Использование наноматериалов в энергоресурсосберегающих технологиях

УДК 620.9:620.5

Г. В. Романова, Э. Н. Островская

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ

Ключевые слова: наноматериалы, нанотехнологии, энергосбережение, ресурсосбережение.

В промышленном производстве используется огромное количество энергии. Использование нанотехнологии позволяет сэкономить энергию и ресурсы путем расходования меньшего количества энергии и материалов на то же количество продукции, а также за счет производства более легких агрегатов, таких как турбинные лопасти, делая их более энергоэффективными. В статье рассматриваются общие вопросы по данной теме и представлен обзор специфических сфер использования, таких как автомобильная и нефтяная промышленность.

Key words: nanomaterials, nanotechnologies, energy-saving, resource-saving.

A lot of energy is applied in industrial production. Nanomaterials possess considerable potential for energy- and resource-saving. Using nanotechnologies in industrial production can contribute to energy and resource saving by using less energy or materials for the same number of products, as well as by making installation such as turbine blades lighter, hence more energy efficient in their use. The paper covers the general aspects and looks at specific sectors such as the automotive and oil industry.

Сегодня очевидно, что без развития наноматериалов немыслимо формирование инновационной экономики в нашей стране, закрепление ее позиций в качестве одной из ведущих мировых держав. В выступлениях Президента и Председателя Правительства России неоднократно подчеркивалась необходимость ускоренного развития нанотехнологической сферы. В XXI веке мир стоит на пороге новой научно-технологической революции, которая связана прежде всего с нанотехнологиями.

С уверенностью можно сказать, что у российской науки, бизнеса и промышленности есть мощный потенциал для быстрого продвижения по этому стратегическому направлению формирования инновационной экономики. Отечественные исследовательские центры по результатам своих научных разработок не уступают мировому уровню исследований в этой сфере.

Всплеск интереса к наноматериалам общеизвестен и достаточно обоснован как с практической, так и с теоретической точки зрения. Он крайне важен и перспективен, так как традиционные технологические приемы конструирования структуры вещества на макро- и мезоуровнях, особенно без изменения элементного состава на уровне ядер и атомных остовов, уже практически себя исчерпали и не могут решить проблему получения материалов с комплексом качественно новых свойств, требуемых современной промышленностью [1].

Впервые это научное направление обозначил Нобелевский лауреат по физике Ричард Фейнман в своей лекции с образным названием «внизу полным-полно места», прочитанной в 1969 году, в которой он обосновал практически неограниченные перспективы материалов и устройств, построенных на частицах с размерами, соизмеримыми с размерами единичных атомов или молекул, а интенсивное развитие этого направления уже в настоящее время привело к целому ряду открытий в естествознании и технологии.

Президентская инициатива «Стратегия развития наноиндустрии», утвержденная Президентом Российской Федерации 24 апреля 2007 г., является ключевым документом по организационному обеспечению государственной политики развития наноиндустрии в Российской Федерации. Как отмечается в Стратегии, в XXI веке наноиндустрия будет определять прогресс и состояние дел во всех областях человеческой деятельности. Разделяющие эту парадигму государства, а это все без исключения экономически развитые и ведущие развивающиеся страны, уже приступили к активному развитию соответствующих секторов национальных экономик, поскольку, как и в других важнейших для развития

человечества областях, нанотехнологии - естественное поле для жесткой конкурентной борьбы за лидерство на мировом рынке, который сегодня оценивается в 700 млрд. долларов США, а к 2015 году может достичь 1,5 трлн. долларов, за обеспечение национальной безопасности и обороноспособности страны, которое, как показывают практика, вскоре будет немыслимо без использования нанотехнологий.

Для активного участия в этой «нанотехнологической гонке» Россия располагает весомым научным заделом. Во всех критических для ускоренного развития нанотехнологий областях - материаловедении и электронике, биологии и атомной физике очень значимый вклад был внесен именно нашей страной. В мире общепризнанны исследования российских ученых в области гетеропереходов, синхротронного излучения, биодиагностики, углеродных структур и т. п.

Разработка и использование наноматериалов в энергоресурсосберегающих технологиях являются на сегодняшний день первоочередной задачей, одним из приоритетных направлений политики передового мирового сообщества.

Как отмечает ряд авторов, в частности, Н.В. Шашкин и др. в монографии «Энергосберегающие технологии и аппаратурные комплексы для смешения и формирования партий гранулированных материалов», энергоёмкие процессы в различных областях промышленности, химии и других производствах во многих случаях являются серьезной проблемой на пути достижения требуемого результата [2].

Как известно, потенциал энергоресурсосбережения большинства предприятий огромен. По некоторым оценкам он достигает 40% от текущего уровня потребления энергии. А жизненный цикл (ресурс) многих видов техники и оборудования с помощью современных технологий восстановления может быть продлен в несколько раз.

