Графен даёт новый импульс развитию бестопливных технологий электрогенерации

Выступая на энергетической конференции India Energy Week, генеральный секретарь ОПЕК Хейтам аль-Гаит отметил, что за последние два десятилетия в развитие возобновляемых источников энергии было инвестировано около десяти триллионов долларов. Однако доля возобновляемых источников энергии в мировом энергобалансе по-прежнему составляет всего 2–3%.

Большинство развитых стран, безусловно, имеют значительную долю возобновляемых источников энергии в общем энергобалансе. Однако опыт эксплуатации солнечных электростанций и ветряков, а также их зависимость от погодных условий и снижение или даже отмена субсидий привели к снижению интереса частных инвесторов к строительству новых объектов солнечной и ветровой генерации.

В мире драйвером перемен стал президент США Дональд Трамп, который не обошел вниманием и развитие этих бестопливных технологий электрогенерации. Так, администрация президента США Дональда Трампа приостановила на 60 дней рассмотрение проектов по использованию энергии ветра и солнца на федеральных территориях и водоёмах. Об этом сообщает DataCenter Dynamics. Согласно одному из распоряжений, правительство не может заключать договоры аренды, контракты и другие соглашения, которые необходимы для развития возобновляемых источников энергии. Другим приказом Министерство финансов США остановило заключение новых договоров аренды для морских ветровых электростанций. Также было поручено провести оценку воздействия таких электростанций на окружающую среду совместно с министерствами энергетики, сельского хозяйства и торговли. Хотя строительство наземных ветровых и солнечных электростанций на частных землях всё ещё разрешено, для возведения морских ветровых электростанций теперь требуется одобрение федеральных органов. В интервью Fox News Трамп выразил своё отношение к этой ситуации: «Нам не нужны ветряные мельницы... Знаете, что ещё людям не нравится? Эти огромные солнечные поля». Таким образом, Трамп фактически выступил против инициатив Байдена и его администрации.

Развитие альтернативных источников энергии во многом зависит от позиции чиновников, и это необходимо принимать во внимание. Одним из решений проблемы может стать создание новых технологий электрогенерации, которые не будут зависеть от административных решений. Прежде всего, стоит отметить разработку бытовых генераторов электроэнергии, работающих без использования топлива. Возможность приобретения такого генератора остаётся полностью на усмотрении покупателя, исходя из его эксплуатационных свойств и цены.

В настоящее время для удовлетворения индивидуальных энергопотребностей используются солнечные панели, которые устанавливаются на крышах домов. Однако их работа полностью зависит от солнечного света, что делает их экономически целесообразными для использования в таких странах, как Россия, только в отдельных районах.

В современном мире все острее ощущается необходимость в инновационных технологиях для выработки электроэнергии. С появлением новых материалов и их исследованием открываются новые горизонты для создания более эффективных систем. Наиболее многообещающими в этом контексте являются двумерные материалы толщиной всего в один атом.

Примером технологии электрогенерации с использованием двумерных материалов, является работа учёных компании Neutrino Energy Group, которые активно работают над созданием бестопливной технологии получения электрического тока промышленного масштаба. В ходе своих исследований они изучили различные двумерные материалы и пришли к выводу, что графен является наиболее оптимальным материалом для решения этой задачи. Графен способен преобразовывать кинетическую энергию частиц полей излучений невидимого спектра, включая поток нейтрино, в электрический ток. Теоретическое обоснование этого процесса заключается в том, что плёнка графена находится в динамическом движении под воздействием этих частиц и теплового движения атомов. В результате возникают тандемные вибрации, вызывающие волны, подобно волнам на поверхности моря. Эти колебания накладываются на колебания атомов графена, обусловленных температурным броуновским движением. При совпадении частот появляется резонанс колебаний атомов графена, что позволяет кратно усилить отдачу электронов графена. Чем сильнее воздействие энергетических и тепловых полей, тем интенсивнее колебания атомов графена, что в свою очередь влияет на частоту и амплитуду колебаний «графеновых волн», а значит, и на увеличение мощности генерации. Гармонические колебания «графеновых волн», переходящие в резонанс, по сути – это совершаемая работа, необходимая для преобразования теплового (броуновского) движения атомов графена и энергии частиц окружающих полей излучений невидимого спектра, включая кинетическую энергию нейтральных частиц нейтрино, в электрический ток.

Для увеличения мощности электрогенерации учёные компании Neutrino Energy Group создали многослойный наноматериал из чередующихся слоёв графена, кремния и легирующих элементов. В результате динамического поведения «графеновых волн» происходит взаимодействие электрических и магнитных полей, вызывающих возникновение ЭДС в каждом слое графена, заставляющая течь электроны в одном направлении, т. е. возникает электрический ток. Движение электронов в одном направлении достигается путём нанесения на пленочные покрытия слоями легирующих элементов, создающих p-n переход, пропускающий электрический ток только в одном направлении, т. е. возникает эффект тонкоплёночного диода. Многослойность наноматериала обеспечивает решение задачи по получению максимально возможной электрической мощности с единицы поверхности, так как один слой графена не может обеспечить достаточную мощность для промышленного применения.

Может показаться, что эта энергия, получаемая при помощи графена, очень слаба, но это только на первый взгляд. Если посчитать, то каждый небольшой генератор энергии Neutrino Power Cube нетто-мощностью 5-6 кВт — это устройство, вырабатывающее энергию, которую больше не нужно брать из сети. Если взять 200 тыс. таких генераторов, то их установленная суммарная мощность соответствует установленной мощности атомного блока ВВЭР-1000 или ВВЭР-1200, при этом без необходимости эксплуатационных затрат, техобслуживания и простоя во время плановых ремонтов, когда блок останавливается и не даёт ток в сеть. Кроме того, нет потерь в линиях электропередач и отсутствует необходимость в затратах на поддержание их работы и строительство новых распределительных сетей. Поэтому не стоит скептически относиться к графеновой электрогенерации. Также следует учитывать, что для строительства одного атомного блока требуется от 5 до 10 лет, за этот срок затраты на покупку Neutrino Power Cubes уже окупят себя.

Таким образом, сумма многих слабых единиц в конечном итоге оказывается невероятно сильной.

Компания Neutrino Energy Group, которая занимается разработкой технологий на основе графена, в данный момент заканчивает адаптацию технологии промышленного нанесения одноатомных слоёв графена, кремния и легирующих элементов на металлическую фольгу большой площади. Это связано с тем, что существующее оборудование для нанесения одноатомных слоёв имеет низкую производительность. Учитывая, что каждая электрогенерирующая пластина имеет несколько десятков нанесённых одноатомных слоёв, а таких пластин в одном генераторе Neutrino Power Cube нетто-мощностью 5-6 кВт несколько тысяч, то необходимость создания высокопроизводительного оборудования для таких операций сложно переоценить. И это являлось самым узким технологическим местом при переходе от опытных экземпляров Neutrino Power Cubes к их промышленному выпуску.

Постоянные интенсивные исследования свойств графена, технологий его получения, а также исследования других двумерных материалов приведут, несомненно, к появлению новых значимых технологий, но графеновая технология Neutrinovoltaic является уже сегодня бесспорным лидером в практическом применении графена в области энергогенерации.

Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.