Савченко Н.С. статья Инновационный потенциал нанотехнологий в решении проблем энергетики

УДК 620.3
Инновационный потенциал нанотехнологий в решении проблем энергетики
- Кандидат технических наук,
Волков Владимир Сергеевич
- Магистр,
Савченко Никита Сергеевич
ФГБОУ ВО СПбГАУ
Нанонаука возникла в результате междисциплинарного сотрудничества физики, химии,
биотехнологии, материаловедения и технических методов изучения свойств атомов и молекул.
Нанотехнологии, более чем любая другая область, требуют интеграции множества научных и
инженерных дисциплин и компетенций, которые могут оказать существенное влияние на
развитие энергетики по всей технологической цепочке – от производства до потребления.
Нанотехнологии позволяют более эффективно и экологически безопасно перерабатывать
первичные источники энергии. Ярким примером является преобразование солнечной энергии,
известной как фотоэлектрическая энергия, в электричество, где наноматериалы и
нанотехнологии находят широкое применение. Активно изучается использование квантовых
точек — крошечных пузырьков одного полупроводника, выращенных на поверхности другого.
Преобразование термоэлектрической энергии с использованием наноструктурированных
полупроводников помогает утилизировать отходящее тепло. Тепловая машина преобразует
часть потока тепловой энергии от более горячего тела к более холодному в полезную работу.
Максимальная эффективность, которую он может достичь, — это эффективность Карно,
предложенная Сади Карно. Эффективность Карно зависит от температуры как источников
охлаждения, так и источников тепла. Для паровой турбины теоретический КПД при разнице
температур пара в 523 градуса Цельсия составит 63,8%. Однако на практике предел Карно
даже теоретически не применяется. Для инженерного удобства пару разрешено расширяться
как можно энтропийнее, на основе так называемого цикла Ренкина, и это расширение создает
работу за счет вращения лопаток турбины. Согласно исследованиям НАСА, цикл Ренкина
значительно менее эффективен, чем даже цикл Карно, и наноструктурированные
полупроводники могут значительно повысить этот КПД. Кроме того, известно, что
каталитические процессы можно улучшить и сделать более селективными за счет
использования определенных типов наноматериалов. Ряд производственных процессов,
связанных с химическими веществами, может стать более эффективным. В определенных
случаях наноматериалы могут заменить токсичные тяжелые металлы.[1]
Нанотехнологии также играют важную роль в развитии водородной энергетики. Водород
считается одним из самых перспективных источников энергии будущего благодаря своим
экологическим преимуществам. Применение наноструктурных материалов в производстве
топливных элементов позволяет значительно увеличить их эффективность и снизить
стоимость.
Одним из ключевых направлений развития нанотехнологий является разработка новых
методов хранения и передачи энергии. Создание сверхпроводящих кабелей на основе
наноструктурированных материалов позволит передавать энергию на большие расстояния с
минимальными потерями.
В области транспорта нанотехнологии также открывают новые возможности. Например,
использование наноматериалов в производстве электромобилей позволяет значительно
увеличить дальность хода и скорость зарядки аккумуляторов.
Наконец, нанотехнологии могут существенно улучшить качество жизни людей, предоставляя
новые возможности в области здравоохранения и медицины. Разработка нанолекарств,
способных доставлять препараты непосредственно к пораженным тканям, и применение
нанороботов для диагностики и лечения заболеваний - вот лишь некоторые из возможных
применений нанотехнологий в этой сфере.
С точки зрения хранения энергии использование нанотехнологий в производстве
аккумуляторов дает многочисленные преимущества. Во-первых, снижается вероятность
возгорания аккумулятора за счет использования улучшенных материалов электродов.
Нанотехнологии могут увеличить доступную мощность аккумулятора и сократить время,
необходимое для зарядки. Этих преимуществ, например, можно достичь, покрыв поверхность
электрода наночастицами. Увеличенная площадь поверхности усиливает ток между
электродом и химическими веществами внутри батареи. Применение нанотехнологий может
повысить эффективность гибридных автомобилей за счет значительного снижения веса
аккумуляторов, необходимых для хранения достаточного количества энергии. Использование
наноматериалов может продлить срок службы батареи, предотвращая разрядку низкого
уровня.
С точки зрения распределения энергии нанотехнологии могут снизить потери энергии во время
пиковых нагрузок. Необычайная электропроводность наночастиц, таких как углеродные
нанотрубки, может быть использована при производстве электрических кабелей и линий
электропередачи. Исследователи научились внедрять наночастицы кремния в графен. Они
выращивают кремниевые нанопроволоки на подложке из нержавеющей стали и
демонстрируют, что батареи с электродами из таких материалов могут увеличить плотность
энергии в 10 раз по сравнению с обычными литий-ионными батареями.[2]
Что касается использования энергии, есть все основания полагать, что технологии на основе
наноматериалов открывают реальные возможности для достижения положительных
экологических целей за счет совершенствования технологий, которые могут снизить общую
зависимость от ископаемого топлива. Разработка инновационных способов хранения
энергонасыщенных газов может существенно повысить уровень развития энергетических
систем. Металлоорганические каркасы представляют собой высокопористые органические
матричные материалы, способные хранить водород или природный газ. В кубических
наноструктурах, имеющих форму металлоорганического каркаса, внутренняя часть куба
содержит многочисленные взаимосвязанные поры нанометрового размера с большой
площадью поверхности. Эти конструкции можно использовать в качестве источников энергии
для различных устройств, например ноутбуков. Крошечные топливные элементы могут
служить перезаряжаемым носителем энергии. В настоящее время на освещение жилых и
рабочих помещений расходуется колоссальное количество энергии. Более эффективные
технологии освещения, основанные на нанотехнологиях, создают значительные экологические
преимущества.
Вывод
Нанотехнологии повышают энергоэффективность всех отраслей промышленности,
обеспечивая экономически эффективное использование возобновляемой энергии
посредством внедрения новых технологических решений и оптимизации
существующих технологий производства.
В долгосрочной перспективе будет достигнут существенный вклад в устойчивое
энергоснабжение и глобальную политику защиты окружающей среды.
Ссылки:
[1] L. Goldman и C. Coussens, «Значения нанотехнологий для исследований в области
защиты окружающей среды» (National Academies Press, 2005).
[2] L. Zang, ed., «Энергоэффективность и возобновляемая энергия с использованием
нанотехнологий» (Springer, 2011).