Незаменимый графен: как используют самый тонкий и прочный материал, известный человеку

Введение

Графен — самый
тонкий и самый прочный материал во
Вселенной. Представьте себе углеродную
пластину толщиной всего в один атом, но
более прочную, чем алмаз, и пропускающую
электричество в 100 раз лучше, чем кремний
компьютерных чипов.
Его
уже сейчас сравнивают с появлением
самых революционных изобретений,
изменивших человечество. Крайне сложно
предсказать сейчас практические области
применения графена, но он однозначно
изменит нашу жизнь. Его появление
революционно. Он сравним с появлением
танков, которые уничтожили конницу,
мобильных телефонов, которые скоро
уничтожат стационарные аппараты. Такое
открытие не укладывается в стандартную
схему, в которой можно было бы предположить
пути развития и дальнейшего применения.
Графен изменит все, что нас сейчас
окружает. Ведь открыто новое материальное
вещество с уникальными физическими
свойствами. С одной стороны, оно очень
тонкое, с другой — очень большое. Оно
поменяет наше представление о природе
веществ и вещей.

Что такое графен?

По сути, графен — это углерод, а углерод невероятно распространённый элемент на Земле. Графит, алмаз, сажа, графен — всё это углерод, а точнее, его аллотропные формы. Химическая формула у них идентична — «С», но то, как атомы углерода соединены друг с другом, и определяет свойства материала. Алмаз невероятно твёрдый, графит из грифеля карандаша легко можно сломать. Всё потому, что одни и те же атомы в графите и алмазе расположены по-разному.

Атомы в графене также расположены в пространстве особым образом. Во-первых, они выстроены толщиной в один атом. Во-вторых, атомы образуют шестиугольник, похожий на пчелиную соту:

Такая структура наделяет графен просто невероятными свойствами.
Графен — отличный проводник как электронов, так и тепла. Графен прочнее стали в 200 раз, при этом он невероятно гибкий, эластичный и почти прозрачный.

Из-за таких свойств графен получил огромную популярность в среде учёных: ему за пару лет придумали сотни сомнительных применений. В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помёт, чтобы проверить, как это отразится на его качествах.

Благодаря такому хайпу вокруг графена, на рынке появились графеновые куртки, платья, теннисные ракетки, машинное масло с графеном и ещё куча всякого бесполезного барахла, которое зачастую графена в своём составе не имело, а в лучшем случае графена добавляли сотые доли процента.

Дело в том, что чистый графен — чрезвычайно дорогой материал:

• Один грамм чистого графена, который используют в электронике, стоит около $28 млрд;
• Один грамм графена, смешанного с пылью, стоит около $1000.

Может ли графен решить проблемы батарей?

До сих пор человечество не знает коммерчески успешных способов получения графена в промышленных масштабах. Высокая цена и трудности производства больших количеств графена — это одна из причин, почему мы не видим графеновых аккумуляторов в наших смартфонах. Но это не единственная причина. Использование графена в качестве катода или анода в батареях — не лучшая идея.

Именно поэтому графен не самый подходящий материал для долгосрочного хранения энергии.

В литиевых аккумуляторах заряд запасается за счёт того, что ионы лития проникают внутрь графитового анода и там прочно держатся. Этот процесс называется интеркаляцией. Литиевые аккумуляторы практически не подвержены саморазряду. Вы можете зарядить ваш Power Bank и через 2 месяца им воспользоваться.

Если мы возьмём батарею и вместо графита для изготовления анода применим графен, то ионы лития не смогут проникнуть внутрь графена, а будут накапливаться на поверхности. В таком случае ионы будут держаться за анод очень слабо, со временем ионы могут самопроизвольно покидать графен. В итоге мы получим саморазряд батарей.

Вариант, когда ионы накапливаются на поверхности анода и слабо за него держатся, хорошо подходит для суперконденсаторов. Это отличный вариант, когда нужно быстро и без особых усилий оторвать много ионов и перенести много энергии за короткий отрезок времени. Поэтому применение графена выглядит куда логичнее именно в суперконденсаторах, а вот для обычных аккумуляторов графен не особо подходит.

