Терагерцовое излучение / «Ford Motor Company» 100 лет
Проект, о котором пойдёт речь в сегодняшней передаче, с самого начала больше напоминал сюжетный ход шпионского фильма, чем сколько-нибудь реальную исследовательскую деятельность: одиннадцать учёных из шести стран, каждый – специалист в своей узкой области, были собраны в одном месте с заданием: за 4 месяца разработать прибор с таинственным названием «терагерцовая камера». Но проект «StarTiger» (http://www.startiger.org/index.htm) – вовсе не вымысел, а самая настоящая реальность. Крис Манн (Chris Mann), сотрудник лаборатории Резерфорда-Эпплтона (Rutherford-Appleton Laboratory) близ городка Дидкот, графство Оксфордшир, вспоминает:
«Идея родилась у меня и у Питера де Маагта (Peter de Maagt) из Европейского космического агентства ESA. Мы подумали, что существует, наверное, путь, позволяющий реализовывать научные проекты быстрее и эффективнее, чем это происходит сегодня. Нужно только целиком сосредоточиться на одной задаче и иметь под рукой всё необходимое оборудование».
Идея получила одобрение и финансовую поддержку Европейского космического агентства. Крис Манн продолжает:
«Мы поставили перед собой задачу – получить изображение человеческой руки в лучах терагерцового диапазона. Причём с помощью простой и недорогой камеры».
Но что же это за прибор – терагерцовая камера? Профессор Мартин Кох (Martin Koch), научный сотрудник Технического университета в Брауншвейге, поясняет:
«Специалист называет терагерцовым частотный диапазон от нескольких сотен гигагерц до нескольких терагерц. Ничего таинственного в этом излучении нет – это такое же электромагнитное излучение как радиоволны или видимый свет».
Хайнц-Вильгельм Хюберс (Heinz-Wilhelm Hübers), сотрудник Немецкого центра аэрокосмических исследований, добавляет:
«Терагерцовый диапазон расположен между радиочастотами и инфракрасным, то есть тепловым излучением. Любая молекула постоянно генерирует терагерцовое излучение. Проблема в том, что оно чрезвычайно слабое и распространяется не далее чем на метр-два».
Кроме того, это излучение плохо поддаётся измерению – ни радиотехнические, ни оптические методы для этого непригодны. И, наконец, на немалые трудности наталкивается создание источников терагерцового излучения. Всё это и привело к тому, что терагерцовый диапазон электромагнитного спектра изучен слабо, а само терагерцовое излучение ни в науке, ни в технике, ни в быту практически не применяется, хотя обладает весьма необычными свойствами. Например, бумага, пластмасса, одежда в лучах терагерцового спектра совершенно прозрачны. Уже одно это открывает весьма интересные перспективы. Хайнц-Вильгельм Хюберс говорит:
«Одна из идей – использовать терагерцовое излучение в сканерах для досмотра пассажиров в аэропортах. Сегодняшние сканеры – просто металлоискатели. Есть ещё рентгеновские аппараты для контроля багажа, но для досмотра людей их применение запрещено, поскольку это вредно для здоровья. А вот терагерцовое излучение столь же эффективно, но совершенно безопасно».
Иную сферу применения называет профессор Кох:
«Мне представляется важным контроль качества пищевых продуктов. Первые опыты дали многообещающие результаты. Терагерцовое излучение позволяет сквозь упаковку выявлять посторонние предметы в продуктах, обнаруживать недовес, определять состояние скоропортящихся изделий и так далее».
Точно так же терагерцовое излучение может быть использовано для проверки почтовых отправлений на предмет содержания в них биологического оружия вроде спор сибирской язвы. Кроме того, терагерцовое излучение может быть использовано и в телекоммуникации. Хайнц-Вильгельм Хюберс говорит:
«Важная сфера применения – это коммуникация внутри одного здания. То есть это будут излучатели, обеспечивающие беспроводное соединение компьютеров и периферийных устройств в пределах нескольких помещений. Сегодняшние системы типа Bluetooth или Wireless LAN, работающие на частотах около 2-х гигагерц, пока справляются с этой задачей, но если объём подлежащих передаче данных будет и впредь расти прежними темпами, то терагерцовое излучение станет единственной альтернативой».
Ещё одна важная сфера применения – медицина, – говорит Хюберс:
«В Англии есть группа исследователей, которой удалось разработать методику, позволяющую надёжно диагностировать базально-клеточную карциному – это одна из форм рака кожи. Правда, опытный врач-дерматолог ставит такой же диагноз и просто на глаз. Зато он не может сказать, насколько глубоко ткани поражены карциномой, а британские физики это видят в терагерцовых лучах».
