Нанотехнологии в энергетике. На этот раз при помощи нанотехнологий совершен прорыв в области прямого

На этот раз при помощи нанотехнологий совершен прорыв в области прямого преобразования радиоактивного излучения в электроэнергию. Способ прямой конвертации радиации в электроэнергию с помощью термоэлектрических наноматериалов откроет новую эру в космических полетах на сверхдальние расстояния и найдет свое применение при создании земных транспортных средств, считают ученые. Тесты показали, что разработанный материал способен вырабатывать в 20 раз большую электрическую мощность по сравнению с образцами известными ранее.

Традиционная ядерная энергетика использует энергию распада атомных ядер для нагрева теплоносителя, который, в свою очередь, нагревает воду. Вода преобразуется в пар с высокими параметрами, пар направляется в турбину, которая приводит во вращение генератор.

Естественным стремлением ученых было уменьшить число ступеней преобразования одного вида энергии в другой прежде, чем будет выработана электроэнергия. Связано это с тем, что, во-первых, на каждом этапе происходят потери энергии, во-вторых, вся технологическая цепочка занимает много места, требует габаритного и дорогого оборудования.

США и Советский Союз начали разработки ядерных батарей для космических аппаратов, начиная с первых космических полетов. В этих устройствах применялись термоэлектрические материалы, с помощью которых тепло ядерной реакции напрямую преобразовывалось в электроэнергию. Такие установки были очень компактными, так как в них отсутствовали парогенераторы, турбины, генераторы. Но эффективность подобных устройств была крайне низка.

В настоящее время, в лаборатории университета штата Алабама разработан термоэлектрический материал, повышающий эффективность всей технологии в 20 раз! Материал был создан бывшим инженером национального ядерного центра Лос-Аламос - Liviu Popa-Simil, в сотрудничестве с Claudiu Muntele из университета Алабамы.

Новый материал представляет собой множество слоев углеродных нанотрубок, наполненных золотом и окруженных гидридом лития. Радиоактивное излучение воздействует на электроны в атомах золота и заставляет их покидать свои орбиты. Электроны проходят через нанотрубки и попадают в гидрид лития, затем они движутся к электроду, создается электрический ток.

Нанотрубки под электронным микроскопом

Нанотрубки позволили существенно повысить удельную электрическую мощность термоэлектрика. С их помощью возможно наиболее эффективно использовать энергию радиационного излучения.

Термоэлектрики могут стать компактными и очень удобными источниками энергии, как для космических аппаратов, так и для земных автомобилей. Но это, как признают ученые, лишь далекая перспектива. Предстоит провести еще очень много научной работы, прежде чем технология будет готова к коммерциализации.

По материалам журнала NewScientist

http://1interesnoe.info/2010/09/energetika_i_nanotexnologii/

Энергетика и нанотехнологии

шиномонтаж мобильный .

Представьте, каким будет наш мир в 2050 г. без возобновляемых источников энергии. Практически все запасы нефти на планете будут сожжены в двигателях автомобилей. А все запасы газа израсходованы на генерацию электричества или в сжиженном состоянии использованы для перемещения автомобилей и самолетов. Человечеству придется использовать оставшиеся запасы угля с выбросом продуктов сгорания с высоким содержанием металлов и других загрязняющих веществ. Содержание углекислого газа в атмосфере превысит отметку 750 частей на миллион. Уровень воды в Мировом океане повысится так, что береговая линия сдвинется почти на 80 км вглубь континентальной части. При этом будут затоплены многие прибрежные города и густозаселенные территории. Электросети будут настолько перегружены, что перестанут надежно работать, и большинство людей смогут получать энергию всего несколько часов в неделю. Из-за невыносимой жары миллиарды вынуждены будут мигрировать.

Нищета и болезни будут расти в связи с отсутствием дешевой и экологически чистой энергии. Энергия станет элементом роскоши, доступной только богачам, которые вынуждены будут тратить большую часть своих средств на защиту от энергетически голодных орд.

Трудно себе представить, что мировые лидеры позволят осуществиться такому кошмарному сценарию. Сегодня очень важно найти новые технологические решения для поиска альтернативных источников энергии еще до того, как исчерпаются ископаемые источники энергии. В этой главе представлены некоторые пути поиска решения энергетических проблем, с которыми человечество неизбежно столкнется к 2050 г.

