Лазер как замена химическим удобрениям

Рейтинг брокеров бинарных опционов за 2020 год:
  • Binarium
    Binarium

    1 место — лучший брокер этого года! Лучший выбор для новичка и средне-опытного трейдера. Куча бонусов и бесплатное обучение торговле!

  • FinMax
    FinMax

    2 место в рейтинге за разнообразие торговых инструментов! Только для опытных трейдеров.

Лазер как замена химическим удобрениям

Лазерная очистка поверхности

В то время, как лазерная сварка, прошивка отверстий и резка известны уже многие годы, технология лазерной очистки все еще считается нишевой. Она долгое время не применялась в промышленности, несмотря на возможность удаления большей части органических загрязнений.

Сегодня широкий спектр систем на основе импульсных лазеров находит свое применение для очистки или удаления покрытий. Лазерное оборудование применяется для удаления слоя краски с деликатных поверхностей, снятия изоляции с проводов, отчистки поверхности, удаления остатков вулканизации резины на пресс-формах для покрышек и пр. Все эти операции в том или ином роде могут быть отнесены к «очистке».

Почему лазерное излучение?

Развитие лазерной очистки произошло под влиянием потребности в неабразивной и безопасной очистке, способной заменить использование химических растворителей и механических абразивных систем.

Одной из ключевых проблем, характеризующих большинство традиционных методов очистки, является повреждение подложки и негативное влияние на окружающую среду. Абразивная очистка повреждает деликатные поверхности и сопровождается большими объемами загрязнения. Использованию же химических растворителей сопутствуют жидкие отходы и потенциально опасные испарения. Подобные проблемы и привели к созданию первых чистящих лазерных систем.

К преимуществам лазерной очистки поверхности относятся следующие:

  1. бесконтактный / неабразивный процесс;
  2. отсутствие химических растворителей или частиц абразива;
  3. снижение объемов загрязнений;
  4. возможность автоматизации;
  5. безопасность.
Тип процесса Взаимодействие с основой Безопасность и экология Автоматизация
Химические растворители Не повреждает Большой объем загрязнений (опасные расстворители), тре­бующий специальной утилизации. Оператору требуются средства защиты. Низкая — Средняя
Пескоструйная обработка Высокая абразивность, не подходит для очистки деликатных поверхностей Большой объем загрязнений (песок, пластиковые гранулы и т.п.). Средняя — Высокая
Очистка сухим льдом Неэффективна для очистки деликатных поверхностей Очень шумная. Опасные испарения. Низкая. Ручная обработка.
Лазерная очистка Не повреждает Низкий объем выбросов (только удаляемый материал) Высокая

Как работает лазерная очистка поверхности

Рейтинг брокеров бинарных опционов с русским языком платформы:
  • Binarium
    Binarium

    1 место — лучший брокер этого года! Лучший выбор для новичка и средне-опытного трейдера. Куча бонусов и бесплатное обучение торговле!

  • FinMax
    FinMax

    2 место в рейтинге за разнообразие торговых инструментов! Только для опытных трейдеров.

Практически все технологии лазерной очистки основываются на импульсном лазерном излучении, при этом значения выходной мощности, длины волны излучения и параметров самого импульса могут значительно отличаться.

Сверхкороткие импульсы (порядка нано- – микросекунд) с мощностью в несколько миллионов Ватт направляется на очищаемую поверхность. Воздействующая энергия приводит к взрыву загрязнения, часть которого испаряется, а остатки рассеиваются в виде пыли, и могут быть удалены системой фильтрации. Этот процесс повторяется до достижения необходимой глубины снятия. Лазерное излучение поглощается органическими материалами, такими как краска, изоляция или резина. Металлические поверхности, такие как формообразующая для покрышки или медная жила, отражают лазерное излучение. В результате на подложку не оказывается механического, химического или теплового воздействия.

