Робот на воде. Учёные из Краснодара работают над «водородной батарейкой»
Команда физиков Кубанского государственного университета разработала кислородно-водородный топливный элемент. Пока он выдаёт небольшую мощность, но учёные рассчитывают, что скоро такой источник энергии будет способен питать квадрокоптеры и небольших роботов. О том, как работает изобретение и чем отличается от иностранных аналогов, «АиФ-Юг» рассказал ученый Иван Луценко.
Сделать дешевле
В советских научно-фантастических журналах часто можно было встретить поезда, самолёты и автомобили, в баки которых заливалась вода - полвека назад водородный топливный элемент считался чем-то недостижимым. Сейчас машины и поезда на водороде уже ездят, правда, не у нас, а в Германии и Японии. Но массовыми они так и не стали из-за дороговизны технологии. Команда из КубГУ - научный руководитель, доктор биологических наук, профессор Михаил Барышев, аспирант и три бакалавра, в том числе Иван Луценко, придумали, как удешевить топливный элемент в несколько раз. Тему исследования выбирали на общем обсуждении, но подтолкнул к ней, признаётся молодой учёный, именно научный руководитель.
«Для меня водородная энергетика стала открытием, - говорит Иван. - Во время выбора темы исследования подумал: «Альтернативная энергетика - это же интересно». До этого никогда не слышал, чтобы в России этим занимались. Мне эта сфера видится интересной и перспективной. И в том, что у нас что-то получилось - огромная заслуга научного руководителя, потому что он сумел и разглядеть способности к делу у нас, и увлечь, и наставлять, и направлять».
Теперь по порядку. Начнём с принципа работы водородного топливного элемента - он похож на процесс электролиза. Если в ёмкость с электролитом поместить электроды с постоянным током, то на них, либо осядут частицы вещества, либо перенесутся с одного электрода на другой. Так, например, производят алюминий, цинк, магний, водород, кислород, хлор и т.д. (прим. ред.).
«Так же и в топливном элементе у нас есть два электрода, на один подаётся газообразный водород, на другой из воздуха берётся кислород, - объясняет Иван Луценко. - В классической конструкции между электродами находятся твёрдополимерные мембраны, но дело в том, что они очень дорогие. Мы разработали особое покрытие для водородного электрода, которое пропускает через себя только атомарный водород, а примеси - нет. Получается, что мы сделали топливный элемент без твёрдополимерной мембраны, плюс не надо дополнительно очищать водород, а это тоже дорогая процедура. Так мы упрощаем и удешевляем производство. По грубым подсчётам, наша технология примерно в пять раз дешевле традиционной».
Изобретение существует в виде прототипа
К нужным свойствам нанопокрытия электрода, которое, по словам Ивана Луценко, под микроскопом напоминает пятиконечные звёзды, учёные пришли отчасти методом перебора.
«Мы пробовали разные модификации, использовали металлы платиновой группы, в итоге пришли к решению - электрод из тантала или ванадия покрывается тонким слоем палладия, - объясняет Иван Луценко. - В процессе экспериментов обнаружили необычную структуру, начали тестировать на проницаемость водородом. Когда увидели результат, то сначала подумали, что такого просто быть не может. Проверили ещё несколько раз, увидели закономерность, подумали, что разработка, возможно, выстрелит. Для более серьёзной проверки покрытия отправили его в институт нефтехимического синтеза РАН. И тесты этого института нас уже поразили по-настоящему. Тогда и пришло осознание, что мы действительно сделали что-то новое».
Такой способ нанесения палладия - металла совсем недешевого - также позволяет сэкономить, ведь покрывают электрод тончайшим слоем - около 100 нанометров (один нанометр - это одна миллиардная метра).
Сейчас кислородно-водородный топливный элемент на основе пятислойного наноструктурированного композитного водородного электрода - так правильно называется изобретение кубанских учёных - уже существует в виде прототипа. Небольшая, размером с мыльницу, коробочка пока выдаёт мощность в один ватт.