Открытия в области нанотехнологий вызывают эффект домино практически во всех отраслях науки и техники. По мере постижения основных свойств наномира и открытия новых нанотехнологий ученые и инженеры находят новые сферы их применения. Вероятно,

наиболее важным будет применения нанотехнологий в энергетике. Дальнейшее процветание человечества, доступность энергии и качество окружающей среды будут во многом зависеть от успеха применения нанотехнологий.

Ричард Смолли, один из самых активных сторонников применения альтернативных технологий, убежден, что новые наноматериалы сыграют критически важную роль в удовлетворении будущих энергетических потребностей человечества. Он считает, что нанотехноло- гии помогут найти способ распределения энергии по всему миру, и верит, что человечество найдет и применит нужные нанотехнологии для решения всех энергетических проблем.

Новые технологии в энергетике необходимы для всеобщего благополучия человечества. После исчерпания ископаемых источников энергии человечеству придется найти экономически выгодные альтернативы, ибо в противном случае мы просто прекратим свое существование.

Энергия

Прежде чем искать решения энергетических проблем с помощью нанотехнологий, попробуем разобраться, в чем же заключаются энергетические проблемы.

С какими наибольшими проблемами столкнется человечество в ближайшие 50 лет? Достаточно большой список всех проблем имеет общий знаменатель: энергия. В таблице 11.1 перечислены 10 наиболее важных современных проблем человечества.

Большая часть проблем загрязнения окружающей среды связана с используемой энергией, которая генерируется за счет сжигания ископаемых ресурсов (угля, нефти и газа), древесины или продуктов жизнедеятельности человека и домашних животных. Это сжигание приводит к возрастанию в атмосфере концентрации углекислого газа, сажи и других загрязняющих веществ, которые приводят к отравлению атмосферы и глобальному потеплению.

Бедность, почти по ее определению, означает недостаток энергии. Из 6,5 млрд людей, живущих на Земле, около 2 млрд не имеют доступа к электричеству, а еще 2 млрд вынуждены использовать ограниченное количество ископаемых видов топлива, обычно древесину и продукты жизнедеятельности домашних животных. Остальные 2 млрд используют другие доступные источники энергии (например, американцы составляют всего 5% населения Земли, но используют около 25% всей расходуемой человечеством энергии). Люди без доступа к достаточному количеству энергии вступят в конфликт с теми, у кого энергии достаточно, а это приведет к росту социальной и политической напряженности. Огромный экономический разрыв между богатыми и бедными странами и народами повлечет за собой рост напряженности в отношениях между ними.

А что с войнами и терроризмом? Приходилось ли раньше людям воевать за энергию? Первое, что приходит в голову, — это война в Персидском заливе и горящие нефтяные скважины.

Причиной множества болезней является загрязнение питьевой воды. Если бы у человечества было достаточно энергии для очистки воды, уровень заболеваний можно было бы существенно снизить.

Образование также зависит от ресурсов и энергии. Трудно учиться на пустой желудок, в жаре или холоде. Не верите? Спросите у любого студента. Население Земли в 2050 г. может достигнуть 8—10 млрд человек. Отсутствие демократии и свободы может показаться меньшей проблемой, чем перенаселение и недостаток энергии, но решение энергетических проблем упростило бы решение всех остальных проблем человечества.

Какие факторы, кроме энергии, могут повлиять на решение этих проблем? При тщательном изучении может показаться, что только уменьшение населения Земли может помочь в их решении. Однако даже после самых ужасных войн и эпидемий население существенно не уменьшалось. Удалось бы решить эти проблемы, если бы население Земли составляло всего 1 млрд человек? Скорее всего, да, но куда девать остальные 5,5 млрд?

Вероятно, вы заметили, что полки книжных магазинов ломятся от книг с ужасающими заголовками: «Без газа», «Фактор нефти», «Конец нефти», «Последний энергетический кризис», «Без нефти: вид с пика Хаббарда» и др. В большинстве из них обсуждается вопрос: достигла ли пика мировая добыча нефти? Почти все соглашаются, что такой пик будет достигнут уже в 2010 г.1

М. Кинг Хаббард (M. King Habbard), геофизик компании Shell Oil, в 1957 г. проанализировал темпы добычи нефти и предсказал, что США достигнут пика добычи нефти в 1970 г. Именно так и произошло. На рисунке 11.1 предсказания Хаббарда показаны на графике.

