Созданно самое энергоёмкое вещество
#1
В области топлива все рекордсмены, кажется, известны наперёд, ведь их «полезное содержание» зависит от давно изученных химических связей. Однако если заглянуть внутрь планет, там могут найтись материалы с необычными параметрами. И хорошо, что для такого поиска не обязательно спускаться в «преисподнюю» – достаточно и возможностей лаборатории.
Специалисты из университета Вашингтона (WSU) использовали сверхвысокое давление, аналогичное существующему в недрах Земли или бездне планет-гигантов, и создали невиданный прежде материал. По удельной ёмкости это – самое высокоплотное энергетическое хранилище химического типа.
Ведущий автор исследования профессор Чхонк-Шик Ёо (Choong-Shik Yoo) говорит о новом материале так: «Это наиболее сжатая форма хранения энергии, за исключением ядерной». Нетрудно догадаться, какие перспективы сулит освоение такой «упаковки» на практике.
Профессор Чхонк-Шик Ёо и его студенты осматривают исследовательскую установку (фото Washington State University).
Как поясняет пресс-релиз WSU, химики поместили внутрь ячейки высокого давления (5 х 8 сантиметров) с алмазными наковальнями порцию дифторида ксенона (XeF2). Это вещество используется для травления кремния в микроэлектромеханических системах, а также его задействуют при синтезе сверхпроводников.
В обычных условиях дифторид ксенона — твёрдый белый кристалл, диэлектрик, а его линейные молекулы находятся на сравнительно большом расстоянии друг от друга. Однако под высоким давлением картина радикально меняется: материал меняет структуру с молекулярной на атомарную, а кристаллическая решётка перестраивается, обеспечивая появление в образце металлических свойств.
При 50 гигапаскалях (500 тысяч атмосфер) XeF2 превращается в красноватый полупроводник, содержащий XeF4 (тут имеется в виду элементарная ячейка кристалла) с двумерной слоистой графитоподобной решёткой.
При сжатии выше 70 ГПа часть образца трансформируется в чёрный состав с металлическими свойствами — XeF8 (его, к слову, учёные наблюдали впервые). Решётка этого материала составлена уже из сложных многогранников, формирующих «тугие» трёхмерные связи.
Авторы работы изучили свойства необычного варианта фторида ксенона при давлении до миллиона атмосфер с лишним, поразившись его новым свойствам.
Химики установили, что перераспределение электронов в оболочках атомов, вызванное колоссальным давлением и сближением молекул исходного вещества, а также частичная делокализация электронов (которые тем самым смягчают силы отталкивания, действующие между атомными ядрами) обеспечивают выстраивание в таком кристалле новых химических связей.
Особенно учёных заинтересовало то, что связи эти оказались очень сильными. Фактически в ходе опыта происходило преобразование энергии механического давления в химическую с ультравысокой плотностью.
Учёные полагают, что дальнейшее развитие этих опытов может привести к появлению нового класса энергетических материалов и топлива, необычных устройств для хранения энергии, суперокислителей для уничтожения химических и биологических агентов, к созданию новых высокотемпературных сверхпроводников.
Правда, от первых опытов по получению необычного материала до реальных устройств, которые могли бы его использовать (вроде топливных элементов или батарей), — дистанция огромного размера. Нынешняя работа пока представляет больше академический интерес.
И всё же надо вспомнить, что все великие изобретения человечества начинались с простых экспериментов. Предвидел ли, к примеру, Луиджи Гальвани, как изменит мир электричество, когда размышлял над препарированной лягушкой, у которой дёргалась лапка при соприкосновении с металлическим скальпелем?.
Источник
Чистая планета без бензина. Водородные технологии изменят мир быстрее, чем кажется
Выбросы СО2 в атмосферу – одна из главных угроз планеты. Альтернатива сжиганию ископаемого топлива существует: ученые уверены, что водород станет главным источником энергии для мировой экономики. Что мешает массовому внедрению технологий водородного топлива и как можно делать бизнес в этой области уже сегодня – «Русская планета» узнала у Алексея Иваненко, директора по развитию компании BMPower, специализирующейся на производстве водородных топливных элементов для дронов и роботов.
– В чем преимущество водорода в качестве основы для топливных элементов?
– Все просто: водород – это самое энергоемкое топливо (140 МДж/кг – это в 3 раза больше, чем бензина). К тому же это самый распространенный элемент во вселенной. Он легко вступает в химические реакции, и из него очень легко получать электричество в топливном элементе, причем с очень высоким КПД.
– Тогда почему водород в качестве топлива пока не распространен повсеместно?
– Это смотря на какой рынок посмотреть. В мире на сегодняшний день уже существуют компании, работающие в этой сфере, с многомиллионной выручкой в долларах США. К тому же есть различные сегменты рынка по применению: электротранспорт, рынок дронов, и т.д. Да, в России топливные элементы пока не распространены так широко. Именно поэтому 70% выручки нашей компании – это зарубежные каналы продаж.