Но ведь графеновые аккумуляторы уже давно продаются

Мы регулярно слышим, что тот или иной стартап уже запустил в продажу графеновые Power Bank. Периодически проскакивают новости о том, что гиганты вроде Samsung уже буквально завтра начнут ставить в свои смартфоны графеновые батареи. На самом деле это очередная маркетинговая уловка. В таких батареях графен применяется как добавка для улучшения тех или иных характеристик литиевых батарей.

Например, если мы добавим графен в электроды, то повысим их проводимость. По сути, это останется всё такой же литиевый аккумулятор, характеристики которого улучшены графеном на 5–10 %. Подобных продуктов уже полно на рынке. Одним из первых смартфонов на моей памяти с применением графена в батарее был Honor Magic. Но какими-то выдающимися характеристиками его батарея не запомнилась.

Не так давно Наташа уже делала видео про Power Bank с графеном:

По сути, графеновые Power Bank отличаются от обычных только быстрой зарядкой. По большому счёту эти «банки» всё так же греются при зарядке и имеют заурядную ёмкость.

Чисто графеновые батареи на данном этапе развития технологий — это, скорее, маркетинг на хайповой теме. А вот литиевые гибриды, в которых графен используется как вспомогательный компонент, давно применяются. Samsung, Xiaomi, OPPO, OnePlus, Huawei и другие бренды вовсю добавляют графен в свои батареи.

Не революция, а эволюция

Если посмотреть на литиевые аккумуляторы под другим углом, то окажется, что они вовсе не стоят на месте, а постоянно развиваются — просто это развитие не скачкообразное, а очень плавное и постепенное. И самое главное: технология литиевых аккумуляторов ещё не достигла своего предела, и, возможно, графен поможет раскрыть потенциал литиевых аккумуляторов на 100 %.

Ёмкость аккумуляторов

Нам кажется, что увеличения ёмкости литиевых аккумуляторов нет, но это не так. Первые из них могли запасать порядка 100 Вт·ч/кг, спустя 20 лет постепенного развития эта величина удвоилась. На данный момент литиевые аккумуляторы могут запасать 200–240 Вт·ч/кг. По мнению учёных, им удастся увеличить энергоёмкость до 400 Вт·ч/кг. И, вполне возможно, именно графен поможет приблизить этот показатель к реальности.

Скорость зарядки

Это ещё один важный параметр, который уже сейчас улучшают за счёт графена. Так как графен имеет низкое сопротивление и прекрасно проводит ток, компоненты с добавлением графена меньше греются. Кроме того, графен столь же хорошо проводит и тепло, благодаря этому нагрев компонентов батареи лучше рассеивается.

В последние годы мы видим, как стремительно развиваются технологии быстрой зарядки. Не так давно гремели презентации технологий быстрых зарядок мощностью 120 Вт. И вот совсем недавно Xiaomi показала зарядку мощностью 200 Вт, которая наполняет батарею Mi 11 Pro ёмкостью 4000 мАч за восемь минут. Скорее всего, в батарее этого Mi 11 Pro не обошлось без добавления графена, но Xiaomi об этом умалчивает.

Чувствительность к температуре

Что пока не удалось значительно улучшить, так это чувствительность батарей к перепадам температуры и количество циклов заряда-разряда. В этих вопросах пока даже графен животворящий особо помочь не может. Точнее, графен помогает частично нивелировать негативное воздействие перегрева, а вот с низкими температурами бороться у него не выходит.

Продление срока службы

Что касается увеличения количества циклов заряда-разряда, то тут в помощь приходит другой компонент — кремний. Он позволяет увеличить ресурс литиевых батарей до 300 %, но побочный эффект кремния — увеличение размеров аккумуляторов. В итоге батареи с кремнием либо будут иметь такую же ёмкость, как и сейчас, но при этом будут физически в несколько раз больше, либо мы можем сделать компактную и долгоживущую батарею, которая будет иметь маленькую ёмкость.

