Ресурсы Архив статей по образованию Методика преподавания и инновации в сфере образования Физика

На важных направлениях научно-технического прогресса

 Развитие средств связи

Мобильная связь – продукт совершенствования средств беспроводной связи – спутниковой и сотовой.

Спутниковая связь осуществляется через ИСЗ, находящиеся на геостационарных орбитах. Набирая, например, зарубежный номер телефона, пользователь посылает закодированный сигнал в выделенную специально для него «ячейку» на спутнике, откуда сигнал, согласно коду, поступает на наземную станцию в регионе владельца набранного номера телефона, а та передает его в местную телефонную сеть.

Поскольку стабильность такой связи и охват ею территории обслуживания зависят прежде всего от числа спутников и равномерности их распределения вокруг Земли, сейчас интенсивно развиваются глобальные спутниковые системы, из которых самой крупной на сегодня была система Indium. Инициатор ее проекта – крупнейшая американская фирма-производитель сотовых телефонов Motorola, а участники его реализации – корпорации и фирмы многих стран, в том числе и России (например, Государственный космический научно-производственный центр им. М.В. Хруничева обеспечивал вывод части спутников на геоорбиты ракетой «Протон»). Эта система связи давала возможность обмена информацией между абонентами в любом месте земного шара. Схема ее работы такова. Карманный аппарат – телефонная трубка с кнопочным номеронабирателем и с небольшой антен-ной, – имеющий собственный «всемирный» цифровой код, посылает вызов на один из 66 спутников, кружащихся над планетой по шести орбитам на высоте ~ 700 км. Спутники ретранслируют сигнал друг другу, пока он не достигнет района Земли, где расположен в это мгновение вызываемый приемный аппарат. Чтобы последний принял сигнал, в разных регионах построены наземные станции сопряжения между «эскадрильей» космических спутников и наземными телефонными сетями общего назначения.

Основные недостатки спутниковой связи – ее относительная дороговизна в настоящее время и небезопасность для здоровья пользователей, поскольку в спутниковые телефонные аппараты встраиваются передатчики большой мощности. Из-за первого фактора пользователями, например, системы Indium являются главным образом бизнесмены, часто меняющие место своего пребывания, некоторые государственные организации, крупные международные коммерческие структуры, службы экстренного вызова – скорая помощь, аварийно-спасательные подразделения и др. Эта система из-за дороговизны пользования ею не приобрела большого числа абонентов (их оказалось всего 55 тыс. на всей планете), и ее учредители обанкротились. Сейчас все принадлежащие им 66 спутников должны быть спущены с орбит.

Сотовая связь реализуется с помощью системы антенн-ретрансляторов, каждая из которых перекрывает свою область пространства (территорию земли), называемую «сотой». Антенны ставят на таком расстоянии друг от друга, чтобы оно было меньше их радиуса действия, что обеспечивает перекрытие сот и надежность связи. Телефонный аппарат может улавливать сигналы сразу от нескольких антенн-ретрансляторов, но настраивается он всегда на самый мощный (в условиях пересеченной местности и городах, где много больших домов, самым мощным может оказаться сигнал не от ближайшего ретранслятора, а от более удаленного).

Недостаток сотовой связи – необходимость создания достаточно густой сети антенн, причем каждая фирма-провайдер, т.е. фирма, обеспечивающая передачу сигналов, создает свою сеть, например в Москве и Подмосковье сейчас действуют сети двух фирм-провайдеров – «Би Лайн» и МТС, работающих в одинаковом и широко распространенном в других странах стандарте сотовой связи GSM-900 (частота электромагнитных волн 900 МГц). Это обусловливает возможность так называемого роуминга – подключения телефона не только к сети «своей» фирмы-провайдера, но и к сетям других фирм. (Для этого обслуживающие пользователей сотовой связи фирмы заключают специальные «соглашения о роуминге». Тогда, имея сотовый телефон с московским номером и приехав, скажем, в Лондон, можно им пользоваться: аппарат будет принимать сигналы ретрансляторов фирмы-провайдера, с которой у московской компании сотовой связи есть соответствующее соглашение.)

