192. Перспективы нанотехнологий в энергетике и проблемы их продвижения.

Академик Олег Фиговский

Tенденции в развитии энергетики  в настоящее время являются основным условием выживания и подразумевает генерацию без выбросов углекислого газа в атмосферу. Одна из возможных дискутируемых перспектив — создание малых АЭС, как, например, первая плавучая АЭС на Чукотке «Академик Ломоносов» в России, так и планы других стран по развитию малых АЭС. Хотя один из минусов подобных проектов виден достаточно четко, организация безопасности и защита подобных АЭС потребует аналогичных по объему вложений, как и для больших АЭС, что негативно повлияет на экономическую эффективность малой атомной станции.Сама энергетика, методы и способы получения и распределения электроэнергии очень консервативны. Фактически сейчас осваивается и работает то, что было изобретено ещё 60-100 лет назад, конечно с учетом модернизаций. Десятки тысяч специалистов, по большому счёту, занимаются только усовершенствованием того, что было спроектировано не только их отцами и матерями, но ещё их дедушками и бабушками. Это конечно важно, но сложившаяся система электроснабжения нуждается в радикальном обновлении и перестройке, поэтому настоящее поколение учёных должно внести свой вклад в развитие инновационных экологичных способов и методов получения энергии на основе использования новейших материалов, способных исключить необходимость сжигания ископаемого топлива для выработки электроэнергии. Именно революционные изменения в технологиях получения экологически чистой безопасной электроэнергии без нанесения ущерба и загрязнения окружающей среде и будут стартовой площадкой для человечества на новом витке технологического прогресса. Развитие IT-технологий, роботизированной техники безусловно важны, но без революции в электроснабжении развитие человечества будет неполноценным и негармоничным. Чтобы осуществить подобные радикальные изменения необходимо отказаться от устоявшихся парадигм и сложившихся структур, необходимы учёные с новым видением, «незашоренным» взглядом и свободные от влияния существующей сложившейся системы в энергетике.

Учёные различных стран работают над созданием новых способов получения электроэнергии в эру «после нефти». Это и строительство термоядерного реактора на юге Франции, развитие ветряной и солнечной электро-генераций и т.д. Как считает Александр Иевлиев, наибольший интерес представляют новейшие разработки, использующие графен в качестве материала для источников постоянного электрического тока.

Владимир Хомяков, зам. главного редактора журнала «Фокус» приводит прогноз развития мировой энергетики на ближайшие 25 лет от агентства «Bloomberg». Основная мысль аналитиков агентства звучит так: «энергетический уклад человечества изменится навсегда». Мысль не нова, если бы не одно «но»: произойдет это скоро. Суть изменений можно объяснить одной фразой: ископаемое топливо не выдержит конкуренции с возобновляемой энергетикой. В первую очередь – солнечной.

В прогнозе приводятся шесть основных постулатов исследования:
– Во-первых, стоимость солнечной энергии за 25 лет упадет вдвое – к этому времени в большинстве стран мира она будет самой дешевой;
– Во-вторых, отрасль ждет бум инвестиций – по прогнозу Bloomberg, за следующие 25 лет в солнечную энергию будет инвестировано $3,7 трлн.;
– В-третьих – это одна из главных составляющих энергетической революции – $2,2 млрд из упомянутых $3,7 придутся на долю обычных домохозяйств, а не огромных солнечных электростанций. Проще говоря – это те самые панели на крышах частных домов, электричество от которых с учетом стоимости и срока службы самих панелей и аккумуляторов вроде тех, что собирается производить Элон Маск, будет обходиться дешевле, чем электричество из сети.
– В четвертых, рост спроса на электроэнергию замедлится. Электричество уже стоит достаточно дорого, чтобы его экономить – соответственно, на первое место выходит энергоэффективность. Как следствие, если с 1990-го по 2012 годы мировой спрос на электроэнергию рос примерно на 3% в год, то в следующие десятилетия он замедлится до уровня 1,8%. Причем в богатых странах Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСЭР) он и вовсе будет падать – рост обеспечат бедные экономики развивающихся стран.