Где можно применять графен в будущем?

Есть и еще одно свойство графена: он биосовместим, то есть взаимодействует с живыми клетками. Ученые обещают, что материал поможет диагностировать и лечить рак . Это делают с помощью чипа с графеном, который придает повышенную чувствительность. На поверхность чипа высаживают раковые клетки и тестируют на них различные лекарства.

Такие чипы можно использовать и для тестирования других лекарств, а также — определения биомаркеров: иммуноглобулина, ДНК, нейрональных биорецепторов.

Из графена также планируют делать дешевые солнечные батареи, опресняющие устройства для морской воды, гибкие дисплеи, сверхпрочные бронежилеты, сверхчувствительные микропроцессоры, элементы для беспилотников и космических ракет, телефоны с бесконечной зарядкой и умную одежду.

Для России самым перспективным применением графена могут стать нефте- и газодобыча. На основе графена делают жидкости, которые позволят управлять толщиной и свойствами фильтрационной корки буровых растворов. А еще можно делать полимерные трубы и покрытия для нефте- и газопроводов с применением графена.

Экономика инноваций

Единорог из трубки: фоторепортаж из уникального сибирского стартапа

Краткая история химического источника тока

Древнейшая батарея обнаружена в окресностях Багдада. По подсчетам ученых, ей около 2000 лет. Она представляет собой керамический кувшин с асфальтовой пробкой, из которой торчит железный стержень, окруженный медным цилиндром (электроды). Когда кувшин заполняется уксусом (электролит), то выдает напряжение в 1,1 Вольт. Предполагается, что такой прибор использовался для гальванизации посредством электролиза — нанесение покрытия из благородных металлов на изделия из более дешевого материала (например, покрытие серебра золотом).

Химический источник тока, давший жизнь всем современным аккумуляторам, изобрел итальянский ученый Алессандро Вольта в 1800 году. Он представлял собой сосуд с солёной водой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, с проволочными токовыводами. Его назвали «элемент Вольта». Из нескольких таких элементов впоследствии энтузиаст собрал батарею, названную «вольтовым столбом».

Изобретение привлекло даже Наполеона, присутствовавшего при эксперименте, а затем осыпавшего ученого наградами и почестями. Но важнее, что благодаря нему в том же году ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл разложили воду на водород и кислород, открыв электролиз.

В свою очередь, спустя три года русский физик Василий Петров создал самый мощный в мире вольтов столб, составленный из 4200 медных и цинковых кругов и развивающий напряжение до 2500 вольт

С его помощью он открыл такое важное явление, как электрическая дуга, которая по сей применяется в электросварке

Еще 1803 год был примечателен разработкой Иоганна Вильгельма Риттера. Фактически он разработал прообраз современного аккумулятора, в те времена представляющего собой столб из пятидесяти медных кружочков, между которыми было проложено влажное сукно. При пропускании через данное устройство тока от вольтова столба оно само стало вести себя как источник электричества.

И еще несколько интересных фактов из древнейшей истории химических источников тока:

• Свинцово-кислотный аккумулятор был изобретен физиком Гастоном Плантэ в 1859 году. Он поместил скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. До сих пор в практически неизменном виде такой тип элементов питания используется в автомобилях.
• В 1865 году французский химик Ж. Лекланше создал гальванический элемент на основе цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли. Подобная конструкция и сейчас используется в солевых батарейках для бытовых устройств.
• Самый старый поныне работающий гальванический элемент был изготовлен в 1840 году в Лондоне. Это пара серебряно-цинковых батарей, по сей день питающих звонок в Кларендонской лаборатории Оксфорда.
• Первая щелочная батарея была создана в 1899 году шведом Вальдемаром Юнгером. Это никель-кадмиевый аккумулятор, используемый в практически неизменном виде до 1990 года. Затем ему на смену пришел экологически более чистый никель-металл-гидридный аккумулятор, питавший практически всю портативную в 90-е годы прошлого века.
• От изобретения литий-ионных батарей до их промышленного внедрения прошло более 20 лет. Патент был зарегистрирован американским ученым Мэнли Уиттингем в 1970 году. В 1985 году японец Акира Йошино разработал эффективные электроды для такого рода элементов питания. И лишь в 2000-х литий-ионные аккумуляторы добрались до портативных устройств в том виде, в каком мы их знаем сегодня.
• Последним серьезным нововведением в литий-ионных аккумуляторах стало применение полимерных материалов. Коммерческие батареи на их основе производятся с 2008 года.