Глубина абляции может контролироваться с точностью до 5-10 мкм, что делает возможным выборочное удаление покрытий. Это особенно важно, если необходимо удалить только часть из многослойной окраски, удалив верхний слой, без повреждения подложки.

Существует целый ряд импульсных лазеров на YAG:Nd, CO2 и диодные. Для очистки поверхности доказывают свою эффективность CO2-TEA лазеры, и до сегодняшнего дня большинство установок по лазерной очистки строится на их основе*.

Применение и экономика

В технологии лазерной очистки можно различить микро-, макро- и крупно-масштабные применения. Что касается стоимости вложений, то они напрямую зависят от требуемой мощности лазера, определяющей, как быстро необходимо производить очистку и каков объем удаляемого материала.

В электронной индустрии существует потребность в зачистке проводов для проведения приварки или припайки разъемов, клемм или соединителей. Так, изоляция на тонких проводах, таких как плоские, может эффективно удаляться, без повреждения медного проводника. В отличие от механической зачистки, лазер способен удалять изоляцию толщиной от 1 мкм или серебряное покрытие проводника, без воздействия на слой с антикоррозийной защитой. Лазерные установки позволяют выполнять тонкие надрезы и формировать окна на тонких проводах, печатных платах и подобных компонентах с большей точностью и гибкостью, чем механические способы.

На автомобильные тормозные системы или системы охлаждения наносят полиамидные покрытия, защищающие их от износа и коррозии. Для установки выводов необходимо зачищать покрытие на концах трубок. Лазерные системы способны успешно удалять покрытие без повреждения мягкой алюминиевой сердцевины.

Для таких применений бюджет систем начинается от $ 150 000, а производительность системы может достигать скоростей в одно изделие за несколько секунд, в зависимости от удаляемого материала.

При производстве изделий из резины и при производстве покрышек возникает потребность в очистке форм после того, как форма выполнит несколько сотен изделий. Пресс-формы, в которых происходит остывание, необходимо демонтировать и очищать при помощи механических установок или химических растворителей. Процесс отнимает много времени, а также может повредить дорогую оснастку. Очистка формы для покрышки типового пассажирского автомобиля занимает около восьми машинных часов, и примерно столько же времени уходит на сопутствующие работы. Применение лазера позволяет очищать формы без демонтажа, непосредственно на рабочем станке, при этом, без возможных повреждений. Мобильная лазерная установка способна за 45–60 минут очистить пресс-форму для покрышки, площадь которой составляет немногим меньше 1 м 2 .

Подобные системы используют пять из десяти крупнейших производителей автопокрышек, каждому из которых такая установка обошлась в $500 000.

В качестве других примеров макро–применений, в том числе мобильных, можно привести удаление краски с аэрокосмических приборов, деталей автомобилей и т.п.

С начала 1990-х коммерческие и военные самолеты должны регулярно очищаться от краски для проведения D-check проверок и работ по обслуживанию. С увеличением законодательных запретов на применение химических растворителей лазерные технологии могут предложить потенциальную замену. Вместе с этим, лазерная очистка разрабатывается для удаления красок на основе свинца с мостов и корпусов кораблей.

Многочисленные научно-исследовательские проекты совместно с промышленниками и при финансовой поддержке государственных институтов дали неоднозначные результаты. На сегодняшний день лишь небольшое число промышленных лазерных систем используются для снятия краски с деталей самолетов и вертолетов, что доказывает потенциал данной технологии. При этом, шагов к полной зачистке воздушных судов, железнодорожных вагонов или зданий от краски не было сделано до сих пор.

Применяемые в автоматизированных линиях на базе многокиловаттных лазеров решения обходятся в $1 – 2 млн., позволяя очищать 10 – 20 м 2 /час. Существует также возможность повысить производительность.

Оборудование для лазерной очистки

Из-за многообразия задач и деталей установки по лазерной очистке редко бывают оборудованием «со склада». Ключевым в подобных системах является принцип перемещения луча по детали. В некоторых решениях луч сканируется по поверхности (так например, при очистке пресс-форм, снятии краски), в то время как в других луч остается неподвижным, над перемещающейся деталью (удаление изоляции проводов).

