Новая энергетика

БУДУЩЕЕ ПРИНАДЛЕЖИТ ВОДОРОДНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ

Новая энергетика - Водородная энергетика

Член-корреспондент РАН Ю. КОТОВ, заведующий лабораторией импульсных процессов Института электрофизики Уральского отделения РАН.

1. Охарактеризуйте, пожалуйста, состояние области науки, в которой вы работаете, каким оно было примерно 20 лет назад? Какие тогда проводились исследования, какие научные результаты явились самыми значительными? Какие из них не потеряли актуальности на сегодняшний день (что осталось в фундаменте здания современной науки)?

2. Охарактеризуйте сегодняшнее состояние той области науки и техники, в которой вы трудитесь. Какие работы последних лет вы считаете самыми главными, имеющими принципиальное значение?

3. На какие рубежи выйдет ваша область науки через 20 лет? Какие кардинальные проблемы, по-вашему, могут быть решены, какие задачи будут волновать исследователей в конце первой четверти XXI века?

Авторитетные ученые - авторы Науки и жизни продолжают присылать в редакцию свои ответы. Это отрадно и, главное, позволяет надеяться на то, что есть все основания для пересмотра официальной оценки прошлых и настоящих достижений отечественной науки. В России есть и должна быть национальная наука. По-видимому, ограничивать перспективы участия России в мировом научно-техническом прогрессе все-таки нельзя.

Двадцать лет тому назад я руководил лабораторией в Институте сильноточной электроники (ИСЭ) Сибирского отделения АН СССР в Томске. Институт возглавлял талантливый энергичный исследователь Геннадий Андреевич Месяц, который собрал вокруг себя ровесников, способных бороться за мировое лидерство в области мощной импульсной техники. Такая техника нужна была, прежде всего, для испытаний радиоэлектроники, вычислительных и электронных приборов в системе вооружений.

В одном из своих интервью известному журналисту В. С. Губареву Геннадий Андреевич очень точно сформулировал смысл и значение нашей тогдашней работы. Процитирую лишь один фрагмент из той давней беседы журналиста и ученого. Вот что говорил академик:

Сильноточная электроника - это электроника больших мощностей, сильных полей. Мы шли к ней через исследование разряда в вакууме и газе. Но предварительно потребовались техника коротких и мощных импульсов, приборы, способные запечатлеть изменения за очень короткое (миллионные доли секунды!) время. Мы обнаружили не описанные в литературе явления. А поскольку на нас не давил груз старых представлений, традиций, мы заинтересовались новыми фактами как реальностью, назвав про себя новое явление взрывной электронной эмиссией… Процесс взрыва был известен, о нем знали, его боялись, и многочисленны е исследования разных организаций направлялись на то, чтобы предотвратить взрыв, а мы убедились, что новый вид эмиссии электронов позволяет избавиться от специального нагревания катодов, создать надежные управляемые источники мощных электронных пучков, технику больших мощностей, а потому шли поиски и материалов, способных дать наибольшую эмиссию электронов. И когда в стране начала развиваться квантовая электроника, мы смогли дать нужные приборы. Следующий толчок - развитие сильноточных ускорителей электронов. Затем - термоядерный синтез, исследования в области плазмы, источники рентгеновского излучения. И так далее…

Наш институт был тогда молод (ему едва миновал десяток лет), но уже широко известен созданием генераторов мощного СВЧ - и рентгеновского излучения. (Авторы - Б. М. Ковальчук и, к сожалению, уже ушедшие от нас С. П. Бугаев и А. В. Лучинский.) Также мы первыми в мире разработали генераторы с прерывателями тока на ЭВП - электрически взрываемых проволоках, - за что творческий коллектив был удостоен в 1984 году Государственной премии СССР.

