Russian
| English
"Куда идет мир? Каково будущее науки? Как "объять необъятное", получая образование - высшее, среднее, начальное? Как преодолеть "пропасть двух культур" - естественнонаучной и гуманитарной? Как создать и вырастить научную школу? Какова структура нашего познания? Как управлять риском? Можно ли с единой точки зрения взглянуть на проблемы математики и экономики, физики и психологии, компьютерных наук и географии, техники и философии?"

«Зелёные технологии» 
Олег Фиговский (Израиль) и Валерий Гумеров (Российская Федерация)

Для строительства солнечных электростанций (СЭС) требуются солнечные панели, эффективно преобразующие солнечный свет в электричество. И тут китайцы оказываются на острие научно-технического прогресса. Пример тому – разработка крупнейшего производителя тонкоплёночных солнечных элементов компании Hanergy, чья технология преобразования солнечной энергии побила сразу три мировых рекорда по энергоэффективности. По новой технологии дочерними компаниями Hanergy: Alta Devices, Solibro и MiaSole – были созданы три вида панелей: односегментный солнечный модуль GaAs, двойные стеклянные солнечные модули CIGS и солнечные модули CIGS на гибкой подложке, которые имеют рекордную эффективность преобразования энергии в 25,1 %, 18,72 % и 17,88 % соответственно. Эти солнечные панели могут использоваться для беспилотных летательных аппаратов, на крышах домов, в транспортных средствах на электрической тяге и различной электронике. По словам представителей компании, возможности применения их технологии бесконечны, так как она может использоваться практически во всех инновационных областях. В подтверждении своих заявлений компания Hanergy выпустила дрон на солнечных батареях. Без подзарядки он способен находиться в воздухе до 10 часов, тогда как время работы беспилотников, оснащённых только литий-ионными батареями, составляет не более двух часов.

Успехи в практическом освоении энергии солнца для нужд энергетики демонстрирует и Израиль, но несколько с другой позиции подхода к использованию излучения ближайшей к нам звезды – в пустыне Негев компанией Megalim Solar Power строится солнечная башня одной из крупнейших в мире Ашалимской гелиотермальной станции. Ашалимская станция устроена по принципу гелиоконцентратора, устройства для концентрации энергии солнца. В основе проекта станции 55000 управляемых компьютером гелиостатов (зеркал), положение которых меняется в соответствии с движением солнца. Зеркала направляют отражённый свет на солнечный парогенератор – специальный котёл, расположенный на вершине центральной башни, который производит пар для турбины, вращающей электрогенератор. Солнечная башня Ашалимской станции высотой 250 метров – самая высокая в мире. Стоимость проекта составит $773 млн. Станция будет вырабатывать 121 МВт электричества — 2 % всего потребления Израиля. Электричества, производимого в Ашалиме, хватит на обеспечение чистой энергией 120 тысяч домов. Каждый год комплекс будет помогать экономить 110 тысяч тонн выбросов углекислого газа. Всего доля производства электроэнергии из возобновляемых источников в Израиле со временем увеличится и составит 10 % в 2020 году.

Если несколько дальше посмотреть на перспективы солнечной энергетики, то следует обратить внимание на достижения исследователей из Венского технологического университета, которые работают над новым классом материалов для солнечных батарей. Новый материал австрийских учёных представляет собой гетероструктуру из нескольких одноатомных слоёв оксидов, что придаёт композиту совершенно новые свойства. По заверениям исследователей, их новый материал откроет возможность производить более эффективные солнечные элементы.

Оксиды, использованные разработчиками, являются изоляторами, но при объединении двух соответствующих типов изоляторов наблюдается удивительный и очень важный эффект: поверхности гетероструктуры становятся металлическими и начинают проводить электрический ток. Это позволяет получать солнечное электричество без проводов, как это делается, к примеру, в кремниевых солнечных элементах, где провода блокируют часть попадающего на элемент света. Остаётся только найти наиболее эффективные комбинации материалов, которые максимально поглощали бы видимую часть спектра солнечного света.

Одно из многообещающих направлений изысканий эффективных преобразователей света солнца в электричество – тонкоплёночные структуры. В этом разрезе исследовательская группа из Оксфорда предложила новый способ создания тонкоплёночных солнечных элементов, эффективность преобразования энергии в которых превышает 15 %. Устройства создаются на основе материала, известного как перовскит. Солнечные ячейки имеют простую архитектуру и легко могут воспроизводиться в коммерческих масштабах, так как процесс осаждения из парообразного состояния, используемый для их производства, по своей простоте вполне может конкурировать с традиционными методами обработки материалов, применяемыми для создания солнечных элементов.

