На фоне бурных политических событий как-то выпадает из топа новостей Парижская конференция по климату.
Из выступления нашего президента Владимира Путина на этой конференции журналисты отметили только его слова о том, что Россия перевыполнила свои обязательства по Киотскому протоколу и сдвинула глобальное потепление на год. Но это, так сказать, «отчёт о проделанной работе», а конференция посвящена будущему.
И какое же будущее обещает Россия?
В Париже президент РФ Владимир Путин удивил многих заявлением о том, что Россия обладает уникальной технологией производства углеродных нанотрубок, которая может произвести настоящую революцию в промышленности и экологии. Что это за углеродные нанотрубки, и почему о них важно было упомянуть на конференции по климату?
От любопытства к использованию
Приставка «нано» в названии здесь не дань моде, а отражение реальности. Диаметр нанотрубок как раз порядка нескольких нанометров. (Один нанометр – это одна миллиардная доля метра). А вот в длину они могут достигать микронных размеров.
Стенки углеродных нанотрубок построены из шестиугольников, в вершинах которых расположены атомы углерода.
Фактически, это свёрнутый в трубку лист графена, за открытие которого русские учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили в 2010 году Нобелевскую премию.
Возможно, что впервые они были обнаружены ещё в 1952 году советскими учёными, которые наблюдая в электронный микроскоп за поверхностью железного катализатора, на котором происходило разложение углекислого газа, увидели там волокна длинной 100 нм. Позже подобные объекты наблюдали и другие исследователи.
Потребовалось пятьдесят лет, чтобы увидеть в нанотрубках полезный и перспективный материал, а не только любопытный продукт игры природных сил.
Прочность
Нанотрубки, штука прочная.
Они обладают уникальными механическими свойствами.
Если в алюминий добавить всего один процент нанотрубок, то прочность материала увеличится на десятки процентов. А это означает, что изделия из алюминия, армированного нанотрубками, будут служить дольше.
Следовательно, можно будет снизить объёмы производства алюминия, для которого требуются огромные количества электроэнергии.
На выходе мы имеем уменьшение выбросов парниковых газов.
Разумеется, укреплять нанотрубками можно не только алюминий, но и другие металлы, а также неметаллические материалы: керамику, бетоны и т.д.
В данном случае мы получаем косвенный эффект от использования нанотрубок.
Нанотрубки на радость зелёным
Прямой эффект получается при их применении в т.н. «зелёной энергетике».
В целях уменьшения выбросов парниковых газов по всему миру идёт внедрение электромобилей и автомобилей с гибридными двигателями. В качестве источников питания в таких машинах используются аккумуляторы и суперконденсаторы.
Аккумуляторы
У аккумуляторов есть существенный недостаток – низкая скорость зарядки и количество циклов заряд-разряд.
У лучших литий-ионных аккумуляторов ресурс ограничен тысячью циклов. Причём, по мере выработки ресурса снижается и ёмкость батареи.
С этим явлением знакомы все владельцы смартфонов и планшетников.
Использование нанотрубок в изготовлении отрицательного электрода для литий-ионных аккумуляторов позволяет увеличить ёмкость батарей, и срок службы. Но со скоростью зарядки ничего не поделаешь – она ограничена самой физикой процесса.
Суперконденсаторы
Суперконденсаторы – это другой перспективный источник питания для автомобильного транспорта.
Главным его преимуществом является высокая скорость зарядки, которая не уступает скорости заливки бензина в бак. Только вот ёмкость этих устройств в сорок раз меньше, чем у аккумуляторов.
Тем не менее, в разных странах суперконденсаторы тестируются на общественном транспорте. Их заряда вполне хватит для плавного трогания с места автобуса.
Используются они и в электротранспорте в качестве резервных источников питания: при обрыве линии трамвай может проехать несколько километров на суперконденсаторах до следующей остановки или до исправного участка сети питания.
Если заглянуть в школьный учебник физики, то там можно найти формулу зависимости ёмкости конденсатора от геометрических параметров электродов. Из этой формулы следует, что чем больше площадь поверхности электродов, тем больше ёмкость конденсатора.
Нанотрубки обладают огромной удельной площадью.
Было бы заманчивой идей использовать их для изготовления электродов суперконденсаторов.
Над этой задачей работают учены по всему миру, в том числе и Россия.
Сейчас группа учёных из Воронежского технического университета разработала способ прививки нанотрубок на поверхность графена для изготовления активной поверхности электрода суперконденсатора. Все компоненты отечественного производства, в т.ч. и нанотрубки.
На вес золота
В чём же проблема?
Вернёмся к тому, что сказал президент РФ Владимир Путин в Париже на конференции по климату. Он заявил, что Россия обладает уникальной технологией изготовления нанотрубок.
Действительно, все работы с использованием этого материала ограничивались высокой ценой – 7000 рублей за один грамм нанотрубок, а мировая потребность в них исчисляется десятками тысяч тонн.
Давайте посчитаем.
Тонна алюминия на бирже стоит около 125 тыс. рублей за тонну. Для увеличения прочностных характеристик алюминия достаточно добавить 1% нанотрубок, т.е. 10 кг на тонну металла.
10 кг нанотрубок по цене 7000 рублей за грамм обойдётся в 70 млн. рублей.
Складываем и получаем, что тонна армированного 1% нанотрубок алюминия обойдётся в 70 млн. 125 тыс. рублей.
Да, дороговато.
Понятно, что такой материал при всех его прекрасных характеристиках не сможет найти широкого применения из-за дороговизны.
Мы можем дешевле
Эту проблему решили наши учёные из Роснано.
За пять лет они разработали способ получения углеродных нанотрубок, который позволил снизить цену продукта не в два и даже не в три раза, а в… двести раз!
Подробностей нам никто, естественно, не расскажет.
Но сейчас уже налажено опытное производство мощностью пять тонн нанотрубок в год, а в проекте – строительство завода мощностью в 50 тонн нанотрубок в год.
Будущее за нами
В Париже президент РФ Владимир Путин сделал очень важную заявку на лидерство России в области производства углеродных нанотрубок.
Авторитет нашей страны опирается не только на баллистические ракеты и мощь нашей армии, но и на приоритетные разработки в области современных технологий.
История ставит перед человечеством задачи.
Россия предлагает их решение
Сергей Черкасов
