Трудно оспорить тот факт, что будущее, хоть и медленно, но всё же неумолимо наступает. И даже в тех областях, в которых, казалось бы, сложно придумать что-либо уникальное, инновационное и принципиально (в некоторых смыслах) новое, наблюдается всё более заметный прогресс. Человечество уже стоит на пороге новой технологической и энергетической концепции мира, всё чаще по-новому смотрит на обыденные вещи и всё больше требует замены устаревших и в какой-то мере надоевших вещей на свежие и гораздо более полезные. Традиционный обзор Алексея Васильева как раз и рассказывает о том, что же такого интересного, нового и долгожданного удалось получить научно-инженерному мировому сообществу за октябрь месяц 2020 года.
Водород из ВИЭ
Высокие технологии в области энергетики тесно связаны с политикой. Вложения в них довольно рискованные, поэтому бизнес обычно занимается такими инвестициями при наличии каких-либо преференций со стороны государства. К октябрю 2020 г. стало понятно, что победа Джозефа Байдена на выборах президента США вполне реальна, и это стало одной из причин роста на мировых биржах курсов акций компаний, занимающихся технологиями транспортировки энергии в форме водорода. Дело в том, что Демократическая партия США, кандидатом от которой и был Байден, активно поддерживает «зеленую» энергетику, когда республиканцы более склонны лоббировать интересы нефтяных корпораций.
Почему именно водород? Серьезное использование энергии солнца подразумевает преимущественное размещение соответствующих электростанций ближе к экватору. Но потом возникает необходимость транспортировать электричество на расстояния в несколько тысяч километров, для чего электрические кабели не лучший вариант (пока их применяют при передаче энергии не более чем на 2500 км). Поэтому планируется использовать электричество для выработки водорода, который потом по трубопроводам или с помощью танкеров будет поставляться туда, где есть потребность в энергии. Далее водородом можно заправлять транспортные средства, либо использовать его на электростанциях. Ранее уже было заявлено о планах начала производства в течение ближайших четырех лет водорода в Саудовской Аравии и поставки его в том числе и на экспорт. А в октябре анонсы посыпались как из рога изобилия.
Австралия объявила о начале реализации проекта строительства в пустыне на своей территории самой большой в мире электростанции, работающей от солнца и ветра. Стоимость проекта составит 36 млрд долл. США. Электроэнергия будет использоваться для выработки водорода, который будет транспортироваться потом преимущественно в Японию и некоторые другие страны Азии, где есть быстро развивающиеся экономики, испытывающие дефицит энергетических ресурсов.
В Норвегии объявили о начале работ по созданию небольшого грузового парома Topeka, работающего на водороде. К 2024 году первый такой паром должен начать курсировать между портами Норвегии. На разработку опытного образца из Фонда исследовании и инноваций Евросоюза уже выделено 8 млн евро.
Но наиболее сенсационная информация по водороду пришла в октябре из Нидерландов. Там было объявлено о создании к 2026 г. первой в мире бирже по торговле водородом. Возможно, скоро мы будем больше следить за биржевыми ценами на водород, чем за нефтяными котировками. И кстати, данное новшество способно изменить рынок электроэнергии, т. к. теперь ею можно будет торговать в глобальных масштабах, не ограничиваясь возможностями электросетей.
Главная проблема водородной энергетики, как и многих других «зеленых» технологий в том, что она... не совсем экологична в реальности. Сейчас водород производится в основном из природного газа, что приводит к выбросу парниковых газов в атмосферу. Просто этот выброс происходит не в крупных городах стран «золотого миллиарда», а... «где-то там, в другом месте». Но это не гарантирует, что вызванные данным процессом изменения в природе не достигнут когда-нибудь США и страны Евросоюза. Выработка водорода путем электролиза воды все еще недостаточно эффективна, но в уже упомянутом австралийском проекте предполагается задействовать именно такую технологию. Это вселяет надежду, что водородная энергетика все же станет по-настоящему экологически чистой.
Сверхпроводимость при комнатной температуре
Водород может быть не только топливом, но и материалом для создания электрических проводов без потерь.
Возможность обеспечить сверхпроводимость, т. е. практически нулевое электрическое сопротивление проводника, при комнатной температуре, давно будоражит умы ученых. Уже более 30 лет периодически появляются сообщения об обнаружении такого эффекта в лабораторных условиях, и столько же времени они подвергаются сомнению со стороны научного сообщества.