Британские исследователи продемонстрировали, что перовскиты не только поглощают свет, но также могут обеспечивать транспорт электронов и дырок проводимости. Это значит, что использовавшаяся ранее сложная наноструктура не является необходимой для создания сенсибилизированных красителем солнечных элементов. В предложенном ими устройстве поглощающий свет слой перовскита просто зажат между чувствительными к электронам и дыркам электродами. По сути, своей простотой установка во многом напоминает обычные плоские контактные солнечные батареи. При этом устройство обеспечивает высокую эффективность преобразования солнечной энергии в электричество (до 15,4 %), несмотря на толщину всего в 330 нм. Стоит отметить, что устройство также создаёт разность потенциалов в 1,07 В (что более чем в два раза превышает разность потенциалов, создаваемую кремниевыми пластинами толщиной 0,15 мм). Это означает, что для создания солнечных батарей с отличными характеристиками необходимо совсем немного перовскита.

Устройства на основе перовскита вполне могут производиться с помощью тех же процессов, что сейчас применяются для создания коммерческих солнечных элементов, в том числе, на основе кремния. Более того, так как они поглощают свет в другой спектральной области, нежели кремний, солнечные элементы на базе перовскита и кремния могут удачно дополнять друг друга. При том, слой кремния может размещаться под слоем перовскита (поскольку последний не поглощает требуемый диапазон излучения). Это позволит создавать устройства, эффективность которых превышает возможности солнечных элементов и из кремния, и из перовскита по отдельности.

Последние достижения в области повышения эффективности и экономичности солнечных панелей осуществлены не без помощи новых окрашивающих веществ: красителей и пигментов, играющих в солнечных батареях роль антенны – эффективного поглотителя солнечного света с его последующим преобразованием в электрический ток. Красители и пигменты, являясь по химическому строению абсорбентами видимой и ультрафиолетовой части спектра, переходя под действием света в возбуждённое состояние, способны переносить избыточную энергию возбуждения посредством электронов на другие молекулы. Это их фотосенсибилизирующее свойство используют в фотоэлементах солнечных батарей.

Первоначально в качестве фотосенсибилизаторов в анодах солнечных батарей использовали синтетические очень дорогие и токсичные красители экзотической структуры, содержащие рутений. Только в последнее время появился теоретический и практический интерес к природным красителям растительного и бактериологического происхождения как фотосенсибилизаторам солнечных батарей. Это понятно и очевидно, поскольку в природе красители, как правило, играют роль абсорберов в видимой и ультрафиолетовой области солнечного спектра. Преимуществом природных красителей перед синтетическими красителями и другими неорганическими фотосенсибилизаторами, как и в других областях их применения, является нетоксичность, биологическая совместимость и биоразлагаемость, простота производства, огромный выбор в природе.

Фотоэлементы, которые поглощают свет за счёт органических красителей, име-ют тенденцию выгорать при интенсивном облучении. Эффективность таких солнечных панелей при этом падает. Инженеры из университетов Северной Каролины и Иллинойса разработали прототип биомиметического органического фотоэлемента, который способен обновляться благодаря наличию внутренней капиллярной сети. Чтобы её восстанавливать, учёные решили обновлять краситель через специальную систему капилляров. Прототип солнечной батареи состоял из двух электродов, между которыми располагался гелевый электролит. Фотоанод устройства был покрыт нанопористым оксидом титана. В геле были проделаны каналы, через которые учёные могли пропускать органический краситель. Исследование показало, что устройство способно многократно обновляться после интенсивного облучения.

Свой вклад в понимание механизма работы красителей в фотовольтаике внесли исследователи из Лундского университета (Швеция), когда объяснили, каким образом красители на основе железа работают на молекулярном уровне в солнечных элементах. Результаты шведских учёных ускорят разработку недорогих и экологически чистых солнечных панелей с красителями на основе железа. Это сделает их и «Light catcher» – более дешёвыми и экологически чистыми. В течение многих десятилетий исследователи со всего мира пытались разработать красители на основе железа для использования их в солнечных элементах, но безуспешно. Самая большая трудность – это получить нужные свойства красителей, повысить их энергоотдачу путём генерации электрического тока. Все предыдущие попытки приводили к результату, когда панель генерировала тепло вместо разности потенциалов, которая является необходимым условием для выработки электроэнергии. «Существует международный интерес к нашим исследованиям. Исследовательские группы по всему миру стремятся испытать новые красители в других областях», — заявил старший преподаватель Лундского университета Петтер Перссон.

С другой стороны к фотовольтанике подошла группа учёных под руководством Итамара Виллнера из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль). Они искали способы создания источников питания на базе фотосистемы II, для работы которых не требовался какой-либо химический компонент, разрушающийся в процессе использования.