Красота не требует жертв

Специалисты Северо-Западного университета (США) превратили чёрный «от природы» графен в суперстойкую краску для волос.

В ходе эксперимента американские учёные покрыли образцы человеческого волоса раствором из листов графена. Так, физикам удалось превратить светлые, платиновые волосы в угольно-чёрные. Новый цвет оставался стойким на протяжении 30 смывов.

Краска на основе графена обладает дополнительными преимуществами, утверждают американские исследователи. Каждый покрытый ею волос подобен маленькому проводу, способному проводить тепло и электричество. Это означает, что волосы, окрашенные графеновой краской, легко рассеивают статическое электричество и решают проблему электризующихся волос.

• globallookpress.com

Американские учёные также полагают, что их краска абсолютно безвредна.

«Наружный слой ваших волос, или кутикула, выполняет защитную функцию и состоит из тонких клеток наподобие рыбных чешуек. Чтобы приподнять эти чешуйки и позволить молекулам краски быстро проникнуть в волосы, используются аммиак, перекись водорода или органические амины», — сообщил автор исследования Цзясин Хуан.

Из-за подобных манипуляций волосы постепенно истончаются. Проблему позволяет решить краска, которая покрывает волосы, но не проникает в их структуру. Однако такая краска очень быстро смывается. Как утверждают специалисты Северо-Западного университета, их изобретение позволяет справиться с обеими проблемами.

В индустрию моды и красоты графен начал проникать ещё в 2017 году, когда британская компания CuteCircuit представила платье с элементами из этого чудо-материала. Платье Graphene Dress со встроенными светодиодами благодаря графену меняет цвет «в такт» дыханию его обладательницы.

• Платье на основе графена, Манчестер, 2017 год
• Reuters

«Материал будущего» выполняет в платье одновременно две задачи: он является датчиком, улавливающим частоту дыхания, а также питает светодиоды, которые и меняют цвет платья. Разработчики умной одежды считают, что графен можно использовать для получения тканей, которые будут радикально менять свой цвет. Презентация Graphene Dress состоялась на родине этого материала — в Манчестере. 

Компания, которая пытается воплотить ядерные батареи в реальность

Одна из ведущих компаний, стоящих за технологией, — NDB (Nano Diamond Batteries, наноалмазные батареи). Как объяснила CEO NDB доктор Нима Гольшарифи в интервью для эпизода подкаста Energy Cast: «Говоря метафорически, это похоже на солнечные батареи; разница в том, что NDB вырабатывает электричество, используя излучение радиоактивных материалов вместо солнечного света».

Алмазные батареи также помогут решить проблему утилизации отходов с атомных электростанций. Огромные количества этого чрезвычайно опасного материала существуют по всему миру, а его хранение или утилизация обходятся невероятно дорого. Однако эти отходы также богаты энергией, и именно они питают ядерные батареи, которые разрабатывает NDB.

Фото в тесте: NDB

Как говорит доктор Гольшарифи: «Решения NDB и цель нашей компании — эффективно использовать эти побочные продукты и решать проблемы с ядерными отходами, и, в свою очередь, помогать окружающей среде, продвигая ядерную энергию, которая является чистым источником, и поддерживать общество, создавая своего рода замкнутую экономику».

Конечно, логично задаться вопросом, насколько безопасны эти батареи. Ядерная энергия всегда вызывает подобные опасения. Однако доктор Гольшарифи считает, что этот страх можно преодолеть с помощью образования: «Немногие люди знают, что большинство детекторов дыма содержат радиоактивные материалы; тем не менее, они без проблем размещают их дома».

