Как бороться смалярийными комарами?
- Капиллярный «хоботок» для дозаправки из магниевого сплава. Внутренний просвет хоботка обработан плазмой для особого рельефа поверхности с высокой смачиваемостью и покрыт узким слоем золота для предотвращения коррозии.
- Крыло «истребителя москитов» (справа) представляет собой сверхтонкую (толщиной всего 200 нм) пленку из майлара, армированную углеродными нанотрубками и «натянутую» на каркас из углеродных аккумуляторная посредством способов нанотехнологической самосборки.
Независимая дозаправка Период полураспада серы-35 образовывает приблизительно 87 дней, так что каждые 7−10 дней нужна дозаправка батареи.
- Летательный аппарат делает это самостоятельно: подлетает к емкости с коллоидным раствором серы, опускает в том направлении хоботок и посредством капиллярных сил засасывает горючее вовнутрь батареи.
Вражеская территория В 2013 году ВОЗ зарегистрировала случаи заражения малярией в 97 государствах. Чёрным цветом продемонстрированы страны, где существует громаднейший риск заражения данной заболеванием.
- Принципиальная схема радиоизотопной батареи «истребителя москитов» Практически это полупроводниковая солнечная панель из карбида кремния с p-n-переходом, лишь «освещается» она не светом, а бета-излучением изотопа серы-35. Попадая в p-слой, электроны приводят к миграции дырок в обедненный слой p-n-перехода, где происходит рекомбинация, из-за которой на p-n-переходе появляется электрическое напряжение.
Услышав «З-з-з-в один раз-з!», я практически рефлекторно поднимаю руки, дабы отогнать либо прихлопнуть назойливого комара. И сразу же с дрожью опускаю их: я чуть не сломал одно из устройств, разработка которого обошлась в многие миллионы долларов. Это устройство должно оказать помощь совсем побороть одного из самых массовых мировых убийц — малярию.
Правильнее, малярийного комара Anopheles.
Досье убийцы
Малярия, не обращая внимания на давешнюю историю сосуществования с человеком, и по сей день остается одним из самых распространенных болезней. Согласно данным ВОЗ, в 2012 году малярией заразились более 200 млн (!) человек, и она стала обстоятельством практически 700 000 смертей, причем 70% погибших — это дети до пяти лет. В соответствии с ежегодному докладу ВОЗ о малярии (World Malaria Report 2013), в малярийной группе риска находится практически добрая половина населения планеты — 3,4 млрд человек, из них в группе большого риска — 1,2 млрд.
Неудивительно, что борьба с малярией ведется на всех фронтах: это и репелленты, и препараты для противодействия возбудителям заболевания — внутриклеточными паразитами рода Plasmodium, и попытки (пока не через чур успешные) создать противомалярийную вакцину. Признавая собственный бессилие, ВОЗ кроме того выборочно разрешила применение в далеком прошлом запрещенного инсектицида — безрадосно известного ДДТ — для обработки помещений в местах, эндемичных для малярийных комаров.
Индивидуальные счеты
У Жерара Нуиле, начальника Университета совокупностей независимого управления (ZKTH) в швейцарском Университете Майнцига (MH), имеется индивидуальные обстоятельства бороться с малярией. В то время, когда он был ребенком, его папа, трудившийся в одной из миссий ООН в Габоне, заразился малярией и еле выжил . Исходя из этого Жерар с детства грезил стать доктором, не смотря на то, что жизнь сложилась по-второму: он стал экспертом по микроэлектромеханическим совокупностям (MEMS).
В 1990-х его пригласили на работу в швейцарский Майнциг, где трудились над созданием сверхмалых независимых летательных аппаратов. Как вспоминает Жерар, слово «сверхмалый» в то время означало мало второе — размах крыла в 5−10 см. Само собой разумеется, никакая борьба с малярией в перечень задач MH ZKTH, что со временем стал одним из мировых фаворитов в области микро-БПЛА, не входила. Но в 2004 году, в то время, когда разработка MEMS-устройств уже сделала вероятной разработку летательных аппаратов миллиметровых размеров, один из инженеров дал прототипу имя Anopheles. «Наименование как будто бы бы подняло из глубин памяти мою детскую мечту, — говорит Жерар. — И вот тогда я поразмыслил: до тех пор пока доктора борются с ее последствиями и возбудителями болезни, из-за чего бы нам не побороться с ее распространителями — самими малярийными комарами?»