Фотосистема II – функциональный комплекс электрон-транспортной цепи (ЭТЦ) хлоропластов, находящийся в мембранах тилалкоидов всех растений, водорослей и цианобактерий, где происходят реакции фотосинтеза. Поглощая энергию света в ходе первичных фотохимических реакций, он формирует сильный окислитель – димер хлорофилла α, который через цепь окислительно-восстановительных реакций способен вызвать окисление воды. Окисляя воду, фотосистема II поставляет электроны в ЭТЦ хлоропласта, где они используются для циклического фосфорилирования. Помимо этого, окисление воды приводит к образованию протонов и формированию протонного градиента, используемого в дальнейшем для синтеза аденозинтрифосфорной кислоты – источника энергии для всех биохимических процессов в живых системах. Фотохимическое окисление воды, которое осуществляет фотосистема II, сопровождается выделением молекулярного кислорода. Этот процесс (составная часть фотосинтеза растений) является основным источником кислорода на Земле.

Итамар Виллнер и его коллеги решили проблему создания источников питания на базе фотосистемы II при помощи двух «природных» компонентов на полюсах батарейки. Анод – отрицательный полюс устройства – изготовлялся следующим образом. Для начала учёными была выращена колония сине-зелёных бактерий Mastigocladus laminosus. Затем они извлекли молекулы фотосинтезирующих белков из их клеток. Потом физики изготовили небольшой золотой электрод, поверхность которого была покрыта специальным полимером, и к свободным «хвостам» прикрепили молекулы фотосистемы II. Полимер исполнял сразу две функции – удерживал молекулы фотосистемы на месте и являлся «проводом», по которому свободные электроны перетекали на золотой электрод. Положительный полюс – катод – был изготовлен из стеклоуглерода, поверхность которого была покрыта углеродными нанотрубками и ферментом «билирубин оксидазой». Это вещество захватывает свободные электроны и использует их для превращения свободного кислорода в молекулы воды. Как объясняют физики, такая реакция препятствует улетучиванию кислорода, который извлекается из молекул воды на аноде.

Фотосинтез в наше время является основой альтернативной энергетики, но он привлекает внимание исследователей и в других сферах деятельности человека, в частности при синтезе новых материалов. Существующие технологии синтеза химических соединений основаны на применении токсичных веществ (в качестве катализаторов) и чрезвычайно энергозатратны. Кроме того, синтез может проводиться только в чистых помещениях, что делает его дорогим, длительным и ограничивает возможности для работы при естественном освещении. Поэтому учёные ищут альтернативные способы катализа химических реакций, например с помощью видимого излучения.

В природе фотокатализ используется растениями – солнечный свет при участии хлорофилла обеспечивает фотосинтез. Однако до недавнего времени фотокатализ не мог быть воспроизведён искусственно из-за отсутствия подходящих материалов. Американские исследователи разработали такой материал ‒ люминесцентный солнечный концентратор (LCS). С помощью люминесцентных объектов устройство поглощало солнечный свет и перенаправляло его на фотоэлектрические элементы. В своей работе ученые из Технического университета Эйндховена использовали LCSs (в форме листьев), которые были легированы флуоресцентным красителем полидиметилсилоксаном. Поверхность объекта включала в себя сеть микроканалов для ввода жидкости с нужными химическими веществами, и под действием солнечного света молекулы вступали в реакцию. Таким образом, устройство повторяло принцип работы антенн фотосинтезирующих организмов.

Тесты показали, что новое устройство ускоряет синтез химических соединений при солнечном свете: даже в облачную погоду скорость реакций в микрореакторе на 40 процентов превышала показатель контрольных систем. Потенциально технология может не только снизить стоимость и упростить химический синтез, но и сделать возможным создание препаратов в условиях, где оборудовать чистое помещение затруднительно.

Совместить фотосинтез и получение экологически чистого топлива удалось профессору химии Фернандо Урибе-Ромо из Университета Центральной Флориды, который вместе со своими студентами разработал новый синтетический материал, преобразующий углекислый газ в топливо под воздействием фотонов света. Такой материал решает сразу две проблемы: снижает количество парникового газа и даёт экологически чистое топливо. И самое главное, что для его изготовления не нужны драгоценные металлы. Здесь используется титан, который продаётся килограммами и почти в тысячу раз дешевле, чем платина или иридий. Уже много лет учёные бьются над проблемой экономически рентабельного искусственного фотосинтеза. Цель в том, чтобы эффективно использовать бесплатную энергию солнечного света для проведения химических реакций. До настоящего времени удалось использовать с этой целью высокоэнергетические ультрафиолетовые лучи, но они составляют всего 4 % спектра солнечного света. Для других частей спектра пока найдено лишь несколько эффективных материалов, но они требуют дорогостоящих добавок: платины ($31 за грамм), рения ($1000 за грамм) или иридия ($35 за грамм). Синтетический материал представляет собой металл-органическую каркасную структуру (metal-organic framework, MOF). Похожие MOF из Zr6O4(OH)4, используются для конденсации воды из воздуха, тоже при помощи одного лишь солнечного света. Представьте, даже в самой сухой пустыне вы ставите на улицу пустую бутылку – и она сама наполняется водой.