— И, наконец, пятый постулат. До последнего времени считалось, что «топливным мостом» между угольной энергетикой и энергетикой, основанной на возобновляемых источниках станет природный газ: не такой вредный как уголь и не столь дорогой (в генерации) как солнечная энергия. Именно на этом допущении последние десятилетия строилась стратегия Газпрома, а по большому счету и вся экономическая стратегия России и других «углеводородных демократий». Но этого – по прогнозу Bloomberg – не произойдет.
Это последний, шестой постулат исследования Bloomberg – и, пожалуй, единственный негативный. Выбросы CO2 в атмосферу будут расти как минимум до 2029 года, и лишь потом пойдут на спад – но и в 2040-м будут примерно на 13% выше, чем сейчас. Соответственно, продолжится глобальное потепление, хотя его масштабы и будут немного меньше, чем считалось ранее. Во всяком случае, по расчетам экспертов, такой объем выбросов оксида углерода не нагреет атмосферу более чем на 2 градуса Цельсия. Эту черту многие экологи считают точкой невозврата, за которой начинаются необратимые изменения климата.
Исходя из вышеприведенного прогноза и опыта Израиля, России надо срочно пересмотреть цели и задачи своей науки, хотя в условиях развала РАН сделать это становится все труднее и труднее. К сожалению, дело в том, что государственные чиновники высшего уровня, отвечающие за формирование и реализацию государственной научно-технической политики (ГНТП), даже не считают нужным скрывать своего удовлетворения по поводу того, что аппаратный вес, бюрократическое и экспертное влияние на формирование этой самой ГНТП нынешнего руководства Академии наук практически сведены к нулю. Это во времена Советского Союза президент Академии наук СССР «открывал ногой» двери самых высоких кабинетов. Нынешний президент РАН поставлен проводимой реформой академической науки в унизительные условия председателя клуба по интересам, который раньше именовался «Академия наук».
И здесь мне хочется привести парадоксальную формулировку эффекта Даннинга Крюгера:«Люди, имеющие низкий уровень квалификации, делают ошибочные выводы и принимают неудачные решения, но не способны осознавать свои ошибки в силу своего низкого уровня квалификации». Эффект описывает логику отрицательного отбора, неумолимо ведущего к регрессу.
Между тем в России, похоже, раскручивается маховик «охоты на ведьм». Яркий пример – уволен венчурный инвестор Кендрик Уайт, работавший проректором по инновациям Нижегородского университета (ННГУ). Это произошло после показа сюжета в программе Дмитрия Киселева «Вести недели». Уайт более 20 лет живет в России, говорит кафедрой факультета менеджмента НИУ ВШЭ в Нижнем Новгороде. Эдуард Фияксель: «Очевидно, что Кендрика уволили только из-за этой программы, причем, как обычно, задним числом (приказ датирован 26 июня. – «Ведомости“). Мы виделись несколько недель назад, у него все было хорошо». Фияксель считает, что подобная ситуация может повториться и с другими иностранными преподавателями.
Декан Высшей школы маркетинга и развития бизнеса ВШЭ Татьяна Комиссарова говорит, что знакома с Уайтом с 2009 г., он первым в России создал Межфакультетскую студенческую инновационную лабораторию прототипирования: «С рынка берут технологию и ищут способы создания продукта с ее помощью – обычно это используется в крупных компаниях, например в DuPont или Boeing». Комиссарова напоминает, что должность проректора по инновациям была введена приказом Минобрнауки, «но во многих вузах это формальность, в отличие от ННГУ».
«Увольнение Кендрика Уайта – это ужасная ошибка, – заявил декан факультета биомедицинской инженерии университета Джорджа Вашингтона (США) Игорь Ефимов. – Он работал здесь с 1992 года, помогал талантливой российской молодежи воплощать свои идеи в реальную продукцию – сводил с инвесторами, помогал защищать патент и так далее». По словам господина Ефимова, недавно господин Уайт привозил студентов ННГУ в американские университеты, чтобы они продемонстрировали свои разработки. «Я смог оценить те из них, которые связаны со здравоохранением – и они гениальны, их надо продвигать на мировой рынок», – уверен ученый. В качестве примера он назвал разработанную студентами систему дистанционного диагностирования сердечных функций: «С ее помощью работу сердца можно проверить без присоединения электородов. У этого изобретения огромное количество применений – от обследования детей до проверки состояния водителей-дальнобойщиков прямо во время езды». Если деятельность Кендрика Уайта остановится, то талантливые российские студенты не смогут вывести свои инновации ни на мировой, ни на российский рынки, предупреждает Игорь Ефимов.
«Это последствия той же самой политики истерии, что уже привела к закрытию фонда „Династия“, – считает господин Ефимов. – Но если там был хотя бы какой-то повод, какой-то закон, то тут режут просто по живому. Этот человек стал неотъемлемой частью российской университетской среды, он принес нам новые практики. Кендрик Уайт – один из немногих примеров, когда из-за границы приехал ученый в Россию, а не наоборот. Боюсь, что эта волна пойдет и дальше»Сегодня в серьёзных научных кругах ни у кого уже не вызывает сомнение тот факт, что материал графен способен генерировать электрический ток под воздействием различных электромагнитных излучений. Комбинируя графен с нитридом бора, учёные Массачусетского технологического института смогли получить постоянный электрический ток под воздействием терагерцевых волн. Терагерцевые волны широко распространены в нашей повседневной жизни и при их использовании, концентрированная энергия волн может потенциально служить альтернативным источником энергии. Учёные MIT также обнаружили, что чем сильнее энергия поступающего терагерца, тем больше энергии устройство может преобразовывать в постоянный ток. Исследователи разработали проект терагерцевого выпрямителя, состоящего из небольшого квадрата графена, который располагается на слое нитрида бора и находится внутри антенны. Он будет собирать и концентрировать окружающее терагерцевое излучение, усиливая его сигнал настолько, чтобы стало возможным преобразовать его в постоянный ток.

