменении угла θ от −60° до 60°, а широкополосная дифракция проявляется при −20° ≤ θ ≤ 20°. Результаты моделирования согласуются с результатами, представленными на 3c.

Si-PV-элемент (0.5 × 4 см) установлен на краю выхода света, образуя устройство CUSC-PV (4 × 4 × 0.5 см с активной областью диаметром 1 дюйм), которое можно рассматривать как простой прототип окна CUSC-PV. Избыточная площадь элемента закрыта черной лентой, чтобы предотвратить прямое попадание солнечного света на фотоэлемент. Устройство приводило в действие вентилятор мощностью 10 мВт под воздействием солнечного света в 13:00 1 июля. После того как солнечный свет был экранирован, вентилятор немедленно остановился. Учитывая, что активная область представляет собой всего лишь круглую решетку CLC размером 1 дюйм, это наглядно демонстрирует высокую эффективность преобразования энергии CUSC-PV-элемента. Ученые систематически характеризовали производительность устройства CUSC-PV под AM-освещением 1.5G. Оптическая эффективность (η) и эффективность преобразования мощности (PCE от power conversion efficiency) рассчитываются отдельно в соответствии со следующими уравнениями:

Представлены J = 7/0 ± 0/2 мА/см², V_OC = 0.65 ± 0.01 В и FF = 80 ± 1%. Соответственно, η = 18.1 ± 0.1% и PCE = 3.7 ± 0.1%. Измеренная позиционно-усредненная внешняя квантовая эффективность (EQE от external quantum efficiency) согласуется с фотонной зоной CUSC-PV (4c), а интегральная плотность тока короткого замыкания (J_SC^int) хорошо совпадает с J_SC, извлеченным из характеристик J-V.

Ученые протестировали изменяющийся во времени PCE элемента CUSC-PV и соответствующую освещенность на открытом воздухе в Нанкине, Китай, с 8:00 до 17:00 1 июля 2024 года. PCE изменялся с 3.1% до 3.7% (максимум) и до 2.7% при освещенности солнечным светом, варьирующейся от 82 до 129 кЛк и до 69 кЛк (4d), сохраняя высокое значение в течение всего дня. Также была проверена долгосрочная стабильность. В общей сложности 95.4% пикового значения PCE сохранялось даже после 1500 часов освещения белым светодиодом в условиях окружающей среды (25 °C, влажность 60%). В практических условиях солнечный свет сначала проходит через архитектурное стекло, которое эффективно блокирует вредное УФ-излучение, защищая пленку CLC от старения и пожелтения. CLC может быть покрыт полимерной пленкой и прикреплен к внутренней стороне архитектурного стекла вместо этого для механической защиты, что обеспечивает длительный срок службы.

Представлена диаграмма сравнения характеристик SSC, LSC и CUSC. Очевидно, что CUSC превосходит два других по всем показателям. Благодаря уникальному бесцветному и однонаправленному волноводу CUSC, демонстрируются превосходные CRI (91.3) и прозрачность, а также более высокий AVT (64.2%) и соотношение концентрации. Многослойные CLC могут быть легко наноситься на стекло, и для установки фотоэлектрического элемента требуется модифицировать только выходной край света (сокращение площади PV-ячейки на 75%). Эти преимущества обеспечивают бесшовную интеграцию с существующими архитектурными окнами со значительной экономической эффективностью.

В рассмотренном нами сегодня труде ученые представили инновационное решение в области солнечной энергетики — прозрачное покрытие на основе холестерических жидких кристаллов (CLC от cholesteric liquid crystal), которое превращает обычные окна в эффективные генераторы чистой энергии без ущерба для их внешнего вида. Разработанный дифракционный солнечный концентратор (CUSC от colorless and unidirectional solar concentrator) направляет поляризованный солнечный свет к краям окна, где установлены фотоэлектрические ячейки, что позволяет значительно повысить эффективность использования солнечной энергии. Практические испытания показали, что даже небольшой прототип устройства (1 дюйм в диаметре) способен напрямую питать вентилятор мощностью 10 мВт при солнечном освещении. А результаты моделирования указывают на то, что окно шириной 2 метра может концентрировать солнечный свет в 50 раз, что позволяет сократить площадь фотоэлектрических ячеек на 75%. Данная разработка открывает новые возможности для интеграции солнечных технологий в городской ландшафт без ущерба для внешнего вида зданий и окружающей среды.