Исчерпывающее обеспечение нужд человечества энергией с сохранением полного экологического равновесия, при котором возможно долгосрочное устойчивое развитие человеческого общества в гармонии с окружающей средой, можно достичь только при использовании неисчерпаемой энергии окружающей среды. В первую очередь такими источниками являются:

• Энергия солнечного излучения
• Тепловая энергия недр Земли
• Гравитация (силы притяжения небесных тел)

Энергия солнечного излучения

Солнечная энергия доступна для человечества как в непосредственном виде – световое излучение, так и в преобразованном – ветер, волны, биомасса, рассеянное тепло атмосферы и гидросферы. Соответственно для сбора солнечной энергии также могут быть использованы различные способы:

• Превращение солнечного излучения (его суммарная мощность составляет около 1017 Вт) в электричество с помощью фотоэлементов, а также в тепловую энергию с помощью концентраторов
• Использование энергии ветра на ветряных электростанциях (общий мировой ресурс, который технически может быть использован, оценивается в 53.000 ТВт-ч)
• Утилизация энергии волн волновыми электростанциями (энергия ветровых волн суммарно оценивается в 2,7 млрд. кВт в год)
• Получение биотоплива из всех видов биомассы
• Использование рассеянного тепла окружающей среды с помощью тепловых насосов и пр.

Строго говоря, залежи углеводородов (нефть, газ, уголь, сланцы и пр.) – это тоже солнечная энергия, аккумулированная в недрах Земли за миллионы лет.

При непохожести на первый взгляд – все это производные энергии солнца…

Стоит отметить, что торф, из которого можно производить этанол – возобновимое полезное ископаемое! Ежегодно в мире образуется почти 3,0 млрд. м3 торфа, что примерно в 120 раз больше, чем в настоящее время используется.

Энергия недр Земли

Потенциал геотермальной энергетики колоссален. Он в 250.000 раз превышает ежегодные мировые потребности человечества.

Лишь в немногих районах Земли есть естественный выход геотермальной энергии на поверхность – гейзеры. В таких местах уже давно действуют геотермальные электростанции. Но в долгосрочной перспективе гораздо больший интерес представляет другая концепция извлечения энергии земного ядра: вода по глубокой скважине подается в недра, где тепло земного ядра превращает воду в пар, который из другой скважины выходит на поверхность и вращает турбину.

Схема устройства геотермальной электростанции по технологии Hot dry rock

Еще более перспективно использование термоэлектрических генераторов для непосредственного превращения температурного градиента в электрический ток.

Гравитация

Ритмичное движение морских вод вызывают силы притяжения Луны и Солнца Общий объем энергии приливов на Земле оценивается примерно в 3 млрд. кВт-ч в год, что составляет примерно 15% всей потребляемой человечеством электроэнергии.

Анализ показывает, что наибольшей перспективностью обладают источники энергии с максимальным потенциалом и позволяющие напрямую превращать энергию окружающей среды в электричество. Электрический ток является наиболее удобным для использования в человеческих нуждах видом энергии, поэтому в первую очередь перспективны способы генерации электричества с использованием энергии окружающей среды, позволяющие миновать многочисленные промежуточные превращения видов энергии, сопряженные со снижением КПД установок, удорожанием их конструкций (как следствие – увеличение себестоимость кВт-ч энергии), снижением надежности конструкций и пр.

Всем перечисленным требованиям наиболее полно удовлетворяют фотоэлементы – преобразовывают в электрический ток солнечное излучение, и термоэлектрические генераторы на основе термопар, способные превращать в электричество геотермальную и другую тепловую энергию. Из-за сравнительно низкого КПД термопары до сих пор находят применение лишь в ограниченных приложениях – измерение температуры, небольшие переносные холодильники и пр.

Производство фотоэлементов в настоящее время – полноценная индустрия с миллиардными оборотами. Но, тем не менее, большая часть солнечных батарей производится из кремния и требует, как и компьютерные чипы, трудоемких производственных процессов, что обуславливает высокую себестоимость кремниевых фотоэлементов. Именно из-за этого солнечная энергия стоит в 3–4 раза дороже, чем энергия из традиционных источников. Последние достижения ученых показывают, что нанотехнология способна дать дополнительный мощный импульс для развития гелиоэнергетики, доказательством чему служат десятки различных исследовательских проектов во всем мире. Остановимся лишь на обзоре самых перспективных ноу-хау.

Ученые из Hациональной лаборатории Айдахо (Idaho National Laboratory — INL) в сотрудничестве со специалистами из американской компании MicroContinuum и университета Миссури (University of Missouri) создали уникальный прототип солнечной батареи, за которую получили в прошлом году престижную премию Nano 50.

Работа батареи основана на использовании решётки из наноантенн, отпечатанных на тонкой и гибкой подложке. Падение ИК-лучей на такую спираль наноантенны наводит в ней напряжение, то есть получение тока происходит не от света за счёт фотоэффекта, а по принципу металлической антенны. По предварительным расчетам КПД такой солнечной батареи составляет 36%.

Но главная особенность батареи в том, что она может выдавать ток даже ночью, утилизируя ИК-лучи, которые испускает ночью Земля, а также здания, асфальтовые дороги и площади, нагретые за день солнечными лучами.

Кроме того, плёнка с наноантеннами гораздо дешевле классических солнечных батарей – для создания опытного образца такой экзотической солнечной батареи специалисты из INL воспользовались б/у полиэтиленовым мешком! Что до металла, то его расход также ничтожен — толщина узорного проводящего покрытия в новой батарее составляет всего тысячу атомов.