В последние годы удалось разработать несколько путей, позволяющие серьёзно утончить фотоячейки, используя вспомогательные структуры с размером, не превышающим длину волны видимого света. «Главная цель – найти пути применения столь малого количества материала для абсорбции света», – уверен адъюнкт-профессор Стэнфордского университета (США) Шанхай Фан. Высокоэффективные материалы, такие как полупроводники на основе оксидов элементов III-IV групп, а также кристаллический кремний, очень дороги. В случае других материалов, например аморфного кремния, цена может быть не столь критична, но несущие заряд электроны и дырки не успевают пройти достаточное расстояние, прежде чем «потеряться» в виде тепла. Очевидно, что чем тоньше будет рабочая среда, тем легче носители заряда достигнут его границ. При этом, чем тоньше солнечная батарея, тем выше вероятность того, что фотон пройдёт сквозь неё, не успев абсорбироваться.

Коммерчески доступные батареи на кристаллическом кремнии могут иметь толщину около 180 мкм. В то же время рынок уже высказывает серьёзный спрос на 50 мкм. Поэтому, не размениваясь по мелочам, лаборатория Шанхая Фана взяла курс сразу на создание солнечных батарей толщиной в 1-2 мкм. В теории специальные методики, такие как нанесение случайных текстур на поверхность фотоячеек, способны в 50 раз увеличить уровень абсорбции света ввиду изменение углов прохождения фотонов сквозь ячейку. При этом методы нанофотоники могут улучшить этот показатель ещё в 10 раз.

Один из таких методов – плазмоника. Фотоны, сталкиваясь с небольшими металлическими структурами, могут образовывать плазмоны – коллективные колебания свободного электронного газа в металле. Эффект способен резко увеличить рассеяние света внутри батареи, увеличивая вероятность того, что фотон все-таки будет абсорбирован. Вивиан Ферри, аспирантка Калифорнийского технологического университета (США), сообщила, что её группа создаёт плазмоны, используя полусферические выпуклости на контактах солнечной батареи (90 мкм) из аморфного кремния. Фивиан Ферри утверждает, что такой наноструктурированный продукт производит на 15 % больше тока, чем коммерческая солнечная батарея той же площади, покрытая случайными текстурами.

Еще один любопытный нанофотонный трюк заключается в использовании фотонных кристаллов для создания рефлектора. Благодаря периодическому изменению коэффициента преломления фотонные кристаллы позволяют получить разрешённые и запрещённые зоны для фотонов с разной энергией. Другими словами, такой кристалл способен выполнять функцию оптического фильтра или рефлектора. При попадании на него фотона с длиной волны, которая не соответствует разрешённой зоне, фотон не может распространяться в кристалле и отражается обратно (в рефлектор). Миро Зееман, глава исследовательской группы фотонных материалов и приборов Делфтского технологического университета (Нидерланды), рассказал, что его группа разместила фотонные рефлекторы как в середине батареи, так и на её задней стороне. Постоянные переотражения света на рефлекторах приводят к световым колебаниям внутри кремния, многократно повышая вероятность конвертации фотонов света в электрический ток. Другая фотонно-кристаллическая схема базируется на использовании микрометровых структур кристаллического кремния, слой которого может быть затем легко соединён со слоем аморфного кремния. По словам Оунси Эль-Дейфа, исследователя из микроэлектронного центра IMEC в Леувене (Бельгия), теоретически такой фотонно-кристаллический слой способен увеличить эффективность абсорбции фотонов до 37 %.

Пока что фотовольтаика продолжает оставаться дорогой технологией. Более или менее дешёвой альтернативой традиционным полупроводниковым солнечным батареям являются фотоэлементы, в которых в качестве фотосенсибилизаторов используются красители – цветосенсибилизированные солнечные батареи (DSSC – Dye-Sensitized Solar Cell) или ячейки Гретцеля по имени их изобретателя.

К основным достоинствам солнечных батарей на красителях следует отнести их лёгкость, гибкость при формоустойчивости, простоту производства, низкую цену, возможность встраиваться в различные материалы и изделия, широкий выбор цвета, способность работать при невысокой освещённости и внутри помещения. Недостатки DSSC: экзотичность химического строения красителей, недостаточная долговечность, относительно невысокий КПД. Но тут следует сказать, что международная группа учёных смогла резко повысить эффективность цветосенсибилизированных солнечных батарей, заменив самую консервативную часть системы – йодсодержащий электролит – на комплекс кобальта с органическим лигандом.

Исследователям из университета Монаша (Австралия) и их коллегам из Ульмского университета (Германия) удалось значительно увеличить эффективность цветосенсибилизированной солнечной батареи p-типа, использующей электролит на основе комплекса кобальта с органическим лигандом. Обычная цветосенсибилизированная солнечная батарея n-типа использует краситель и фотоанод – положительный электрод, покрытый полупроводником электронного типа, таким как диоксид титана. Под лучами солнца молекулы красителя переходят в возбуждённое состояние и передают электроны с валентного HOMO-уровня полупроводнику. Молекулы электролита, свободно двигающиеся в этой системе между отдельными её участниками, восстанавливают краситель, передавая ему электроны с противоположного электрода. В случае же ячейки p-типа процесс протекает как бы в противоположную сторону: специальный краситель и полупроводник p-типа находятся теперь на фотокатоде. Активируемый светом краситель стягивает электроны с валентного уровня полупроводника р-типа, такого как оксид никеля, на свой самый нижний незанятый молекулярный уровень LUMO. Затем молекулы электролита забирают лишние электроны с красителя и передают их противоположному электроду.