В настоящее время международная мобильная связь осуществляется как симбиоз спутниковой и сотовой связи; первая из них используется прежде всего для роуминга. С этой целью создаются тоже глобальные сети спутниковой связи, но рассчитанные на широкий круг абонентов – пользователей как сотовых, так и обычных телефонных аппаратов. В оборудовании этих сетей нет «ячеек» для персональных «мировых» кодов, а спутники служат ретрансляторами сигналов, в которые преобразуются обыч-ные номера телефонов. Постоянное совершенствование всех элементов этих систем (спутников, их электронного оборудования, ракет-носителей и т.д.) постепенно удешевляет и улучшает этот вид связи, делая его более доступным.
 Производители же современных мобильных устройств связи тоже не останавливаются на достигнутом и все время ищут пути их усовершенствования. Одно из самых перспективных сегодня направлений – миниатюризация аппаратов. Научно-технические ухищрения в этой области поистине безграничны, а уже созданное вызывает восхищение. Вот только один пример. Во время последних зимних Олимпийских игр некоторые их участники получили для испытания модель сотового телефона, корпус которого был лишь немногим крупнее стандартных наручных электронных часов. Его масса 45 г. Поскольку набирать нужный номер на таком маленьком аппарате неудобно, телефон снабжен микропроцессором, «понимающим» числительные, произносимые вслух, и «набирающим» номер под диктовку владельца.

Другое очень перспективное направление, непосредственно связанное с первым, – создание универсальных мобильных устройств, объединяющих функции компьютера и телефона. С этой целью в 1998 г. крупнейшие производители сотовых телефонов Ericsson, Nokia и Motorola, а также один из лидеров по выпуску мини (карманных)-компьютеров Psion создали совместный консорциум для разработки устройств нового поколения: смартфонов и коммуникаторов.

Смартфоны, или «умные телефоны», – это сотовые телефоны с расширенными функциями. Кроме телефонных разговоров они позволяют вести обработку и передачу данных, пользоваться электронной почтой и Интернетом. Для этого смартфоны снабжены небольшими экранами и операционной системой, включающей средства электронной почты и микроброузер Интернет (программа просмотра Web-страниц). Однако просматривать эти страницы на маленьком экране сотового телефона неудобно; поэтому был разработан специальный протокол WAP, который позволяет существенно сжимать информацию и адаптировать ее к мини-экранам. Поскольку с помощью этого протокола можно просматривать только WAP-страницы, многие Интернет-сайты создают специальные WAP-версии своих страниц.

Коммуникаторы – это микрокомпьютеры с коммуникационными возможностями, которые обеспечивают встроенные в корпус коммуникатора микросхема сотового телефона и его радиоантенна.

Более того, разработаны и выпускаются так называемые мобильные офисы, представляющие собой переносной компьютер со встроенным факс-модемом, с помощью которого можно подключиться как к обычной телефонной линии, так и к линиям сотовой и спутниковой связи. Вся информация, поступающая на выход офиса: файлы с данными, факсы, звук, видеоизображение, – преобразуется в радиосигналы и передается на станцию сотовой (спутниковой) связи. Там этот поток данных перенаправляется в конце концов в телефонную линию, по которой он и находит своего адресата: факс идет на подключенную к линии факс-машину, телефонный звонок – на телефон, файлы с данными – на модем, а запрос на подключение к Интернету – на модем Интернет-провайдера.

Один из первых вариантов такого офиса состоял из компьютера-ноутбука, снабженного факс-модемной картой, сотового (или спутникового) телефона, компактных принтера и факса, соединяемых специальными проводами. Масса его была около 5 кг, а размер – с обычный чемоданчик-дипломат. Его недостатки: относительная тяжесть, «хрупкость» ноутбука (он боится сотрясений), необходимость соединять компоненты офиса проводами и др. Современные мобильные офисы освобождены от проводов: в них каждый источник сигналов (телефон, принтер и пр.) снабжен миниатюрными приемником и передатчиком инфракрасного излучения, благодаря которым можно обмениваться сигналами, а в последних образцах мобильных офисов для этого обмена используется высокочастотное (2,44 ГГЦ) радиоизлучение. Кроме того, в них применяются так называемые карманные персональные компьютеры (КПК), или палм-топы (palmtop – наладонник). (Такой компьютер действительно умещается в кармане, а во время работы его можно держать на ладони – ведь его масса не превышает 650 г. В устройстве КПК сконцентрированы достигнутые в последние годы успехи микроэлектроники, позволившие получить столь миниатюрный аппарат, обладающий существенными достоинствами, например устойчивостью к сотрясениям.)

