Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

Будем надеяться, что технический прогресс в XXI веке позволит нам массово производить товары и машины, которые ранее были дорогостоящими, в том числе и из алмазов или наноматериалов. Например, компьютеры, сотовые телефоны и Интернет были фантастикой еще каких-нибудь 50 лет назад, роскошью – 20 лет назад, а теперь они не вызывают даже удивления ни у кого, кроме специалистов и ученых, понимающих, каких вершин мы уже достигли и что может ожидать человечество в будущем.

Еще в 1969 году Ю. Н. Арцутанов предложил не закреплять лифт на земной поверхности. Рассчитав соотношение орбитального движения и вращение связки двух спутников вокруг общего центра масс, можно в определенный момент одним из спутников «зависать» или медленно двигаться у поверхности Земли. При его прохождении над грузовым терминалом с помощью специальных устройств необходимый груз будет захватываться и выводиться на орбиту.

В 1975 году аналогичная система была повторно предложена американцем Гансом Моравеком (Hans Moravec) под названием «несинхронный космический лифт».

Еще более фантастический замысел создания лунного лифта принадлежит советскому ученому и изобретателю в области теории межпланетных полетов, реактивных двигателей и летательных аппаратов Фридриху Артуровичу Цандеру. В 1910 году Цандер предложил протянуть через точку либрации с поверхности Луны к Земле специальный трос (длиной более 60 тыс. км). Такой трос будет натянут гравитационными и центробежными силами, и по нему теоретически будет возможна перевозка грузов. Понятно, что трос будет натянут до тех пор, пока по нему не пойдет грузовой лифт, в этом случае все равно потребуются дополнительные затраты энергии и средств, кроме фантастических затрат на строительство самого троса.

В последние несколько десятилетий из-за очень высокой стоимости ракетных запусков концепцией «космического лифта» заинтересовалось Национальное аэрокосмическое агентство США (NASA). По предварительным расчетам, такой способ в будущем будет на порядок дешевле использования ракет-носителей. Впервые идея практического использования космического троса была реализована в 1966 году в спарке кораблей «Джемини-Аджена» (ленточное соединение), а затем – в 1981–1983 годах в американо-японских экспериментах с зондирующими ракетами. Также в 1987–1990 годах планировалось провести испытания полета орбитального самолета с закрепленным на нем с помощью троса спутником, который был отменен из-за аварии космического челнока «Челленджер».

Космическое агентство США уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного автоматически перемещаться по канату. В частности, NASA недавно объявило тендер на наиболее прочный образец троса из нанотрубок и эффективный способ удаленной подзарядки роботов.

Испытания с укороченным 400-метровым прототипом космического лифта успешно провела частная вашингтонская компания LiftPort, сообщается на сайте PhysOrg.com. Специальный робот в автоматическом режиме поднялся и опустился по «канату», прикрепленному к воздушному шару. К 2031 году LiftPort намерена применить «космический лифт» для коммерческой доставки грузов на орбиту.

Еще раз следует отметить, что все эти разработки смогут быть реально воплощены в жизнь только с развитием нанонауки, в частности молекулярной нанотехнологии сборки углеродных нанотрубок высокого качества.

Однако идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является как раз первооткрыватель фуллеренов Р. Смолли, признавший ряд положений молекулярной нанотехнологии (МНТ) Э. Дрекслера. Возникшие разногласия можно будет, вероятно, разрешить в будущем лишь путем эксперимента.

В целом, если не принимать в расчет первый японский «наноавтомобиль» на фуллереновых «колесах», именно невозможность практически изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей (молекул) является наиболее слабым местом молекулярной нанотехнологии.

В следующих главах нами будут подробно рассматриваться известные инкрементные нанотехнологии, находящие все более широкое применение в различных сферах деятельности человечества, в том числе энергетике, электронной промышленности, машиностроении, автомобилестроении, сельском хозяйстве, медицине и косметологии, а также в военной промышленности.

Нанотехнологии и энергоэффективность

Решая проблемы сегодняшнего дня, мы, конечно, должны думать и о будущем, и о том, какого рода энергоресурсы станут основой энергетики будущего.

