Обзор подготовлен по материалам журналов: ScienceDaily, Popular Science, Technology Review

ScienceDaily

Сенсация! Нанобатареи работают, работают, работают…В 10 раз дольше обычных!

Ученые университета Стэндфорда, разработали способ применения силиконовых (кремниевых) нанонитей, который позволяет увеличить время работы литий-ионных батарей, применяемых в портативных устройствах до 10 раз!


На снимке В показана литий-ионная батарея. Она состоит из силиконовых нанонитий, на которые нанесены атомы лития. Емкость такой батареи в 10 раз больше обычного аккумулятора. Например, ноутбук, время работы которого после полной зарядки сейчас составляет около двух часов, с новыми нанобатареями сможет работать 20 часов!  То есть, вполне возможно совершить трансконтинентальный перелет, не испытывая проблем с подзарядкой ноутбука.

Руководитель группы ученых, профессор Cui, говорит, что ученым удалось совершить революционное открытие. А как ждали такого прорыва производители гибридных автомобилей! Несколько недель назад наш портал писал, о том, какие мучения испытывают инженеры корпорации «Тойота» в поисках способов увеличения пробега гибридного автомобиля на одном заряде аккумуляторов. Сейчас, лучшие образцы гибридных автомобилей без включения бензинового двигателя способны проехать лишь 40-50 км.

Попытки увеличить емкость литий-ионных батарей ранее упирались в ограниченную емкость, обусловленную количеством лития, которое может быть сохранено на углеродном аноде батареи. Кремний имеет гораздо большую емкость, чем углерод.   

Однако, применять силиконовые аноды до разработки силиконовых нитий не удавалось. Дело в том, что в процессе зарядки аккумулятора с кремниевым анодом, кремний поглощает положительно заряженные атомы лития и не возвращает их в процессе работы батареи.

Батарея разработанная командой ученых профессора Cui лишена описанного недостатка. В ней литий нанесен на кремниевые нанонити. Диаметр нитей составляет одну тысячную от толщины листа бумаги. После нанесения лития толщина нитей увеличивается в 4 раза (что видно на снимках).

Исследование возможности замены углеродного анода на кремниевый начались еще три десятилетия назад. Научный сотрудник лаборатории Candace Chan поясняет, что на то время создание кремниевого анода было технически не возможно, поэтому попытки быстро прекратились. Для преодоления негативного эффекта поглощения кремнием атомов лития пришлось увеличить размеры аккумуляторов, что сужало возможность их применения.  

С освоением нанотехнологий открылись новые возможности. Был поставлен опыт с нанонитями, на основе которого очевидно произойдет настоящая революция в области создания аккумуляторных батарей большой емкости.

Учены подали заявку на получение патента. Для широкой общественности 16 декабря в Интернете профессором Cui был опубликован доклад: «создание батарей большой емкости с анодами из кремниевых нанонитей».

Наш портал будет следить за судьбой этого открытия!

Popular Science
Микроволновые чудеса

В декабре журнал подводит итоги года и составляет своеобразный чарт самых удивительных открытий года. В этом чарте есть опыт доктора John Kanzius, который в поисках лекарства от рака заставил гореть воду (мы писали об этом здесь). Другая интересная позиция чарта – открытие американца Frank Pringle. Он создал установку с помощью которой можно извлекать из отходов нефть и газ.

То, что делает установка г-на Frank Pringle поражает. Это похоже на трюк. Все, что Frank Pringle помещает в свою установку – автомобильная шина, камень, пластиковый стакан через несколько секунд превращается в газ и нефть! Г-н Pringle говорит, что после опубликования информации о своем изобретении он стал боятся за свою жизнь. Он всерьез полагает, что нефтяные компании могут попытаться его убить.

Основная идея установки такова: агрегат является источником особого микроволнового излучения, которое способно выделить из любого предмета содержащего углеводороды нефть и газ. Каждый час, первый коммерческий вариант установки перерабатывает 10 тонн автомобильных отходов: шины, пластик, винил. Результат переработки: природный газ с суммарным теплосодержанием 4,2 Гкал. При этом на поддержание процесса расходуется всего 5-6% получаемой энергии!

Над своей установкой Frank Pringle стал работать около 10 лет назад. К работе над ней его подтолкнула сцена сжигания старых автомобильных шин, которую ему довелось увидеть. Ученый задумался над тем, как можно использовать старые шины для выработки энергии. как раз в это время  Frank Pringle работал над другой установкой, в которой использовалось микроволновое излучение. Ради эксперимента Pringle подверг старую шину воздействию таким излучением. Через некоторое время от шины осталась лишь кучка пепла. Вернувшись в лабораторию через несколько часов, он с удивлением обнаружил черную лужу на полу лаборатории под микроволновой установкой. Оказалось, что это была нефть!