Исследователи довели конверсию солнечного света в ячейке р-типа до рекордного значения 1,3 % при напряжении в разомкнутой цепи до 709 мВ. Они добились этого за счет замены традиционного электролита на основе йодидов и трийодидов на хорошо известный комплекс кобальта трис (этилендиамин) кобальт (II)/(III), в котором кобальт может переключаться между состояниями окисления +2 и +3. Основным достоинством такой системы назван значительно более низкий окислительно-восстановительный потенциал. В результате напряжение в разомкнутой цепи, представляющее собой критический параметр любой солнечной батареи, удвоилось.

Разработка новых эффективных синтетических красителей для цвето-сенсибилизированных солнечных батарей продолжается с большим или меньшим успехом. Но следует иметь в виду, что всегда в этом случае остаётся проблема токсичности производства синтетических красителей и дороговизна технологического процесса. В определённой степени эти недостатки синтетических красителей, как и в других областях применения, преодолеваются использованием природных красителей.

Изучение природных красителей в качестве фотосенсибилизаторов в DSSC-фотоэлементах началось в конце прошлого века и продолжается в настоящее время. Эти исследования отличаются исключительной широтой, поскольку природа предоставляет в этом отношении изумительные возможности – красители и пигменты необыкновенно богато представлены в природе, особенно в растительном мире, они содержатся практически во всех частях растений: в листьях, коре, корнях, ягодах, семенах. Окрашенные вещества в растительном мире выполняют широкий круг защитных функций, обусловленных прежде всего их фотоактивностью.

Поиск эффективных фотосенсибилизаторов среди природных красителей сосредоточился в основном на многочисленных окрашенных веществах растительного происхождения. Эффективность этих окрашенных веществ оценивается по отношению к комплексам рутения и цинка, которые являются рекордсменами по эффективности, но имеют недостатки в части токсичности и дороговизны. Фотоячейки на основе природных красителей растительного происхождения пока уступают по эффективности конверсии света солнечным батареям традиционного типа, кроме того они неустойчивы к солнечному свету, попросту говоря, выцветают: если кремниевые солнечные батареи эффективно работают более 10 лет, то фотоячейки на природных красителях – около года. Но солнечные батареи на основе природных красителей дешевле в производстве, у них ниже стоимость производства электроэнергии, они работают в более широком диапазоне спектра. И конечно, природные красители в фотонике более предпочтительны с позиций зелёных технологий, нежели синтетические. Но тут им надо жёстко конкурировать с привычными для нынешних инженеров материалами, в первую очередь по части эффективности преобразования света солнца в электричество. Мысль научная и инженерная на месте не стоит, и традиционные материалы обретают второе дыхание, когда глаз инженера и учёного что-то необычное подмечает, а голова воплощает подмеченное в новые технологии, материалы или устройства.

Физики из Великобритании смогли улучшить максимальный КПД солнечных батарей и почти в 17 раз уменьшить их вес, благодаря наблюдениям за тем, как бабочки разогревают свои крылья перед полётом, и изучению их внутренней структуры. «Наше исследование показало, что непритязательная капустница-белянка является не просто вредителем, угрожающим урожаю, но и настоящим экспертом в области сбора солнечной энергии и использования её для своих нужд», – рассказывает Ричард Френч-Констант из университета Эксетера (Великобритания). Френч-Констант, эксперт в области биологии бабочек, помог коллегам по университету под руководством Тапаса Маллика найти способы радикально улучшить конструкцию, КПД и снизить себестоимость солнечных батарей, опираясь на то, как устроены крылья белянок и других чешуекрылых насекомых. Как рассказывает биолог, бабочки, как и другие насекомые, не являются теплокровными существами, и они могут летать только тогда, когда двигательные мускулы их крыльев будут хорошо прогреты солнцем. Белянки привлекли коллективное внимание учёных по той причине, что этот вид насекомых просыпается и начинает летать гораздо раньше, чем другие виды бабочек, что в особенности заметно в облачные дни, когда солнце скрыто за тучами. Это наблюдение натолкнуло физиков на мысль, что крылья белянок могут быть устроены таким образом, что они лучше поглощают энергию солнечных лучей, чем у других насекомых. Руководствуясь этой идеей, Тапас Маллик и его коллеги проследили за тем, как свет отражается от крыльев бабочек и расположенных на них чешуек. Эти наблюдения раскрыли несколько любопытных вещей. К примеру, белянки держат крылья по отношению друг к другу под определённым углом, что позволяет особым отражательным чешуйкам на поверхности крыльев перенаправлять практически весь отражаемый свет на ту часть брюшка насекомого, где находятся двигательные мускулы. Используя эти чешуйки в качестве образца, физики смогли создать такое покрытие для солнечных батарей, которое заметно увеличило долю поглощаемого ими света и позволило уменьшить их толщину. Что интересно, подобного же эффекта можно добиться, просто прикрепив крылья белянок к поверхности солнечных батарей, не меняя и не обрабатывая их поверхности. Как заявили исследователи его коллеги, их версия солнечной батареи поглощает в среднем на 41-50 % больше света, чем классические фотоэлементы, и при этом она может обладать в 17 раз меньшей массой при аналогичной мощности. По словам исследователей, КПД их солнечных батарей и соотношение их массы и мощности можно будет сделать ещё более привлекательными, если им удастся улучшить свойства искусственных аналогов чешуек белянок. Такие солнечные батареи, как предполагают британские учёные, будут в первую очередь интересны не только энергетикам, но и разработчикам космических кораблей и зондов, где вес источника питания играет критическую роль.

