Нанотехнологии. Правда и вымысел - Виктор Балабанов

• обладающие необходимой механической прочностью аэрогели для солнечных коллекторов из объединенных в кластеры наночастиц (до 5 нм) и с полостями (до 100 нм), занимающими до 99 % объема;

• солнечные источники энергии с потенциалом недорогого производства на основе наноструктурированных солнечных элементов, сенсибилизированные специальным поглощающим красителем.

При поддержке «РОСНАНО» в Усольске-Сибирском Иркутской области на базе отечественного предприятия НИТОЛ строится комплекс по производству поликристаллического кремния (на основе которого в настоящее время производится до 90 % всех солнечных элементов в мире) и моносилана (бесцветного газа, служащего для производства ЖК-дисплеев и тонкопленочных солнечных модулей).

Старт основного производства состоялся в 2009 году. При этом мощность проекта по производству поликремния должна составить 3800 т в год, а по моносилану – 200 т в год. Общий бюджет проекта оценивается в 18,9 млрд рублей.

Некоторым политикам и ряду ученых хотелось бы не замечать эти и другие практические достижения отечественных и мировых ученых и практиков, но факты говорят сами за себя – подобные примеры практического применения нанотехнологий можно привести по многим другим отраслям промышленности.

В некоторых случаях солнечные батареи являются основным источником энергии (например, в космической технике). В других случаях они уже конкурентоспособны по отношению к углеводородным материалам (например, в локальном энергообеспечении удаленных местностей, особенно в экологически чистых районах).

По мнению ученых и экспертов, наиболее перспективное снижение себестоимости солнечных элементов ожидается со стороны высокочувствительных красок (покрытий) для солнечных элементов и солнечных элементов на основе органических полимеров.

По сообщениям СМИ, в конце мая 2009 года ГК «РОСНАНО» и «Ренова Оргсинтез» подписали инвестиционное соглашение о создании в России совместного предприятия Nano Solar Technology Ltd по производству солнечных модулей. В рамках проекта планируется строительство предприятия полного цикла производства солнечных модулей на территории промышленной площадки ОАО «Химпром» в городе Новочебоксарске (Чувашия). Полная стоимость проекта оценивается в 440 млн евро.

Для запуска производства был заключен контракт со швейцарской фирмой Oerlikon на поставку линии для производства солнечных модулей по технологии тонких пленок Micromorph. Объем выпускаемой продукции в 2011 году при выходе производства на проектную мощность должен составить 120 МВт (1 млн солнечных модулей) в год.

К сожалению, 85 % производимых солнечных модулей планируется продавать в Европе и только 15 % (в долгосрочной перспективе) направлять на отечественный рынок.

Конечно, солнечная энергия может использоваться и в термоэлектрических устройствах для обыкновенного нагрева воды и обогрева домов и офисов – наноструктурированные материалы смогут увеличить эффективность подобных устройств и систем.

Другой немаловажной задачей исследований в области генерации энергии являются топливные элементы. В настоящее время топливные элементы пока находятся на этапе разработки опытных образцов (прототипов). Однако их применение в наше время еще в большей степени ограничено высокой ценой.

Японская корпорация Honda разработала полупроводниковый катализатор воды на основе наночастиц углерода, позволяющий под воздействием солнечного облучения достаточно эффективно разлагать воду на кислород и водород. При этом используется не только видимый свет, но и более широкий спектр излучения. По данным Brookhaven National Laboratory, это позволит увеличить эффективность разложения воды до 8 %, что вплотную приближается к пороговому значению в 10 %, установленному Министерством энергетики США для возможности рентабельного коммерческого использования.

Исследования применения различных видов топливных элементов указывают на их более высокую эффективность по сравнению с электрическими аккумуляторными батареями, даже несмотря на низкий коэффициент преобразования вещества (носителя) в конечное топливо.

В Ирландии при участии компании More Energy (Израиль) и Института теплотехники Сибирского отделения (СО) РАН запущено массовое производство топливных элементов с мощностью 1,3 Вт. В перспективе планируется выпуск до 1,5 млн изделий в месяц. В СО РАН разработан лабораторный образец топливного элемента на основе алюминия, а также ведутся исследования по использованию нанопокрытий палладия и платины на каталитических компонентах и мембранных системах.

