<<
>>

Энергетика и защита окружающей среды

Представляется очевидным, что связанная с НТ миниатюризация сама по себе уже означает значительную экономию ресурсов при производстве товаров за счет существенного сокращения расходуемого материала, затрат энергии и общего количества отходов.

Например, НТ сейчас имеют конкретную значимость в некоторых областях энергетики, например, связанных с получением и использованием солнечной энергии. Напомню, что Солнце в среднем ежедневно производит количество энергии, превышающее годовой расход Германии в 80 раз. В принципе, техническая утилизация солнечной энергии осуществляется двумя основными методами: так называемой фото- гальваникой (то есть прямой выработкой электрического тока под воздействием солнечного излучения) и соляротермикой (так иногда называют использование солнечного излучение для получения горячей воды, для отопления помещений и т. п.). НТ

могут сыграть важную роль в разработке многих устройств такого типа, прежде всего, за счет нанесения на поверхность стекол солнечных батарей или коллекторов нанослоев некоторых веществ, позволяющих резко повысить степень поглощения падающего на поверхность излучения.

В области защиты окружающей среды сейчас привлекают нанопористые материалы и мембраны, позволяющие значительно увеличить эффективность фильтрации воды, очистки стоков, опреснения морской воды и т. д. Уже сегодня некоторые специальные материалы позволяют отфильтровывать бактерии, вирусы и даже отдельные молекулы, что имеет огромное значение для переработки бытовых и промышленных отходов, вплоть до регенерации катализаторов, очистки газовых отходов от серы, создания специфических мнкрофильтров и т. п. Наблюдается значительный рост разработок и применений для этих целей целого ряда новых типов технической керамики, а также совершенно новых нанопористых материалов (например, соединения никеля в матрице из жаропрочных сплавов).

Коммерчески производимые нанофильтры позволяют выделять из воды одновалентные и многовалентные ионы, понижать степень ее жесткости, очищать от солей, микробов, пестицидов, гербицидов и углеводородов. Нанофильтрация представляет собой чисто физический метод разделения сред и является реальной альтернативой многих существующих методов фильтрации (например, с использованием обратного давления).

Нанопористые материалы могут использоваться также в каталитических и теплообменных процессах, включая повышение эффективности охлаждения деталей за счет « выпаривания» холодной среды через микроскопические поры. Наноматериалы также представляют интерес в связи с созданием новых антикоррозионных покрытий, где они могут использоваться в самых разных целях (возможность замены хромированных покрытий, повышение адгезионной способности лаков, альтернатива токсичным покрытиям, повышение стойкости покрытий к воспламенению, использование в качестве смазок и т. п.).

Из перечисленных задач особое значение имеет защита от коррозии, представляющая собой общетехническую и даже глобальную проблему, так как только в США наносимый коррозией экономический ущерб оценивается суммой около 300 миллиардов долларов в год (для Германии эта цифра составляет около 50 миллиардов долларов в год). Вообще говоря, ржавчина представляет собой естественно образующуюся смесь различных окисей и гидроокисей железа, содержащую соли и ионы железа, которые автокаталитически увеличивают скорость коррозии. В этом смысле весьма перспективными представляются так называемые органические металлы (органические или ме- таллорганичеекие соединения с высокой электропроводностью), которые, к сожалению, легко пассивируются в обычных условиях, то есть на воздухе. Нанопокрытия (особенно, если им удастся придать способность к «самозалечиванию») могут оказаться исключительно важными и востребованными.

Нанотехнологические подходы выглядят достаточно перспективными и в создании новых строительных материалов. Например, существуют инновационные разработки бетона, армированного различными волокнами.

Наноразмерные примеси в таких системах могут значительно повышать закрепление волокон в бетонной матрице и тем самым существенно улучшать механические свойства бетона. Далее, покрывая глиняные изделия водорастворимыми полимерными дисперсиями, можно придать их поверхности водостойкость, что означает отказ от традиционного использование обжига для обработки строительных материалов. Такие материалы могли бы найти широкое применение при строительстве защитных дамб и т. п.

Одной из основных экономических проблем современности (не только для развитых, но и для развивающихся стран) является поиск альтернативных и возобновляемых источников энергии. Основные надежды в этой области сейчас связаны с использованием силы ветра, а также упомянутым выше прямым преобразованием солнечной энергии в электрический ток. Эксперты считают, что создание фотогальванических элементов на основе полупроводниковых наночастиц (вместо традиционно используемых кремниевых пластин) позволит сократить расходы на 80%. Многообещающими являются также проекты, базирующиеся на использовании слоев синтетических красителей, способных с высокой эффективностью поглощать слабые и рассеянные (диффузные) потоки света. Эта способность достигается именно за счет особенностей структуры содержащего частицы красителя нанопокрытия. Применение таких наноструктурных материалов уже сейчас позволяет повысить эффективность поглощения света на 8% и к.п.д. преобразования энергии на 12%. Дешевизна исходных материалов и простота производства наноструктур с красителями делает производство таких преобразователей экономически выгодным даже при существующем уровне разработок.

Прогресс в полимерной электронике уже позволяет создать гибкие, механически подвижные и экономически выгодные солнечные батареи, которыми в будущем можно будет покрывать стеклянные перекрытия и сводчатые поверхности зданий большой площади. В далеком будущем можно представить себе даже функциональную интеграцию элементов из органических солнечных элементов в обычную одежду.

Технически проблема сводится лишь к повышению эффективности преобразования энергии такими устройствами, которая пока достигает только 3%.

