Эксперт № 11 (2013)
Шрифт:
— Что ж, так и есть. Взять ту же пресловутую проблему углекислого газа техногенной природы. Споры об этом ведь идут в основном о деталях. Как скоро мы ощутим на себе и окружающем нас мире его влияние? Потеплеет ли климат, к чему это приведет, как быстро погибнут колонии коралловых полипов, каковы будут последствия запуска цепной реакции изменений в биосфере океана? Но факты есть факты: за последние полвека техногенные выбросы углекислого газа в атмосферу выросли более чем в три раза, а его концентрация в атмосфере увеличилась на 20 процентов и продолжает расти, уже побив все рекорды за сотни тысяч лет. Варианты исхода такого роста описаны в многочисленных научных работах и, похоже, действительно не сулят нам ничего хорошего уже в ближайшие десятилетия, то есть еще при нашей жизни.
— При этом энергопотребление, а значит, и эмиссионные выбросы будут только расти.
— В потреблении прибавят почти все, но основная доля роста придется, конечно, на развивающиеся страны. Потребление электроэнергии, скажем, статистика владения автомобилем одним индийцем, на порядки отличается от этих же показателей,
— Энергоэффективные технологии, энергосберегающие мероприятия не смогут компенсировать рост потребления электроэнергии?
— А это смотря какие технологии. Если говорить об основных точках роста спроса на электрическую энергию, энергоэффективные решения в целом, играя, конечно, положительную роль, окажут незначительное влияние на преобладающий тренд. Но почему мы говорим только об электропотреблении? С точки зрения сжигания углеводородов на электро- и тепловую энергетику приходится около 40 процентов первичных ресурсов (и такая же доля, упрощенно, эмиссии СО sub 2 /sub ). Остальные же 60 процентов примерно поровну делят между собой транспорт и производство материалов. Сейчас в мире производится 4,5 миллиарда тонн материалов в год. То есть значительная доля получаемой в мире энергии расходуется на добычу и первичную переработку материалов, причем легкодоступные месторождения большинства рудных ископаемых исчерпываются, а добыча и переработка минерального сырья становится все сложнее и требует все больше человеческих ресурсов и энергии. Мало того, к 2050 году при существующей технологической парадигме материалов потребуется вдвое больше. Это означает, что люди просто обречены вводить новые генерирующие мощности, сжигающие углеводороды, увеличивать объемы добычи и переработки этих самых углеводородов, а также различного сырья для производства необходимых материалов, наращивать мировую транспортную систему.
— Подозреваю, вы склоняете меня к мысли, что в целях самосохранения нам неплохо было бы поменять « существующую парадигму» и что сами вы занимаетесь каким- нибудь проектом в этом направлении.
— В этом направлении я работаю последние три года и убежден, что в сфере производства материалов таятся огромные резервы для энерго- и ресурсосбережения. Вот примеры. Расход топлива автомобилей почти линейно связан с их весом, при этом полезный груз обычно в разы меньше собственного веса машины. Похожая ситуация со строительными конструкциями: так, вес мостов в пять раз превышает полезную нагрузку, а вес высотных зданий — в десять раз. Представим себе, что разработаны такие материалы, которые намного прочнее традиционных. Тогда вес самих автомобилей уменьшится, и почти пропорционально снижению веса снизится расход топлива, высотные здания и мосты станут существенно легче и потребуют для своего возведения значительно меньше материалов, а значит, инфраструктурных и логистических затрат, включая расход того же топлива на их доставку, что только умножит синергетический эффект. Важно, что при увеличении прочности материала сокращение веса конструкций будет носить нелинейный характер. Представьте, что мост изготовлен из металла, который в полтора раза прочнее исходного. Нагрузка пролетов на опоры в этом случае уменьшится в полтора раза, но поскольку и материал опор становится в полтора раза прочнее, необходимый его объем уменьшается уже более чем в два раза. Очевидно, что сокращение расхода топливных, энергетических и других ресурсов будет происходить на каждой из стадий производства и использования материалов — от добычи сырья до монтажных работ.
— А разве не пришлось бы для воплощения такого футуристического замысла проводить многомиллиардные R&D в поисках упрочняющих добавок, причем по каждой группе основных материалов? Одним проектом тут явно не обойтись.
— Существует универсальная добавка, или, по-другому, аддитив, которая меняет и расширяет функциональные свойства основных конструкционных материалов, то есть металлов, пластиков и бетонов — того, из чего состоит практически все, что нас повсеместно окружает. Этот аддитив — CNT (Carbon Nano Tubes), углеродные нанотрубки.
