Механизм терморегуляции пленки. Композит преобразует основную часть солнечной энергии, которая не используется для фотосинтеза, в энергию с квантовой энергией 0,124-0,127 эВ, что соответствует температуре 17-22оС. Это происходит при любой температуре внешней среды. Таким образом, в жару пленка охлаждает, а в прохладу – повышает температуру в теплицах. Из одного высокоэнергетического фотона образуется 20 и более фотонов с такой квантовой энергией. Кроме того, импульсное излучение, генерируемое композитом, проникает на глубину более 1 метра, прогревая почву, которая, впоследствии служит источником фононов, преобразующихся частично в фотоны, а частично поддерживают температуру почвы и корней растений.
Почему пленка не запотевает. Это связанно с тем, что градиент температуры в теплице небольшой, а нижний пленочно-керамический слой постоянно излучает энергию, что предотвращает конденсацию влаги на нем.
Как изготавливается полимер-керамический композит. Проводится подготовка пленочно-керамических композитных гранул. Для этого изготовленный порошок функциональной керамики со средним размером зерна 5-10 мкм, вводят сначала в количестве 5,0-10,0 масс. % в расплав полиэтилена при температуре ~100 оС. Полученная композитная суспензия тщательно перемешивалась для равномерного распределения керамических частиц, а затем пропускалась через гранулятор. В результате получаются композитные крошки (гранулы) радиусом 1 мм, длиной 4 мм. Из них уже формируется пленка с помощью экструдера
Почему нет испарения (механизм) в теплице и что это дает. 1. Так как квантовая энергия преобразованного композитом соответствует температуре 17-22 оС, то и испарение резко снижается. 2. Керамический слой дает мощное импульсное излучение, что резко снижает конденсацию на композите.
Какое еще применение может найти композит, кроме парников и теплиц. Это позволит осваивать пустыню, переводя ее в оазис. Обеспечивать комфортные условия в помещениях и на открытом воздухе, за счет стабилизации температуры и снижения испарения влаги.
Почему нет характерного запаха в теплицах при использовании композита. Композит обеспечивает, так называемую, низкотемпературную стерилизацию, разработанную нами. Принцип действия заключается в следующем. Любой организм, будь то бактерия, грибок, вирус и т.д. размножается, копируя ДНК или РНК. Копирование включает процесс синтеза. Этот синтез осуществляется определенным ферментом, проводящим этот процесс. В момент копирования идет рост цепи ДНК или РНК. Этот рост идет через образование фермент-субстратного комплекса, который представляет из себя все удлиняющийся радикал. Импульсная керамика образует из воды, липидов или супероксидов вспомогательные радикалы. Второй импульс проводит реакцию рекомбинации растущих радикалов микрофлоры (фермент-субстратные комплексы) с этими вспомогательными радикалами. Стерилизация происходит за счет инактивации ферментов, отвечающих за копирование ДНК микроорганизмов.
В чем заключается механизм улучшения фотосинтеза. Функциональная керамика состоит из нескольких видов преобразователей. Один из них генерирует импульсное излучение в диапазоне 620-680 нм, что является необходимым излучением для фотосинтеза. Кроме того, при освещенности ниже определенного порога, в зависимости от типа с/х культур, фотосинтез не идет. Если подавать это излучение импульсно, то плотность излучения в импульсе значительно превосходит этот порог даже в сумерки.
Чем объясняется быстрый рост растений и их устойчивость к заболеваниям. В любых видах семян имеется фитохром, который активно управляет активностью ферментов и, соответственно, ростом и развитием растений. Фитохром, выделенный из растений, может существовать в двух формах – Ф730 и Ф660, которые различаются по спектрам поглощения. Эти формы способны к фотохимической конверсии, происходит взаимопревращение Ф730 и Ф660. При освещении семян, появляется форма Ф730 (при хранении семян в темноте имеется только неактивная форма Ф660) и устанавливается определенное динамическое равновесие, а соотношение Ф730/Ф660 определяется спектральным составом света. Квантовый выход реакции Ф660 в Ф730 близок к единице, тогда как обратной реакции – он несколько ниже 0,3. Таким образом, фитохром имеет два конформационных состояния – активное, когда он стимулирует активность ферментов и как следствие, поставку необходимых для роста растений соединений и неактивное, когда он переводит ферменты в неактивное состояние. Он может переходить из одного состояния в другое под воздействием света с длиной волны 660 нанометров (активное состояние) и 730 нанометров (пассивное состояние). Учитывая, что 660 нм является той частью спектра, которая отвечает за фотосинтез, а композит генерирует эту энергию в импульсном режиме, происходит активация фитохрома. Фитохром в активной форме стимулирует ферменты, ответственные за рост и развитие растений. Именно этим объясняется быстрый рост и устойчивость к заболеваниям.