Есть немало и других идей. Электромагнитные волны терагерцовой частоты должны помогать сапёрам находить противопехотные мины, дантистам – быстро и без вреда для здоровья пациента выявлять скрытый кариес, ветеринарам – проводить профилактические осмотры львов, медведей и прочих поросших густой шерстью обитателей зоопарков... Но терагерцовые волны представляют интерес не только как основа для решения технических задач, но и как инструмент для научных исследований. Например, в астрофизике. Ведь учёные наблюдают и фотографируют Вселенную не только в видимом свете. Их интересуют и радиодиапазон, и рентгеновское излучение, и, конечно же, терагерцовое, – говорит Хайнц-Вильгельм Хюберс:
«Причина в том, что каждый из диапазонов даёт астрофизикам свою специфическую информацию. И те участки неба, которые в видимом свете представляются тёмными, в терагерцовом диапазоне – как раз самые светлые. Терагерцовое излучение позволяет изучать холодные космические объекты – и прежде всего, так называемые тёмные облака».
Тёмные облака хорошо видны невооружённым глазом и на Млечном пути. Считается, что из таких скоплений космического газа могут образовываться новые звёзды. А поскольку от тёмных облаков исходит интенсивное излучение терагерцовой частоты, учёные надеются, что его анализ позволит им узнать об этих таинственных объектах много нового. Правда, до поверхности Земли это излучение не доходит, поскольку поглощается атмосферой, так что наблюдения нужно вести либо со спутника, либо со специально оборудованного самолёта. Понятно, что для астрофизических исследований очень нужны компактные и недорогие терагерцовые камеры. Нужны они и для высокоточного химического анализа атмосферы, и для изучения сверхпроводимости, и для создания новых полупроводниковых материалов. Мартин Кох добавляет:
«Ещё одна область, которая, как мне кажется, в ближайшие годы обретёт большое значение – это биомолекулярные исследования. Многие учёные почти уверены, что резонансные частоты молекул белков и ДНК лежат в терагерцовом диапазоне. Это позволяет надеяться, что таким образом удастся идентифицировать молекулы и фрагменты ДНК без использования цветовых маркеров».
Итак, 3-го июня 2002-го года группа исследователей, собранная в лаборатории Резерфорда-Эпплтона, приступила к работе. Крис Манн, инициатор проекта «StarTiger», вспоминает:
«Это была очень пёстрая компания. Старшему было уже под 50, младшему едва исполнилось 20. В группу входили одна итальянка, один немец, один француз, два испанца, остальные – ирландцы и англичане. Тут были специалисты в области электроники, физики, микромеханики... Объединял их всех невероятный энтузиазм».
В августе учёные отпраздновали первый успех:
«К середине отпущенного нам срока мы уже смогли собрать действующий прототип и получить первое изображение руки в терагерцовых лучах. Позади осталось множество жарких дискуссий, никогда, впрочем, не приводивших к личным конфликтам. А работали все, не считаясь со временем».
5-го октября работа была завершена. Крисс Манн вспоминает:
«Последние 4 недели в лаборатории царила невероятная суета: время поджимало, надо было срочно собирать готовый прибор. В общем, как и задумывалось, он получился довольно простым и компактным: тут, внизу, детектор размерами не больше пачки сигарет. И два зеркала – одно может наклоняться, другое ездит взад-вперёд. Зеркала сканируют руку и фокусируют генерируемые ею терагерцовые лучи на детекторе. Достаточно 3 секунды просто подержать руку над аппаратом, и изображение готово. Важно также, что наш прибор недорог. Обычно одна лишь электроника обходится в десятки тысяч евро. Мы же использовали самые обыкновенные диоды из магазина электронных компонентов. Вообще-то они предназначены для более низких частот, но мы взглянули на спецификацию и поняли, что они должны работать в терагерцовом диапазоне. А цена на них – всего 12 евро штука. Но самое замечательное в этой истории – конечно, то, что проект, на который обычно требуется 2 года, был реализован за 4 месяца».
Впрочем, кое-какие проблемы ещё предстоит решить, – признаётся Крис Манн:
«О чём мы, начиная проект «StarTiger», вообще не подумали, так это о том, что будет, если мы добьёмся успеха? Мы – исследователи, для нас главное было решить научную задачу, а побеспокоиться насчёт патентов и тому подобных вещей нам и в голову не приходило. И вдруг мы стали обладателями весьма интересной в коммерческом отношении технологии. Мы поняли: если сейчас опубликовать наше изобретение, то о патенте можно забыть. Так что мы решили повременить с публикацией, пока Европейское космическое агентство изучает вопрос коммерческой реализации результатов проекта. Изначально мы полагали, что стоимость нашей терагерцовой камеры составит от 10 до 20 тысяч евро. Но сейчас ясно, что никаких действительно дорогих деталей в ней нет, и в условиях массового производства она должна стоить не дороже обычной видеокамеры. Думаю, не позднее чем через 2 года наша продукция появится на рынке. По крайней мере, такова наша цель».