Подготовлено по материалам:
JÖrg Jetter – Laser surface cleaning [ILS]

* Прим. переводчика: Оригинальная статья была опубликована в [ILS] в 2002 году и отражает ситуацию на тот момент времени.

Мобильная установка для
лазерной очистки поверхности

Применение

Испытания

Свойства

Химические лазеры

Перспективы

Применение

Применяются в операциях резки и сварки трехмерных изделий из листовой стали (в режиме непрерывной генерации), резки алюминиевых сплавов, и в операциях очистки поверхности (в режиме модуляции добротности), сварки и резки нержавеющей стали, с подачей излучения по оптоволокну (ø 150 мкм), включая применение в робототехнических системах для чистовой сварки трехмерных изделий.

Полупроводниковые лазеры лежат в основе современных систем передачи данных. Эти приборы с высоким коэффициентом полезного действия преобразуют электрическую энергию в световое излучение. В зависимости от мощности системы, КПД может варьироваться от 40 до 85%. Современные полупроводниковые лазеры в больших количествах применяются в телекоммуникационном оборудовании для ВОЛС и сочетают в себе одновременно генератор несущей и модулятор.

Твердотельный лазер (ТТЛ) специалисты США рассматривают как один из наиболее перспективных генераторов для систем лазерного оружия самолетного базирования, предназначенного для борьбы с баллистическими (БР) и крылатыми (КР) ракетами различного базирования и назначения, самолетами, подавления оптикоэлектронных средств ПВО и защиты своих самолетов-носителей ядерного оружия от управляемых ракет противника.

ВМФ США рассчитывает, что боевые корабли уже в следующие десять лет будут оснащаться твердотельными лазерами. Это позволит нейтрализовывать вражеские суда и, со временем, даже сбивать направленные на корабль ракеты.

В 1961 г. Дж. Полани обратил внимание на возможность использования химической энергии для возбуждения молекул и создания инверсии населенностей. Первый лазер, действующий по этому принципу, создали через четыре года Дж. Каспер и Дж. Пиментал. Они использовали реакцию синтеза соляной кислоты из хлора и водорода (Н2), инициированную соответствующим светом, которая протекает по схеме:

Химические лазеры имеют большую эффективность – удается снимать большую мощность с единицы расхода (200-300 кВт с 1 кг/сек) – габаритные размеры лазерных комплексов получаются относительно небольшими и обладают рядом достоинств. Это короткая длина волны излучения (малая угловая расходимость, наличие «окна прозрачности» земной атмосферы для НХЛ), непрерывный режим работы (длительность зависит от запаса компонентов, и может составлять 10 – 100 секунд), возможность масштабирования, малое потребление энергии, автономность.

химические лазеры поражают цели когерентными лучами за счет теплового воздействия.

С помощью ХЛ сегодня можно получать непрерывное излучение мощностью в несколько мегаватт. Это достигается благодаря тому, что в химических лазерах можно организовать прокачку больших расходов активной среды через резонатор.

Первые успешные наземные испытания химического лазера ATL (Advanced Tactical Laser), который должен быть установлен на борту самолета C-130H, прошли 13 мая. «Лазерная стрельба» производилась через отверстие диаметром 125 см, расположенное в днище фюзеляжа модифицированного военно-транспортного самолета. Как отметил вице-президент и главный менеджер противоракетных систем компании «Боинг» Скотт Фанчер, «Первые стрельбы лазера, установленного на самолет показывают, что программа идет нужным темпом в направлении создания высокоточного оружия, которое значительно снизит сопутствующий ущерб».

Областями применений химических лазеров, в основном, являются военные задачи, например, в качестве противоракетного оружия, которое будет работать даже на борту больших самолетов.

