Научный дайджест №22

⇡#Торнадо — новый источник электроэнергии

В Рождество на ряд южных штатов Америки обрушилось не менее пятнадцати торнадо, оставив десятки тысяч семей без электроэнергии. Это грозное атмосферное явление, также известное как смерч, регулярно приносит много вреда жителям разных уголков нашей планеты. Но учёные из стартап-компании AVEtec Energy Corporation решили обуздать вихревой ураган и извлечь из него пользу. Оказывается, торнадо вполне может стать источником альтернативной энергии будущего. Один из основателей PayPal, известный инвестор Питер Тил (Peter Thiel), высоко оценил любопытную разработку и уже вложил в её развитие $300 тысяч.

Рис. 1. Торнадо в природе

Энергия, необходимая для преобразования тонны льда в пар, может достигать нескольких гигаджоулей. С другой стороны, преобразование пара в лёд высвобождает столько же энергии. Согласно подсчётам учёных, в атмосфере Земли содержится почти 13 тысяч кубических километров воды в форме пара. По содержанию энергии это эквивалентно 1,2 тыс. кубических километров жидкого топлива. Существенная часть этой скрытой в атмосфере энергии может быть использована для получения электроэнергии.

Рис. 2. Сравнение энергоресурсов Земли

Сами по себе энергетические ресурсы атмосферы рассредоточены в пространстве, и с их помощью не получится сгенерировать существенное количество энергии. Но нелинейные процессы, протекающие в атмосферных вихрях, открывают новые возможности для захвата паровой энергии.

Принцип вихревого двигателя, независимо открытый австралийским физиком Норманом Лоуатом (Norman Louat) и канадским инженером Луи Мишо (Louis Michaud), как раз и лёг в основу разработки AVEtec. AVE (atmospheric vortex engine) использует контролируемые вихри для захвата механической энергии, которая производится при тепловой конвекции. Сам вихрь создается путём перемещения тёплого и влажного воздуха по касательной к цилиндрической трубе с открытым верхом. Такое искусственное торнадо в будущем может использоваться для получения огромного количества энергии, отмечают исследователи. Вихревой двигатель мощностью 200 МВт будет представлять собой цилиндрическую установку диаметром 100 м, высотой от 50 до 80 м. При этом создаваемый искусственно торнадо с основой диаметром 30 м сможет достигать в высоту 15 км.

Рис. 3. Вихревой двигатель

AVE работает по тем же термодинамическим принципам, что и так называемый солнечный камин. В отличие от него, вихревой двигатель не требует таких высоких физических стенок, а высота искусственно создаваемого торнадо на порядок превышает высоту типичных построек. Если эффективность камина при генерации электроэнергии едва достигает 0,2%, то КПД вихревого двигателя может составлять и 20%. При этом не требуются солнечные коллекторы, так как AVE черпает энергию из природных источников — так называемое бросовое тепло.

Рис. 4. Сравнение солнечного камина и вихревого двигателя

Теперь от теории к практике. Самое важное в этом деле — создание достаточно сильного вихря. Инженеры AVEtec уже соорудили концептуальные вихревые двигатели, которые создают искусственное торнадо.

Рис. 5. Искусственное торнадо

В установке диаметром 4 м можно получить вихрь диаметром 0,3 м и высотой более 20 м. Чтобы вихревой двигатель полноценно заработал, ему требуется энергетическая подпитка для нагрева воздушных масс нижнего слоя атмосферы. Откуда её взять? Например, тепловая электростанция мощностью 500 МВт выделяет около 1000 МВт использованной теплоты. AVE этого достаточно для генерации дополнительно 200 МВт электроэнергии, таким образом, существенно повышается КПД ТЭС. В тропическом поясе вихревой двигатель в качестве источника энергии может использовать также теплые водные массы.

Рис. 6. Комбинация AVE и ТЭС

Ну и о перспективах. Главным козырем вихревого двигателя является его экологическая направленность. Он не наносит вреда окружающей среде и утилизирует «бесхозные» ресурсы для генерации электроэнергии. Отсутствие необходимости в дорогостоящем топливе делает его также экономически выгодным. По подсчётам исследователей, в будущем цена 1 кВт полученной таким способом электроэнергии составит около трёх центов. Постройка AVE с выходом 200 МВт обойдётся в $200 млн. Осталось только научиться генерировать достаточно сильные контролируемые вихри, а также позаботиться о безопасности таких установок.