Мы были обеспечены на тридцать процентов бюджетным финансированием, остальные средства получали благодаря десяткам контрактов, в основном с предприятиями военно-промышленного комплекса. Приходилось создавать импульсную технику как средство имитации воздействия ядерного взрыва на отечественные ракетные комплексы. Шла холодная война , и наши военные упорно готовились к отражению ядерных атак предполагаемого противника. В те же годы разворачивались работы по получению первых наноматериалов (тогда их еще называли ультрадисперсными) с помощью электровзрывов проволоки и были созданы первые прототипы ныне действующих установок для их производства.

В 1986 году Г. А. Месяц уезжает в Свердловск (Екатеринбург), чтобы возглавить только что созданное Уральское отделение Академии наук и организовать, как говорят, для души новый институт, который использовал бы и развивал мощную импульсную технику, но не был дублером томского ИСЭ.

Как мы жили в те годы? Днем строили новый корпус и приспосабливали старые, выделенные нам помещения для нужд будущего Института электрофизики, а вечером, зачастую до глубокой ночи, шла разработка новых установок и поиск новых областей их применения.

Потом - драматическое начало 90-х годов. Мизерное жалованье, отказы оплатить даже выполненные работы и почти полная невостребованность. А с другой стороны - первые поездки за рубеж, в США, где мы с удивлением узнали, что и американцы оценили возможности наших ЭВП, против которых резко возражали в 1975 году. В этот же период наши усилия сосредоточились на производстве преимущественно наноматериалов, ибо заказов на импульсную технику мы практически не получали. Тогда уже были изобретены установки с непрерывной подачей проволоки (совместно с И. В. Бекетовым и О. М. Саматовым) и предложен способ, позволяющий снизить размер частиц оксидов активных металлов (Al, Zs, Ti, Fe и других) почти до 20 нм, то есть до 0,02 микрона. (Не буду объяснять, что такое нанометр, наноматериалы и, в конечном счете, нанотехнологии, ибо об этом научном направлении подробно уже рассказала Наука и жизнь - см. обстоятельную статью Ю. Свидиненко Нанотехнологии в нашей жизни в № 7, 2005 г.)

В работе института 1992 год отмечен открытием эффекта наносекундного обрыва импульсного тока высоковольтными диодами (С. Н. Рукин) и созданием на его основе первых мощных частотных генераторов наносекундных импульсов, генераторов рентгеновского излучения и ускорителей электронов (авторы - С. Н. Рукин и А. Л. Филатов, тогда еще совсем молодые кандидаты наук, а ныне известные физики). Их сообщения на научных конференциях в 1992-1994 годах произвели сенсацию.

Это стимулировало развитие мощных частотных наносекундных генераторов с твердотельными прерывателями тока и их применение в области дефектоскопии, медицинской рентгенографии, для стерилизации продуктов и изделий. Авторы этих изобретений - С. Н. Рукин, А. Л. Филатов, С. Ю. Соковнин - стали в 2002 году лауреатами Государственной премии.

Те же годы памятны титаническими усилиями, которые Г. А. Месяц затратил на получение заказов для Института электрофизики, а также встречами с немецкими коллегами в Германии, в Карлсруэ, и заключением выгодных контрактов на производство установок по получению и компактированию нанопорошков оксидов и металлов.

· Теперь о дне сегодняшнем. Последние несколько лет мы активно сотрудничаем с Институтом высокотемпературной электрохимии Уральского отделения РАН. В нем давно занимаются разработкой топливных элементов, работающих на новом энергоносителе - водороде, при сжигании которого образуется только водяной пар и практически отсутствуют какие-либо вредные выбросы.

Мой коллега, заведующий лабораторией этого института А. К. Демин, более тридцати лет занимающийся топливными элементами (кстати, его статья - одна из первых в периодической печати на эту тему - была опубликована в журнале Наука и жизнь № 4, 1999 г.), говорит: Есть такое понятие - провальная электроэнергия. Так называют электроэнергию, которую электростанции могли бы производить, но на нее нет потребителей - в основном в ночное время и частично днем. А утром и вечером - пик потребления. Так вот, провальная электроэнергия может быть преобразована в водород в так называемых электролизерах. То есть происходит преобразование электрической энергии в химическую. Потом, используя уже другое устройство - топливный элемент, можно, когда это будет нужно, отправить в него водород и вырабатывать энергию уже за счет этого водорода .