Анализируя проведенный опыт, г-н Pringle предположил следующий механизм. Нефть представляет собой композицию сложных углеводородов. При воздействии микроволнового излучения на шину связи между молекулами ломаются и шина разлагается на компоненты: углерод (виде похожем на пепел) и синтетический газ (СО и водород), который может быть превращен в жидкое топливо. Pringle предположил, что в ходе его опыта часть синтетического газа как раз и была сконденсирована холодным воздухом, попавшим в лабораторию. Если опыт удался с применением автомобильных шин, вероятно, можно было бы использовать в качестве сырья и другие материалы содержащие углеводороды. Он стал экспериментировать и обнаружил, что для каждого материала есть своя оптимальная частота микроволнового излучения.

Frank Pringle потратил 10 лет и один миллион долларов исследуя различные материалы. В 2004 году он объединил усилия с инженером Hawk Hogan с целью создать коммерческую установку на основе открытого им принципа.

Первый заказ на установку исследователи получили недавно. В штате Иллинойс за пять миллионов долларов они построили установку размером с автобус. Установка перерабатывает автокомпоненты старых машин.

Technology Review
Топливо из отходов

На службе у американских военных появились портативные системы для переработки отходов в авиационное и дизельное топливо.

В прошлом году американские военные израсходовали больше пяти миллиардов галлонов (19 миллиардов литров!!!) различных видов топлив. Америка ведет боевые действия в Ираке и Афганистане, где доставка топлива на базы связана с большим риском и крайне дорога. Министерство обороны США уже давно ищет пути снижения затрат на топливо.

Американские компании Diversified Energy и Velocys совместно разработали портативную установку, которая вырабатывает авиационное и дизельное топливо из угля, природного газа и биомассы. В качестве биомассы военные могут использовать пищевые отходы, бумагу, древесные отходы, в общем практически любые органические отходы.

Система имеет две основных системы: емкость для газификации и топливный реактор. Компания Diversified Energy производит установку газификации, которая позволяет производить синтетический газ (смесь водорода и СО) из любых органических материалов. Компания Velocys создала другую часть установки, которая преобразует синтетический газ в жидкое топливо.

По словам Eric Sattler, военного инженера Tank-Automotive Research, Development and Engineering Center, использование отходов как сырья для топлива решает проблемы безопасности конвоев и высокой стоимости доставки топлива. В настоящее время 70% конвоев в Ираке и Афганистане заняты перевозкой топлива на базы.

Erik Kallio, который возглавляет команду разработчиков технологии в армейской исследовательской лаборатории, считает, что ключевое преимущество новой установки это портативность. Будет налажен выпуск портативных установок производительностью от 2,1 до 21 тысячи галлонов топлива ежедневно. Вес установки составит от 150 до 1500 тонн.

В скором будущем американские самолеты будут летать на синтетическом топливе, выработанном из отходов.

При разработке установок было принято во внимание, что они будут транспортироваться при помощи стандартных армейских грузовиков и транспортной авиации.  

В обычных газификаторах, горячий пар или воздух смешивается с биомассой. В новом разработанном для армии газификаторе отходы либо уголь вводятся в емкость с расплавленным железом и оловом при температуре 1300° C. Любой органический материал при такой температуре мгновенно газифицируется и выделяет синтетический газ. Использование расплавленного металла позволяет сделать установкой компактной и производить более чистый газ.

Реактор компании Velocys, преобразующий синтетический газ в жидкое топливо также компактен и эффективен. Реактор представляет собой конструкцию с большим количеством каналов от 0,01 до 0,2 дюймов (0,25- 5 мм) в диаметре. По одним каналом идет синтетический газ, по другим теплоноситель, задача которого отводить тепло выделяющееся в результате взаимодействия газа и катализатора (кобальта).

В разработанном топливном реакторе производство жидкого топлива идет в 10 раз быстрее, чем это было в реакторах предыдущих конструкций. Разработанный прототип реактора Velocys иметт размеры около двух футов в длину и один фут в ширину. Серийный реактор будет представлять собой конструкцию длиной 20-25 футов и около 5 футов в ширину.

На сегодняшний день обе компании разработчики закончили изготовление своих частей установки. Сейчас начались работы по интеграции установок и приведение их в соответствие с требованиями американской армии.  


Technology Review
Российский ядерные технологии помогут США в решении глобальных задач

Известно, что в США разворачивается новая программа строительства атомных станций нового поколения. Ядерная энергетика для Америки один из элементов стратегии направленной на снижение топливной зависимости от нестабильных стран экспортеров.

Несколько недель назад конгресс США, основываясь на рекомендациях специального комитета, призвал заинтересованную общественность по-новому взглянуть на использование тория в качестве топлива для атомных станций. Использование тория может серьезно снизить количество радиационно опасных отходов, производимых атомными станциями США.  



Сенаторы конгресса, представляющие несколько западных штатов, включая сенаторов от штата Юта - Orrin Hatch и от штата Невада - Harry Reid являются самыми активными сторонниками российской технологии в США. Они работают над законами, которые позволят сделать применение ториевых стержней коммерчески выгодным.