Внесли свой вклад в развитие путей повышения эффективности солнечных электростанций и учёные из Технологического института Джорджии, которые провели исследования свойств углеродных нанотрубок. Результатом их работы стало создание выпрямляющих антенн, преобразовывающих свет непосредственно в постоянный электрический ток, что может стать революционным прорывом, который позволит увеличить эффективность систем солнечной энергетики. Современные технологии позволили исследователям вырастить миллиарды вертикально расположенных углеродных нанотрубок на кремниевом основании. Каждая из нанотрубок была покрыта защитной плёнкой из оксида алюминия, обладающего диэлектрическими свойствами, и весь этот «лес» был покрыт монолитным слоем прозрачного кальция. После чего на тонкий слой кальция был напылён слой алюминия, который выступал в качестве анода. Углеродные нанотрубки, заключённые в защитные оболочки, начинают колебаться, когда на них попадают фотоны света. Эти колебания производят высокочастотный переменный электрический ток, который пройдя через выпрямитель, превращается в постоянный ток. Быстродействие выпрямителей (туннельных диодов из углеродных нанотрубок) очень велико, они способны работать на частотах порядка ПетаГерц. Электроны, из которых состоит выпрямленный ток, туннелируются на внешний алюминиевый электрод, откуда этот ток можно направить в любом необходимом направлении. Пока эффективность работы выпрямляющей антенны оставляет желать лучшего: опытный образец способен преобразовать в электрический ток около одного процента от энергии падающего света. Однако учёные и инженеры, задействованные в этом проекте, уже имеют некоторые планы насчёт оптимизации структуры антенны, что открывает возможности поднять её эффективность до уровня, который позволит использовать их в устройствах получения электрической энергии.

Солнечные панели, расположенные на крышах, выглядят так, будто покрыты какой-то сеткой. Линии, которые мы видим, на самом деле представляют собой металлические контакты. Они необходимы для снятия электрического тока, генерируемого солнечными элементами, но при этом уменьшают количество солнечного света, попадающего на полупроводниковый слой. Хотя верхний слой металлических контактов относительно тонкий, он может покрывать 5-10 % площади поверхности солнечной панели. Это означает, что 5-10 % солнечного света, которые могли бы использоваться для выработки электроэнергии, отражаются.

Команда исследователей из Стэнфордского университета разработала способ сделать эти отражающие металлические контакты почти невидимыми для падающего света, что может существенно увеличить эффективность солнечных батарей. В ходе экспериментальной работы учёные поместили плёнку из золота толщиной 16 нанометров на плоский лист кремния. Золотая плёнка похожа на монолитную при взгляде невооружённым глазом, но на самом деле она содержит массив наноразмерных квадратных отверстий. После обработки золотой плёнки и кремния раствором плавиковой кислоты и перекиси водорода золотая плёнка погрузилась в кремниевую подложку, а наностолбцы из кремния вышли в отверстия в золотой плёнке и поднялись над её поверхностью. «Наши наностолбцы выступают в качестве воронок, захватывающих свет и направляющих его в кремниевую подложку через отверстия в металлической сетке», — пояснил смысл технологии ведущий автор исследования Виджай Нарасимхан. Результатом этого химического процесса стали так называемые потайные контакты высотой всего в 330 нанометров. После серии экспериментов и моделирований исследовательская группа дополнительно оптимизировала конструкцию солнечных панелей: теперь они могут покрыть металлом две трети поверхности с потерей отражательной способности всего в 3 %. Виджай Нарасимхан утверждает, что это увеличит эффективность обычного фотоэлемента на 20-22 %. Технология может использоваться не только с золотом, но и с серебром, платиной, никелем и другими металлами.и с другими полупроводниками, что позволит усовершенствовать фотодатчики, светодиоды, дисплеи и прозрачные батареи.

