Супер зброю проти комарів

1. Досьє вбивці
2. особисті рахунки
3. Гонка озброєнь
4. винищувач москітів
5. «Шаблю виймає ...»
6. анатомія винищувача
7. А замість серця ...
8. паливо
9. ядерна батарея
10. 12-е покоління

Незважаючи на всі зусилля ВООЗ (Всесвітньої організації охорони здоров'я), малярія і раніше залишається одним з найбільш смертельних захворювань. Група швейцарських розробників приготувала малярійних комарів неприємний сюрприз.

Почувши «З-з-з-з-з!», Я майже рефлекторно піднімаю руки, щоб відігнати або зачинити настирливого комара. І відразу ж з тремтінням опускаю їх: я мало не зламав один з пристроїв, розробка якого обійшлася в один мільйон доларів. Цей пристрій повинен допомогти остаточно побороти одного з наймасовіших світових вбивць - малярію. Точніше, малярійного комара Anopheles.

Досьє вбивці

Малярія, незважаючи на давню історію співіснування з людиною, і зараз залишається одним з найпоширеніших захворювань. За даними ВООЗ, у 2012 році малярією заразилися більше 200 млн (!) Людина, і вона стала причиною майже 700 000 смертей, причому 70% померлих - це діти до п'яти років. Згідно зі щорічною доповіддю ВООЗ про малярії (World Malaria Report 2013), в малярійній групі ризику знаходиться майже половина населення планети - 3,4 млрд осіб, з них в групі високого ризику - 1,2 млрд. Не дивно, що боротьба з малярією ведеться на всіх фронтах: це і репеленти, і препарати для боротьби зі збудниками хвороби - внутрішньоклітинними паразитами роду Plasmodium, і спроби (поки не дуже успішні) розробити протималярійну вакцину. Визнаючи своє безсилля, ВООЗ навіть вибірково дозволила використання давно забороненого інсектициду - сумно знаменитого ДДТ - для обробки приміщень в місцях, ендемічних для малярійних комарів.

Капілярний «хоботок» для дозаправки з магнієвого сплаву. Внутрішній просвіт хоботка оброблений плазмою для створення спеціального рельєфу поверхні з високою смачиваемостью і покритий тонким шаром золота для запобігання корозії.

особисті рахунки

У Жерара Нуіле, керівника Інституту систем автономного управління (ZKTH) в швейцарському Університеті Майнціга (MH), є особисті причини боротися з малярією. Коли він був дитиною, його батько, який працював в одній з місій ООН в Габоні, заразився малярією і насилу вижив. Тому Жерар з дитинства мріяв стати лікарем, хоча життя склалося по-іншому: він став фахівцем по мікроелектромеханічних систем (MEMS). У 1990-х його запросили на роботу в швейцарський Майнціг, де працювали над створенням надмалих автономних літальних апаратів. Як згадує Жерар, слово «надмалих» в той час означало трохи інше - розмах крила в 5-10 см. Звичайно, ніяка боротьба з малярією в список завдань MH ZKTH, який згодом став одним зі світових лідерів в області мікро-БПЛА, які не входила. Однак в 2004 році, коли технологія MEMS-пристроїв вже зробила можливою розробку літальних апаратів міліметрових розмірів, один з інженерів дав прототипу ім'я Anopheles. «Назва немов би підняло з глибин пам'яті мою дитячу мрію, - говорить Жерар. - І ось тоді я подумав: поки лікарі борються зі збудниками хвороби і її наслідками, чому б нам не поборотися з її розповсюджувачами - самими малярійними комарами? »

Крило «винищувача москітів» являє собою надтонку (товщиною всього 200 нм) плівку з майлара, армовану вуглецевими нанотрубками і «натягнуту» на каркас з вуглецевих нанотрубок за допомогою методів нанотехнологічної самозборки.

Гонка озброєнь

Успіхи медицини з лікування та запобігання малярії поки досить скромні (у всякому разі для більшості африканських країн). Основний метод боротьби - знищення малярійних комарів за допомогою інсектицидів, а також заходи індивідуального захисту, такі як репеленти і протимоскітні сітки. Незважаючи на всі зусилля, перемогти комарів в масовому масштабі не вдається, а локальні заходи, за своєю природою пасивні, не дають 100% -ної гарантії. Кілька років тому стартували проекти створення трансгенних безплідних або стійких до малярії комарів, які могли б витіснити звичайних в дикій природі.

