Человечество на пороге новой технологической и экологической эры

Тема энергетического перехода и будущего энергетики стала трендом мировой политики и экономики.

«Похоже, компаниям необходимо менять формат взаимодействия с внешним миром, поскольку сегодня инвесторы уделяют больше внимания таким аспектам, как экологические программы, инвестиции в углеродную нейтральность, зеленый ребрендинг…, а не фундаментальным финансовым и операционным показателям, позволяющим реально оценить текущие и будущие перспективы бизнеса», — сказал глава «Роснефти» Игорь Сечин в рамках сессии «Трансформация мировой энергетики» на Петербургском международном экономическом форуме (ПМЭФ-2021).

Активно в этот процесс включилась и наука. Если ранее научные разработки в энергетике с огромным трудом добивались признания, и это занимало не один десяток лет, то сегодня для них открылись новые шансы. Особенно ценными и значимыми являются разработки в области альтернативной энергетики. Будущее энергетики видится, в первую очередь, в применении современных и перспективных нанотехнологий и наноматериалов, что является трендом современного развития энергетики. Интересную точку зрения и цифры высказал профессор МЭИ д.т.н. А. Дмитриев: энергетические запасы Земли 8760 Тераватт-час (1 ТВт = 109 КВт) потребляемой мощности, из них 900 ТВт – общие запасы угля, урана – 90-300 ТВт, нефть – 240 ТВт, природный газ – 215 ТВт, ветер – 25-70 ТВт в год, океан 3-11 ТВт в год, гидро 3-4 ТВт в год, биомасса – 2.0-6.0 ТВт в год, геотермальная – 0.3-2.0 ТВт в год, приливы – 0.3 ТВт в год, волны – 2.0 ТВт в год. Данные приведены на начало 2017 год и сейчас могут быть немного скорректированы, но не кардинально. Энергопотребление человечества на начало 2017 года составляет 17.6 ТВт в год.

Однако энергопотребление человечества постоянно повышается и, по прогнозу А. Дмитриева, энергопотребление в 2050 году достигнет уровня 28 ТВт в год, 48 ТВт в год в 2060 году и 71 ТВт в год в 2070 году. Такое существенное возрастание потребления энергии связано, в первую очередь, с развитием IT-технологий, автоматизацией, роботизацией и переходом на использование электромобилей. Уже сейчас более 20% потребляемой энергии расходуется на IT-технологии, и эта доля будет и дальше стремительно увеличиваться.

Приведённые данные показывают, что через 50 лет углеводородных источников энергии на Земле практически не должно остаться, поэтому уже сейчас нужны готовые технологии, а не тренды, которые означают только пожелания и дискуссии на тему замены углеводородного сырья. Основной источник поступления энергии – Солнце, которое приносит на Землю 23000 ТВт в год, и именно на получение энергии от Солнца следует обратить внимание при разработке технологий электрогенерации.

Энергия Солнца – это не только солнечный свет или излучение видимого спектра, это и огромный поток излучений невидимого спектра. И если человечество научилось получать энергию от солнечного света, правда КПД самых распространенных сегодня кремниевых солнечных батарей составляет всего 17 – 25%, то получение энергии от излучений невидимого спектра архиважная задача, которая не может быть решена без использования нанотехнологий и наноматериалов. Человечество остро нуждается в альтернативной, умной энергетике, не обременяющей кошелёк потребителей.

Реальные достижения в области получения энергии под воздействием излучения невидимого спектра получены группой учёных немецко-американской компании Neutrino Energy Group под руководством Holger Thorsten Schubart, создавшей наноматериал с использованием графена. Графен был открыт совсем недавно, и его свойства и возможности промышленного применения еще широко исследуются, хотя на сегодняшний день он уже нашёл широчайшее применение в различных областях.

Обладая гексагональной кристаллической решёткой, графен, относясь к 2D материалам, проявляет свойства 3D материалов, что является определяющим для его применения в системах электрогенерации. Колебания атомов графена приводят к появлению «графеновых волн», наблюдаемых в микроскоп с сильным разрешением. Механизм взаимодействия космических (солнечных) нейтрино с ядрами графена позволяет раскрыть опубликованные в начале 2021 года журналом Science результаты работ коллаборации COHERENT в Ок-Риджской национальной лаборатории (США). Эксперименты взаимодействия нейтрино проводились вначале с ядрами цезия и йода, а затем аргона, которые легче ядер цезия и йода. Было обнаружено, что нейтрино низкой энергии участвуют в слабом взаимодействии с ядрами аргона. Этот процесс получил название когерентное упругое нейтрино-ядерное рассеяние (CEvNS). Нейтрино подобно теннисному шарику, налетающему на шар для боулинга, «ударяется» о большое и тяжёлое ядро атома и передаёт ему крошечное количество энергии. В результате ядро почти незаметно отскакивает. Но нейтрино, поток которых около 60 млрд. частиц в секунду через 1 см² земной поверхности, только один из факторов, воздействующих на амплитуду и частоту колебаний атомов графена. Любые электромагнитные излучения и температура влияют на величину колебаний атомов графена.

Заслуга учёных Neutrino Energy Group состоит не в том, что они показали, что графен способен преобразовывать энергию тепловых и электромагнитных излучений – это считается уже доказанным фактом, а в том, что нашли путь практического применения этого свойства графена. Один слой графена генерирует очень маленькую мощность, которой может быть достаточно для приборов с очень низким энергопотреблением. Выход был найден в создании многослойного наноматериала из чередующихся слоёв графена и легированного кремния, нанесённых на металлическую фольгу. Роль легирующих элементов в таком «наносэндвиче» – получить эффект «косого рассеяния», когда облака электронов графена отклоняются в одном направлении, т.е. генерируется постоянный электрический ток. Металлическая фольга с нанесённым электрогенерирующим наноматериалом является положительным полюсом, а непокрытая – отрицательным. Технология получила название Neutrinovoltaic.

Holger Thorsten Schubart объявил о стремительном развитии компании в последние 6 месяцев: компании удалось привлечь партнеров из различных стран, которые будут выпускать источники тока на основе Neutrinovoltaic технологии широкой номенклатуры. Кроме того, в Германии планируется открыть в ближайшем будущем экспериментально-технический центр и линию сборки Pi-Car электромобилей со встроенными в их корпуса автономными нейтринными источниками тока, а также демонстрационный зал и конгресс-центр.

Трансформация энергетики и автотранспорта ближе по времени, чем многим кажется. Мы стоим на пороге нового энергетического мира, и будущее неразрывно связано с такими инновационными технологиями, как Neutrinovoltaic.