В октябре были опубликованы результаты очередного исследования в области сверхпроводимости при комнатной температуре, выполненного учеными из университета Рочестера и университета штата Невада (США). Похоже, наконец-то удалось достичь устойчивого эффекта сверхпроводимости при комнатной температуре, который подтверждается по всем строгим научным канонам и не противоречит теории. Для этого, правда, пришлось сжать водород в ячейке, сделанной из алмаза, под давлением порядка нескольких миллионов атмосфер. В результате водород при комнатной температуре перешел в металлическое состояние и стал сверхпроводником. Естественно, до практического применения такого сверхпроводника еще далеко, но важен сам факт, что сверхпроводимость возможна без дополнительных систем охлаждения.
Кстати, открытие сверхпроводимости при комнатной температуре стало побочным результатом исследований по поиску наиболее эффективного способа выработки водорода для нужд энергетики.
Электросамолет для коммерческих перевозок
Итальянский производитель малой авиации Tecnam и знаменитая компания Rolls-Royce (производит, помимо прочего, авиационные двигатели) объявили о партнерстве в деле разработки полностью электрического самолета P-Volt. Этот самолет будет иметь следующие варианты:
- коммерческий, вместимостью 9 пассажиров,
- грузовой,
- медицинский,
- для специальных применений.
Пилотироваться самолет будет экипажем из 2 человек. Авионику будет создавать Technam, а вот двигателями займется Rolls-Royce. Ожидается, что P-Volt станет первым коммерческим электрическим самолетом в мире, который сможет перевозить сразу 11 человек, включая экипаж. Пока что электросамолеты выпускаются в виде опытных моделей вместимостью не более 2 человек.
Предполагается, что электросамолеты P-Volt будут безопаснее обычных того же класса благодаря лучшей управляемости двигателя. В частности, при посадке можно быстрее остановить вращение винтов. То есть теоретически электросамолет способен приземлиться там, где посадка обычного самолета невозможна, что особенно ценно для медицинской авиации. Правда, о том, когда планируется начать серийный выпуск самолетов P-Volt, пока не сообщается.
Проволока с графеном
При производстве электродвигателей, особенно для авиации, идет борьба за повышение электропроводности обмоток. Выигрыш всего в несколько процентов — уже значительный результат. Также важна механическая прочность материала, из которого сделаны обмотки, и здесь приходится нередко идти на компромисс — сплавы с меньшим электрическим сопротивлением не всегда самые прочные.
Решить проблему можно, покрыв проволоку из чистой меди слоем графена. Это повысит ее электропроводность на 5 % и значительно (в несколько раз) увеличит прочность на разрыв и износостойкость. Данный факт известен почти 10 лет, но дальше лабораторных опытов дело не заходило. Не существовало технологии, позволяющей наносить графен на медную поверхность при серийном производстве. Проблема осложнялась еще плохой адгезией графена к меди.
Исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (США) совместно с компанией General Motors сообщили о создании технологии смещённой экструзии, позволяющей совместить процессы экструзии и нанесения графена. Одновременно решена проблема нанесения графена на поверхности с плохой адгезией.
Суть технологии заключается в том, что заготовка для экструзии раскручивается на больших оборотах и в таком виде вводится в форму. Из-за трения с формой заготовка нагревается, что приводит к размягчению металла. В процессе трения также происходит внедрение графена в металл, получаемое покрытие прочно держится. Причем, в отличие от метода осаждения, нанесение графена производится непрерывно, что важно при серийном производстве. Другое преимущество — экструзия по такой технологии улучшает внутреннюю структуру материала, делая его более прочным и пластичным.
Изначально технология смещенной экструзии разрабатывалась для того, чтобы уменьшить энергозатраты при производстве проволоки и других деталей для электрооборудования. Но потом ученые догадались, что данным способом можно одновременно решить и проблему нанесения графена на медь.
В отличие от технологий отдаленного будущего, сообщениями о которых был так богат октябрь 2020 г., смещенная экструзия уже в самое ближайшее время начнет использоваться при производстве электрооборудования. Проволока с покрытием графеном найдет применение не только в электродвигателях, но и в трансформаторах. Причем для намотки проволокой с графеном можно будет применять существующие станки, даже перенастраивать их под новый материал не придется. Также можно ожидать появления электрических шин с покрытием графеном, которые значительно снизят потери на объектах электроэнергетики.
Автор: Алексей Васильев