«Но мы работаем дальше, - продолжает Иван Луценко. - Сейчас активно занимаемся тем, чтобы внедрить наше изобретение. Естественно, одновременно улучшаем прототип, чтобы он был пригоден для массового внедрения. Конкретная проблема - как увеличить мощность, не увеличивая габариты элемента, сейчас трудимся над этой инженерной проблемой. Но что конкретно делаем - пока профессиональная тайна».
Интересуются иностранцы
Предприятия, заинтересованные в альтернативных источниках энергии, на учёных пока не выходили. А вот интерес коллег есть - сейчас краснодарцы работают совместно с группой под руководством профессора Александра Лившица из Санкт-Петербурга. На выставках в Китае и Германии разработкой интересовались иностранцы.
«В то же время выставка в Китае позволила увидеть, чего достигли зарубежные коллеги - в Германии на топливных элементах уже ходят поезда, «Тойота» и «Хендай» делают автомобили на топливных элементах, - продолжает Иван Луценко. - Нам нужно срочно догонять, но, мне кажется, мы ещё успеем. В то же время мы вносим свои новшества, предлагая другие, более доступные технологии».
Иван Луценко признаётся, что будет доволен, когда разработка внедрится в массовое производство, на топливных элементах краснодарского разлива будут летать квадрокоптеры и передвигаться небольшие роботы. По силам ли учёным самим продвинуть изобретение до такого уровня?
«Любую идею нужно развить, она должна иметь практическое применение, - считает Иван Луценко. - Было бы хорошо, если предприятия, близкие по профилю, имели связь с учебными заведениями, с исследователями, тогда проще было бы запускать изобретения в производство. С другой стороны, у нас есть программа вроде «УМНИКА» («Участник молодёжного научно-инновационного конкурса») помогает выявлять и поддерживать молодых учёных. Победители программы получают от фонда 200 тысяч рублей в год на разработку своих проектов (прим. ред.). Но всё равно надо иметь какой-то орган, связывающий университет и предприятия, которые могут потенциально пустить разработку в массы.
Отечественная история исследований
В СССР первые публикации о топливных элементах появились в 1941 году. Первые исследования начались в 60-х годах прошлого века. С 1966 года ракетно-космическая корпорация «Энергия» разрабатывала элементы для советской лунной программы, с 1987 по 2005 гг. она произвела около 100 «батареек», которые наработали суммарно около 80000 часов. На знаменитом «Буране», например, стояли элементы мощностью 10 кВт. В 70-80 годы «Квант» совместно с рижским автобусным заводом «РАФ» разрабатывал щелочные элементы для автобусов. Прототип автобуса на топливных элементах сделали в 1982 году.
В 1999 году работы с таким видом энергии начал АвтоВАЗ. К 2003 году на базе автомобиля ВАЗ-2131 создали несколько опытных экземпляров. В моторном отсеке машины располагались батареи топливных элементов, в багажнике - баки со сжатым водородом. Разработками водородного автомобиля руководил кандидат технических наук Георгий Мирзоев.
В 2006-м инновационная компания «Новые энергетические проекты» произвела резервную энергетическую установку на основе с твёрдым полимерным электролитом мощностью 1 кВт. Но в 2009 году собственник компанию ликвидировал как «непрофильный актив». Позже «ИнЭнерджи», которая занимается научно-исследовательскими и опытно-конструкторскими работами в области электрохимических технологий и систем электропитания, создала и ввела в эксплуатацию модульную систему резервного питания на базе водородно-воздушных топливных элементов мощностью до 10кВт. Плюсы такой системы по сравнению с обычными аккумуляторами - долговечность (служат до 5 раз дольше обычных батарей, реже ломаются ), отсутствие шума и вибраций, быстрый старт, компактность и экологичность (вода - как результат «выхлопа»), использовать её можно при температуре от -40 до +60 градусов. Над созданием образцов электростанций на топливных элементах работают Газпром и федеральные ядерные центры РФ.