СХЛ применяется в таких областях, как дистанционное разделение материалов в опасных условиях (утилизация ядерных реакторов), очистка орбиты от мелкого космического мусора и применение лазеров этого типа в системах специального военного назначения (лазерное оружие).

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

От удобрений до лазерных монокристаллов. Тернистый путь чистоты

Максим Абаев, Илья Комендо

Если вы посмотрите на состав минеральных удобрений, то наверняка найдёте там фосфаты — соли фосфорной кислоты, которые как раз содержат необходимый для растений фосфор. Производители удобрений, как правило, стремятся в одном веществе совместить как можно больше нужных растениям элементов. Так, фосфат аммония — это удобрение, содержащее фосфор и азот; калийная селитра содержит калий и азот, а дигидрофосфат калия — фосфор и калий. Однако не будем превращать статью в методичку для начинающего агронома по выбору минеральных удобрений и перейдём к ответу на более интересный вопрос: так всё же при чём здесь «термояд»?

Раз уж мы рассказали в общих чертах про сельское хозяйство, то стоит сказать и пару слов о термоядерной энергетике. Нет ничего проще, чем увидеть реально работающий термоядерный реактор: для этого надо в ясный день надеть тёмные очки и посмотреть на Солнце. В нём на расстоянии приблизительно 150 млн км от Земли ядра атомов водорода превращаются в ядра атомов гелия, излучая при этом огромное количество энергии, которая в виде света доходит до нашей планеты. Физики быстро поняли, что сделать реактор по типу нашего Солнца, пусть и в намного меньших масштабах, не получится и надо искать другие пути осуществления термоядерной реакции.

На сегодняшний момент наиболее перспективными видятся две схемы управляемого термоядерного синтеза: квазистационарная и импульсная. Первая схема заключается в создании и удержании высокотемпературной плазмы в сильном магнитном поле. Именно по такому принципу сейчас строится международный экспериментальный термоядерный реактор ITER во Франции, который планируют запустить к 2025 году. Второй способ — импульсный, где короткие вспышки сверхмощных лазеров направляются на небольшую мишень, размером порядка миллиметра, в которой находится термоядерное топливо. Например, в научном комплексе NIF Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса находится установка из 192 лазеров общей мощностью 500 ТВт. Чтобы передать такую колоссальную энергию светового пучка, нужны специальные системы, — и вот тут как раз и «всплывает» известный уже нам по грядкам с овощами дигидрофосфат калия.

Как оказалось, монокристаллы этого вещества обладают уникальными физико-оптическими свойствами, которые позволяют использовать их в качестве элементов для нелинейной оптики. Монокристаллы дигидрофосфата калия (сокращённое название KDP) могут удваивать частоту света, сгенерированного лазером. Если вы возьмёте твёрдотельный неодимовый лазер, так называемый Nd:YAG-лазер, и направите его луч на монокристалл KDP, то излучаемый лазером не видимый глазом свет с длиной волны 1064 нм на выходе будет иметь зелёный цвет, соответствующий длине волны 532 нм. Это свойство KDP как раз и применяется в установках инерциального термоядерного синтеза, таких как NIF в Ливерморской лаборатории, или строящаяся установка УФЛ-2М в нашем Сарове: высокочастотное излучение обеспечивает более эффективный нагрев термоядерной мишени. Ожидается, что 192-канальная твёрдотельная лазерная установка на неодимовом стекле УФЛ-2М, которую планируется запустить к 2020 году, станет на тот момент самой мощной в мире.