Излучение от ядерных батарей надежно спрятано в этих крошечных алмазах. «У нас есть система блокировки датчика, которая предотвращает массовый доступ к изотопу и его использование для других целей, кроме источника питания NDB. Мы специально делаем это с помощью наноразмерной ионной имплантации радиоизотопов в нашу структуру, и это позволяет нам удовлетворять различным требованиям безопасности потребителей», — объясняет доктор Гольшарифи.

NDB провела обширные исследования, чтобы убедиться, что их батареи достаточно безопасны для использования в таких продуктах, как телефоны и автомобили. Во многих отношениях батареи NDB не производят выбросов или вредного излучения. В определенном смысле ядерные батареи, состоящие из почти неразрушимых алмазов, даже безопаснее, чем литий-ионные батареи, которые, как известно, могут взрываться и загораться.

Еще один актуальный вопрос — это стоимость. В конце концов, этот продукт сделан из алмазов и ядерных материалов. Однако его стоимость уже падает — с $2,4 млн за килограмм до $40 тысяч в 2018 году (по словам доктора Гольшарифи). NDB ожидает, что цена упадет еще больше по мере массового производства и со временем сможет конкурировать с литий-ионными батареями.

Даже если они изначально дороже, чем традиционные аккумуляторы, наверняка найдутся те, кто захочет доплатить за телефон, который никогда не понадобится подзаряжать. Представьте автомобиль, который никогда не нуждается в заправке. А как насчет устройств, которые не только не разряжают, но и подпитывают вашу собственную сеть, снижая счета за электроэнергию?

Наноалмазные батареи никогда не нуждаются в подзарядке, служат дольше, чем устройства, от которых они питаются, безопасны для использования в потребительских товарах и помогут решить извечный вопрос о том, что делать с ядерными отходами.

Вместо послесловия

Применение графена в медицине не ограничивается только системами доставки. У графена обнаружена способность ускорять дифференцировку стволовых клеток и селективно связывать антитела , он используется в клеточной инженерии , и из него делают даже вживляемые в организм электроды . Этот материал используют как контрастное вещество при МРТ и КТ . А при добавлении графена в смесь ПЦР увеличивается выход ДНК!

На основе графена создают самые разные медицинские девайсы — биосенсоры, микрочипы, пластыри для контроля уровня глюкозы и даже импланты . В 2014 году были анонсированы прозрачные (по инфракрасным и ультрафиолетовым частотам) графены, гибкие имплантируемые медицинские микрочипы медицинских датчиков, которые позволяют просматривать ткани мозга, скрытые имплантатами .

Подобным устройствам, используемым в медицине, на «Биомолекуле» посвящена целая тема: «Носимые технологии». — Ред.

Скорость, с которой графен ворвался во многие сферы науки, включая биомедицину, доказывает, что для великого открытия иногда нужны лишь пятничный вечер и немного скотча.

Вечный карандаш

Заведующая лабораторией химических источников тока, доктор химических наук Людмила Елшина показала нам некоторые образцы нового материала. Лёгкие и прочные провода, которые не окисляются, фольга, на вид как обычная алюминиевая, но прочнее в десятки раз. Есть вечный карандаш, который пишет, как обычный, но сносу не знает. Но главное – полным ходом идут испытания принципиально нового химического источника питания, алюминиево-ионного аккумулятора, который заменит, наконец, привычные для всех гаджетов литиево-ионные.

– По большому счёту, такие источники питания – это вопрос энергетической безопасности страны, – рассказывает Людмила Августовна. – Признанный мировой лидер производства литиевых аккумуляторов – Китай, потому что у них есть литий, есть он ещё в Венесуэле, Перу и Чили, а у нас его нет. Представьте, что завтра прекратятся поставки – мы моментально останемся без связи. В чём минус литиевых аккумуляторов? Во-первых, они взрываются, и их запрещено перевозить крупными партиями в самолётах. Во-вторых, литий неустойчив, окисляется даже азотом воздуха, не говоря уж о кислороде. В-третьих, вы, наверное, замечали, что со временем ваши телефоны надо всё чаще заряжать? За один год работы ёмкость литиевых батарей падает на 30 процентов, на второй год – на 50 процентов, а там уже надо покупать новый.