Развитию мобильной связи содействуют и научные исследования в связанных с нею областях. Так, благодаря воз-можности миниатюризации жидкокристаллических экранов сейчас дисплеи КПК, как и обычных ПК, делаются жидкокристаллическими. Однако по качеству изображения они уступают дисплеям с электронно-лучевыми трубками, но те слишком громоздки. Над совмещением лучших качеств устройств обоих типов работают многие лаборатории мира. Оригинальное решение найдено в Институте передовых технологий фирмы «Самсунг». Здесь создан дисплей нового поколения – автоэмиссионный. В нем электроны, испускаемые тысячами мельчайших электронных излучателей на плоской панели, возбуждают свечение цветного фосфорного покрытия на стеклянном основании. Эти дисплеи такие же плоские, как жидкокристаллические, и дают такое же качественное изображе-ние, как электронно-лучевые трубки. При этом они еще в десятки раз менее энергоемки.

При создании автоэмиссионного дисплея трудно было найти материал, направляющий поток электронов для получения изображения. Последние научные открытия помогли решить эту проблему. В качестве такого материала использованы углеродные нанотрубки, для нанесения которых на стеклянное основание разработана специальная технология.

Интересные технические решения может повлечь за собой и открытие британских ученых. Они установили возможность передачи информации по обыкновенным электрическим проводам и разработали технологию такой передачи. Ее применение избавит системы связи от установки антенн, прокладки телефонных линий, ибо английским специалистам удалось решить ряд сложнейших технических проблем и связать в единую информационно-энергетическую магистраль пути электрических и информационных сигналов без взаимных помех; раздел сигналов происходит на входе в приемное устройство.

Таким образом, существующая сегодня в любой стране разветвленная сеть передачи электрической энергии может стать и главной «информационной» магистралью. Предложенная технология уже позволила использовать имеющиеся линии электропередачи для подключения персональных компьютеров к Интернету. Как сообщается, скорость прохождения информации возрастает в этом случае в 30 раз по сравнению с передачей ее через телефонные линии. Для нашей страны, имеющей обширную территорию и множество труднодоступных объектов, особенно важны исследования в области связи на коротких волнах, направленные на повышение ее надежности. В лаборатории распространения радиоволн Марийского государственного технического университета, например, уже много лет изучают с этой целью физические процессы, происходящие в атмосфере Земли на высоте более 50 км; точнее: исследуют эффекты, сопровождающие распространение широкополосных сигналов в ионосферной плазме, что привело к разработке основ современных адаптивных систем дальней КВ-связи и использованию в ней непрерывных сигналов с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ). В последнее время здесь разработан новый метод прямого цифрового синтеза частот непрерывных ЛЧМ-сигналов и получения таким образом кодированного сигнала, что позволяет надежно защитить передаваемую информацию. Этот метод весьма перспективен для радиотехнических систем передачи информации.

 Некоторые новые применения ультразвука

Биология и медицина. Впервые идея практического использования ультразвука возникла, как известно, в первой половине прошедшего века в связи с разработкой методов и приборов для обнаружения в глубине моря различных объектов: подводных лодок, рифов, подводных частей айсбергов и т.д. Это было вызвано прежде всего гибелью в 1912 г. «Титаника» и начавшимся участием подводных лодок в военных операциях во время первой мировой войны. Но благодаря причудливой логике событий, появлению ультразвуковых средств поиска подводных лодок предшествовало открытие биологического действия ультразвука, что стало первым шагом к изучению его возможных применений в биологии и медицине.

Дело в том, что французское правительство поручило известному физику П. Ланжевену выяснить, можно ли с помощью ультразвуковых волн обнаруживать вражеские подводные лодки. Ученый проводил свои эксперименты, считавшиеся секретными, в бассейнах, в которые, чтобы скрыть истинную цель исследований, пустили рыбок, якобы для проверки изобретения «лучей смерти». Каково же было изумление авторов этой мистификации, когда рыбки, облучаемые ультразвуком, погибли, причем их внутренние органы оказались разрушенными! Это послужило стимулом к проведению многочисленных исследований биологического действия ультразвука.

Прежде всего выяснилось, что от действия ультразвуковых волн погибают многие микроорганизмы, что было важно для медицины. Так, ультразвук вызывал гибель некоторых болезнетворных микробов: тифозной палочки, кишечной и туберкулезной. Вскоре возникли и другие области использования ультразвуковых волн в медицинских целях. А современная медицина уже немыслима без таких важнейших ее направлений, как ультразвуковые диагностика и терапия.