Опытный образец решётки из наноантенн, напечатанных на подложке и сама плёнка

Изобретатели панели считают, что в будущем на гибкой плёнке можно будет печатать сразу несколько типов преобразователей. Причём с обеих сторон. Таким образом, солнечные батареи будущего смогут преобразовывать в ток широкий спектр излучения, как идущего от Солнца напрямую, так и отражённого от земли, а ещё и излучение, выдаваемое грунтом и асфальтом ночью.

Весьма перспективный принцип получения дешевой солнечной энергии разрабатывают нанотехнологии Калифорнийского института технологии. Здесь изучают наноматериалы, которые имитируют архитектуру травы и фотосинтеза, чтобы впоследствии создать устройства для утилизации энергии солнца. Ученые внедряют наночастицы в такие дешевые и распространенные продукты как краска и облицовочные материалы. В случае успеха проекта нанокраска для домов, крыш или кровельной плитки может заменить черные, зеркальные фотогальванические элементы, которые обычно состоят из кристаллического кремния, являются громоздкими и очень дорогими при изготовлении. Кроме зданий, эта инновационная технология в будущем сможет обеспечивать энергией сотовые телефоны, портативные компьютеры и даже автомобили.

Технологию, основанную на похожем принципе, разрабатывают в Центре исследований наноматериалов при Университете Мэсси в Новой Зеландии. Принцип тот же – использование специальных красящих составов, способных преобразовывать солнечную энергию в электричество. В частности, исследователи создали состав на основе синтетического хлорофилла. Кроме того, ученые проводят опыты с гемоглобином.

По словам разработчиков, новые солнечные батареи будут обладать рядом существенных преимуществ по сравнению с традиционными батареями на основе кремния, которые применяются сегодня. Прежде всего, элементы питания нового типа не требуют прямого падения солнечных лучей, благодаря чему смогут генерировать электричество даже в пасмурную погоду. Кроме того, себестоимость производства таких батарей будет на порядок ниже себестоимости изготовления батарей на базе кремния.

Исследователи из Технологического Института Нью-Джерси (NJIT) разработали новый тип солнечных батарей, отличающийся невысокой стоимостью и возможностью производить их путем печати на гибкой пластиковой подложке.

Суть технологии заключается в том, что углеродные нанотрубки комбинируются с фуллеренами и формируют, таким образом, структуры наподобие «змеевиков». Солнечный свет, падая на полимерную основу, возбуждает в полимере ток, и фуллерены захватывают электроны. Однако фуллерены не обладают электропроводностью, и здесь свою роль играют нанотрубки, проводящие ток аналогично медным проводникам. Захваченные электроны, двигаясь по нанотрубкам, создают в них ток. Самое интересное, что с использованием новой технологии солнечные батареи можно печатать на простом домашнем принтере, что, по словам разработчиков, позволит обеспечить домовладельцев недорогим альтернативным источником энергии.

Но без сомнения самая уникальная разработка, способная произвести настоящую революцию в энергетике, принадлежит российским ученым.

В 2006 году ученые Научного центра прикладных исследований (НЦеПИ) Объединённого института ядерных исследований (Дубна) представили сенсационную разработку – «звездную батарею».

В основе технологии создания батареи лежит гетероэлектрик – новое вещество на основе наночастиц золота и серебра. Особенность этого материала в том, что он «загоняет» состоящий из волн разной длины солнечный свет на одну частоту, тем самым, повышает общий КПД батареи.

Источник питания состоит из двух основных элементов: гетероэлектрического фотоэлемента (ГЭФ), преобразующего видимый и инфракрасный свет в электричество, и гетероэлектрического конденсатора огромной емкости при малом объеме, который полученную энергию накапливает. Подобный элемент обладает уникальной способностью работать не только днём, но и ночью, используя видимые и инфракрасные световые потоки, из-за чего его и назвали «звездной батареей».

Телевизионный кадр из новостного репортажа, посвященного «звездной батареи»

В настоящее время неконкурентоспособность солнечной энергетики обусловлено низкой эффективностью преобразования энергии (~20%), отсутствием возможности получения электроэнергии ночью и в облачную погоду и отсутствием эффективных и экологически безопасных источников накопления энергии. У продемонстрированного отечественными учёными фотоэлемента эти недостатки отсутствуют, о чем говорят показатели первого прототипа: эффективность преобразования видимого спектра в электроэнергию – 54%, инфракрасного света в электроэнергию – 31%. Это значительно превышает существующие мировые показатели – анонсированные прототипы зарубежных устройств имеют КПД преобразования прямого солнечного излучения около 42%. Кроме того, фототок гетероэлектрического фотоэлемента в 4 раза выше, чем у современных солнечных батарей, при этом ГЭФ имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у существующих аналогов.

Предварительные расчеты показали, что себестоимость производства гетероэлектрического фотоэлемента «звездной батареи» ниже себестоимости фотоэлемента обычной солнечной.

В статье рассмотрен лишь один аспект использования наноматериалов – для генерации «альтернативной» электроэнергии, что является только частью колоссального потенциала нанотехнологии по развитию экологически чистой энергетики. Но ведь произвести тепло и электричество – это только начало. Дальше требуется эффективно передавать, хранить, экономно потреблять и сберегать энергию. Во всех этих процессах именно достижения нанонауки способны обеспечить принципиально качественные изменения.

Мешков Павел Иванович, Институт Экономических Стратегий