В том же Стэнфордском университете группа учёных под руководством И Цуя разработала технологию создания прозрачных и в то же время гибких литий-ионных батарей. Они «напечатали» электроды батареи при помощи микроканальной технологии – базового принципа работы современных струйных принтеров. Суть метода заключается в том, что вместо одного большого электрода используется сетка из тонких проводников толщиной в 30-40 микрон. Человеческий глаз не может зафиксировать такие небольшие объекты, и поэтому сетка будет казаться прозрачной. «Печать» батареи производится в несколько этапов. Основой для сетки электродов служит кремниевая форма, которая заливается кремний-органическим (силиконовым) гелем. Застывший гель снимают с формы и покрывают тонкой плёнкой золота. В результате образуются микроканалы, которые «заливают» раствором наночастиц из соединений лития, марганца и кобальта. После высыхания раствора золотая плёнка аккуратно снимается и производится сборка «сэндвича» из двух таких пластинок и вещества-электролита. Электрический «бутерброд» не только прозрачен, но и достаточно гибок – устройство потеряло только 5 % своей ёмкости после 100 свертываний в трубочку. Кроме того, данный источник питания можно многократно перезаряжать, как и обычный литий-ионный аккумулятор.

Другая стезя зелёных технологий, сулящая человечеству светлое и чистое будущее – транспорт, точнее электротранспорт, взамен нынешних автомобилей, теплоходов, самолётов и прочих средств передвижения на углеводородном ходу. В этой области первоочередные работы ведутся над созданием мощных лёгких недорогих автономных источников электричества.

В частности, продолжаются интенсивные исследования по повышению эффективности литий-ионных аккумуляторов. Новый материал, разработанный японской компанией Sumitomo Electric может существенно увеличить ёмкость литий-ионных аккумуляторов. Материал японцев называется Aluminum-Celmet, он имеет микропористую структуру, сформированную из множества сферических, связанных между собой, полостей. Компания Sumitomo Electric уже изготавливала микропористый материал из никеля и сплава хрома и никеля. За счёт пористости такой материал обладает высокоразвитой активной поверхностью и при достаточном его заполнении активным веществом может с высокой эффективностью использоваться в качестве электрода водородно-никелевой аккумуляторной батареи. Такому материалу легко придать любую форму, он замечательно поддаётся механической обработке. Используя технологический процесс, такой же, какой был использован для производства никелевого микропористого материала, компания Sumitomo Electric успешно произвела микропористый алюминиевый материал, который помимо развитой активной поверхности обладает ещё и небольшим весом, малым удельным электрическим сопротивлением и превосходной устойчивостью к коррозии. Все эти черты нового алюминиевого материала делают его весьма привлекательным для использования в литий-ионных аккумуляторных батареях электрических автомобилей, и везде, где происходят частые циклы зарядки-разряда. Представители Sumitomo Electric утверждают, что замена алюминиевой фольги, используемой в качестве положительного электрода литий-ионных аккумуляторов, новым микропористым материалом позволит значительно увеличить показатель количества энергии на единицу объёма аккумуляторных батарей. Это даст прирост ёмкости аккумуляторов в 1,5-3 раза, что увеличит дальность поездки электромобиля без подзарядки на 200 % или позволит сократить объем и вес аккумуляторных батарей на 2/3 при неизменной дальности передвижения. Помимо электромобилей, аккумуляторные батареи которых являются самым очевидным применением нового микропористого материала, этот материал может быть успешно использован и в аккумуляторных батареях, предназначенных для запасов энергии при солнечных и ветряных электростанциях.

Аналитики Wall Street Journal рассмотрели ситуацию в области перспективных аккумуляторов, благодаря которым сотовые телефоны смогут «жить» месяцами без зарядки, электромобили проезжать больше 800 км на одной подзарядке аккумуляторной батареи, а здания хранить достаточно энергии, получаемой от солнечных батарей или других альтернативных источников, чтобы отказаться от традиционной электроэнергетики.

Ими были выделены пять перспективных проектов, близких к коммерческой реализации:

— Батареи, в которых вместо графитовых анодов используются кремниевые нанопровода диаметром 100 нм и длиной в несколько микрон. Учёные из Южно-Калифорнийского университета доказали, что для воплощения данного проекта в коммерческий продукт не нужно пять или десять лет. Уже сейчас учёным удалось увеличить ёмкость батарей втрое и сократить время зарядки до 10 минут.

— Батареи, в которых используются покрытые серой пористые углеродные нанопровода с электролитическими добавками. Учёные из Стэнфордского университета разработали новый тип анодов из кремниевых нанопроводов. Изначально исследователи столкнулись с быстрым выходом батарей из строя по причине разрушения материала в результате расширения и сжатия во время перезарядки, но они нашли выход из ситуации путём покрытия пористых углеродных нанопроводов серой и улучшения другой составной Li-ion аккумуляторов – катода – электролитическими добавками. В результате ёмкость батарей удалось увеличить в четыре-пять раз.

