Как будут использоваться наноматериалы для безэмиссионной энергетики будущего

В последние годы многочисленные группы учёных по всему миру исследуют свойства графена с целью его прикладного применения. Повышенный интерес к этому материалу объясняется наличием таких уникальных свойств, как высокая проводимость и теплопроводность, прочность и гидрофобность, что открывает масштабные перспективы применение графена в различных областях промышленности.

Одним из наиболее важных направлений внедрения графена становится энергетика, к которой по праву относятся не только способы энергогенерации, но и системы хранения энергии, которые приобретают свою особую значимость в рамках процесса энергетического перехода от традиционной энергетики к энергетике альтернативной. Использование графена в аккумуляторных батареях в несколько раз увеличивает их удельную ёмкость, что даёт возможность многократно увеличить пробег электромобиля на одной зарядке, а также обеспечивает быструю зарядку аккумуляторной батареи.

Но гораздо более важную роль играет использование графена непосредственно для самого процесса электрогенерации. Исследовательские работы в этом направлении ведутся интенсивно во многих странах. Впервые о возможности создания источников электроэнергии с использованием графена в качестве базового элемента заявил немецкий математик Holger Thorsten Schubart, доказавший уже более 10 лет назад, что графен способен преобразовывать тепловое броуновское движение атомов и окружающие поля излучений невидимого спектра в электрический ток. На основе полученных практическим опытом знаний и результатах лабораторных экспериментов он при участии группы учёных немецко-американской компании Neutrino Energy Group изобрёл электрогенерирующий многослойный наноматериал из чередующихся слоёв графена и легированного кремния, осаждаемых на металлическую фольгу из паровой фазы. 

Следует упомянуть, что одновременно графен широко исследуется и учёными из Массачусетского технологического института (MIT), США. Однако их достижения более скромные в сравнении с результатами, достигнутыми учёными Neutrino Energy Group. Область исследований MIT направлена на преобразование энергии окружающих терагерцевых волн в постоянный электрический ток. Эти высокочастотные волны излучения, известные как «Т-лучи», производятся почти всем, что регистрирует температуру, включая наши собственные тела и неодушевленные предметы вокруг нас. Любое устройство, которое посылает сигнал Wi-Fi, также излучает терагерцевые волны — электромагнитные волны с частотой между микроволнами и инфракрасным светом. «Мы окружены электромагнитными волнами в терагерцовом диапазоне», - говорит ведущий автор Хироки Исобе, постдок в Лаборатории исследования материалов MIT. «Если мы сможем преобразовать эту энергию в источник энергии, который мы можем использовать для повседневной жизни, это поможет решить энергетические проблемы, с которыми мы сталкиваемся сейчас».

В отличие от MIT исследования Neutrino Energy Group не замыкаются каким-либо одним фактором воздействия на графен, а имеют намного более комплексный и прикладной характер. Они опираются на свойство графена - повышенные, по сравнению с другими материалами, колебания его атомов. Причём графен, относясь к 2D материалам, может устойчиво существовать, только если ведёт себя как 3D материал. Это свойство связано с особенностями его кристаллической решётки, которая представляет собой плоскость, состоящую из шестиугольных ячеек, то есть, является двумерной гексагональной кристаллической решёткой. По этой причине колебания атомов графена вызывают появление «графеновых волн», частота и амплитуда колебаний которых зависит от воздействия окружающих полей излучений и тепловых потоков. «Графеновые волны» наблюдаются в микроскоп с сильным разрешением. 

Holger Thorsten Schubart констатирует, - «Чем больше факторов, влияющих на частоту и амплитуду колебаний атомов графена, тем устойчивее работают источники электроэнергии, созданные на основе разработанной нами Neutrinovoltaic технологии. На величину колебаний атомов графена влияют нейтрино, антинейтрино, электромагнитные поля, существующие в месте расположения источников тока, температура, терагерцевые волны. Ввиду многофакторности воздействия на величину колебаний атомов графена, в настоящее время сложно со 100% точностью определить долю воздействия того или иного фактора на выходную мощность. Были проведены исследования вклада именно частиц нейтрино на генерацию электроэнергии. С этой целью испытываемая энергетическая пластина размером А-4 была полностью изолирована от воздействия каких-либо электромагнитных наводок за исключением нейтрино, что достигалось размещением её к клетке Фарадея на глубине более 30м под землёй в бетонном бункере. В таких условиях электроизмерительный прибор устойчиво фиксировал мощность 2.5-3.0 Вт.» 

Holger Thorsten Schubart, президент Neutrino Energy Group

Механизм взаимодействия нейтрино с веществом раскрыли опубликованные результаты экспериментов COHERENT в лаборатории Ок-Ридж (США), доказавшие, что нейтрино низких энергий участвуют в слабых взаимодействиях с ядрами веществ. Аналогичную модель взаимодействия нейтрино любых энергий, но имеющих массу, с атомами графена можно принять в качестве теоретического обоснования схемы конвертации кинетической энергии нейтрино в постоянный электрический ток.

Стабильность электрогенерации источников тока от Neutrino Energy Group в независимости от погодный условий, времени суток и сезона обеспечивает несомненные преимущества относительно солнечной и ветровой электрогенерации. Кроме того, размещение генерирующих пластин друг над другом, как стопка писчей бумаги, обеспечивает компактность источников тока и возможность их размещения непосредственно в местах потребления энергии, включая внутрикорпусное размещение источников тока в электроприборах и оборудовании, что означает отсутствие необходимости подключаться к централизованным линиям электропередач.

В настоящее время 1 м3 материала будет давать мощность около 36 кВт при комнатной температуре 23,7° C. Набор плотноупакованных спрессованных пластин, что означает последовательное их соединение друг с другом, составляет энергетический модуль, а соединение энергетических модулей друг с другом последовательно и/или параллельно обеспечивает необходимые выходные характеристики источников тока. 

Одним из важнейших прикладных применений Neutrinovoltaic технологии может стать в ближайшем будущем автомобилестроение, в частности, электромобильность. Создание электромобиля со встроенными в его корпус источниками тока предлагает решение для существующих в настоящее время проблем, а именно:

• отмена потребности строительства широкой инфраструктуры для их зарядки, 
• отсутствие необходимости наращивания дополнительной электрогенерации для компенсации мощности зарядки электромобилей,
• возможность использования маленьких аккумуляторных батарей, что уменьшает потребность в дефицитных дорогих материалах, а также снижает нагрузку на экологию при переработке отработанных батарей.

Компания Neutrino Energy Group заключила лицензионные договора с рядом крупных производственных компаний в различных странах на производство источников тока. Первый промышленный выпуск Neutrino Power Cubes источников электроэнергии мощностью 5-10 кВт*час начнется в Швейцарии. Кроме того, заключен договор с индийской компанией С-МЕТ на разработку корпуса Pi электромобиля из метаматериала со встроенными источниками тока на основе Neutrinovoltaic технологии. Стартовые инвестиции в проект составили $2.5 млрд.

Несмотря на относительно короткий срок исследований свойств графена, он уже проявил себя в качестве перспективного материала для потребностей альтернативной энергетики, открывая новые возможности человечеству на пути к отказу от ископаемого топлива и первый пример использования его на практике  – лучшее тому доказательство.

Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.