Нанотехнологии предоставляют возможности существенного улучшения использования традиционных источников энергии (ископаемое и ядерное топливо) и возобновляемых источников энергии, таких как геотермальная энергия, энергия солнца, ветра, воды и биомасс. К примеру, нанопокрытие на зондовых измерительных установках позволяет увеличить срок службы и точность проб нефти и природного газа, тем самым сокращая расходы производства.

Другим примером успешного использования наноматериалов в энергоресурсосбережении могут служить высокомощные наноматериалы, применяемые для производства более легких и износостойких роторных лопастей ветровых установок, а также в виде защитного слоя, увеличивающего долговечность и устойчивость к коррозии деталей, испытывающих большую механическую нагрузку (втулки, зубчатые редукторы и т. д.).

Нанотехнологии в форме фотоэлектрических систем будут играть решающую роль в интенсивном использовании солнечной энергии. В случае с традиционными кристаллическими кремниевыми солнечными батареями, например, увеличение эффективности достигается добавлением основанного на нанотехнологиях антиотражательного слоя, увеличивающего объем поглощаемого света. Огромное значение наноматериалы играют в разработке альтернативных видов фотоэлементов, таких как тонкослойные фотоэлементы (кремниевые, медные, селеновые), а также полимерные фотоэлементы, которые получат значительные преимущества при использовании наноматериалов при их производстве. Известно, что полимерные фотоэлементы имеют высокий потенциал, особенно в сфере электропитания портативных электронных устройств, благодаря оптимальной цене материалов и производственных методов, а также гибкой архитектуре.

Среди среднечсрочных целей развития нанотехнологий в этой сфере следует отметить увеличение производительности на 10% и срока службы на несколько лет. В первую очередь подразумевается использование наноматериалов в конструировании слоя и структуре органических полупроводниковых смесей. В конечном итоге, использование нанотехнологий,

таких как квантовые точки и проволоки, позволят повысить эффективность фотоэлементов на 60% [3].

Превращение источников первичной энергии в электричество, тепловую и кинетическую энергию требует предельной эффективности. Увеличение эффективности, особенно на тепловых электростанциях и энергетических установках, функционирующих на ископаемом топливе, поможет избежать выбросов значительных объемов углекислого газа.

Более высокая производительность энергетических установок требует более высоких температур функционирования, т.е. более жаростойких турбинных материалов. Этого можно достичь путем использования наноразмерных слоев защиты от коррозии и высоких температур, применяемых на турбинных лопастях электростанций и авиационных двигателей. Практические результаты в этой области достигнуты компанией Staatliche Materialprüfungsanstalt [4].

Оптимизированные при помощи нанотехнологий мембранные фильтры способны расширить диапазон возможностей сепарации и обеспечить условия хранения углекислого газа, не оказывающие негативного влияния, при производстве электроэнергии на каменноугольных тепловых электростанциях, что позволит сделать этот важный метод производства электроэнергии более экологичным в долгосрочном плане. Выработка электроэнергии при преобразовании химической энергии посредством тепловыделяющих элементов также может быть повышена за счет наноструктурированных электродов, катализаторов и мембранных фильтров, что приведет к более экономичному использованию автомобилей, зданий и мобильной электроники. Разработками в этой области весьма спешно занимается компания Umicore AG. [5].

Многообещающим является и применение наноструктурированных полупроводников в преобразовании термоэлектрической энергии, в частности, в целях повышения эффективности использования отходящей теплоты в автомобилях и даже человеческом теле (тепла человеческого тела достаточно для обеспечения энергией портативной электроники). Значительные результаты в этой сфере были получены Институтом Микротехнологий (Fachhochschule Wiesbaden - Institute for Microtechnologies) [6].

Что касается сокращения энергопотерь при передаче электротока, существует вероятность, что невероятная электропроводимость таких наноматериалов как углеродные нанотрубки (УНТ) может быть использована в электрических кабелях и линиях электропередач. Кроме того, ведутся разработки нанотехнологических приемов оптимизации производства сверхпроводниковых материалов для безубыточной электропроводности. В долгосрочной перспективе планируется беспроводная передача электричества, посредством лазера, микроволн и электромагнитного резонанса.

В дальнейшем, распределение электроэнергии потребует использования электроэнергетических систем, обеспечивающих динамичное управление электропотреблением и контроль неполадок, электроснабжение, управляемое запросами с гибкими ценовыми механизмами, а также возможность питания от множества децентрализованных источников возобновляемой энергии. Нанотехнологии должны внести решающий вклад в реализацию данной перспективы, помимо прочего, за счет нано-сенсорных устройств и компонент электронного управления питанием, способных справиться с чрезвычайно сложным управлением и мониторингом таких электроэнергетических систем.