Мы сейчас работаем над алюминиево-графеново-ионным аккумулятором, который намного дешевле, пожаро- и взрывобезопасен, быстро заряжается и медленно разряжается, будет дольше служить. Ну, может, будет чуть потяжелее, граммов на 40, уже сейчас активные пользователи вынуждены подключать дополнительные источники питания к основным, которые весят больше. На эти исследования у нас заключён договор с Иркутской электросетевой компанией из группы компаний En+ Group, входящей в холдинг «Базовый элемент». Во всём мире ведутся научные исследования по замене литий-ионных аккумуляторов, человечество входит в постлитиевую эпоху. В Европе даже создали научную коллаборацию «АЛИОН» с годовым бюджетом в 850 млн евро. И дело не только в гаджетах – рано или поздно мир всё равно перейдёт на электромобили. Надеюсь, нас не опередят. А то выйдет, как с графеном…

Гравитация и другие необычные решения

Шотландский стартап Gravitricity в 2021 году объявил о начале пилотного проекта гравитационного накопителя энергии в Эдинбурге, крупнейшем закрытом глубоководном порту.

Демонстрационный образец накопителя энергии Gravitricity мощностью 250 кВт

(Фото: gravitricity.com)

Будущие системы Gravitricity будут устанавливаться над 150-1500-метровыми заброшенными шахтами. Масса грузов при этом может варьироваться от 500 т до 5 тыс. т. При спуске груза будет происходить выработка электроэнергии. Она будет возвращаться в сеть в моменты пикового потребления. Приводом лебедки груза будет служить электрическая машина, способная поглощать или вырабатывать электрическую энергию при подъеме или опускании груза. Такая система позволит обеспечить 4 МВт мощности и может проработать 50 лет без потери производительности. Gravitricity собирается внедрять свою технологию в вышедших из эксплуатации шахтах по всему миру.

А ученые Массачусетского технологического института разработали батарею, которая будет питаться углекислым газом из любого источника. Она может поглощать потоки как из выхлопной трубы автомобиля, так и собирать углекислый газ из атмосферы.

Батарея состоит из ряда последовательных камер, в которых находятся электрохимические ячейки, пропускающие поток. Когда она заряжается, на поверхности электродов протекает электрохимическая реакция, а затем батарее требуется разрядка для очистки электродов. Чистый газ при этом откачивается в отдельную камеру.

Cистема может выдерживать не менее 7 тыс. циклов зарядки-разрядки с 30% потерей эффективности за это время. В будущем этот показатель может вырасти до 20–50 тыс. циклов.

Демонстрация работы батареи на углекислом газе

Между тем исследовательская группа из Национального университета Сингапура (NUS) и японского Университета Тохоку (TU) разработала технологию, которая с помощью крошечных интеллектуальных устройств позволит преобразовывать беспроводные радиочастоты в энергию. Таким образом, в будущем микроэлектронику можно будет запитывать с помощью сигналов Wi-Fi.

Перспективы

Аккумуляторы прогрессируют — это факт. Но графен едва ли способен устроить настоящую революцию на рынке батарей — скорее он поможет улучшить характеристики «традиционных» элементов питания. По крайней мере, в обозримом будущем.

Потому что несмотря на все неоспоримые достоинства графена, в настоящее время он все еще находится на начальной стадии развития с точки зрения коммерциализации — прежде всего из-за чрезвычайно высокой стоимости производства. Возможно, когда-нибудь графен и станет следующей ступенью в индустрии аккумуляторов, но пока до этого далеко.