Большинство экспертов уверено, что будущее энергетики связано с использованием водорода, который станет основным горючим для производства всех остальных видов электрической и тепловой энергии. Водородная энергетика, в свою очередь, предполагает эффективное получение, накопление и расход водорода, включая крошечные наноячейки хранения водорода (для мобильных устройств), и очень мощные аккумулирующие батареи для децентрализованного снабжения электричеством и теплом домов, стационарных промышленных и транспортных устройств и т. д. Ожидается, что нанотехнологии должны сыграть очень важную роль в решении некоторых из задач, связанных с предполагаемым «круговоротом» водорода в промышленности и бытовой технике.

Ключевой проблемой является накопление и хранение газообразного водорода, особенно в мобильных и миниатюрных устройствах, где не может быть и речи о сжижении водорода под давлением или его охлаждении до сверхнизких температур. Высокоперспективными материалами для этих целей представ* ляются нанопористые вещества со специфически большой активной поверхностью. Помимо показанных на рис. 4.2 углеродных нанотрубок, исследователи возлагают большие надежды на металлоорганические сотовые структуры, типа нанокластеров из частиц окиси цинка, химически связанных терефталевыми лигандами. Из этих веществ легко создаются крупные по размеру и легкие пористые решетки с открытыми порами и каналами нанометрового размера. Такие пористые твердые тела при малом весе (плотность 0,59 г/м3) обладают высоким значением внутренней поверхности пор (около 3000 м2/г), значительно превосходящим соответствующие параметры для углеродных нанотрубок (200 м2/г), цеолитов (700 м2/г) и активированных углей (800-2000 м2/г).

По-видимому, такие вещества разумнее применять для создания не крупных аккумуляторов энергии, а небольших транспортабельных батарей и топливных элементов, а также, например, миниатюрных источников питания для компьютеров, портативных видеокамер, мобильных телефонов и беспроводных приборов.

Для промышленности и экономики имело бы большое значение достижение 10% накопительной емкости (в пересчете на вес водорода относительно общего веса конструкции), когда топливные элементы станут примерно в 10 раз превосходить по энергоемкости существующие литиевые аккумуляторы. В целом, стоит отметить, что наноструктурные материалы приобретают все большее значение в разработках и производстве электродов, катализаторов и мембран топливных элементов.

Реальный рывок к экологически чистой, водородной энергетике произойдет лишь тогда, когда будут разработаны экономически выгодные методы получения водорода из воды, что позволит окончательно отказаться от использования ископаемых углеводородов. Прогнозировать время этого принципиального изменения основ энергетики почти невозможно, тем более, что эта проблема связана не только с технологическими разработками, но и глобальными экономическими вопросами, включая ситуацию с запасами ископаемых видов топлива. Согласно оценкам, сегодняшняя годовая потребность в нефти составляет 3,4 миллиарда тонн, а достаточно точно разведанные ее запасы (с учетом стандартных технологий добычи) соответствуют примерно 140 миллиардам тонн. По некоторым предположениям, еще 100 миллиардов тонн нефти, предположительно, могут содержать месторождения в арктической зоне и на морских глубинах. В настоящее время добыча нефти в этих регионах затруднена по различным техническим причинам. Например, в северных районах, из-за низкой температуры, нефть обладает высокой вязкостью, в результате чего многие современные технологии ее добычи оказываются малоэффективными.

Еще одно направление использования НТ в энергетике и экологии связано с созданием новых, высокоэффективных изоляционных материалов. Например, создаваемый на основе на- нопористой кремниевой кислоты материал по своим

теплоизоляционным характеристикам (коэффициент теплопроводности около 18 мВт/мК) значительно превосходит используемые в настоящее время изоляторы. Кроме того, нанопористые материалы можно комбинировать с вакуумной изоляцией, что позволяет дополнительно уменьшить теплопроводность (лежащий в основе этого механизм заключается в том, что средняя свободная длина пути молекул воздуха превышает размер пор, в результате почти полностью подавляется конвекция).

На сегодня объем мирового рынка микропористых изоляционных материалов уже составляет примерно 150 миллионов долларов, и в будущем ожидается его рост и развитие, поскольку такие материалы имеют очень большой диапазон применений (криогенная техника, хранилища горючего, строительство и автомобилестроение и многое другое).

Выводы: Наноструктурные материалы уже сейчас используются в экологических и энергетических технологиях, а в будущем сфера их применения будет расширяться. Большим потенциалом обладает рынок производства материалов для промышленных и бытовых фильтров, защитных средств (например, замена хрома в антикоррозионных покрытиях), связующих в строительной технике и т, п. В энергетике создаваемые на основе НТ материалы могут быть с успехом применены при разработке альтернативных источников энергии (например, новых типов солнечных батарей), а также при создании новых, сверхминиатюрных видов топливных элементов, батареек и т. п. Особую значимость пористые наноструктурные материалы могут иметь для создания аккумуляторов водорода и в решении других проблем, связанных с развитием так называемой водородной энергетики. Интересные перспективы открывает НТ в области создания новых теплоизоляционных материалов.

<< | >>
Источник: Хартманн У.. Очарование нанотехнологии. 2008

Еще по теме Энергетика и защита окружающей среды:

  1. 3.1 Рефлексивно - ценностный анализ концепции устойчивого развития
  2. 3.1 Рефлексивно - ценностный анализ концепции устойчивого развития
  3. ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ ПО ОХРАНЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
  4. ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ. ИСТОЩЕНИЕ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ
  5. 4.2. Защита атмосферы
  6. 4.3. Защита гидросферы
  7. 8.3. Правовой режим природопользования и охраны окружающей среды
  8. Германия
  9. § 6. Города с максимальным влиянием теплоэнергетики на окружающую среду
  10. § 8. Ядерная энергетика: проблема и перспективы
  11. Вещества, вызывающие глобальные изменения окружающей среды
  12. Экологические аспекты атомной энергетики
  13. Полномочия органов управления в сфере охраны окружающей среды