Є і більш екзотичні проекти. Знаменита венчурна компанія Intellectual Ventures, заснована 2000 року Натаном Мірволдом, колишнім директором з технологій компанії Microsoft, в 2009 році анонсувала систему Photonic Fence, своєрідний гібрид «домашньої ППО» і системи СОІ, яка в радіусі 30 м виявляла і за допомогою УФ-лазера вражала комарів, перепалюючи їм крила. Однак експерти розкритикували цю систему, оскільки вона надто дорога і до того ж споживає багато енергії. Останній фактор становить велику проблему для тих країн, де лютує малярія: як правило, електроживлення там, м'яко кажучи, нестабільно, а в деяких місцях і зовсім відсутня.

У 2013 році ВООЗ зареєструвала випадки зараження малярією в 97 країнах. Темним кольором показані країни, де існує найбільший ризик зараження цією хворобою.

винищувач москітів

«Подібно до того, як американські військові відмовилися від СОІ на користь більш старих добрих ракет, ми пішли більш традиційним шляхом. Існує відома приказка «Якщо хочеш зловити злодія - найми іншого злодія», і ми вирішили створити мікроскопічний безпілотник, який мімікрувати б під малярійного комара », - каже Жерар Нуіле, демонструючи сидить на своєму пальці« комара ». Крізь лупу, звичайно, можна помітити дрібні відмінності, але в польоті вони не видно. Команді розробників MH ZKTH вдалося, здавалося б, неможливе - вони змогли побудувати мікроскопічний автономний БПЛА, здатний самостійно патрулювати територію в сотні квадратних метрів, причому як поодинці, так і групами. В останньому випадку програмне забезпечення дозволяє розподіляти територію так, щоб БПЛА не заважали один одному, і ніякої суперкомп'ютер для цього не потрібен - достатньо звичайного смартфона (для передачі команд використовується протокол Bluetooth 4.0 LE з низьким енергоспоживанням).

«Винищувачі москітів», названі Mosquito Killer (MK-12, оскільки це 12-е покоління моделі), мають свій власний інтелект, хоча і вельми «комариний». Вони оснащені чутливими вузькосмуговими стереомікрофоном, які засікає писк комарів на відстані до 10 м, за його спектру визначають приналежність комара до роду Anopheles і його підлогу (людини кусають тільки самки). Після цього вони, подібно винищувачам, наводяться на ціль, наздоганяють її (швидкість польоту MK-12 перевищує швидкість комара як мінімум втричі - 3 м / с проти 1 м / с). А потім…

«Шаблю виймає ...»

Як можна знищити комара? За словами Жерара Нуіле, розробники розглядали саме різне озброєння: лазер, водяна або пневматична гармата. Але всі ці методи були відкинуті. Самим енергоефективним був визнаний «абордаж»: MK-12 оснащений невеликий складаний насадкою на «лапі», яку він висуває, підлітаючи впритул до малярийному комару, після чого заходить ззаду і просто відрубує противнику крило. Насадка ця приводиться в рух окремим приводом з електроактивного полімеру і нагадує шаблю. Тут я цитую Корнія Чуковського: «... шаблю виймає, і йому на всьому скаку голову зрубає!» «Так, так, дуже точно!» - сміється Жерар. - Тільки не голову, а крило! За голові потрапити складніше, та й екзоскелет комара досить міцний. А крила легко пошкодити ".

Період напіврозпаду сірки-35 становить приблизно 87 днів, так що кожні 7-10 днів необхідна дозаправка батареї. Літальний апарат робить це самостійно: підлітає до ємності з колоїдним розчином сірки, опускає туди хоботок і за допомогою капілярних сил засмоктує паливо всередину батареї.

анатомія винищувача

Крила MK-12 являють собою справжній витвір інженерного мистецтва. Це найтонша плівка з майлара товщиною всього 200 нм, армована каркасом з вуглецевих нанотрубок. Крила приводяться в рух за допомогою «полімерних м'язів» - смужок електроактивного полімеру, що скорочується при подачі на нього електричної напруги.