Так что же там с монокристаллами KDP? Как оказалось, выращивание монокристалла подходящего размера — задача весьма сложная. Во-первых, для большого мощного лазера нужен соответствующий оптический элемент, полученный из монокристаллической заготовки размерами 40х40 см. Во-вторых, применяемая сегодня технология скоростного выращивания монокристаллов предъявляет к чистоте исходного сырья самые высокие требования. Это связано с тем, что различные примеси негативно влияют как на сам процесс роста монокристалла, так и на конечные свойства оптического элемента. Например, даже незначительные концентрации ионов алюминия или железа способны в несколько раз замедлить скорость роста граней монокристалла и нарушить его внутреннюю структуру. Под словом «незначительные» подразумеваются действительно мизерные количества примесей: порядка одного атома железа на 4 миллиона молекул дигидрофосфата калия. Наверняка у читателя возникнет вопрос: почему же используют такую технологию, для которой необходимо сырьё столь высокой чистоты? Всё дело в том, что скорость роста граней монокристалла KDP при выращивании по традиционной технологии составляет не более 1 мм в сутки. Нетрудно посчитать, что для того, чтобы вырастить монокристалл требуемого размера, потребуется больше одного года. За такое длительное время монокристалл может разрушиться под собственной же нагрузкой, а какие-либо эксцессы, вроде перебоев с электропитанием или подпиткой кристаллизатора сырьём, ставят крест на процессе роста монокристалла и требуют его перезапуска. К тому же по традиционной технологии монокристалл выращивается в естественной, природной огранке, обусловленной гранями бипирамиды и призмы, в то время как для оптического элемента нужна заготовка строго определённого кристаллографического направления. Это приводит к тому, что при изготовлении оптических элементов реально используется только 10% от объёма выращенного монокристалла, остальное отправляется в кристаллизатор на повторный рост. Разработанная в Институте прикладной физики Российской академии наук технология скоростного роста позволяет получать монокристаллическую заготовку калия дигидрофосфата определённого кристаллографического направления в сроки до двух месяцев. Выгода налицо, согласитесь!

Поэтому физикам, чтобы вырастить крупногабаритные монокристаллы для нелинейной оптики, нужен KDP, в котором суммарное содержание примесей меньше тысячной доли процента, — магазин садовых удобрений в качестве источника сырья тут явно не поможет. Поскольку монокристаллы для преобразователей частоты сверхмощных лазеров — товар уж совсем никак не массового потребления, то и во всём мире производителей особо чистого KDP для этих целей можно пересчитать по пальцам. Произвести несколько тонн вещества — а именно такие объёмы требуются для проектов, подобных УФЛ-2М, способна и вовсе одна-единственная компания. Эта компания находится в США, и время поставки сырья может оказаться намного больше времени роста даже самого крупного монокристалла; валютные курсы и политическая ситуация также не очень благоприятствуют импорту, — всё это потенциально ставит под угрозу реализацию проекта УФЛ-2М. К счастью, решение есть. В Институте реактивов и особо чистых веществ в Москве на базе лаборатории неорганических технологий ведётся разработка технологии глубокой очистки KDP, пригодного для использования в нелинейной оптике. Химиками из ФГУП «ИРЕА» уже получены образцы дигидрофосфата калия, по чистоте даже превосходящего импортный аналог и в количестве достаточном, чтобы вырастить крупногабаритный монокристалл.

В качестве эпилога хочется добавить, что не всегда заметно, какую роль играют особо чистые вещества или материалы на их основе в повседневной жизни. На примере дигидрофосфата калия мы только что проследили путь вещества от грядки до сверхмощной лазерной установки. Вместе с тем оптоволоконные и полупроводниковые материалы, компоненты микроэлектроники, изготавливаются из исключительно высокочистых веществ, где бывает даже важна не только химическая, но и изотопная чистота. Развитие отрасли высокочистых веществ позволит стране держать мировой уровень во многих областях науки и техники.

Платформы бинарных опционов, дающие бонусы за регистрацию:
  • Binarium
    Binarium

    1 место — лучший брокер этого года! Лучший выбор для новичка и средне-опытного трейдера. Куча бонусов и бесплатное обучение торговле!

  • FinMax
    FinMax

    2 место в рейтинге за разнообразие торговых инструментов! Только для опытных трейдеров.

Добавить комментарий