Всем хорошо известно обследование больных с помощью УЗИ, да и примеров использования ультразвука в лечебной практике множество (ультразвуком лечат сейчас заболевания нервной системы и опорно-двигательного аппарата, стоматологические, урологические, гинекологические, офтальмологические и другие недуги), тем не менее и сегодня эта область медицинской науки и техники успешно развивается. Это не удивительно, так как даже малоинтенсивное УЗ-излучение влияет на тканевые и внутриклеточные процессы в организме, на проницаемость стенок кровеносных сосудов, свойства и функции других органов.

Интенсивность УЗ-излучения обычно не превышает 1 Вт/см2, а частота используется самая разная – от 800 до 3000 кГц. Главный рабочий элемент (излучатель ультразвуковых волн) применяемых приборов – пьезокристалл, который при подаче на него переменного напряжения генерирует ультразвук. Площадь облучаемой поверхности составляет, как правило, единицы или несколько десятков квадратных сантиметров.

• Однако, когда бывает необходимо обработать ультразвуком большую площадь поверхности, излучатель приходится перемещать, что часто непросто, а иногда даже небезопасно, если, скажем, облучается поверхность внутреннего органа. Для таких случаев в лаборатории радиолокации Центрального НИИ автоматики и гидравлики (г. Москва) совместно с заводом электронной и медицинской аппаратуры (ЭМА) и Российским центром реабилитации и физиотерапии разработан недавно новый вариант лечения ряда заболеваний ультразвуком и создан прибор, который имеет не один, а несколько пьезокристаллов, акустически друг от друга изолированных. Напряжение на каждый из них подается по заранее заданной программе, и потому излучают они ультразвуковые волны поочередно. Таким образом имитируется перемещение излучателя, а на самом деле он неподвижен. Как считают специалисты, таким способом можно успешно лечить прежде всего неврологические и урологические заболевания.
• Американские же ученые из Пенсильванского ракового центра разработали сложную, но достаточно эффективную методику разрушения опухолей, которые не могут быть в силу разных причин удалены обычным хирургическим способом, в том числе и рака печени. Для этого они вместо скальпеля используют высокочастотные радиоволны в сочетании с ультразвуковыми. Перед тем как провести такую операцию, врачи «замораживают» печень с помощью криогенного аппарата и «просвечивают» опухоль ультразвуком. Поскольку эта методика основана на использовании дорогостоящей аппаратуры и предполагает высокую квалификацию персонала, она применяется пока лишь в нескольких госпиталях США.
• В сельском хозяйстве при помощи ультразвука производится предпосевная обработка семян для повышения урожайности растений и их сопротивляемости заболеваниям. Оригинальный и недорогой прибор для ультразвуковой стимуляции семян сконструирован специалистами московской медицинской производственной компании «Афалина». Размером с домашнюю кофемолку, он обрабатывает за 1 мин два пакетика семян. Колебания вибратора частотой 20 кГц передаются в этом приборе стальной чашечке, которая начинает вибрировать с амплитудой 4-6 мкм. Помещенные в нее сухие семена уже через несколько секунд покрываются микротрещинами, что облегчает движение влаги и воздуха через их оболочку, благодаря чему семена быстрее набухают и прорастают.
  Ультразвуковая стимуляция семян новым прибором никакого вреда растениям не приносит и наследственных признаков не изменяет; более того, она увеличивает скорость роста и созревания растений, что позволяет использовать некоторые из южных сортов в более северных регионах; кроме того растения меньше болеют. Этот способ обработки семян прошел экспертизу в Институте селекции и семеноводства овощных культур, по результатам которой одобрен и рекомендован к применению.
• Интересный способ удобрения сельскохозяйственных культур применяет один из американских фермеров. Он разбрызгивает раствор минеральных удобрений (фосфор, калий и азот) на листья растений, а затем облучает их ультразвуком с частотой от 3 до 5 кГц. Таким образом он достигает повышения урожайности на 20-80%, а объясняет это тем, что ультразвук раскрывает устьица – поры регулируемого диаметра, которые имеются на нижней поверхности листьев и служат для газо- и водообмена с атмосферой.
  Метод «ультразвукового удобрения» растений позволил вырастить кукурузу трехметрового роста и тыкву диаметром полтора метра. Эти достижения попали в Книгу рекордов Гиннесса.