Я бы назвал основным барьером на пути распространения водородных топливных элементов не технологии, а инфраструктуру, точнее, ее отсутствие. Например, компания Toyota серийно выпускает автомобили с водородным двигателем аж с 2014 года. Но такой автомобиль пока негде заправлять. Отсутствие заправок сдерживает развитие технологии, хотя все понимают, что будущее за ней. В Европе, в США, в Корее уже начали создавать инфраструктуру, там активно строят большое количество водородных заправочных станций. Нидерланды, к примеру, планируют к 2030 году вообще отказаться от бензиновых двигателей в черте столицы.
Я бы сравнил внедрение водородных технологий с тем, как это было с бензиновыми двигателями в начале прошлого века. Когда двигатели внутреннего сгорания только появились – долгое время все продолжали ездить на лошадях. Но прошло 50 лет – и автомобиль появился почти в каждой семье. Конечно, на водородные двигатели мы перейдем не завтра, но это будущее наступит быстрее, чем нам кажется. И к слову, в мире многие страны принимают программы по внедрению и распространению водородных технологий, и с каждым годом их становится все больше.
– С другой стороны, природа нам оставила богатые залежи углеводородов, а залежей водорода не существует. Его ведь не так просто получить.
– Увы, этих запасов надолго не хватит. И вопросы экологии со счетов также сбрасывать не стоит. С водородной технологией нет проблем с экологией, к тому же существует большое количество способов получения водорода. Самый простой и дешевый на данный момент – из природного газа. С одной стороны, получается, то мы по-прежнему зависимы от углеводородов, но технологии не стоят на месте. Буквально каждый месяц где-то в мире открывается новый завод по производству водорода.
– А как же Россия?
– Пока, к сожалению, не очень. Но в нашей стране есть ниши, где водородные технологии смогут найти применение и, в свою очередь, стать катализатором для развития рынков.
Например, электроснабжение удаленных объектов, особенно в арктической зоне. Или сегмент, в котором мы приняли решение развивать нашу компанию – рынок дронов. Россия – гигантская страна, и на государственном уровне есть понимание, что у нас не слишком развита дорожная система для такой огромной территории, из-за этого возникают проблемы с логистикой, с обеспечением людей товарами первой необходимости. Здесь есть что развивать, и, выходя на этот рынок, мы понимаем, что он очень перспективный.
Например, обслуживание линий нефтепроводов и газопроводов. Дрон со стандартной батареей может провести в воздухе максимум час, и то без нагрузки. Дроны на наших топливных элементах могут летать по 2–3 часа. Представьте сами, сможет ли обычный дрон качественно обследовать большой участок.
Или доставка грузов: дрон с обычной батареей, несущий груз, может лететь всего полчаса. А вам нужно доставить груз на расстояние в 100 км, и чтобы он обратно мог вернуться, и как быть?
Наши водородные технологии могут снять барьеры применения дронов, стать драйвером для развития рынка в целом. Именно поэтому наша компания решила развиваться на этом рынке, более того – уже активно развивается и достигла определенных успехов. Например, буквально несколько дней назад одно из ведущих мировых изданий в области инноваций включило нас в топ‑20 компаний, поставляющих революционные решения для рынка дронов.
– Какие технологические наработки отличают вас от конкурентов?
– Мы с самого начала делали ставку на мощную русскую научную школу, на базе Московского энергетического института. В нашем пуле такие ученые, как, например, Сергей Иванович Нефедкин, профессор МЭИ, специалист в области автономных энергетических систем. Сила нашей компании в том, что мы не занимаемся наукой ради науки, чем грешат многие компании и российские стартапы, в частности. Мы исходим из потребностей рынка. Сперва мы определили сегмент, в котором планируем развиваться, и лишь затем была поставлена задача ученым, инженерам, производству. И за год с момента основания компании в 2016 году мы создали продукт, успешно прошедший испытания.
Идя от запросов клиентов, мы видим, какие ноу-хау будут востребованы. Это и отличает нас от конкурентов. Например, мы разработали преобразователь, который весит около 200 г. Стандартный преобразователь весит более 1 кг. Если говорить о топливных элементах для дронов, то их установка для клиента выглядит максимально просто: достаточно нажать кнопку, подсоединить один провод, подождать 30–50 секунд, и дрон взлетает. Вся система построена по принципу plug and play – это очень удобно. Простота использования и конструкций – вот в чем наш секрет. Клиенту не важно, как что устроено. Мы предлагаем коробочное решение для всех его проблем.
– А ценовое преимущество?
– Обычная li-ion батарея стоит 500 долл. Наш топливный элемент дороже: от 13 тыс. долл. Клиент не готов сходу купить такой дорогой продукт. Да, традиционная батарея дешевая. Но ее ресурс конечен, при регулярной нагрузке ее хватит на 2–3 месяца, после чего нужно покупать новую. И когда начинаешь объяснять клиенту все преимущества, рассчитываешь стоимость владения, которая учитывает все расходы, то он понимает, что в конечном счете километр полета дрона будет стоить столько же. Но дрон сможет лететь не 30 минут, а 2–3 часа.