Гонка оружий
Удачи медицины по предотвращению и лечению малярии до тех пор пока достаточно скромны (по крайней мере для большинства африканских государств). Главный способ борьбы — уничтожение малярийных комаров посредством инсектицидов, и меры личной защиты, такие как противомоскитные сетки и репелленты. Не обращая внимания на все усилия, победить комаров в массовом масштабе не удается, а локальные меры, по собственной природе пассивные, не дают 100%-ной гарантии.
Пара лет назад стартовали проекты создания трансгенных бесплодных либо устойчивых к малярии комаров, каковые имели возможность бы вытеснить простых в природе.
Имеется и более экзотические проекты. Известная венчурная компания Intellectual Ventures, основанная в 2000 году Натаном Мирволдом, бывшим директором по разработкам компании Микрософт, в 2009 году объявила совокупность Photonic Fence, необычный гибрид «домашней ПВО» и совокупности СОИ, которая в радиусе 30 м обнаруживала и посредством УФ-лазера поражала комаров, пережигая им крылья. Но специалисты подвергли критике эту совокупность, потому, что она через чур дорогая и к тому же потребляет большое количество энергии.
Последний фактор образовывает громадную проблему для тех государств, где свирепствует малярия: в большинстве случаев, электропитание в том месте, мягко говоря, нестабильно, а в некоторых местах и вовсе отсутствует.
Истребитель москитов
«Подобно тому, как американские армейские отказались от СОИ в пользу более ветхих хороших ракет, мы пошли более классическим методом. Существует узнаваемая поговорка «В случае если желаешь поймать вора — найми другого вора», и мы решили создать микроскопический беспилотник, что мимикрировал бы под малярийного комара», — говорит Жерар Нуиле, демонстрируя сидящего на своем пальце «комара». Через лупу, само собой разумеется, возможно подметить небольшие отличия, но в полете они не видны.
Команде разработчиков MH ZKTH удалось, казалось бы, неосуществимое — они смогли выстроить микроскопический независимый БПЛА, талантливый самостоятельно охранять территорию в много квадратных метров, причем как в одиночку, так и группами. В последнем случае ПО разрешает распределять территорию так, дабы БПЛА не мешали друг другу, и никакой суперкомпьютер для этого не нужен — достаточно простого смартфона (для передачи команд употребляется протокол Bluetooth 4.0 LE с низким энергопотреблением).
«Истребители москитов», названные Mosquito Killer (MK-12, потому, что это 12-е поколение модели), имеют собственный личный интеллект, не смотря на то, что и очень «комариный». Они оснащены чувствительными узкополосными стереомикрофонами, каковые засекают писк комаров на расстоянии до десяти метров, по его спектру определяют принадлежность комара к роду Anopheles и его пол (человека кусают лишь самки). Затем они, подобно истребителям, наводятся на цель, настигают ее (скорость полета MK-12 превышает скорость комара как минимум в три раза — 3 м/с против 1 м/с). А позже
«Саблю вынимает»
Как возможно стереть с лица земли комара? По словам Жерара Нуиле, разработчики разглядывали самое различное оружие: лазер, водяная либо пневматическая пушка. Но все эти способы были отвергнуты.
Самым энергоэффективным был признан «захват»: MK-12 оснащен небольшой складной насадкой на «лапе», которую он выдвигает, подлетая прикасаясь к малярийному комару, по окончании чего заходит позади и просто отрубает сопернику крыло. Насадка эта приводится в перемещение отдельным приводом из электроактивного полимера и напоминает саблю. Тут я цитирую Корнея Чуковского: «саблю вынимает, и ему на всем скаку голову срубает!» «Да, да, весьма совершенно верно!» — смеется Жерар. — Лишь не голову, а крыло!