  Технологии. Ультразвуковые колебания уже давно применяются в металлургии, главным образом для встряхивания литейных форм и повышения однородности состава отливок. Японские специалисты создали установку, в которой ультразвуковые волны проникают непосредственно в содержимое формы для воздействия на жидкий металл. Ультразвуковые колебания облегчают пузырькам газов, всегда присутствующим в расплаве, всплывать на поверхность, где их удаляют.
  Установка состоит из генератора ультразвука, прибора для измерения его амплитуды и рупора, с помощью которого ультразвуковые волны направляются в расплав. Кроме более тщательного удаления газовых пузырьков она дает возможность уменьшить размеры кристаллитов в отливках, что повышает их качество. Так, в чугунных отливках, обработанных в расплавленном состоянии ультразвуком частотой 20 кГц и амплитудой 13-18 мкм, частицы графита мельче на 50-70%, чем обычно. Повышаются также стойкость сплавов к растяжению и ударопрочность.
• Специалисты санкт-петербургского Центра ультразвуковых технологий нашли удачное решение проблемы износа механизмов – одной из основных в современном российском машиностроении, поскольку довольно обветшавший в последние годы парк отечественного оборудования нуждается в обновлении надежными машинами и механизмами. Они предложили безабразивную ультразвуковую финишную обработку (БУФО) деталей. Главный процесс этой технологии – взаимодействие ультразвука с поверхностью детали, в результате которого сглаживаются вершины микронеровностей и значительно упрочняется поверхностный слой. Всего лишь один проход ультразвукового излучателя вдоль поверхности может уменьшить ее шероховатость (высоту микровыступов), например, с 6 до 0,1 мкм. Технология БУФО пригодна для большинства марок стали, алюминия, меди, ее сплавов и многих других цветных металлов и сплавов. Причем с равным успехом обрабатываются как цилиндрические (наружные и внутренние), так и шаровые, торцевые, конические поверхности, канавки, разнородные выступы и впадины. Для реализации этой технологии создана малогабаритная установка, которая может крепиться на обычном токарном или строгальном станке. Ее использование исключает в ряде случаев необходимость применения шлифовальных станков, уменьшает трудо- и энергозатраты, делает воздух в помещениях чище, так как обработка деталей ведется без абразивных материалов. И самое главное – эти детали изнашиваются медленнее, их надежность повышается в несколько раз. Так что уже многие российские заводы применяют технологию БУФО.
• В настоящее время чрезвычайно актуальна разработка методов изготовления нанокерамики – современного материала, обладающего ценными механическими и электрофизическими свойствами, стойкостью к коррозии и износу, жаропрочностью. Нанокерамику применяют ныне во многих отраслях промышленности, особенно в машиностроении, аэрокосмической технике, при из-готовлении различных датчиков, электронных схем и пр. Однако технология ее производства сложна, так как изготавливается она из керамических нано-порошков (порошков, частицы которых имеют наноразмеры). Одна из главных трудностей – сохранить структуру материала и специфические свойства нано-порошков при их компактировании. Ее преодолели специалисты Научно-исследовательского центра перспективных технологий «Спектр» Томского политехнического университета, создав новый метод сухого компактирования керамических нанопорошков с помощью ультразвука. Разработанная центром технология ультразвуковой обработки керамических нанопорошков позволяет обеспечить высокое качество конечного продукта, увеличить производительность процесса, а затраты значительно сократить. Этот метод применим для керамики многих назначений: конструкционной, сверхпроводящей, пьезо- и сегнетокерамики. Обычно в нанопорошки примешивают особые добавки-пластификаторы и только потом получившуюся смесь прессуют, иначе качественно спрессовать в нужную конфигурацию пыль, которую по сути представляют собой нанопорошки, не удается – в конечном продукте обязательно остается пористость. В новой технологии применен оптимальный режим ультразвукового воздействия на порошок, благодаря которому добавлять в него пластификаторы для компактирования не нужно. А поскольку наночастицы не подвергаются пластической деформации, их структура сохраняется – получается нанокерамика с минимальной пористостью без дополнительных примесей и с неизменной внутренней структурой исходного материала. По технологии УЗ-компактирования (она запатентована) теперь обрабатываются в Томске производимые в Южной Корее нанопорошки. Кроме того, пользуясь методом УЗ-компактирования, сотрудники «Спектра» изготавливают нанокерамику для озонаторов (она служит в них барьерным диэлектриком), которые вполне конкурентоспособны по отношению к американским и японским аналогам при сравнении их основных параметров, но они более компактны и менее энергозатратны.