А если ваш дрон может лететь дольше – то вы начинаете конкурировать не с другими дронами, а с малой авиацией, с вертолетами. Это уже совсем другой рынок.
Простой пример: добыча ископаемых на шельфе. У вас вышла из строя деталь, и необходимо срочно ее заменить. Либо вы поднимаете в воздух вертолет за 5 тыс. долл. в час, чтобы доставить с земли деталь весом в 1 кг, либо используете дрон, стоимость часа полета которого – всего 150 долл. В такой ситуации топливный элемент, пусть даже он стоит 15 тыс. долл., обойдется намного дешевле.
– Где еще могут применяться водородные технологии?
– Их можно назвать мировым трендом. К слову, Россия активно поддерживает стартапы в сфере водородных топливных решений, наш проект в области высокотемпературных топливных элементов принял участие в одном из государственных проектов и прошел одобрение в первой стадии. Эту технологию мы назвали «тихий дизель», я верю, что она придет на смену стандартным дизельным генераторам.
Несколько дней назад мы испытали наш новый переносной источник энергии для ремонтных бригад вместе с компанией МТС. Этот энергомодуль весит 17 кг, в то время как стандартный генератор – около 70 кг. Его может поднять один человек, он легко включается и запускается, может работать при температуре –40° С, а главное – он совершенно бесшумный.
Допустим, у вас упала сеть, на часах 23:00, бригада выехала по адресу в жилой микрорайон, но садится на лавочку и ждет утра, чтобы включить генератор, иначе разбуженные грохотом жители вызовут полицию. А с нашим генератором люди и не заметят, что в их районе или на крыше их дома вообще ведутся какие-то ремонтные работы. Поэтому рынок телекома для нас как производителей топливных элементов крайне привлекателен.
– Почему российские компании стремятся выйти на зарубежные рынки? Только ли потому, что внутреннего рынка недостаточно?
– Для нас выход на западный рынок – не просто мечта, а свершившийся факт – 70% нашей выручки, это заказы из-за рубежа. Теперь у нас мечта запустить несколько новых проектов и вывести компанию на первое место в своей сфере, с оценкой в 1 млрд долл. и выше. Но для того чтобы стоить 1 млрд, у тебя должны быть клиенты по всему миру.
Дело не только в прибыли. Общение с иностранными партнерами для нас – всегда плюс. У них совершенно иной образ мышления, они могут помочь тебе найти бизнес там, где ты его просто не увидишь. В этом смысле мы воспринимаем иностранных партнеров как помощников, которые могут помочь нам настроить бизнес-модель, найти правильные рынки, и их помощь в этом плане бесценна.
– Международный конкурс стартапов IPIEC GLOBAL (Китай) в прошлом году присудил вашей компании 12-е место в рейтинге мировых компаний, разрабатывающих энергетические решения. Стало быть, азиатские компании к вам присматриваются?
– С одной стороны, Китай создает неплохие условия и всю необходимую инфраструктуру для размещения инновационных технологий на своей территории. Но потом понимаешь, что из тебя просто хотят выжать все соки. Сперва тебе говорят – у вас отличный проект, мы готовы вложиться, но на деле они просто хотят, чтобы ты разместил там свою технологию, и там же ее и оставил. Это нас не устраивает.
Ни в Европе, ни в США таких условий не ставят. Там помогут с инвестициями, организуют каналы продаж, подскажут, как правильно пройти сертификацию, но то, что ты изобретаешь и производишь в России, останется твоим. Это совсем иной подход. К слову, в мире пять стран, которые занимаются разработкой энергетических технологий для дронов и у которых есть коммерчески-доступный продукт, – Россия, Великобритания, Сингапур, Канада и Китай. И китайские, между прочим, худшие в этом сегменте.
– А как обстоит дело с российским рынком?
– Потенциально рынок огромный. Но нужна законодательная поддержка. За рубежом наши продукты покупают не только потому, что это выгодно, или еще что-то. А потому, что они могут это использовать. Российские покупатели пока не видят всех возможностей, и я понимаю, почему: законодательных барьеров слишком много, рынок слабо отрегулирован. Закон пока не позволяет осуществить доставку груза дроном из Звенигорода в Наро-Фоминск, к примеру – слишком плотная застройка. В Штатах не так давно сняли запрет на управление дроном исключительно в пределах видимости, как результат, там сейчас наблюдается настоящий бум компаний доставки дронами.
У России есть все для того, чтобы занять первое место на мировом рынке доставки при помощи дронов. У нас отличная научная база, авиационная школа, наши дроны ничуть не уступают аналогам за рубежом, а даже превосходят их. И географические особенности нашей страны сами говорят о том, что нужно что-то делать с логистикой. Чем не цель – сделать Россию страной с самым развитым бизнесом в этой сфере? Хотелось бы, чтобы доступ к этому рынку был у всех компаний, чтобы рынок был конкурентным, чтобы компании соревновались друг с другом не в величине административного ресурса, а в технологиях и инновационных разработках.
Елена Горбачева, журналист «Русская планета»
Алексей Иваненко, компания BMPower
Источник