- Наука и техника, https://naukatehnika.com
2024 год ознаменует рождение графеновой бестопливной энергетики
Несмотря на широкое распространение солнечной энергетики и ветрогенерации, в секторе «зелёной» энергетики ощущается острая потребность в устойчивых решениях. В прессе и на телевидении, особенно в последнее время, отмечаются проблемы в этими двумя технологиями электрогенерациями не только в плане устойчивости работы из-за критической зависимости от погодных условий, но и в нанесении экологического вреда природе из-за отсутствия технологий переработки отслуживших свой срок работы солнечных панелей и лопастей ветрогенераторов, а также протечек масла при работе ветряков, что особенно критично при попадании его в воду. Также отмечается ненадёжность работы ветряных турбин из-за их низкого качества, что приводит к большим финансовым потерям.
Общий тренд в мире к отказу от сжигания ископаемого топлива ставит задачу поиска альтернативных технологий электрогенерации, а опыт эксплуатации ветряков свидетельствует о том, что бестопливное оборудование для электрогенерации не должно иметь механических вращающихся деталей, что резко увеличит надёжность работы оборудования. Несомненно, одно из направлений развития альтернативных способов получения энергии будет связано с изучением свойств наноматериалов и созданием наногенераторов.
Анализ опубликованных материалов учёных различных стран показывает, что в настоящее время наиболее перспективным наноматериалом с многофункциональным прикладным применением можно назвать графен, являющийся аллотропом углерода в виде плоскости атомов, связанных sp2, с длиной молекулярной связи 0,142 нанометра. Слои графена, уложенные друг на друга, образуют графит с межплоскостным расстоянием 0,335 нанометра, удерживаемые от распада силами ван-дер-Ваальса. Графен - самое тонкое и самое легкое (1 м2 графена весит около 0,77 миллиграмма), известное человеку соединение толщиной в один атом. Наряду с этим графен очень прочен (в 100-300 раз прочнее стали с пределом прочности при растяжении 130 ГПа и модулем Юнга 1 ТПа, лучший проводник тепла при комнатной температуре (от (4,84±0,44) × 10^3 до (5,30±0,48) × 10^3 Вт/м·К), а также лучший известный проводник электричества (согласно измерениям группы физиков из России, Нидерландов и США под руководством Андрея Гейма показали подвижность электронов 20 м²/В*с). В течении очень короткого срока изучения графена понимание о возможностях его применения углубилось и были достигнуты убедительные успехи, особенно в высокочастотной электронике, био-, химических и магнитных датчиках, фотоприемниках со сверхширокополосной передачей, а также в накоплении и генерации энергии.
Одним их «узких» мест в технологических исследованиях и прикладном применении графена – это получение большой площади материала.
Первый метод получения графена был технологически сложным и дорогим. Он заключался в химическом осаждении из паровой фазы (CVD, chemical vapor deposition) и в использовании токсичных химикатов для выращивания графена в виде монослоя путем воздействия карбида платины, никеля или титана на этилен или бензол при высоких температурах. Альтернативы использованию кристаллической эпитаксии (наращение кристаллического слоя на кристалл, именуемый, как подложка), на чем-либо, кроме металлической подложки, не существовало. Эти технологические проблемы на первых порах сделали графен недоступным для научных разработок и прикладного использования. Исследования, проведенные в 2012 году, показали, что, анализируя энергию адгезии графена к поверхности раздела, можно эффективно отделить графен от металлической пластины, на которой он выращен. Кроме того, качество графена, который был выделен с помощью этого метода, было достаточно высоким для создания молекулярных электронных устройств. За последние 10 лет исследования в области выращивания CVD-графена достигли значительных результатов, что сделало качество графена пригодным для внедрения технологий с его использованием.
Достижения исследователей в области технологии выращивания графена на больших площадях позволило компании Neutrino Energy Group реализовать проект по созданию преобразователей-резонаторов Neutrino Power Cubes, которые преобразовывают энергию частиц волн материи Луи де Бройля в электроэнергию. Промышленный выпуск на нескольких заводах в мире, по словам президента компании Holger Thorsten Schubart, начнётся в 2024. Таким образом, 2024 год можно назвать годом рождения графеновой энергогенерации. В настоящее время проходят полевые ресурсные испытания 150 штук Neutrino Power Cubes нетто-мощностью 5-6 кВт, которые показывают их устойчивую автономную работу в процессе эксплуатации в домах граждан Австрии. Эта технология настолько перспективная и многообещающая, что компания Neutrino Energy Group включена в программу городов ООН по достижению Целей устойчивого развития до 2030 года.
Себестоимость производства преобразователей-резонаторов Neutrino Power Cubes во многом определяется стоимостью выращивания чередующихся нанослоёв графен-кремний, которых на одной алюминиевой подложке содержится от 12 до 20. Кроме того, наносятся нанослои легирующих элементов для создания плёночных p-n переходов для пропуска электрического тока только в одном направлении. Учитывая, что в одном преобразователе-резонаторе Neutrino Power Cube тысячи электрогенерирующих пластин, то сама технология выращивания монослоёв должна быть простой и дешёвой.
Подводя итог, можно сказать, что это открытие и исследование свойств графена, а также прикладное его использование полностью изменит в недалёком будущем наше мировоззрение в области потенциальных пределов развития науки и новых возможностях технологов, инженеров и изобретателей.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.