Рис. 7. Перспективы вихревых двигателей

В ближайшее время AVEtec планирует создать прототип AVE с диаметром основы 8 м. Второй этап исследований включает постройку вихревого двигателя диаметром 25 м с газовой турбиной мощностью 10 МВт в качестве источника энергии. Далее планируется последовательно увеличивать диаметр основы, и при достижении 100 м проект можно будет ставить на коммерческие рельсы. Подробнее о нем можно почитать в статье Energy from Convective Vortices.

⇡#Гибкие солнечные ячейки на основе графена

Несмотря на появление новых удивительных способов генерации электроэнергии, таких как вихревой двигатель или извлечение электричества из перегноя, преобразование и использование солнечной энергии остаётся пока что наиболее реальным и перспективным направлением альтернативной энергетики. Поэтому исследования в данной области ведутся очень активно и почти в каждом выпуске «Научного дайджеста» мы знакомимся с новыми технологиями производства солнечных ячеек. В этот раз наше внимание привлекла разработка Массачусетского технологического института (МТИ).

Рис. 8. Гибкая солнечная ячейка с полимерными слоями

Группе исследователей удалось создать прозрачные гибкие солнечные ячейки, которые можно смонтировать на разные поверхности из стекла или пластика. К недостаткам солнечных ячеек из кремния относят дороговизну и ограниченные приложения. В последнее время популярность набирает использование в качестве материала для электродов оксида индий олова (ITO), что обеспечивает гибкость ячеек. Но производство ITO-плёнок — также удовольствие не из дешёвых. Поэтому массачусетские учёные предложили использовать электроды из повсеместно применяемого ныне в лабораторных испытаниях графена. К достоинствам графеновых электродов можно отнести низкую себестоимость, гибкость, малый вес, механическую прочность и химическую стабильность.

Ранее разные исследователи уже пытались использовать графен, но всегда сталкивались с определёнными трудностями, так как в процессе различных манипуляций свойства этого материала существенно ухудшаются. В частности, сложности возникали при нанесении полупроводниковых наноструктур на поверхность графена. Для обхода проблемы учёные из МТИ предложили последовательное нанесение полимерных слоёв, что позволило связать графеновые электроды с нанопроводами из оксида цинка. При этом свойства графена остались нетронутыми, благодаря чему получаемый гибридный материал отличается хорошими характеристиками и не уступает материалам с ITO-электродами.

КПД солнечных ячеек с графеновыми электродами составил 4,2%. Это меньше, чем у кремниевых аналогов, но гораздо лучше предыдущих достижений с использованием графена. При этом если кремниевые структуры нужно выращивать при очень высоких температурах, то производство графеновых электродов проходит при температуре ниже 175 градусов Цельсия. В производственном процессе нет ничего сложного. Для выращивания графена исследователи используют традиционный метод химического парофазного осаждения, после чего методом напыления наносятся полимерные слои.

Рис. 9. Структура солнечной ячейки с графеновыми электродами

Учёные признаются, что до внедрения в реальные приложения им предстоит преодолеть ещё множество барьеров. Не называются даже примерные сроки возможного начала коммерческого производства. Подробнее о технологии можно почитать в статье Graphene Cathode-Based ZnO Nanowire Hybrid Solar Cells.

⇡#Солнечные ячейки на любой поверхности

Ещё дальше пошли учёные из Стэндфордского университета. Если графеновые ячейки, разработанные исследователями из МТИ, следует наносить на стеклянную или пластиковую основу, то новую разработку стэндфордских изобретателей вообще можно прикрепить к чему угодно, как обычную наклейку. Нестандартные основы сложно использовать в традиционных солнечных ячейках, так как их поверхность неровная. Кроме того, они могут не выдержать химической и термической обработки. Новая технология не только удешевляет солнечные ячейки, но и позволяет в буквальном смысле наклеивать их, куда душа пожелает, например на лист бумаги, шляпу, одежду, телефон, оконные стёкла.