Д. А. Медведев, Президент Российской Федерации

На сегодняшний день в центре исследований, проводимых учеными в энергетической сфере, стоят проблемы генерирования (преобразования и производства) энергии, ее накопление, передача, а также сохранение.

В настоящее время около 1,6 млрд человек не обеспечены электроэнергией, а у 2,4 млрд единственными источниками энергии и тепла являются сельскохозяйственные отходы и растительные материалы. Использование ископаемого топлива растет и может в ближайшее время удвоиться. С учетом имеющихся запасов природного топлива эта проблема будет с каждым годом только усугубляться.

Согласно прогнозам, спрос на электроэнергию к 2025 году вырастет на 50 %. Более того, по предсказаниям Ричарда Смолли, к 2050 году для удовлетворения своих нужд человечеству будет необходимо удвоить генерирование различных видов энергии.

В настоящее время вклад угля в мировое производство электроэнергии составляет более 37 %, природного газа – 19 %, гидроресурсов – 16 %, АЭС – 16 %, нефти – около 7 %. По прогнозам экспертов, до 2015 года удельный вес газа в мировом электроэнергетическом балансе должен снизиться более чем в три раза, а доля угля, к сожалению, останется на прежнем уровне.

Следует отметить, что соблюдение норм Киотского протокола по снижению выбросов парниковых газов влечет существенное удорожание производства электроэнергии. Затраты на снижение содержания оксида углерода при производстве электроэнергии на тепловых станциях приводят к снижению КПД от 10 до 15 % (в зависимости от применяемых технологий очистки).

Общеизвестна пагубная зависимость экономики России, не говоря уже об энергетике, от углеводородного сырья. Вследствие низких цен на газ его доля в общем энергетическом балансе составляет около 46 %, а доля угля – 18 %. Все чаще в СМИ и из уст политиков звучат тревожные слова «о нефтегазовой игле», разрушающей нашу экономику и способной привести к непоправимым последствиям для целостности и независимости государства.

Уже сейчас необходимо заниматься возобновляемыми источниками энергии, потому что рано или поздно они заместят действующие традиционные углеводороды.

Возобновляемые источники энергии включают использование ветровой и солнечной энергии, геотермального тепла (в перспективе – глубинного тепла [до 10 км], где температура пород достигает 300 °C) и энергии биомассы. Тем более что у России имеется опыт успешного строительства и эксплуатации геотермальных электростанций на Дальнем Востоке, а также приливных гидроэлектростанций на Кольском полуострове.

Основные преимущества возобновляемой энергетики – относительная неисчерпаемость ресурсов в обозримом будущем и экологическая чистота производства. По оценкам Американского института инженеров-электриков (American Institute of Electrical Engineers, AIEE), доля электроэнергии, полученной от возобновляемых источников, выросла с 1 % в 1980 году до 5 % в 2005 году. К 2020 году она составит уже не менее 13 %, а к 2060 году может достигнуть 33 %. В странах Европейского союза планируется также увеличение доли возобновляемых источников энергии в общем балансе энергоресурсов (производстве тепловой и электрической энергии) с 6 % (1996 год) до 12 % (2010 год), а в перспективе – до 20 % в 2020 году, особенно при использовании солнечной и ветровой энергии.

Аналогичные задачи ставит перед своей экономикой и руководство Китая, планируя к 2020 году довести долю возобновляемых источников до 15–20 %.

Однако для нашей страны развитие альтернативной энергетики на основе возобновляемых источников энергии – это еще и возможность значительного совершенствования производства, технологического прорыва и перевода экономики на инновационный путь развития.

В целях организации комплексного подхода к процессам энергосбережения в масштабах государства была разработана и принята Федеральная целевая программа «Энергоэффективная экономика» на 2002–2005 годы и на перспективу до 2010 года. При этом утвержденная программа должна стать одним из основных этапов, своего рода стартом основных механизмов реализации «Энергетической стратегии России на период до 2020 года».

Главная государственная цель программы – создание социально ориентированного энергетического хозяйства, за счет структурной перестройки энергопроизводящих и энергопотребляющих отраслей обеспечивающего эффективное энергосбережение в стране, надежное обеспечение энергоносителями отраслей экономики, снижение энергоемкости ВВП к 2010 году – на 26 % по отношению к психологическому рубежу 2000 года.