По голове попасть сложнее, да и экзоскелет комара достаточно прочный. А крылья легко повредить".
Анатомия истребителя
Крылья MK-12 являются настоящим произведение инженерного мастерства. Это узкая пленка из майлара толщиной всего 200 нм, армированная каркасом из углеродных нанотрубок. Крылья приводятся в перемещение посредством «полимерных мышц» — полос электроактивного полимера, уменьшающегося при подаче на него электрического напряжения.
Но основная неприятность микроБПЛА — это не крылья, а совокупность энергообеспечения. Для поддержания полета требуется порядка 0,13 Вт/г (скажем, 230-граммовый игрушечный вертолет потребляет около 30 Вт), а системы управления и масса планёра MK-12 — всего 2 мг (настоящий комар весит столько же). В случае если добавить к этому источник питания такой же массы (2 мг), его мощность должна быть равна приблизительно 0,55 мВт.
На начальной стадии создания прототипов разработчики применяли литиевые аккумуляторная батареи. Они имеют энергоемкость 1000 Дж/г, и 2-мг батарея снабжала «истребитель» энергией в течение часа. Но наряду с этим главной проблемой стало время зарядки — приблизительно час (при меньшем времени зарядки очень сильно уменьшается ресурс, что и без того мал, порядка месяца), да и количество циклов зарядки было ограничено, что фактически означало, что «истребитель» будет охранять только треть всего времени.
К тому же такая плотность энергии — удел батарей обычного размера, а сверхминиатюрные источники питания имеют намного более скромные показатели. Коллектив MH ZKTH не стал браться за разработку собственных батарей, поскольку над этим и без того трудятся десятки команд в мире — и до тех пор пока с более чем скромным результатом. Решено было пойти полностью вторым методом: применять ядерную энергию!
А вместо сердца
Само собой разумеется, ядерный реактор еле умещается кроме того на транспортном самолете. А вот ядерные батареи, применяющие энергию естественного распада радиоактивных изотопов, смогут быть сколь угодно мелки. Такое устройство практически представляет собой солнечную батарею с нанесенным на нее слоем бета-активного изотопа, что «освещает» ее стремительными электронами.
И не смотря на то, что удельная мощность батарей все еще намного меньше, чем у литиевых аккумуляторная батарей, их емкость возможно намного больше.
«Первой проблемой отечественной группы стало увеличение удельной мощности батарей, — говорит основной конструктор силовой установки MK-12 Игер Горф, что многие годы разрабатывал радиоизотопные батареи космических аппаратов. — В большинстве случаев используют изотопы с периодом полураспада, составляющим годы. А вдруг забрать изотоп, живущий месяцы либо кроме того дни, мощность пропорционально увеличится.
Вторая неприятность пребывала в том, что все батареи до сих пор были одноразовыми: по окончании распада достаточного количества материала батарея отправлялась на переработку либо захоронение. Это приемлемо, в то время, когда срок ее жизни измеряется годами, но что делать, в случае если ресурс батареи расходуется за чемь дней? Исходя из этого необходимо было придумать совокупность дозаправки.
Но еще до этого — совокупность удаления продуктов распада».
Решения, предложенные разработчиками MH ZKTH, как все очень способное, были предельно несложными. Как удалять продукты распада? А пускай они удаляются сами!
Необходимо только подобрать изотоп, у которого продукт распада — газ, и тогда он сам будет уходить из батареи. А для задачи заправки также нашлось простое ответ: полупроводниковый преобразователь нужно сделать не в виде плоских пластин, а в виде узких каналов, каковые будут впитывать в себя водный раствор «горючего». Вода будет испаряться, а изотоп — оседать на стенках. Осталось лишь отыскать подходящий изотоп: довольно надёжный, распадающийся на газ и с подходящим периодом полураспада.
Сначала был выбран цезий-131, но скоро стало известно, что при его распаде электроны приобретают через чур высокую энергию и проходят миниатюрную батарею полностью, в следствии чего КПД был низким. Исходя из этого был выбран изотоп серы-35.