Однако, несмотря на весь авторитет Массачусетского технологического института в научном мире и финансовую поддержку государства, первенство в исследовании практического использования графена для целей электрогенерации следует признать за немецкой научно-технологической компанией Neutrino Deutschland GmbH, входящей в международную группу Neutrino Energy Group. Эта компания разработала технологию получения постоянного электрического тока путем нанесения многослойного нано-покрытия из чередующихся слоев графена и легированного кремния на металлическую фольгу (патент № EP3265850A1). Предполагается, что многослойное расположение чередующихся слоёв графена и легированного кремния приводит к тому, что силы между электронами графена «выбиваются» из равновесия. Общий эффект заключался в том, что физики называют «косым рассеянием», когда облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении, что и называется постоянным электрическим током.

Благодаря такому многослойному материалу и повышенному колебательному движению атомов графена, эта чрезвычайно чуткая к излучениям конструкция энергетической ячейки способна преобразовывать не только воздействие терагерцевых волн, но и кинетическую энергию нейтрино и других частиц невидимого спектра излучения. Это позволяет получать постоянный электрический ток круглосуточно, в том числе в темноте, вне зависимости от места размещения энергетической ячейки. Кроме того, при отсутствии или слабом фоновом воздействии терагерцевых волн и других полей излучений, такая многослойная конструкция из слоёв графена и легированного кремния позволит получать постоянный ток только от воздействия космических частиц невидимого спектра излучения (нейтрино), что и подтвердили независимые испытания в клетке Фарадея в условиях исключения воздействия терагерцевых волн.

В рамках прикладных работ, проводимых немецкой научно-технологической компанией Neutrino Deutschland GmbH и входящей в международную группу Neutrino Energy Group , фундаментальные научные исследования не являются целью и задачей, поскольку компания концентрируется на поиске чисто технологическую решения для создания нового типа электро-генерации без выбросов парниковых газов. Как надеется к.т.н. Л.К. Румянцев, его вышеприведённые суждения о взаимодействии нейтрино с веществом смогут стать предпосылкой для новых фундаментальных исследований в этой области. Развитие и внедрение инновационной Neutrinovoltaic технологии в повседневную жизнь будет означать начало новой эры в энергетике, и она приближается быстрее, чем уверены некоторые скептики.

Более подробно с новыми наноматериалами для энергетики можно прочитать в моей главе энциклопедии «Handbook of Nanomaterials and Nanocomposites for Energy and Environmental Applications» (2021, Springer).