Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел
В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50 % бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.
Тем не менее уже имеющиеся научные достижения, основанные на нанотехнологиях в производстве высокоэффективных мембран, катализаторов и электродов, помогут снизить себестоимость топливных элементов, а также повысить их КПД. Наиболее востребованным рынком для топливных элементов может стать аэрокосмическая отрасль, автомобильная промышленность и агропромышленный комплекс.
Использование биологических механизмов для производства и хранения энергии в технических устройствах (биоэнергетика) пока остается гипотетической задачей. Фундаментальные исследования в этом направлении сконцентрированы только на понимании биохимических процессов фотосинтеза и анализа возможных путей реализации данных процессов в технических системах.
Эффективность биологических катализаторов (энзимов) в живой природе достигает 100 %, что, конечно, является недосягаемой величиной при любом современном технологическом процессе синтеза. По данным Brookhaven National Laboratory и Rutgers University, экспериментальный катализатор из наночастиц золота на поверхности из диоксида титана оказался в 10 раз активнее при разложении двуокиси серы (SO2), составляющей основу кислотных дождей и смога, по сравнению с действием промышленно выпускаемых нейтрализатором отработавших газов автомобиля. Именно размеры и электронная структура наночастиц имеют решающее значение при повышении эффективности катализаторов.
Для успешного решения поставленных задач необходимо разработать новые методы синтеза металлических нанокластеров строго определенного размера, формы и внутреннего строения (архитектуры) на основаниях с нанесенными наночастицами оксидов металлов. Например, применение наночастиц рутения, осажденных на графитовую подложку, для производства азота позволяет значительно снизить затраты по сравнению с применяемыми в настоящее время промышленными катализаторами. Следует отметить, что на выполнение данного технологического процесса (одного из самых энергозатратных в современной промышленности) затрачивается около 1 % всего мирового потребления электроэнергии.
Распределение и хранение энергии
В сфере распределения, передачи, аккумулирования и хранения энергии наиболее перспективными возможностями применения наноматериалов и нанотехнологии являются высокоэффективные проводящие системы (провода, трансформаторы и другие устройства), а также перезаряжаемые аккумуляторы и суперконденсаторы.
Значительные потери электроэнергии происходят в процессе передачи их от производителя к потребителю. При огромных расстояниях, характерных для нашей страны, проблема качества токопроводящих материалов (кабелей и проводов) и соответствующего приборного обеспечения наиболее актуальна.
Одной из задач нанотехнологий является разработка наноструктурных электротехнических проводов нового класса для различных линий электропередач со сверхвысокой прочностью (на уровне стали 1200–1500 МПа) и электропроводностью (на уровне 60–75 % от электропроводности высокочистой меди) с нанометрическим уровнем дисперсности микроструктуры.
К таким разработкам следует отнести нанокомпозиционные электрические провода с высокой прочностью и электропроводностью, состоящие из наноструктурных волокон серебра, распределенных в матрице меди, а также сверхпрочные высокопроводящие кабели на основе интерметаллидов.
Немаловажная задача – разработка и производство специальных проводящих материалов для радиоэлектронной техники и будущих нанометрических устройств. К таким разработкам относятся:
• нанопроволока на основе оксида индия;
• ультратонкие провода на основе наночастиц золота;
• наноструктурные композиционные сверхпроводники NbTi с низкими энергетическими потерями в быстроменяющих-ся магнитных полях для магнитных систем синхротронов SIS-100 и SIS-300 международного проекта FAIR;
• термопарная проволока для высокочувствительных измерений температуры на основе наноструктурированного сплава никеля и другие разработки.
При разработке новых конструкций аккумуляторных батарей и суперконденсаторов ожидается, что наноматериалы окажут решающее значение при решении следующих основных задач.
1. Увеличение плотности энергии и мощности, в том числе для классических батарей.
2. Улучшение показателей продолжительности и эффективности цикла зарядки батарей.
3. Повышение общего срока службы (циклов «заряд-разрядка»).
4. Снижение токсичности применяемых материалов (в том числе возможных перспективных наноматериалов будущих элементов).
5. Снижение взрывоопасности и пожароопасности (так как, например, наночастицы гидридов металла обладают высокой опасностью воспламенения).
Нанокристаллические композитные материалы и нанотрубки планируется использовать для восстановления нормы графита в литиево-графитных электродах. Обеспечивая наноразмерной структурой значительную площадь рабочей поверхности, они смогут привести к увеличению плотности энергии, мощности и улучшению других показателей аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.
Наиболее перспективными нанотехнологическими разработками в этой области являются наноструктурированные аноды и катоды из наноматериалов, которые прочнее и до 100 раз мощнее традиционных изделий. Нанокерамические сепараторы и полимерные электролиты могут помочь увеличить мощность и надежность и выдержать до 500 циклов «заряд-разрядка» до полного истощения.
Использование нанокристаллических материалов и углеродных нанотрубок в качестве материалов для электродов в перезаряжаемых аккумуляторах (например, литиевых батареях) привело не только к уменьшению их размеров, но и к значительному увеличению плотности энергии и мощности, срока службы и количества циклов «заряд-разрядка».
Аналогичные результаты могут быть получены при применении нанопористых материалов для изготовления электродов разрабатываемых в настоящее время суперконденсаторов.
Развитие нанотехнологий позволит открыть новые потенциальные рынки для аккумуляторов и суперконденсаторов или их сочетания в наноэлектромеханических системах (роботах), мобильных телефонах, ноутбуках и т. д.
Сбережение энергии
В сбережении энергии наиболее значимые и высокоэффективные сферы применения нанотехнологий открываются при производстве материалов и устройств для улучшения теплоизоляции (аэрогели, умные стекла), более эффективного и экономичного освещения (светодиоды на основе полимерной органики ОЛЕД), использования традиционного углеводородного топлива (катализаторы), а также создании более легких материалов в машиностроении и транспорте.
Главное предназначение теплоизоляции – снижение скорости теплопередачи (фактически теплопотерь) вследствие теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а также любой комбинации этих энергетических процессов.
Снижение теплопотерь практически можно осуществить двумя основными способами.
1. Применением высокопористого материала, удерживающего газообразные вещества (воздух или иную среду) и предупреждающего конвекцию.
2. Использованием покрытий для отражения различного рода излучения (в основном, естественно, инфракрасного спектра) как снаружи, так и извне помещений.
В настоящее время для теплоизоляции все еще применяют стекловолокно, минеральную вату и шлаковату, но по мере разработки новых прозрачных аэрогелей и с уменьшением их стоимости эти материалы способны значительно повысить эффективность энергосбережения. Положительный опыт применения аэрогелей уже имеется при изготовлении изоляции трубопроводов (например, для природного газа).
В рамках начавшегося в 2005 году Датского исследовательского проекта в настоящее время разрабатываются новые аэрогели, которые можно применять в качестве светопроницаемого и одновременно изоляционного материала для покрытия в солнечных коллекторах.
Например, такие нанокомпозитные кремниевые аэрогели, как аэростекло (airglass), обладают низкой проводимостью, низкой плотностью твердых частиц, высокой пористостью, большой площадью поверхности и высокой диэлектрической проницаемостью, что делает их одним из лучших светопроницаемых изоляционных материалов.
В рамках этого проекта для повышения энергосбережения можно ввести понятие «умное остекление» помещений, способное реагировать на изменения в освещенности и температуре окружающей среды соответствующим изменением прозрачности и теплопроводности.
Углеродные аэрогели, обладающие электропроводящими свойствами и высоким коэффициентом оптического поглощения инфракрасного излучения, также являются перспективным материалом для высокотемпературной тепловой изоляции.
