Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел

1. Увеличение плотности энергии и мощности, в том числе для классических батарей.

2. Улучшение показателей продолжительности и эффективности цикла зарядки батарей.

3. Повышение общего срока службы (циклов «заряд-разрядка»).

4. Снижение токсичности применяемых материалов (в том числе возможных перспективных наноматериалов будущих элементов).

5. Снижение взрывоопасности и пожароопасности (так как, например, наночастицы гидридов металла обладают высокой опасностью воспламенения).

Нанокристаллические композитные материалы и нанотрубки планируется использовать для восстановления нормы графита в литиево-графитных электродах. Обеспечивая наноразмерной структурой значительную площадь рабочей поверхности, они смогут привести к увеличению плотности энергии, мощности и улучшению других показателей аккумуляторных батарей и суперконденсаторов.

Наиболее перспективными нанотехнологическими разработками в этой области являются наноструктурированные аноды и катоды из наноматериалов, которые прочнее и до 100 раз мощнее традиционных изделий. Нанокерамические сепараторы и полимерные электролиты могут помочь увеличить мощность и надежность и выдержать до 500 циклов «заряд-разрядка» до полного истощения.

Использование нанокристаллических материалов и углеродных нанотрубок в качестве материалов для электродов в перезаряжаемых аккумуляторах (например, литиевых батареях) привело не только к уменьшению их размеров, но и к значительному увеличению плотности энергии и мощности, срока службы и количества циклов «заряд-разрядка».

Аналогичные результаты могут быть получены при применении нанопористых материалов для изготовления электродов разрабатываемых в настоящее время суперконденсаторов.

Развитие нанотехнологий позволит открыть новые потенциальные рынки для аккумуляторов и суперконденсаторов или их сочетания в наноэлектромеханических системах (роботах), мобильных телефонах, ноутбуках и т. д.

В сбережении энергии наиболее значимые и высокоэффективные сферы применения нанотехнологий открываются при производстве материалов и устройств для улучшения теплоизоляции (аэрогели, умные стекла), более эффективного и экономичного освещения (светодиоды на основе полимерной органики ОЛЕД), использования традиционного углеводородного топлива (катализаторы), а также создании более легких материалов в машиностроении и транспорте.

Главное предназначение теплоизоляции – снижение скорости теплопередачи (фактически теплопотерь) вследствие теплопроводности, конвекции и теплового излучения, а также любой комбинации этих энергетических процессов.

Снижение теплопотерь практически можно осуществить двумя основными способами.

1. Применением высокопористого материала, удерживающего газообразные вещества (воздух или иную среду) и предупреждающего конвекцию.

2. Использованием покрытий для отражения различного рода излучения (в основном, естественно, инфракрасного спектра) как снаружи, так и извне помещений.

В настоящее время для теплоизоляции все еще применяют стекловолокно, минеральную вату и шлаковату, но по мере разработки новых прозрачных аэрогелей и с уменьшением их стоимости эти материалы способны значительно повысить эффективность энергосбережения. Положительный опыт применения аэрогелей уже имеется при изготовлении изоляции трубопроводов (например, для природного газа).

В рамках начавшегося в 2005 году Датского исследовательского проекта в настоящее время разрабатываются новые аэрогели, которые можно применять в качестве светопроницаемого и одновременно изоляционного материала для покрытия в солнечных коллекторах.

Например, такие нанокомпозитные кремниевые аэрогели, как аэростекло (airglass), обладают низкой проводимостью, низкой плотностью твердых частиц, высокой пористостью, большой площадью поверхности и высокой диэлектрической проницаемостью, что делает их одним из лучших светопроницаемых изоляционных материалов.

В рамках этого проекта для повышения энергосбережения можно ввести понятие «умное остекление» помещений, способное реагировать на изменения в освещенности и температуре окружающей среды соответствующим изменением прозрачности и теплопроводности.

Углеродные аэрогели, обладающие электропроводящими свойствами и высоким коэффициентом оптического поглощения инфракрасного излучения, также являются перспективным материалом для высокотемпературной тепловой изоляции.

Очень значительную экономию электрической энергии может дать повсеместный и обязательный переход на газоразрядные лампы дневного света, особенно на светодиодную осветительную технику.

В нашей стране первые открытия в этой области были сделаны Олегом Владимировичем Лосевым (1903–1942), работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории, еще в 1923 году. В книге «У истоков полупроводниковой техники: избранные труды», вышедшей в свет только в 1972 году, так описываются наблюдения ученого: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4 мА… Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света». О. В. Лосев умер в блокадном Ленинграде, отказавшись от эвакуации в глубь страны, и многие полученные им результаты были забыты.

Может быть именно поэтому первые светодиоды были изготовлены за рубежом в 1962 году, а уже в 1968 году появились первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett Packard.

К 1976 году были созданы оранжевые, желтые и желтозеленые светодиоды такой мощности, что они были видны и при ярком солнечном свете. До 1985 года светодиоды использовались исключительно в качестве индикаторов. В 1990 году светоотдача полупроводниковых диодов достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать равноценной заменой обычным лампам накаливания. В настоящее время светоотдача составляет более 60 лм/Вт.

Принципиальная схема современного светодиода показана на рис. 50. В корпусе из прозрачной пластиковой линзы 1, служащей для фокусировки света, на специальный кристалло-держатель (основание) устанавливается полупроводниковый кристалл 3, свойства которого определяют цвет видимого света. К полюсам кристалла при помощи соединительных проволочек 2 подключаются контакты (катод и анод) от источника питания.

Рис. 50. Принципиальная схема светодиода: 1 – прозрачная пластиковая линза; 2 – контактные проволочки; 3 – излучающий кристалл (полупроводник); 4 – кристаллодержатель (основание)