Однак головна проблема мікроБПЛА - це не крила, а система енергозабезпечення. Для підтримки польоту потрібно близько 0,13 Вт / г (скажімо, 230-грамовий іграшковий вертоліт споживає близько 30 Вт), а маса планера і системи управління MK-12 - всього 2 мг (справжній комар важить стільки ж). Якщо додати до цього джерело живлення такої ж маси (2 мг), його потужність повинна становити приблизно 0,55 мВт. На першому етапі створення прототипів розробники використовували літієві акумулятори. Вони мають енергоємність 1000 Дж / г, і 2-мг батарея забезпечувала «винищувач» енергією протягом години. Але при цьому основною проблемою стало час зарядки - приблизно годину (при меншому часі зарядки сильно скорочується ресурс, який і так невеликий, порядку місяця), та й кількість циклів зарядки було обмежено, що практично означало, що «винищувач» патрулюватиме лише третина всього часу. До того ж така щільність енергії - доля батарей нормального розміру, а надмініатюрні джерела живлення мають значно скромніші показники. Колектив MH ZKTH не став братися за розробку своїх батарей, адже над цим і так працюють десятки команд по всьому світу - і поки з більш ніж скромним результатом. Вирішено було піти абсолютно іншим шляхом: використовувати ядерну енергію!

Принципова схема радіоізотопної батареї «винищувача москітів». Фактично це напівпровідникова сонячна панель з карбіду кремнію з pn-переходом, тільки «висвітлюється» вона не світлом, а бета-випромінюванням ізотопу сірки-35. Проникаючи в p-шар, електрони викликають міграцію дірок в збіднений шар pn-переходу, де відбувається рекомбінація, в результаті якої на pn-переході виникає електрична напруга.

А замість серця ...

Звичайно, ядерний реактор з працею уміщається навіть на транспортному літаку. А ось ядерні батареї, що використовують енергію природного розпаду радіоактивних ізотопів, можуть бути як завгодно малі. Такий пристрій фактично являє собою сонячну батарею з нанесеним на неї шаром бета-активного ізотопу, який «висвітлює» її швидкими електронами. І хоча питома потужність батарей все ще значно менше, ніж у літієвих акумуляторів, їх ємність може бути істотно більше.

«Першою проблемою нашої групи стало підвищення питомої потужності батарей, - каже головний конструктор силової установки MK-12 Игер ГОРФ, який протягом багатьох років розробляв радіоізотопні батареї космічних апаратів. - Зазвичай застосовують ізотопи з періодом напіврозпаду, що становить роки. А якщо взяти ізотоп, що живе місяці або навіть дні, потужність пропорційно збільшиться. Друга проблема полягала в тому, що всі батареї досі були одноразовими: після розпаду достатньої кількості матеріалу батарея відправлялася на переробку або поховання. Це прийнятно, коли термін її життя вимірюється роками, але що робити, якщо ресурс батареї витрачається за тиждень? Тому потрібно було придумати систему дозаправки. Але ще до цього - систему видалення продуктів розпаду ».

Рішення, запропоновані розробниками MH ZKTH, як все геніальне, виявилися гранично простими. Як видаляти продукти розпаду? А нехай вони видаляються самі! Потрібно лише підібрати ізотоп, у якого продукт розпаду - газ, і тоді він сам буде йти з батареї. А для завдання заправки теж знайшлося просте рішення: напівпровідниковий перетворювач треба зробити не у вигляді плоских пластин, а у вигляді вузьких каналів, які будуть вбирати в себе водний розчин «палива». Вода буде випаровуватися, а ізотоп - осідати на стінках. Залишилося тільки знайти відповідний ізотоп: відносно безпечний, розпадається на газ і з відповідним періодом напіврозпаду. Спочатку був обраний цезій-131, але незабаром з'ясувалося, що при його розпаді електрони отримують занадто високу енергію і проходять мініатюрну батарею наскрізь, в результаті чого ККД виявився низьким. Тому був обраний ізотоп сірки-35.