С учетом относительной небезопасности водородной энергетики, перспективными являются портативные топливные элементы на жидком топливе – растворах боргидридов. Замена углерода элементами с более высокой удельной теплотой сгорания позволяет получать топливо с лучшими энергетическими характеристиками. Особое место занимают работы в области разработки металлического топлива, которое широко применяется в ракетных двигателях.

Выходец из бывшего Советского Союза, уехавший в США, Соломон Лабинов (Solomon Labinov) предложил концепцию нового двигателя внутреннего сгорания, работающего на твердом металлическом топливе. В этом двигателе система питания объединена с выпускной системой. Топливный бак, оснащенный специальной подвижной перегородкой, заполняется топливом на основе нанопорошка железа. Горение (окисление) топлива происходит в камерах сгорания с образованием в отработавших газах практически чистого азота, без оксидов углерода и азота, углеводородов и сажи, а сгоревшие частицы порошка улавливаются с помощью специальных фильтров или магнитов. По мере использования порошка перегородка перемещается, а в образовавшийся объем подается отработавший порошок оксидов. Когда порошок полностью расходуется, топливный бак легко снимается с автомобиля и направляется на регенерацию, где под воздействием высокой температуры оксиды разлагаются на металл и кислород. Для восстановления оксидов также можно продувать сгоревший порошок чистым водородом.

По мнению Дэвида Бича (David Beach), руководителя группы химии материалов в Национальной лаборатории Окриджа в штате Теннесси (США), металлическое топливо, как и водород, – это источник экологически чистой энергии. Однако, в отличие от водорода, металлическое топливо, например железо или алюминий, обладает более высокой удельной теплотой сгорания. Его можно хранить и транспортировать при температуре и давлении окружающей среды и эффективно использовать в двигателе без значительных затрат на водородные топливные элементы.

Коллективом лаборатории создана топливная пудра с диаметром металлических частиц около 50 нм, что обеспечивает процесс горения, аналогичный бензиновому, но с выделением почти в три раза большей энергии.

Большие частицы металла не воспламеняются до тех пор, пока не будут нагреты до точки кипения металла, при которой металлический пар воспламеняется с образованием металлических оксидов. В то же время этот процесс приводит к очень высоким температурам сгорания, загрязнению внутренних поверхностей камеры сгорания и образованию большого количества оксидов азота. Металл в виде наночастиц сгорает значительно быстрее и полнее при более низких температурах без стадии газового горения.

Газы от металлического топлива, отработавшие в газотурбинном двигателе, или двигателе Стирлинга, являются экологически чистыми: кислород берется из воздуха, а в результате получается почти чистый азот. Еще лучшим источником энергии мог бы быть бор, если бы его наночастицы можно было получать по разумной стоимости.

Главная проблема двигателя на металлическом топливе – достаточно большой вес топлива, даже с учетом его энергетической емкости. Например, объем топливного бака в 33 л, заполненный порошком железа, обеспечивает пробег автомобиля эквивалентно 50 л солярки или бензина, но весит почти в три раза больше. При этом суммарный вес автомобиля и топлива остается неизменным, так как отработавшее металлическое топливо не выбрасывается в атмосферу.

Бор и углерод – соседи по таблице Менделеева, оба элемента – неметаллы, различия в размерах их атомов и ионов невелики. Главное следствие этого сходства – быстрое развитие химии бороводородов, которая, по мнению многих ученых, может со временем стать «новой органикой». Напомним, что просто «органика», органическая химия – это химия углеводородов и их производных.

Удельная теплота сгорания бора (59,4 МДж/кг, или 14170 ккал/кг) почти вдвое больше, чем углерода (32,7 МДж/кг, или 7870 ккал/кг). Заменив углеводородные виды топлива бороводородными в воздушно-реактивных двигателях, при заданной дальности полета самолета можно уменьшить его габариты, увеличить полезную нагрузку и сократить разбег при взлете.