— Кажется, их открыли около двадцати лет назад, а уже больше десяти лет назад
— И не только научных, но давайте по порядку о том, как мы пришли к своему наноуглеродному проекту. В действительности открытие уникальных свойств CNT подсказало разработчикам в разных областях путь для создания широкого спектра новых материалов. Так, электро- и теплопроводность CNT в несколько раз выше, чем у меди. Именно на эти свойства трубок с учетом наличия их полупроводниковых модификаций обратили внимание в электронике. Нанотрубки обладают высокой химической стойкостью и стойкостью к температурам более 1000 градусов. Другое важнейшее свойство углеродных нанотрубок — их экстремально высокая прочность, превышающая, к примеру, прочность стали в сто раз. Это, по сути дела, единственный материал, годный для создания троса для космического лифта. Такой лифт пока, конечно, весьма отдаленная перспектива, но эту сверхпрочность в сочетании с протяженной нитеподобной структурой уже сейчас используют в качестве армирующей добавки в широком спектре материалов, где они выполняют роль, сходную с той, что играет стальная арматура в бетоне. Добавка одного процента CNT в алюминий позволяет получать материал со свойствами, близкими к стали. Некоторые детали в автомобилях уже делают из такого материала. Мы вводим CNT в сотых долях процента от общего объема материала в различные пластики, и это не только обеспечивает их электропроводность, но и улучшает механические свойства, которые приближаются к свойствам металлов. Уже сейчас на рынке продаются спортивные товары из таких композитов: велосипеды, горнолыжный инвентарь, клюшки, яхты — то есть те товары, где сочетание прочности и веса имеет принципиальное значение. Опыты с добавками долей процента углеродных нанотрубок в бетон показывают, что они увеличивают его прочность в полтора раза, а пенобетона — вдвое. Благодаря такому разнообразию уникальных свойств нанотрубок ученые и инженеры уже предложили тысячи самых различных вариантов приложений этого материала в электронике, биотехнологии, материаловедении и других областях. Мы насчитали 16 тысяч патентов на применение CNT, зарегистрированных всего за последние несколько лет, причем количество патентов стремительно нарастает. Это говорит о высокой готовности производителей материалов использовать CNT.
— Но само использование CNT кроме каких- то специфических и эксклюзивных областей вроде экстремального спорта ведь не носит пока массового характера? Раз углеродные трубки так хороши и все готовы их использовать, что препятствует их промышленному внедрению?
— Дороговизна и отсутствие промышленных масштабов производства качественных CNT. Как раз эти проблемы мы решаем в своем проекте. Дело в том, что за термином «углеродные нанотрубки» стоит множество их разновидностей, которые отличаются микроструктурными и, соответственно, физико-химическими свойствами. Самые совершенные нанотрубки — одностенные, их стенки имеют толщину в один атом. В зависимости от качества их можно купить на рынке по цене от тысячи долларов до сотен тысяч долларов за килограмм. Как раз они и демонстрируют рекордную прочность и электропроводность. Эти же показатели примерно близки к характеристикам многостенных CNT того же диаметра, но получается, что их удельные характеристики в расчете на единицу массы хуже, чем у более легких одностенных, на порядок. Теперь о том, как трубки получают. В одной из первых технологий получения CNT углерод возгоняется в газовую фазу большими удельными потоками энергии с помощью электродугового разряда или лазерной абляции (испарение вещества лазерным импульсом в виде атомов или молекул. — « Эксперт» ), затем при определенных условиях атомы углерода конденсируются, формируя одностенные нанотрубки хорошего качества. Но энергозатратность всего процесса определяет и их крайне высокую стоимость. Существенно дешевле выращивать углеродные нанотрубки, используя метод каталитического осаждения из газовой фазы. Сначала создается наночастица катализатора, например железа, и если такую частицу поместить в газовую среду, содержащую углеводород с температурой около тысячи градусов, то углеводород будет каталитически разлагаться на поверхности наночастицы с выделением атомов углерода. Наибольшая производительность была достигнута с применением так называемых методов взвешенного слоя. При их использовании наночастицы катализатора создают на поверхности подложки керамического инертного материала размером порядка десяти микрометров, то есть на порядки больше размеров наночастиц катализатора, чтобы ее не унесло газовым потоком. Этот метод позволяет выращивать сегодня самые дешевые многостенные CNT, цена которых приближается к ста долларам за килограмм, а теоретический предел составляет 50 долларов.