паливо

Сірка-35 - це м'який бета-випромінювач, що не дає побічної гамма-випромінювання, з середньою енергією електронів 53 кеВ (максимальна енергія - 167 кеВ). При розпаді цього ізотопу випромінювання не здатне пройти через верхній мертвий шар шкіри, так що це безпечно для людини. Продукт розпаду сірки-35 - хлор (це пояснює «запах лікарні», який майже невловимо витає в лабораторії і до того ж дезінфікує приміщення, що важливо в тропічних країнах). Період напіврозпаду становить 87 днів - досить мало для високої потужності (13,4 Вт / г), але досить багато, щоб не було потрібно часто заряджати батарею. До того ж такий період напіврозпаду означає швидке самоочищення території в разі, якщо відбудеться зараження. Цей ізотоп містить 146 МДж енергії в одному грамі, що в три з гаком тисячі разів більше, ніж у бензину, а про електричні акумулятори і говорити не доводиться.

Втім, потрібно було подолати ще пару труднощів: низький ККД і радіаційну деградацію перетворювача. Вирішити ці проблеми вдалося, застосувавши замість звичайних кремнію і арсеніду Галія карбід кремнію. Ширина його забороненої зони втричі більше, що дозволило втричі підняти ККД (з 5 до 15%). Крім того, цей матеріал має куди більш міцні хімічні зв'язки і тому майже не псується при впливі радіації.

ядерна батарея

Ядерна батарея являє собою стільникову структуру з карбіду кремнію з каналами шириною 30 мкм і стінками товщиною 20 мкм. Спочатку стільники робляться з напівпровідника з електронною провідністю, потім його поверхню насичується акцепторною домішкою, і її провідність змінюється на дірковий. Таким чином, на глибині декількох мікрон формується pn-перехід, необхідний для перетворення випромінювання в електрику. Зовнішня поверхня сот - плюсовій вихід батареї, в одному місці поверхню сошліфовивать до n-шару, це «мінус». Поверхня батареї покривається найтоншим, менше мікрона, шаром золота, щоб виключити хімічні реакції між напівпровідником, водою, сірою економікою та повітрям.

Тонкі канали батареї вбирають в себе колоїдний розчин сірки-35, після чого вода випаровується і сірка випадає тонким рівним шаром на стінки. Потім процес повторюється кілька разів. У повністю зарядженій батареї на радіоактивний ізотоп припадає 15% маси - рекордний показник. В результаті виходить перетворювач масою 1,7 мг, що містить 0,3 мг сірки-35, яка виробляє 4 мВт енергії у вигляді бета-випромінювання, з них 0,6 мВт перетворюється в електрику, чого цілком вистачає для польоту.

На жаль, через розпад сірки потужність батареї досить швидко падає: вже через десять днів вона складе лише 0,55 мВт - мінімум, необхідний «винищувачу». Але простота заправки батареї свіжим ізотопом дозволяє робити це раз на тиждень, тим більше що для невеликої дозаправки досить одного заходу: апарат підлітає до ємності з розчином сірки, опускає туди хоботок (прямо як справжній комар!), Капілярні сили засмоктують паливо всередину батареї, після чого апарат очікує випаровування води і відлітає на бойове патрулювання.

12-е покоління

За п'ять років розробники MH ZKTH створили кілька сотень прототипів, довівши конструкцію практично до досконалості. Нинішнє, 12-е покоління «винищувачів» абсолютно безпечно в усіх відношеннях (в тому числі і в радіаційному) і, згідно з проведеними випробуваннями, забезпечує дуже високу ефективність знищення комарів (99,97%). При масовому виробництві (технологія його вже розроблена) MK-12 обійдеться менш ніж в $ 100, причому розробники гарантують термін служби «винищувачів» як мінімум на три роки. Сірка-35 коштує недорого, так що загальні витрати на експлуатацію будуть невеликі. Схоже, що дитяча мрія Жерара перемогти літаючих вбивць близька до здійснення: на патруліруемой території комар не пройде. Точніше, не пролетить.

Примітка редакції: дана стаття опублікована в квітневому номері журналу і є першоквітневим розіграшем.

Стаття «комарі не пролетить» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №4, Грудень 2014 ).