«Свободная энергия» приходит на смену ископаемому топливу
На фоне вооруженного конфликта России с Украиной тема безуглеродной экономики потеряла сегодня, казалось бы, свою приоритетность. Но военные действия рано или поздно закончатся, и тогда вопрос изменения климата снова со всей актуальностью встанет на повестку дня.
По сообщению Интерфакса глава Росгидромета Игорь Шумаков заявил об ускоренных темпах потепления климата на территории России относительно средних планетарных значений. Наибольшее потепление фиксируется в северной полярной области России, происходит процесс деградации многолетней мерзлоты и сокращения площади морского льда в Арктике. Критичное повышение среднегодовой температуры грозит масштабными техногенными катастрофами в виде разрушения зданий и сооружений, логистических линий и линий коммуникаций, а также выбросами огромных объёмов метана. Поэтому работы по переходу к безуглеродной экономике нельзя откладывать, и, в первую очередь, речь идёт о замене энергетических технологий, связанных со сжиганием ископаемого топлива.
В настоящее время набор технологий безуглеродной энергогенерации довольно ограничен, а приоритет развития направлен на солнечную энергетику и ветрогенерацию, выработка электроэнергии которых полностью зависит от погодных условий, кроме того, до настоящего времени не решена проблема переработки отработавших свой срок солнечных панелей и лопастей ветрогенераторов. Поэтому такое направление развития энергетики следует считать лишь промежуточным звеном на пути отказа от ископаемого топлива.
Долгие годы у ряда ученых, начиная с Николы Теслы, вызывает интерес возможность освоения так называемой «свободной энергии», которую великий сербский учёный называл «эфиром», а современные учёные – «полями излучений невидимого спектра». В 21 веке произошел научный и технологический прорыв в осознании природы понятия «свободная энергия» и разработке наноматериалов, способных преобразовывать «свободную энергию» в электрический ток.
Таким наноматериалом оказался графен (двумерная аллотропная модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в один атом. Атомы углерода находятся в sp²-гибридизации и соединены посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку). Оказалось, что графен не может существовать в 2D-плоскости, а только в 3D-плоскости. Он ведёт себя как трехмерный материал для обеспечения необходимой стабильности. «Лазейкой» является смещение подвижных атомов, что и придает графену свойства третьего измерения. Иными словами, графен никогда не был 100% плоским — он вибрировал на атомарном уровне так, чтобы его соединения не подвергались спонтанному распаду. Группа физиков Манчестерского университета под руководством Пола Тибадо доказала, что дело в так называемых «полетах Леви» — шаблонах небольших случайных колебаний, сочетающихся с внезапными, резкими сдвигами. Измеряя скорость и масштаб этих графеновых волн, Тибадо предположил, что их можно использовать для извлечения энергии из окружающей среды.
Графен исключительно прочен, упруг, имеет очень высокую теплопроводность и электропроводность, что обеспечивает возможность прохождения электрического тока в миллион раз превосходящего максимально возможный ток в пленках меди. При повышенных температурах согласно распределению Ферми–Дирака некоторая часть электронов переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаются "дырки". Это и предопределяет достаточно высокую электропроводность графена при комнатных температурах. Электроны проводимости, и "дырки" в графене имеют нулевую эффективную массу, т.е. они не могут быть неподвижными, а всё время перемещаются со "скоростью Ферми", которая в графене составляет примерно 106 м/с, то есть является уже релятивистской. Этим обусловлена очень высокая подвижность носителей электрического заряда в графене, минимум на 2 порядка превышающая их подвижность в кремнии, и "баллистический" характер их движения вдоль пленки. Длина свободного пробега электронов проводимости и дырок в графене при комнатных температурах превышает 1 мкм.
Возможность практического применения графена для генерации электроэнергии впервые доказала группа учёных компании Neutrino Energy Group под руководством немецкого исследователя и математика Holger Thorsten Schubart, создав многослойный наноматериал из чередующихся слоёв графена и легированного кремния, который наносится на одну сторону металлической фольги. Сторона фольги с нанесённым наноматериалом становится положительным полюсом, а обратная сторона без наноматериала - отрицательным. Многослойное покрытие (оптимально 12 слоёв графен-кремний) позволяет получить больше энергии с единицы площади, что является крайне важным для создания промышленных электрогенерирующих изделий и обеспечивает возможность изготавливать компактные источники тока различных мощностных характеристик и размеров. Способность созданного наноматериала генерировать электроэнергию определяется свойствами графена, массовая доля которого в наноматериале около 75%. Holger Thorsten Schubart так комментирует свойства графена, - «Тандемные вибрации вызывают появление «графеновой» волны, возникающей из-за комбинации небольших спонтанных движений и приводящей к появлению более крупных спонтанных движений, которые наблюдаются в микроскоп с сильным разрешением. Эти вибрации, переходящие в резонанс, позволяют извлечь энергию из окружающего пространства, используя новейшие нанотехнологии».
Появление резонанса атомных колебаний графена обусловлено совпадением частот колебаний, вызванных тепловым броуновским движением атомов графена и внешним воздействием частиц окружающих полей излучений, в первую очередь, нейтрино.
Необходимо отметить, что компании Neutrino Energy Group удаётся очень быстро пройти путь от научного изобретения до промышленного внедрения разработки. В конце 2023-начале 2024 года в Швейцарии планируется начать промышленный лицензионный выпуск Neutrino Power Cubes источников тока минимальной нетто-мощностью 5-10 кВт. Такой источник будет иметь разъёмы 220 В и 380 В переменного тока, а также разъём для подключения оборудования с постоянным током. Источник нетто-мощностью 5-6 кВт имеет 6 электрогенерирующих модулей, источник нетто-мощностью 10-12 кВт имеет 12 электрогенерирующих модулей. Конструкционные особенности Neutrino Power Cubes позволяют нарастить необходимую мощность за счёт подключения дополнительных электрогенерирующих модулей, каждый из которых состоит из набора плотноупакованных электрогенерирующих пластин. Одна пластина размером 200х300 мм создаёт напряжение 1.5 В и силу тока 2 А. Neutrino Power Cube будет выпускаться в виде электротехнического щитка (шкафа), который условно будет делиться на 2 отдела: электрогенерирующее отделение, где размещаются электрогенерирующие модули, и отделение для установки системы управления. Генерирующее отделение Neutrino Power Cube нетто-мощностью 5-6 кВт будет иметь размер 800х400х600 мм и вес около 50 кг. На сегодняшний день планируемая цена от швейцарского производителя Neutrino Power Cube с выходной нетто-мощностью 5-6 кВт составляет 11 тыс. евро. С учетом существующих цен на электроэнергию и теплоснабжение, сложившимися в ЕС, установка такого источника электроэнергии окупится в течение 2-3 лет. В течение ближайших лет планируется организовать производство Neutrino Power Cubes со 100% локализацией и в России.
Neutrino Power Cubes источники тока относятся к источникам гарантированного электроснабжения, генерирующим электроэнергию в базовом режиме 24 часа в сутки, 360 дней в году.
Автор: Румянцев Л.К., к.т.н.
Comments