Рис. 10. Нанесение ячеек на разные поверхности

Новый производственный процесс предполагает создание «бутерброда» из кремния, диоксида кремния и металла. Никелевая плёнка толщиной 300 нм методом осаждения наносится на пластину кремний-диоксида кремния. Далее тонкоплёночные солнечные ячейки напыляют на никелевый слой с использованием стандартных методов и покрывают защитным полимером. Поверх этой структуры наносится так называемая лента теплового расцепителя, которая позволяет при нагреве перенести солнечную ячейку с пластины на новую основу.

Для удаления металлической основы структура помещается в воду комнатной температуры. Далее необходимо нагреть тепловую ленту до 90 градусов Цельсия. Достаточно нескольких секунд — и солнечную ячейку можно крепить к разнообразным поверхностям, используя двухстороннюю клейкую ленту или другие связывающие вещества. После этого тепловая лента окончательно удаляется и на выбранной основе остаётся лишь сама солнечная ячейка.

Рис. 11. Технология переноса ячейки на новую основу

Подробнее с разработкой можно ознакомиться в публикации Peel-and-Stick: Fabricating Thin Film Solar Cell on Universal Substrates.

⇡#Как экономить заряд электромобиля

У владельцев бензиновых и дизельных автомобилей есть свои стили вождения, позволяющие уменьшить расход топлива в определённых условиях. Например, считается, что для экономии бензина следует ездить плавно, не носиться на слишком высоких скоростях, стараться делать поменьше полных остановок. Сейчас, когда электромобили набирают популярность и их количество на дорогах растёт, а ёмкость аккумуляторов всё ещё оставляет желать лучшего, их водителям также было бы полезно знать основы экономной езды.

Этим вопросом решили заняться учёные из университета Сандерленда. По их мнению, для электромобилей тактика езды ещё более важна для экономии, чем в автомобилях с двигателем внутреннего сгорания. Согласно проведённым исследованиям, правильное вождение способно продлить пройденный электромобилем путь от 0,46 до 1,89 км в расчете на один процент заряда аккумулятора.

В тестовом испытании участвовали несколько водителей различного возраста, квалификации и с разным опытом вождения. Все они должны были преодолеть один путь, который включал движение по скоростной автостраде, трассе с перекрёстками и городской дороге с интенсивным движением. Самый низкий расход энергии был зафиксирован при движении по городу, тогда как больше всего заряда было растрачено на скоростной автостраде. Результаты могут показаться неожиданными. Ведь автомобили с двигателями внутреннего сгорания, наоборот, больше топлива потребляют в городских условиях, чем на свободной трассе. А дело вот в чём. Высокая эффективность электромобилей в городских условиях отчасти объясняется частым торможением, благодаря которому удаётся возобновить часть энергии.

Рис. 12. Экспериментальный путь

Интересно отметить также, что, хотя на отдельных участках пути разница в расходе топлива между водителями разной квалификации была существенной, в целом совокупная разница оказалась гораздо меньшей. То есть определённый отрезок водитель мог проехать лучше среднего результата, но уже вторую часть пути по эффективности вождения он мог уступить коллегам. Лишь один водитель удержал лидерство по эффективности вождения на всех без исключения участках. Это участник под номером семь, опытный водитель высокой квалификации, занимающийся исследованием так называемого «эко-драйвинга». Большую эффективность на автостраде показали водители, ехавшие с достаточно высокой и, главное, стабильной скоростью. Во время резких ускорений эффективность использования заряда падает.

Рис. 13. Зависимость скорости и потребляемой мощности на автостраде

Электромобиль был предоставлен для эксперимента в течение ограниченного времени, поэтому учёным удалось протестировать лишь 11 водителей возрастом не менее 31 года и лишь в нескольких тестах, что очень мало для каких-либо фундаментальных выводов. Главный результат работы, как это ни смешно звучит, — доказательство, что стиль вождения действительно существенно влияет на эффективность расхода заряда. Ученые попытались изучить это влияние, но для получения полных и достоверных результатов в ближайшее время они планируют провести более тщательное тестирование. Подробнее с работой можно ознакомиться в публикации The effect of driving style on electric vehicle performance, economy and perception.

На этом мы прощаемся с вами и, надеемся, до встречи в Новом году!