Чем объясняется высокая урожайность при использовании композита. Во-первых, оптимальными температурными и другими условиями, которые обеспечиваются композитом. Кроме того, важным фактором является то, что процессы фотосинтеза включают в себя световые и темновые реакции. Хлорофилл поглощает квант света с нужной энергий, допустим за период t. Усвоение этого кванта растением требует в 50-70 раз больше времени, чем t. При слабом освещении, — в вечернее, раннее утреннее, пасмурной погоде, а также при высокой или слишком низкой температуре окружающей среды, скорость фотосинтеза снижается вплоть до нулевой. Оптимизация температуры, активация фитохрома, импульсная генерация красного света высокой плотности даже при слабом освещении, позволяет растениям поглощать фотоны при слабой внешней освещенности, резких скачках внешней температуры, а также из-за того, что композит обеспечивает хороший прогрев почвы и сохранение влажности до 6 раз дольше, чем при использовании обычного полиэтилена.
Почему сохраняется температура в ночное время. Кроме перечисленного, это связано с тем, что в композит добавляется функциональная керамика с фронтом нарастания импульса, соответствующего 3,2-3,6 мкм. Полиэтилен не прозрачен в этом диапазоне, чем объясняется хорошее сохранение тепла. Кроме того, импульсы, генерируемые функциональной керамикой, прогревают почву на глубину 50-100 см. Таким образом, почва работает как естественный тепловой аккумулятор.
На сколько возрастает цена композита относительно обычных пленок. При массовом производстве керамики, не более, чем на 20-25%, так как преимущественно используется местное сырье, в основном, конечные отходы меднорудного комбината, г.Алмалык.
Использование композита дает следующие преимущества:
- Снижается расход топлива, как минимум на 40-60% (в реальности, мы ни разу не подключали отопление. Приемлемая температура сохранялась круглый год).
- Урожайность повышается на 30-50% (реально урожайность повысилась в 3 раза для помидор, при испытаниях в теплицах 3 теплицах размером 60Х10 метров каждая); снижается расход воды (до 6 раз).
- Не образуется конденсата, который превратившись в лед или укрупнившись, падает на растения и калечит их.
- Обеспечивается дезинфекция помещений и устраняются неприятные запахи жизнедеятельности патогенных микроорганизмов.
- Не наблюдается заболеваний растений по этой же причине.
- И что характерно, пчелы выбирали именно теплицы с композитом, что обеспечивало хорошее опыление растений и, как следствие, высокую урожайность.
- Насекомые значительно лучше опыляют растения под композитом, чем под обычным полиэтиленом.
- Кроме того, преобразование УФ области спектра солнечного излучения, не только дает до 50 фотонов с нужной энергией для комфортных условий, но и защищает композит от разрушения, которое обусловлено именно УФ-излучением. Таким образом, идет реальная экономия по расходу полимерного покрытия. При сравнительных испытаниях на паркентской территории, где высокий уровень УФ, обычной полиэтиленовой пленки и композита, в период февраль-декабрь 2021, обычную пленку пришлось менять 6 раз, из-за разрушения под действием УФ, а композит – до сих пор в отличном состоянии. Он совершенно не изменился.
Таким образом, более высокая стоимость композита относительно обычной пленки, окупается многократно, в том числе и за счет резкого снижения трудозатрат, при выращивании и поддержании теплицы в должном состоянии, экономии топлива, повышения урожайности, снижения заболеваемости растений и т.д.
Теоретической предпосылкой к решению данной задачи, явилась работа Р.Феймана по квантовой электродинамике, за которую он получил нобелевскую премию.
Приведем в заключении такой факт: Китайская пустыня превратилась в оазис после 70 лет озеленения.
Пустыня Му-Ус, одна из четырех главных пустынь в Китае, «исчезла» с карты северо-западной провинции Шэньси, поскольку 93,24% опустошенных земель стали зелеными.
Начиная с 1959 года, местные жители сажали деревья, чтобы сдержать вторжение песчаных бурь. Многолетние усилия расширили зеленую часть до 400 километров к северу.
«Говоря, что пустыня исчезла на карте, мы имеем в виду, что опустевшая земля исчезла на сегодняшний день. Если мы продолжим наши усилия, то оставшиеся около 30 000 гектаров площади со смещающимися песчаными дюнами исчезнут», — прокомментировал Дан Шуанжэнь, глава лесного бюро провинции Шэньси.
В 1950-х годах в городе Юйлинь уровень лесного покрова составлял всего 0,9%, но сейчас он достиг 33%.
Сейчас местные жители прилагают все усилия, чтобы наверстать время, потерянное из-за пандемии COVID-19. Они планируют высадить деревья на 400 гектарах песчаной земли до конца мая.