В книге Twilight in the Desert («Сумерки в пустыне») описываются нефтяные поля Саудовской Аравии. В ней анализируется состояние крупнейших нефтяных полей мира и уровень их истощения. Согласно этому анализу, цены на нефть и нефтепродукты, вероятно, останутся такими же высокими, если не выше. Дело в том, что спрос на нефть постоянно растет быстрее предложения.

Почти 99% современных ученых согласны с тем, что повышение уровня концентрации углекислого газа в атмосфере вызовет серьезные проблемы в течение ближайших 100 лет. Все ископаемые виды топлива выделяют углекислый газ при сгорании. Поэтому если мы будем продолжать сжигать нефть, газ и уголь, то должны придумать способы снижения уровня углекислого газа в атмосфере. Многие компании разрабатывают варианты сохранения углекислого газа в подземных резервуарах, океане или в составе производных веществ, например карбонате кальция. Проблема в том, что для снижения содержания углекислого газа в атмосфере такими методами придется в течение 100 лет хоронить десятки гигатонн углекислого газа.

Доступность

Энергия неодинаково доступна всем людям на Земле. Как уже говорилось выше, около 2 млрд человек не имеют доступа к электричеству, а еще 2 млрд вынуждены использовать биомассу (то есть древесину и продукты жизнедеятельности домашних животных).

На рисунке 11.2 показаны кривые спроса и текущего потребления нефти, газа и угля. Человечество потребляет огромное их количество. По мере приближения к 2050 г. спрос на эти виды топлива будет только расти. Если учесть, что текущие прогнозы чрезвычайно занижены и не учитываются некоторые факторы, то положение может быть еще более тяжелым.

Например, ежегодные общемировые темпы роста потребления энергии равны 2%, а темпы роста потребления энергии в Китае — 20%. Поскольку население Китая превышает 1 млрд человек, то общий рост потребления энергии в мире вряд ли останется на прежнем уровне. Фактически потребление энергии растет в наиболее населенных странах мира вместе с ростом уровня жизни: люди стремятся покупать автомобили и больше путешествуют. На рисунке 11.3 показана структура основных видов топлива, которые потребляются в настоящее время.

Уровень спроса на топливо и его потребления в мире ПРОБЛЕМА ТЕРАВАТТА

Этот термин образно описывает проблемы современной энергетики. В пересчете на нефть человечество ежедневно потребляет более
210 млн баррелей нефти, из которых около трети приходится на саму нефть, а остальная часть — на уголь, газ, ядерное топливо, биомассу и гидроресурсы. За исключением гидроресурсов основная часть топлива — это невозобновляемые источники энергии. Благосостояние в XX в. было связано с потреблением нефти. Что же станет основой энергетики в XXI в.?

По самым скромным оценкам, в 2050 г. человечеству потребуется вдвое больше энергии, чем сегодня (а если учесть некоторые дополнительные факторы, то даже вчетверо). Это значит, что ежегодно будет тратиться 10—15 тераватт.

Тераватт — это миллион миллионов ватт (то есть 1012 ватт), что приблизительно соответствует миллиону баррелей нефти.

В настоящее время нет никаких возможностей для удовлетворения столь высоких потребностей человечества. Потребление нефти, газа и угля составит лишь малую долю от общего потребления энергии. Для удовлетворения повышенного спроса потребуется использовать новые источники энергии на основе ядерного распада и синтеза, гидроэнергетики и новых возобновляемых источников энергии. Сможет ли человечество овладеть этими новыми источниками в ближайшие десятилетия?

ЭФФЕКТИВНОСТЬ

По мнению Эймори Ловинс (Amory Lovins) из Института Роки Маунтэйн (США), решить энергетические проблемы можно с помощью повышения эффективности производства и использования новых материалов. Например, если делать автомобили из композитов, то их масса уменьшится, и потребление энергии снизится. Такие автомобили могли бы дать до 69% экономии потребляемого топлива. Использование более прочных композитных материалов также позволило бы создавать конструктивно иные грузовики и микроавтобусы и получить экономию топлива до 65%.

Компании Boeing и Airbus достигли заметного прогресса в применении новых материалов. Например, новый самолет Boeing 787 Dreamliner спроектирован на основе композитных материалов, позволяющих более эффективно использовать топливо.

Нельзя ли приостановить рост потребления энергии и удовлетвориться текущими потребностями? Большинство экспертов считают, что даже при современном уровне потребления ископаемых ресурсов человечеству надолго не хватит имеющихся запасов биомассы, чтобы прокормиться и отопить свои жилища.

http://popnano.ru/science/index.php?task=view&id=187