А пока советуем почитать наши обзоры телефонов с мощными батареями:

• Самый мощный кнопочный телефон с мощной батареей: битва ветеранов
• Обзор суперзащищенного смартфона Doogee S86: IP68 и батарея 8500 мАч
• Танк в мире смартфонов: обзор Fly Power Plus XXL с огромной батареей

Альтернативная энергетика

Солнечная энергия

В мае 2012 года международная группа ученых разработала новые ультратонкие металлические электроды на золоте, которые позволят создавать прозрачные солнечные панели. Эти панели можно будет устанавливать в окнах домов и офисов. Они будут аккумулировать энергию солнечного света в течение дня.

А в 2020 году Tesla презентовала собственный инвертор солнечной энергии, который дополнит линейку домашних солнечных батарей компании. Он будет преобразовывать солнечную энергию в энергию постоянного тока, а затем — в энергию переменного тока для бытового потребления. Устройство сможет работать при температурах от минус 30 °C до 45 °C. В зависимости от числа трекеров точки максимальной мощности, оно сможет выдавать от 3,8 кВт до 7,6 кВт мощности.

Инвертор Tesla

(Фото: electrek.co)

Геотермальная энергия

Американский стартап UC Won в 2020 году предложил концепцию геотермального накопителя GeoTES (Geological Thermal Energy Storage) для круглосуточного использования солнечной энергии. Система объединит солнечные тепловые коллекторы с параболическими зеркалами (фокусируют лучи в одной точке), подземное хранилище тепла в осадочных породах (образуются при низких температурах и давлении) и электрогенерирующее оборудование на пару в виде трубок и турбины. При нагревании солнцем вода в трубках будет испаряться, а пар будет входить в турбину и одновременно закачиваться под землю, разогревая осадочную породу. Ночью вода под землей будет испаряться уже под воздействием разогретой породы. Получаемый пар используют для выработки электроэнергии.

Схема работы системы GeoTES

(Фото: renewgeo.com)

Криосистемы

Стартап из Великобритании Highview Power начал работы в Манчестере по строительству комплекса CRYOBattery мощностью 50 МВт и емкостью 250 МВт·ч. Система CRYOBattery будет захватывать воздух из атмосферы в специальную емкость и сжимать его при сверхнизких температурах (минус 196 °C), чтобы превратить в жидкость. Эту жидкость поместят в баки с теплоизоляцией и низким давлением. Нагревание вернет воздух в газообразное состояние, а газ приведет в действие турбины генераторов, которые будут вырабатывать электричество.

Схема работы CRYOBattery

В мае 2021 года международная группа ученых представила новые ультратонкие металлические электроды из золота, которые можно будет применять для разработки прозрачных солнечных панелей. Потенциально такие панели можно будет встраивать в окна домов и офисов, чтобы аккумулировать энергию.

Графеновый бум

За 7 лет после вручения премии вышло больше 130 тыс. научных работ, посвященных графену и его свойствам. Доля таких исследований среди всех остальных выросла с 0,2% в 2010 году до 1% в 2016-м.

Профессор Катарина Паукнер в Будапеште, 2016 год

Исследователь Прабхурадж Балакришнан в Лондоне, 2017 год

Доктор Хан Лин в Мельбурне, 2019 год

В научном сообществе тестирование свойств графена стало почти мемом. Доходит до того, что в графен добавляют куриный помет, чтобы проверить, как это отразится на его качествах .

Всего в мире зарегистрировано более 50 тыс. патентных заявок с упоминанием графена. Больше половины из них принадлежит Китаю, следом идут Южная Корея, США, Япония и Тайвань.

В Китае исследованиями занимаются государственные вузы. В 2013 году здесь создали Инновационный альянс графеновой промышленности, который пророчит Китаю в этой сфере долю в 80% от общемировой.

В остальных странах в графен активно вкладываются коммерческие компании. В Евросоюзе за это отвечает проект Graphene Flagship с инвестициями в €1 млрд . В США — Национальная графеновая ассоциация, в консультативный совет которой входят представители Apple, IBM и Cisco.