Озеленение пустыни привело не только к решению проблемы с песчаными бурями, оно представляет комплексное развитие региона. Теперь местность может производить более 1000 килограммов продовольственного зерна, раньше цифры варьировались от 100 до 150 килограммов. Также, в прошлом доход на душу населения составлял всего 200 — 300 юаней (30 — 40 долларов), но сейчас он превышает 30 000 юаней (4 200 долларов), об этом сообщает Ши Гуаньинь, секретарь парткома деревни Шилиша, Диньбянь.
Если Китай, не имея композита легкий туман превратить пустыни в сад, то по какой причине нам не заниматься этим, имея композит, который не только снижает испарение влаги, но и стимулирует развитие растений, а также стабилизирует температуру? Возможно, что целесообразно начать проект с относительно засухоустойчивых растений или микроводорослей, которые могут дать до 80% жирных кислот. Это отличное сырье для производства многих необходимых веществ, в том числе и топлива. Считаю, необходимым проведение подобных экспериментов целесообразным для нашей страны, которая на 70% состоит из пустынь.
Китай обратился к нам с таким предложением и готов сотрудничать в производстве полимер-керамического композита для освоения пустынных земель и проведения натурных исследований.
С учеными Германии нами проработана ориентировочная технология использования пленочно-керамических композитов двух типов – для теплиц и для сушки, выращивания и обработки микроводорослей в пустынных зонах. Кроме выращивания, большую часть энергозатрат составляет сушка в этой технологической цепи. Применение специального композита позволит создать непрерывную линию по выращиванию и сушке микроводорослей в пустынной зоне.
Решение этой задачи позволит существенно снизить энергопотребление и, что особенно важно, резко снизить выброс углекислого газа, как за счет экономии топлива, так и за счет фотосинтеза микроводорослей, а главное, расширить зону комфортной доли земли.
Следующей нашей целью является создать такой композит, который автоматически увеличивал долю излучения с длиной волны 9,7-10 микрон при понижении температуры ниже определенного значения, за счет снижения красной части спектра, которая имеет значительно большую энергию. Это связано с тем, что при низких температурах процессы фотосинтеза резко замедляются и нет необходимости подавать излишнее количество энергии в этом диапазоне. В то же время, для сохранения растений, снижения внешнего обогрева, оптимально изменить спектр излучения, генерируемого функциональной керамикой в область дальнего ИК-излучения, так как из одного красного фотона могут образоваться до 10 и более фотонов с длиной волны 10 мкм.
В жаркое же время, целесообразно подавлять генерацию импульсов с длиной волны 3,2-3,6 мкм, так как полиэтилен не пропускает такое излучение, что приведет к снижению эффекта охлаждения.
Также необходимо работать над созданием полимер-керамического композита на основе других материалов, например, акрила или полиамида. Они имеют близкий к стеклу внешний вид, высокую прочность, устойчивость к неблагоприятным факторам, но главное, ими можно остеклять жилые помещения и, таким образом, стабилизировать температуру, создавая комфортные условия без затрат энергии на обогрев или охлаждение, при ее внешних изменениях. Решение этих задач вполне осуществимо. Требуется накопление результатов экспериментов в этом направлении и создание базы данных. Другими словами, провести серию фундаментальных исследований в этом направлении. Самое главное – имеется механизм преобразования солнечной энергии. Остается только оптимизировать функциональную керамику под конкретные цели.
Результаты сравнения композитных пленок с обычной для керамики, полученной по новой технологии
Основной проблемой является сложность производства функциональной керамики на солнечной печи в промышленных масштабах. Разработан метод получения такой керамики по обычной технологии. Однако, они не имеют всех перечисленных выше свойств. Как было описано в нашей статье, Большая Солнечная Печь (БСП), открывает новые возможности синтеза совершенно оригинальных материалов с комплексом уникальных свойств. Как показали наши многолетние исследования, под воздействием мощного потока фотонов с широким спектральным набором энергий можно реализовать все допустимые метастабильные состояния получаемых конечных химических соединений и осуществлять многие фотохимические процессы, которые невозможны при других методах синтеза. Обнаружен принципиально новый механизм преобразования энергии первичного источника в импульсное излучение с регулируемыми параметрами, в частности, возможность регулирования фронта нарастания импульса инфракрасного (ИК) излучения. Показано, что свойства одного и того же химического соединения под воздействием ИК-излучения функциональной керамики с различной скоростью фронта нарастания импульса в корне отличаются. В связи с этим, синтезированная обычными методами функциональная керамика была активирована импульсным излучением, генерируемым функциональной керамикой.
слева с керамикой ZB1, справа – ZB2
по новой технологии
по новой технологии
Выводы. Таким образом, теперь мы можем производить функциональную керамику в любых требуемых объемах, тем более, что основным сырьем для ее производства служат конечные отходы АГМК, которых скопилось несколько миллиардов тонн.
Эффективность композита показывает следующий фильм.