— Литий-воздушные батареи. Компания IBM в сотрудничестве с исследователями, государственными лабораториями и лидерами в отрасли работает над проектом Project 500. Компания IBM называет данные батареи литий-воздушными. Их работу можно описать следующим образом: вместо оксидов металла в позитивном электроде используется углерод, вступающий в реакцию с воздухом для создания электрического тока. Использование углерода делает батареи данного типа заметно легче по сравнению с графитовыми аналогами. По словам IBM, данные батареи позволят поставить электромобили в один ряд с бензиновыми авто, хотя на автомобильной индустрии их применение не закончится. По словам IBM, первый стабильный и полностью рабочий прототип батареи данного типа появится уже в этом году.

— Батареи, в которых применены аноды из олова. Учёные из Вашингтонского университета разработали технологию, которая поможет утроить ёмкость Li-ion аккумуляторов, сократить время зарядки и продлить срок службы. Данная технология, которая была запатентована учёными под руководством профессора Гранта Нортона, описана следующим образом: графитовые электроды были заменены анодами из олова. Коммерческие Li-ion аккумуляторы, в которых применены аноды из олова, с виду не отличаются от графитовых аналогов и не требуют дополнительных затрат на внесение изменений в конструкции устройств.

— Батареи, в которых применены кристаллы магнетита из зубов моллюсков. Дэвид Кизайлус из Калифорнийского университета в Риверсайде установил, что идеальным материалом для создания дешёвых наноматериалов, которые смогут в разы повысить эффективность солнечных элементов и литий-ионных батарей, является самый твёрдый биоминерал на Земле – магнетит. Примечательно то, что он содержится в радуле панцирного моллюска (радула – аппарат, служащий для соскребания и измельчения пищи у моллюсков, состоит из хитиновой пластины с рядами хитиновых зубов). Разработки Дэвида Кизайлуса смогут обеспечить производство более дешёвых солнечных и литий-ионных батарей, на подзарядку которых будет уходить намного меньше времени. Дэвид Кизайлус выяснил, что моллюски из группы хитонов пользуются нанотехнологиями при создании новых зубов. И для этого им вовсе не нужны какие-то особые условия, а также много энергии. Учёный исследовал строение зубов у моллюска Cryptochiton stelleri, который является обычным жителем тихоокеанского побережья США. Он выяснил, что радулы этого существа имеют покрытие из магнетита (FeO•Fe2O3), который является одним из самых твёрдых биоминералов. Исследователь проследил, каким образом образуется это покрытие. Процесс формирования нового зуба происходит в три этапа: сначала гидратированный оксид железа осаждается на волокноподобных хитиновых органических «заготовках», потом из оксида образуется магнетит, а это, в свою очередь, приводит к изменению формы зуба, и он из весьма аморфного образования становится конусом с острой верхушкой. Самым интересным является то, что при образовании магнетита хитиновая основа изменяет свои свойства: рыхлый и пористый материал, связываясь с частичками покрытия, меняет свою структуру. Но это ещё не все – сам магнетит в процессе затвердевания зуба тоже упорядочивается.

Если подходить к аккумуляторным батареям со стороны зелёных технологий, то, альтернативой литий-ионным батареям являются литий-полимерные, которые появились в середине 1990-х годов. Особенно предпочтительны в экологическом разрезе гибкие полимерные батареи, элементы которых в 2009 году продемонстрировали исследователи немецкого Исследовательского института электронных наносистем Фраунгофера. Гибкие литий-полимерные батареи экологически значительно чище, дешевле в производстве и легче утилизируется в сравнении с конвенциональными литиевыми батареями, содержащими органические растворители.

Как было отмечено в начале данной главы, одна из целей «зелёных технологий» – исключение использования вредных синтетических химикатов в сельском хозяйстве, внедрение биотехнологий в земледелие, животноводство и переработку сельхозпродукции. Пришло время в рамках нашей книги рассказать про зелёные технологии в сельском хозяйстве.

Химизация сельского хозяйства. Борьба за урожайность сельскохозяйственных культур и повышение производительности животноводства, включая яйценоскость кур. Достижения очевидны. Провалы тоже: вырождение плодородия почв, вследствие передозировки удобрений в погоне за все более и более высокими урожаями; переизбыток химии в сельхозпродуктах; загрязнение окружающей среды, для которой рукотворные химические удобрения – инородные тела.

Решение проблемы найдено. И, как это обычно бывает, когда упираются в тупик, решение оказывается за спиной. В данном случае – возврат к природе: биотехнологии. Восстановление природного баланса микроорганизмов в почве, использование микроорганизмов для борьбы с болезнями сельхозкультур и домашних животных, применение микроорганизмов для повышения урожайности, яйценоскости, удоев и прочих потребностей гомо сапиенс в белках, жирах и углеводах.