В графене заинтересованы гиганты аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin, Airbus и Thales. Они рассчитывают, что новые материалы позволят им в разы снизить расход топлива — как композиты, которые экономят до 30% горючего в Boeing 787. Электронные корпорации включились в графеновую гонку в надежде, что это принесет им лидерство на рынке смартфонов и аксессуаров к ним.

Среди них — Samsung : компания уже скупила десятки патентов, которых хватит на целую линейку продуктов с графеном. В частности, она представила новый тип аккумуляторов, которые можно будет заряжать за рекордные 12 минут. Такие появятся в новых смартфонах бренда не позднее 2021-го года. Их главный конкурент — Apple — запатентовала акустические диафрагмы с графеном для использования в устройствах следующих поколений. И это, судя по всему — только начало.

В России тоже занимаются изучением графена и даже патентуют электронные устройства на его основе — на базе в Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. Двое ученых-выпускников этого вуза — гендиректор ведущего производителя Graphene 3D Lab Inc. Елена Полякова и профессор Свободного университета Берлина Кирилл Болотин — входят в ту самую американскую ассоциацию.

Графен получился нечаянно

С графеном у Людмилы Елшиной особые отношения. Как известно, за синтез графена британские учёные российского происхождения Андрей Гейм и Константин Новосёлов (наш земляк, кстати, родом из Нижнего Тагила) получили Нобелевскую премию 2010 года. А Людмила Августовна получила совершенно нечаянно графен ещё в 1988 году! Она работала тогда над кандидатской диссертацией по алюминиевой тематике. Нанесла покрытие на поверхность твердого алюминиевого электрода, отмыла и увидела, что на поверхности воды плавает какая-то тонюсенькая прозрачная плёночка.Сделали анализ – углерод, да и только. Пошла к своему научному руководителю со словами, что это какой-то очень странный углерод. Но никто тогда не понял – ну и что с ним делать в таком виде? Недооценили, а могли бы стать нобелевскими лауреатами. Что ж, в науке такое случается.

После известия об открытом способе получения графена Людмила Елшина вернулась к тем экспериментам, но уже с другой целью: был конкретный заказ на крепкий алюминий для авиации. Путь виделся только один – сделать композитный материал. Самый классический пример композитного материала – это железобетон, где железная арматура выполняет роль матрицы, а наполнителем служит бетон. В нашем случае был замысел соединить несоединимое: алюминий и графен в качестве крепкого и пластичного наполнителя. Но графен и алюминий абсолютно индифферентны друг к другу, поэтому в электролизных ваннах, где плавят алюминий, в качестве анодов используют графитовые стержни. Самый простой вариант – смешивание. Но алюминий на воздухе моментально окисляется, покрывается оксидной плёнкой, и перемешивать его с графеном бесполезно, новых свойств получить не удаётся. Решили попробовать внедрить углерод в алюминиевые расплавы под слоем солевых флюсов.

Так выглядит вечный карандаш, одна из экспериментальных разработок лаборатории. Фото: Алексей Кунилов

– Мы его обманули! – смеётся Людмила Августовна. – Атомы углерода проникают в расплавленный алюминий, а при остывании алюминиевой капли углерод самоорганизуется в графеновые плёнки . Мы делали многочисленные поперечные шлифы, и концентрация графена во всех слоях алюминиевого композита остаётся постоянной. И получили чудный композит: увеличились и пластичность, и твёрдость, что обычно исключено (тут или-или), никакого окисления, всегда как новенькие, электропроводность увеличилась на 10 процентов. Незаменимые провода для ЛЭП и микросхем, космоса! И не нужны будут тяжёлые и дорогие медные провода.

– Ох, не дадут хода вашим разработкам медные короли…

– На медных королей найдутся алюминиевые.

– Остаётся узнать цену вопроса.

– Наш композит очень дёшев в производстве. Алюминия у нас много, а графен можно получить даже из луковой и чесночной шелухи – мы проводили такие опыты. Будущее вообще за композитами, материалы в чистом виде исчерпали свои возможности.

Опубликовано в №102 от 15.06.2018