Сенаторы считают, что, потенциально, использование тория позволит снизить количество высокорадиактивных отходов в США наполовину!

Неслучайно, что именно сенаторы от штатов Юта и Невада особенно ратуют за новую технологию. На территории этих штатов существуют самые большие в Америке хранилища ядерных отходов, которые, несмотря на высочайшие меры безопасности, несут в себе огромную угрозу.

Однако с использованием ториевой технологии не все так просто. В департаменте энергетики (ДЭ) США существует оппозиция этой идее. Дело в том, что использование тория означает, как говорят в ДЭ, «переосмысление» традиционного ядерного топливного цикла, применяемого в Америке и большинстве стран мира.  

Традиционный подход состоит в следующем. Урановую руду путем сложных технически манипуляций обогащают, в результате чего получают закись-окись урана. Этот материал подвергают еще целому ряду операций, в ходе которых получается гексафторид урана, который подвергается обработке в специальных центрифугах с целью повышения содержания делящегося изотопа урана-235. После обогащения гексафторид урана преобразуют в порошок диоксида урана, служащий материалом для изготовления топливных таблеток.
Топливные таблетки помещают в специальные герметичные стержни, которые объединяют в сборки. Сборки стержней отправляют на атомные станции, где какое-то время работают, выделяя тепловую энергию, которая затем используется в паротурбинных установках для выработки энергии. Проблема состоит в том, что в отработавшем топливе исходный уран израсходован всего лишь на 3% от первоначальной массы. То есть отходы цикла весьма радиоактивны. Кроме того, в них содержится плутоний, который может быть использован для производства атомного оружия.

Сейчас проблема отходов решается крайне не рационально. Приходится несколько лет выдерживать отработанные стержни в особых условиях, после чего их хоронят в специально отведенных районах. Весь цикл утилизации крайне дорог.

Существующие в Америке хранилища ядерных отходов близки к пределу своих производственных возможностей. Департамент энергетики США предпринимает экстренные усилия по скорейшему введению нового хранилища в штате Невада, но объект вряд ли будет готов к работе еще лет десять.

Впервые, исследования по ториевой тематике были начаты в СССР и до сих пор Россия удерживает «пальму первенства» в этом направлении. С 1992 года исследования были начаты в США. Была создана специальная лаборатория, которую возглавил ученый-ядерщик Alvin Radkowsky, один из ведущих разработчиков реакторов для военных судов.

Alvin Radkowsky разработал и реализовал такой цикл, при котором предусмотрено совместное применение в реакторе атомной станции ториевых и урановых стержней. Сочетание стержней двух типов ведет к тому, что урановые стержни можно использовать дольше и вырабатывать содержащийся в них уран полнее. В результате, остающиеся отходы менее радиоактивны.

В ториево-урановом реакторе большинство стержней содержат таблетки оксида тория. Торий не может поддерживать цепную реакцию деления, как это происходит с ураном. Задача тория поглощать нейтроны, образуя другой урановый изотоп – уран 233.

Разработанные ториевые стержни могут применятся в большинстве типов реакторов используемых на атомных станциях мира, с небольшими модификациями.

Сокращение количества отходов на атомных станциях произойдет потому, что использование ториевых и урановых стержней совместно увеличивает срок работы одних и тех же сборок до 9 лет. Сейчас замена стержней происходит гораздо чаще.

Лаборатория в США тесно взаимодействует с Курчатовским институтом в Москве. Именно в России ученые планируют в течении трех лет испытывать ториево-урановый реактор    

Помимо того, что торий снижает остроту проблему утилизации отходов атомных станций, его применение несет и чисто экономический эффект. Цены на уран на мировом рынке интенсивно растут, так как атомная энергетика развивается и требует все больше топлива. Необходимость замены топлива в реакторах нового типа возникает гораздо реже.

Сокращение количества ядерных отходов ведет и к тому, что менее вероятно становится попадание радиоактивных отходов в руки «нестабильных» режимов или террористов, так как самих отходов становится меньше.

Американцы не были бы американцами, если бы не пытались заработать на новой технологии. Несмотря на то, что технология еще разработана не до конца, Thorium Power (компания разработчик в США) уже предпринимает маркетинговые усилия по продвижению на рынках Среднего Востока, Азии и Латинской Америки. Эти страны пока не имеют атомной энергетики, но планируют ее создавать. Под особым вниманием – Индия, которая собирается создать мощнейший атомный комплекс, кроме того страна располагает огромными запасами тория. За Индию разворачивается особо ожесточенная борьба между всеми странами обладающими атомными технологиями. Цена вопроса – десятки миллиардов долларов.  

Ториевая технология, в недалеком будущем позволит выполнить другую грандиозную задачу атомной энергетики – создание замкнутого топливного цикла. Такой цикл полностью решит проблему ядерных отходов и сократит опасность попадания ядерных материалов в руки террористов до минимума. Замкнутый цикл позволит восстанавливать плутоний для повторного использования в обычных реакторах.