Щорічно наприкінці грудня журнал «Science» називає свою версію десяти проривів у науці. У 2013 році тільки два з них пов'язані з фізикою, причому обидва мають відношення до космосу. Це доказ прискорення протонів у залишках оболонок наднових і створення перспективних сонячних батарей на основі перовскиту.
Пояснення походження космічних променів - потоку високоенергійних частинок, переважно протонів, що прилітають на Землю з космосу, є одним з важливих завдань фізики космосу. Вчені вже давно припустили, що прискорення заряджених частинок відбувається в оболонках «зірок, що вибухнули», - наднових. До цього висновку призводять характерні особливості енергетичного спектру космічних променів і наявність потужного рентгенівського випромінювання залишків наднових.
У 2013 році було отримано ще один доказ прискорення протонів у залишках наднових і одночасно встановлено один з можливих механізмів потужних космічних гамма-сплесків. Механізм цього грандіозного явища є однією з головних загадок астрофізики, незважаючи на існування декількох гіпотез. Як писав В.Л. Гінзбург: «Гамма-сплески - найпотужніше вибухове явище у Всесвіті, не рахуючи, звичайно, Найбільшого Вибуху». Енерговиділення в процесі виникнення цього гамма-випромінювання може на 10 порядків перевершувати найпотужніший спалах на Сонці.
Відкриття
, яке привернуло увагу «Science», зроблено великою міжнародною групою вчених, що займається обробкою та аналізом даних, отриманих космічним гамма-телескопом «Фермі», запущеним на орбіту НАСА в 2008 році. Важливість дослідження гамма-випромінювання при вивченні природи космічних променів пов'язана з тим, що через відхилення в космічних магнітних полях напрямок їх приходу на Землю вже не показує на місце їх народження. А ось електромагнітне гамма-випромінювання на відміну від заряджених частинок не відхиляється в магнітному полі і дає астрофізикам напрямок на джерело. Але з іншого боку, ідентифікація випромінювання, пов'язаного саме з протонами, складна, тому що гамма-випромінювання породжують ще й електрони високих енергій при гальмівному і зворотному комптонівському розсіянні.
Дослідники успішно вирішили проблему, відкривши особливість форми спектру гамма-випромінювання, що відповідає походженню гамма-випромінювання в результаті розпаду нейтрального піону на два гами кванту. Сам піон у свою чергу виникає при зіткненні прискорених до релятивістських швидкостей протонів з міжзоряною речовиною. Тому наявність цієї особливості у спектрах гамма-випромінювання двох спостережуваних залишків наднових IC 443 і W44 доводить наявність там прискорення протонів до релятивістських швидкостей і роботу зазначеного механізму генерації гамма-спалахів.
Другим проривом 2013 року у фізиці за версією «Science» названо застосування мінералу перовскіту для виготовлення сонячних батарей.
Цей мінерал (титанат кальцію), знайдений на Уралі і названий на честь колекціонера мінералів графа Л. A. Перовського, відомий понад 150 років. Але як матеріал для сонячних батарей він розглядається лише останні роки чотири. І тільки цього року з'явилися роботи, які обґрунтували перспективність цього матеріалу. Фізики з Оксфордського університету у Великобританії показали можливість використання деяких видів перовскиту як заміни для тонкоплівкових кремнієвих елементів і отримали ефективність перетворення енергії 15%. З перовскіту вдається отримати гнучкі і напівпрозорі фотоелементи.
Вироби на основі перовскиту поки поступаються кремнієвим фотоелементам, що мають ефективність в середньому близько 20%, а у кращих лабораторних зразків і 25%. Однак вони мають велику перевагу в дешевизні і простоті виготовлення. Високоякісні кристали кремнію для фотоелементів треба вирощувати за спеціальних умов у досить дорогих установках. Зразки високої якості з перовскіту вдавалося отримати навіть шляхом нанесення розчину недорогих сполук на основу з подальшою сушкою. Дивно, але якість кристала виходила настільки високою, що навіть з'явилися повідомлення про виготовлення на їх основі лазерів, де вимоги до якості особливо великі.
Особливо цікавою є можливість інтегрування обох видів фотоелементів разом нанесенням плівки з перовскиту прямо на кремнієву панель. У цьому випадку перовскіт буде захоплювати фотони синьо-зеленого діапазону, а кремній менш енергійні червоні. Це дозволило б підняти ефективність до 30%.
Деякі експерти вже прогнозують витіснення новим матеріалом кремнію з сонячних батарей. Правда, для цього ще треба вирішити дві проблеми. По-перше, зробити перовскіти не такими крихкими і розчинними, що робить їх ненадійними. І, по-друге, знайти заміну токсичним компонентам на кшталт свинцю, що використовується в існуючих зразках.
За матеріалами http://www.sciencemag.org/