Использование нанотехнологий в совершенствовании накопителей электроэнергии, таких как батареи и супер-конденсаторы, являетя многообещающим. Благодаря высокому напряжению элемента и плотности энергопотока, литий-ионная технология считается наиболее перспективным вариантом накопителей электроэнергии. Нанотехнологии же смогут значительно повысить ёмкость и безопасность литий-ионных батарей при помощи новых керамических жаропрочных и при этом гибких сепараторов и высокопроизводительных электродных проводниковых материалов. Компания Evonik уже в настоящее время занимается

промышленным выпуском таких систем, применяемых в гибридных и электротранспортных средствах, а также в стационарных аккумуляторах энергии [7].

В перспективе, даже водород рассматривается как многообещающий накопитель энергии в рамках экологичного энергоснабжения. Помимо необходимых инфраструктурных наладочных работ, эффективное хранение водорода рассматривается как один из решающих факторов успеха. Существующие материалы не отвечают требованиям, выносимым промышленностью к хранению водорода. Различные наноматериалы, в частности наногубчатые металлоорганические соединения, позволяют получить экономически осуществимое решение.

Еще одна важная сфера применения наноматериалов - аккумулирование тепловой энергии. Потребление энергии зданиями, например, может быть существенно снижено путем использования материалов с обратимыми фазами, таких как накопители скрытой теплоты. С экономической точки зрения интерес представляют также поглощающие накопители из нанопористых материалов, таких как цеолиты, которые могут с успехом применяться как тепловые накопители в промышленности.

Для достижения устойчивого энергоснабжения необходимо повысить эффективность использования энергии и избегать бесполезного энергопотребления. Это относится ко всем отраслям промышленности и частным хозяйствам. Нанотехнологии предоставляют множество подходов к решению проблемы энергосбережения. Примерами могут служить снижение потребления топлива в автомобилях за счет использования легковесных строительных материалов на основе нанокомпозитов, оптимизация сжигания топлива путем использования износоустойчивых и более легких деталей двигателя и топливных присадок из наночастиц, а также использование наночастиц в производстве шин, что будет способствовать снижению сопротивления качению. Значительная экономия энергоресурсов может быть реализована за счет применения трибологических слоёв, наносиых на механические детали заводов и агрегатов.

В Университете Лидза Ричард Уильямс и Юлонг Динг путем суспендирования наночастиц в воде и других жидкостях создали «нанорастворы», позволяющие пердавать тепло на 400% быстрее, чем другие жидкости. В системе центрального отопления такие нанорастворы могут повысить эффективность использования энергоресурсов без необходимости задействовать более мощные насосы и обеспечить экологические преимущества. Такие нанорастворы способны также открыть двери для нового поколения компьютеров, преодолевая одно из основных препятствий разработки более мелких микрочипов - быстрое рассеивание тепла. В настоящее время ученые детально исследуют свойства этих нанорастворов с целью досконального изучения их свойств, в частности теплопроводимости, в статических и динамических условиях. Ведутся переговоры с промышленными партнерами о переходе на широкомасштабное производство [8].

Очевидно, развитие нанотехнологий во многом определяет индустриальное и экономическое развитие в XXI веке, поэтому научные разработки в этой области являются крайне перспективными и позволят России реализовывать масштабные проекты по экономии энергоресурсов.

Литература

1. Сироткин, О.С. О роли баланса химических и физических факторов в наноматериалах и нанотехнологиях / О.С. Сироткин, Р.О. Сироткин // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2010. - №9. - С. 26-33.

2. Шишкин, Н.В. Энергосберегающие технологии и аппаратурные комплексы для смешения и формирования партий гранулированных материалов / Н.В. Шишкин и др.- Казань: Изд-во Казан.гос.техн.ун-та, 1999. - 159 с.

3. Piquepaille, R. Nanotechnology boosts solar cells performance / R. Piquepaille. 2007 (http://www.zdnet.com/blog/emergingtech/nanotechnology-boosts-solar-cells-performance/669).

4. Uhlmann, D. From nanoscale to vacroscale: study of damage in steels Cu precipitates using micromechanically based stress-strained curves / D. Uhlmann, P. Kizler, S. Schmauder. 1998

5. Lippens, P. Inorganic nanomaterials for Application in industrial electronics and consumer products / P. Lippens. 2010

6. http://www.fh-wiesbaden.de

7. http://nano.evonik.com

8. Ding, Yulong Cool nanotechnology can save energy / Y. Ding. 2006

© Г. В. Романова - канд. пед. наук, доц. каф. иностранных языков в профессиональной коммуникации КНИТУ, galina.vlad.romanova@gmail.com; Э. Н. Островская - канд. техн. наук, доц. каф. машиноведения КНИТУ, alla_011@mail.ru.