Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

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.

В типичном твердом топливе для ракетно-прямоточных двигателей содержится до 50 % бора; столь высокое содержание металла обеспечивает получение максимально объемного импульса. К недостаткам бороводородного топлива относятся высокая токсичность и химическая активность, а также легкая воспламеняемость на воздухе.

Тем не менее уже имеющиеся научные достижения, основанные на нанотехнологиях в производстве высокоэффективных мембран, катализаторов и электродов, помогут снизить себестоимость топливных элементов, а также повысить их КПД. Наиболее востребованным рынком для топливных элементов может стать аэрокосмическая отрасль, автомобильная промышленность и агропромышленный комплекс.

Использование биологических механизмов для производства и хранения энергии в технических устройствах (биоэнергетика) пока остается гипотетической задачей. Фундаментальные исследования в этом направлении сконцентрированы только на понимании биохимических процессов фотосинтеза и анализа возможных путей реализации данных процессов в технических системах.

Эффективность биологических катализаторов (энзимов) в живой природе достигает 100 %, что, конечно, является недосягаемой величиной при любом современном технологическом процессе синтеза. По данным Brookhaven National Laboratory и Rutgers University, экспериментальный катализатор из наночастиц золота на поверхности из диоксида титана оказался в 10 раз активнее при разложении двуокиси серы (SO2), составляющей основу кислотных дождей и смога, по сравнению с действием промышленно выпускаемых нейтрализатором отработавших газов автомобиля. Именно размеры и электронная структура наночастиц имеют решающее значение при повышении эффективности катализаторов.

Для успешного решения поставленных задач необходимо разработать новые методы синтеза металлических нанокластеров строго определенного размера, формы и внутреннего строения (архитектуры) на основаниях с нанесенными наночастицами оксидов металлов. Например, применение наночастиц рутения, осажденных на графитовую подложку, для производства азота позволяет значительно снизить затраты по сравнению с применяемыми в настоящее время промышленными катализаторами. Следует отметить, что на выполнение данного технологического процесса (одного из самых энергозатратных в современной промышленности) затрачивается около 1 % всего мирового потребления электроэнергии.

В сфере распределения, передачи, аккумулирования и хранения энергии наиболее перспективными возможностями применения наноматериалов и нанотехнологии являются высокоэффективные проводящие системы (провода, трансформаторы и другие устройства), а также перезаряжаемые аккумуляторы и суперконденсаторы.

Значительные потери электроэнергии происходят в процессе передачи их от производителя к потребителю. При огромных расстояниях, характерных для нашей страны, проблема качества токопроводящих материалов (кабелей и проводов) и соответствующего приборного обеспечения наиболее актуальна.

Одной из задач нанотехнологий является разработка наноструктурных электротехнических проводов нового класса для различных линий электропередач со сверхвысокой прочностью (на уровне стали 1200–1500 МПа) и электропроводностью (на уровне 60–75 % от электропроводности высокочистой меди) с нанометрическим уровнем дисперсности микроструктуры.

К таким разработкам следует отнести нанокомпозиционные электрические провода с высокой прочностью и электропроводностью, состоящие из наноструктурных волокон серебра, распределенных в матрице меди, а также сверхпрочные высокопроводящие кабели на основе интерметаллидов.

Немаловажная задача – разработка и производство специальных проводящих материалов для радиоэлектронной техники и будущих нанометрических устройств. К таким разработкам относятся:

• нанопроволока на основе оксида индия;

• ультратонкие провода на основе наночастиц золота;

• наноструктурные композиционные сверхпроводники NbTi с низкими энергетическими потерями в быстроменяющих-ся магнитных полях для магнитных систем синхротронов SIS-100 и SIS-300 международного проекта FAIR;

• термопарная проволока для высокочувствительных измерений температуры на основе наноструктурированного сплава никеля и другие разработки.

При разработке новых конструкций аккумуляторных батарей и суперконденсаторов ожидается, что наноматериалы окажут решающее значение при решении следующих основных задач.