Горючее
Сера-35 — это мягкий бета-излучатель, не дающий побочного гамма-излучения, со средней энергией электронов 53 кэВ (большая энергия — 167 кэВ). При распаде этого изотопа излучение не может пройти через верхний мертвый слой кожи, так что это безопасно для человека. Продукт распада серы-35 — хлор (это растолковывает «запах поликлиники», что практически неуловимо витает в лаборатории и к тому же дезинфицирует помещение, что важно в тропических государствах).
Период полураспада образовывает 87 дней — достаточно мало для высокой мощности (13,4 Вт/г), но достаточно большое количество, дабы не требовалось довольно часто заряжать батарею. К тому же таковой период полураспада свидетельствует стремительное самоочищение территории , если случится заражение. Данный изотоп содержит 146 МДж энергии в одном грамме, что в три с лишним тысячи раза больше, чем у бензина, а про электрические аккумуляторная батареи и сказать не приходится.
Но, необходимо было преодолеть еще несколько трудностей: низкий КПД и радиационную деградацию преобразователя. Решить эти неприятности удалось, применив вместо простых арсенида и кремния галия карбид кремния. Ширина его запрещенной территории в три раза больше, что разрешило в три раза поднять КПД (с 5 до 15%).
Помимо этого, данный материал имеет куда более прочные химические связи и потому практически не портится при действии радиации.
Ядерная батарея
Ядерная батарея представляет собой сотовую структуру из карбида кремния с каналами шириной 30 мкм и стенками толщиной 20 мкм. Изначально соты делаются из полупроводника с электронной проводимостью, после этого его поверхность насыщается акцепторной примесью, и ее проводимость изменяется на дырочную. Так, на глубине нескольких микрон формируется p-n-переход, нужный для преобразования излучения в электричество.
Внешняя поверхность сот — плюсовой выход батареи, в одном месте поверхность сошлифовывается до n-слоя, это «минус». Поверхность батареи покрывается узким, меньше микрона, слоем золота, дабы исключить химические реакции между полупроводником, водой, воздухом и серой.
Узкие каналы батареи впитывают в себя коллоидный раствор серы-35, по окончании чего вода испаряется и сера выпадает узким ровным слоем на стены. После этого процесс повторяется пара раз. В всецело заряженной батарее на радиоактивный изотоп приходится 15% массы — рекордный показатель.
В следствии получается преобразователь массой 1,7 мг, содержащий 0,3 мг серы-35, которая создаёт 4 мВт энергии в виде бета-излучения, из них 0,6 мВт преобразуется в электричество, чего в полной мере хватает для полета.
Увы, из-за распада серы мощность батареи достаточно скоро падает: уже через десять дней она составит только 0,55 мВт — минимум, нужный «истребителю». Но простота заправки батареи свежим изотопом разрешает делать это раз в неделю, тем более что для маленькой дозаправки достаточно одного захода: аппарат подлетает к емкости с раствором серы, опускает в том направлении хоботок (прямо как настоящий комар!), капиллярные силы засасывают горючее вовнутрь батареи, по окончании чего аппарат ожидает испарения воды и улетает на боевое патрулирование.
12-е поколение
За пять лет разработчики MH ZKTH создали пара сотен прототипов, доведя конструкцию фактически до совершенства. Нынешнее, 12-е поколение «истребителей» полностью безопасно во всех отношениях (в том числе и в радиационном) и, в соответствии с совершённым опробованиям, снабжает весьма высокую эффективность уничтожения комаров (99,97%).
При массовом производстве (разработка его уже создана) MK-12 обойдется менее чем в $100, причем разработчики гарантируют срок работы «истребителей» как минимум в три года. Сера-35 стоит недорого, так что неспециализированные затраты на эксплуатацию будут малы. Похоже, что детская мечта Жерара победить летающих убийц близка к осуществлению: на охраняемой территории комар не пройдет.
Правильнее, не пролетит.
Примечание редакции: эта статья размещена в апрельском номере издания и есть первоапрельским розыгрышем.
Статья «Комар не пролетит» размещена в издании «Популярная механика» (№138, апрель 2014).
<
h4>