Правда, тут следует отметить, что созданная в рамках проекта «StarTiger» камера – система пассивная. Она регистрирует естественное терагерцовое излучение объектов – в частности, человеческой руки. Между тем, для многих научных исследований необходимы искусственные источники терагерцового излучения, и работа в этом направлении также ведётся. Совсем недавно Гуин Уильямс (Gwyn Williams) из лаборатории Томаса Джефферсона в городке Ньюпорт-Ньюс, штат Виргиния, представил самую мощную в мире терагерцовую лампу:
«Наш источник гораздо мощнее всех других. Нам удалось получить терагерцовое излучение мощностью не в несколько милливатт, а в 20 ватт! Секрет в том, что мы разгоняем электроны почти до световой скорости. Причём много электронов, плотно спрессованных в очень малом пространстве. В таких условиях они ведут себя как одна большая частица и генерируют терагерцовое излучение высокой энергии.
А спрессовать электроны нам удаётся благодаря тому, что мы производим их одновременно в большом количестве, обстреливая импульсным лазером пластинку из полупроводникового материала. Образующееся при этом электронное облако мы спрессовываем с помощью сильных магнитных линз».
Автомобильная рубрика
16 июня исполняется 100 лет «Ford Motor Company». Имя Форд – Генри Форд – столь популярно в мире, что многие – по крайней мере, в США, – уверены что Форд изобрёл автомобиль. Нет, автомобиль придумал и запатентовал ещё в 1886 году немец Карл Бенц. Но вклад Генри Форда в историю автомобиля ничуть не меньше – именно Форд придумал конвейер и сделал автомобиль не роскошью, а средством передвижения. Первым массовым автомобилем стала «Лиззи», или модель «Форд Т».
А вообще первый – первый в истории – экземпляр «Форда» модели «Т» появился в Детройте в 1908 году. Уже тогда Форд придумал пооперационую сборку – каждый рабочий имел своего рода верстак, но выполнял на нём только одну операцию. Выполнив её, он передвигал собираемую машину дальше. Через пять лет, побывав на скотобойне в Цинцинатти, Форд увидел процесс разделки туш – они подвешиваются к бесконечной цепи, укреплённой горизонтально под потолком на роликах. Эта цепь тянется через все цеха от одного работника к другому. Сделав своё дело, работник толкает тушу дальше, и ею начинает заниматься следующий. Форд сообразил, что машину лучше не подвешивать, а ставить на движущуюся ленту. Так появился конвейер. Это позволило использовать людей малоквалифицированных и более дешёвых. Вспомните фильм Чаплина. Резко ускорился и процесс сборки – шасси вместо 12 часов собирали за полтора. Форд фактически ввёл в практику и стандартные детали, которые нужно только соединять друг с другом. Идея проста – но использовать её на сборке автомобилей сообразил только Форд, и было это в 1913 году при сборке «Тин Лиззи». Высокие колёса, удобные подножки – типичный фаэтон, – большие фары, вертикально стоящее ветровое стекло, кожаная складная крыша. Четыре места, четыре цилиндра – 21 л.с., рабочий объём двигателя три литра. На «Тин Лиззи» впервые появляется так называемая планетарная передача: две передние скорости и одна задняя переключаются – впервые! – не с помощью рычага, а педалью. Высокая и просторная «жестяная Лизочка» показалась всем тогда не только весьма простой в обслуживании, но и очень удобной – как для города, так и для фермеров, и даже для дальних путешествий. Правда, по сегодняшним понятиям, как рассказывает Маркус Нойман (Marcus Neumann), член клуба друзей Форда,..
«Эта машина, может быть, и проста для водителя, но зато очень сложна в техобслуживании. Каждые 600 км нужно менять моторное масло, каждые 300 км нужно менять густую смазку. Но главное, Лиззи абсолютно лишена всякого комфорта – сидения жёсткие, скрипучие, ветер продувает кабину со всех сторон, поскольку боковых стёкол нет. А кроме того, при запуске двигателя то и дело возникали проблемы. Чтобы машина звелась, кому-то одному приходилось крутить рукоятку, а другому - забираться под мотор и в нужный момент ударять железной палкой».
Но и это ещё не всё, – говорит Маркус Нойман, любитель олдтаймеров,..
«Из машины постоянно текло масло, что не только загрязняло городские мостовые, но и делало их опасными. Кроме того, масло быстро выгорало, и моторы заклинивало».
Но на эти пустяки тогда особого внимания не обращали. А главное – и именно это привлекало миллионы покупателей!– Лиззи была фантастически дешёвой – 850 долларов. Такая цена стала возможной, конечно, только благодаря конвейеру. Правда, через двадцать лет «жестяная Лизочка» приказала долго жить. Её обошли конкуренты – прежде всего, «Дженерал Моторс». Как ни удивительно, одной из причин его победы над Фордом на этом этапе стал... конвейер. Он не позволял Форду быстро переключаться на выпуск новой модели.
Обычно европейские модели и американские модели Форда не идентичны. В прошлом они отличались, в основном, размерами («европейцы» были меньше «американцев»), а сейчас – прежде всего, дизайном. Исключением стал Форд «Фокус», разработанный в Германии. И в Европе, и в США он имел большой успех, получил несколько премий за дизайн. Правда, сбыту в США сильно повредила серия инцидентов, когда неожиданно и совершенно произвольно раскрывалась подушка безопасности. Но на сбыте в Европе и в России это никак не сказалось.