Над этим направлением работают сейчас десятки, если не сотни компаний во всем мире, но их разработки находятся пока на уровне очень дорогих демонстрационных моделей. Цена высока из-за материалов, которые в них используются: дороги полимерные пленки и драгметаллы, а без них сделать топливные элементы не удается.

Нашей лаборатории задача была поставлена так: по возможности найти технологические прорывы, которые приведут к снижению стоимости высокотемпературных топливных элементов. С одной стороны - они весьма привлекательны, поскольку всеядны : могут вырабатывать электроэнергию, используя кроме водорода метан, биогаз, продукты газификации бензина, угля и вообще любое топливо. А с другой - они очень дороги: от 10 до 20 тысяч долларов за киловатт установленной мощности.

Нужно же их стоимость довести до 1000, а лучше до 500 долларов за киловатт. Тогда, по крайней мере, россияне среднего достатка смогут купить такие устройства для своих нужд. Эти энергоустановки хороши для индивидуального потребления: в коттеджах, на дачах да и просто в квартирах. И ничего не надо, кроме периодически завозимых баллонов. К тому же у них самый высокий коэффициент преобразования топлива в электроэнергию - 50 процентов, тогда как на самых лучших электростанциях он не превышает 40. Созданием таких домашних электростанций сейчас озабочена вся Европа.

Но главная мечта разработчиков топливных элементов - заставить автомобильный транспорт работать на водороде, сделать экологически чистым автомобиль. Однако цена топливных элементов пока действительно кусается .

Первый путь снижения стоимости - сделать электролит очень тонким. До сих пор во всех устройствах, которые делались в мире, использовался электролит толщиной от 0,2 до 0,5 миллиметра. Он имеет высокое сопротивление, что приводит к гигантским потерям и требует высоких температур: 900-1050 градусов. Но при таких температурах другие материалы окисляются и все быстро разрушается. Если же сделать электролит в виде тонкой газоплотной пленки (порядка 10 микрон), можно во много раз снизить сопротивление. Переход к ним позволил бы работать топливным элементам при температуре 800 градусов, а это уже качественный скачок.

Наши электрофизики умеют делать частицы размером 10 нанометров, то есть 0,01 микрона. Поэтому в толщине 10 микрон можно уложить 1000 слоев таких частиц. Второе, что может понизить цену, - получение электродов с высокими характеристиками. Этого тоже можно достичь, делая электроды из частиц с характеристиками, которые реализуются существующими технологиями.

Два года назад президент РАН академик Ю. С. Осипов и руководители горнометаллургического комбината Норильский никель подписали комплексную Программу научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по водородной энергетике и топливным элементам . Эту программу Ю. С. Осипов назвал крупнейшим национальным проектом Российской академии наук с представителями российского бизнеса .

Центрами реализации этого грандиозного проекта стали Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Новосибирск, а руководителем - вице-президент РАН Г. А. Месяц.

ё Что ждет нас в перспективе? В ближайшее время все технологические проекты должны закончиться созданием высокоактивных электродов и тонких пленок для электролитов. И необходимые пленки сегодня уже получены, хотя качество их еще требует доработки. Частично решена задача и получения качественных электродов. Будет активно вестись проработка и самих устройств.

Геннадий Андреевич Месяц считает, что мы имеем реальную возможность выйти на мировой уровень в этой области, а кое в чем даже превзойти его .

Я поддерживаю эту точку зрения, но хотел бы уточнить: в стране должны существовать такие экономические условия, которые стимулировали бы переход научных результатов в инновационную сферу.

Страны Евросоюза, США, Япония тратят на водородный проект сотни миллионов долларов, привлекая как государственные средства, так и частный капитал. Ведь сомневаться в том, что ископаемое топливо рано или поздно закончится в земных недрах, не приходится. Значит, будущее неизбежно принадлежит водородной энергетике.