Российские ученые изобрели «звездную батарею»

08.10.2014, 00:07,
Наука и технологии

Просмотров: 0

Русские ученые изобрели новый альтернативный источник энергии —- звездную батарею. Основными элементами этого устройства являются гетероэлектрический конденсатор и гетероэлектрический фотоэлемент, что дает значительные преимущества по сравнению с солнечными батареями современности.

Звездная батарея может функционировать при отсутствии солнечного света, улавливая даже инфракрасное излучение! При преобразовании видимого света эффективность устройства составляет 54 процента, инфракрасного излучения —- 31 процент. При этом в звездной батарее фототок в четыре раза выше, чем в солнечной, а масса на один ватт практически в 1000 раз меньше, что довольно немаловажно для снижения себестоимости батареи в случае ее промышленного выпуска.

Другие цифры также поражают воображение. КПД гетероэлектрического фотоэлемента составляет 90 процентов! И это при том, что КПД применяемых в наше время фотоэлементов не превышает 18 процентов. Это стало возможным благодаря способности гетероэлектрика объединять на одной частоте электромагнитные волны солнечного света, которые имеют разную длину волны, что происходит при их поглощении. При этом установленный в батарее гетероэлектрический конденсатор, который является накопителем энергии, довольно компактен – его объем составляет всего 180 кубических сантиметров, а его емкость —- 0,11 Фарады.

А началось все с того, что в самом начале XXI века сотрудник НЦеПИ О.А. Займидорога обнаружил в ходе экспериментов, что если на материал, в который введены наночастицы других нескольких материалов (т. н. затравка), воздействовать электромагнитным полем, то возникает явление суперкогерентности, что в свою очередь приводит к смене свойств этого материала. С учетом важности этого открытия руководство НЦеПИ создало отдельное подразделение по дальнейшему изучению и созданию теоретической модели работы гетероэлектриков, которая поможет создавать гетероэлектрики с заданными свойствами. Данное направление исследований получило приоритет в научной деятельности центра.

Давайте узнаем про это уникальное открытие подробнее ..

Сначала на основе гетероэлектриков были созданы разные виды стекол с рекордной способностью преломления света. Они могут решать различные задачи в жизни человека, включая защиту от радиации и пожаров. Затем при помощи гетероэлектрика было получено лазерное излучение нового вида. На его основе создали уникальный безрезонаторный нанолазер повышенной компактности, который может послужить в развитии электронной техники и физики. Наконец, уникальные гетероэлектрические фотоэлементы нашли применение в звездной батарее. В целом было разработано и около тридцати изобретений, некоторые из которых не имеют аналогов.

Основой звездной батареи стал изобретенный группой сотрудников НЦеПИ новый материал – гетероэлектрик. Принцип создания гетероэлектрика: в «-матрицу»- из одного материала (например, кремния) вкрапляются на расстоянии, меньшем длины волны внешнего излучения (которое потом будет преобразовываться в электроэнергию), атомы другого материала (например, золота). Такой гетероэлектрик является основой не только для звездных батарей, но еще для 30-ти различных устройств и технологий, применение которых возможно как минимум в 24 областях науки и техники (упоминались, например, «-объемные»- лазеры, наномикроскопы, квантовые компьютеры, ненавесные элементы интегральных схем, наноусилитель электрического излучения и т.д.). Среди них – гетеро-электрические емкости (конденсаторы) необыкновенной компактности, которые в том числе являются накопителями электрического заряда звездных батарей. Гетероэлектрическая емкость величиной 0, 11 Фарады занимает объем 180 см3 и весит несколько граммов. Для сравнения: электрическая емкость всей планеты Земля составляет примерно 2 Фарады.

И еще несколько цифр для осмысления: мощность, снимаемая с 1 кв. метра звездной батареи, составляет 600 ватт. Мощность солнечного излучения – 1300 ватт на квадратный метр. Вся мощность солнечного излучения, приходящегося на нашу территорию, оценивается в 100 тысяч гигаватт, средняя потребляемая мощность в целом по стране составляет 100 Гигаватт. Получаем мы эту электроэнергию на гидро-, тепло-, атомных электростанциях. А можем получать (при умелом использовании звездных батарей) напрямую от Солнца.

Фантастическую картину такого светлого будущего каждый может нарисовать себе сам. При этом для продвижения в производство всего пакета из 30-ти запетентованных устройств требуется примерно 1 млрд долларов инвестиций.

Очень хочется думать, что такое продвижение наконец состоится. Потому что недавно корпорация «-Норильский никель»-, с которой НЦеПИ вел переговоры о партнерстве, предпочла на средства, вдесятеро превышающие те, что просили наши изобретатели на доведение звездной батареи до опытного образца (примерно 30 млн долл.), приобрести пакет акций американо-английской фирмы по разработке водородного топлива. Кстати, аналога наших звездных батарей нет нигде в мире. В Институте возобновляемой энергии США смогли изобрести солнечные батареи с эффективностью преобразования энергии 34%. А звездные, работая круглосуточно, преобразуют, напомним, 54% энергии излучения видимого, и 31% невидимого спектра. Неужели не чувствуется разницы?

На практике, эффективность звездных батарей может быть в 50 раз выше, чем у солнечных. Возможно, совсем скоро это приведет к появлению новых электростанций, а все переносные аккумуляторные устройства станут работать без подзарядки в десятки раз дольше.

При этом ГЭФ имеет массу полупроводникового вещества на ватт энергии в 1000 раз меньше, чем у фотоэлементов современных солнечных батарей. Полученные расчеты указывают на то, что себестоимость гетероэлектрического фотоэлемента звездной батареи будет ниже себестоимости фотоэлемента современной солнечной батареи.

Обо всем этом говорилось на презентации образца звездной батареи, на которую в Дубну прибыли представители министерств, Торгово-промышленной палаты РФ, посольства Объединенных Арабских Эмиратов в России, корпораций США и Японии, и, конечно, отечественных заводов, федеральной и региональной прессы. И среди многочисленных вопросов и замечаний прозвучала фраза, которая может оказаться ключевой. Представитель ТПП РФ В.Я.Юртеев заявил: «-Мы предлагаем свою площадку для дальнейшего вашего диалога с бизнесом и властью. Это может быть мегапроектом в инновационной сфере, о необходимости которого сейчас говорит российское правительство. Мы хотим предложить провести серию встреч по продвижению вашей продукции в деловые круги»-.

При первом ознакомлении с материалом, многие подумают, что это очередная «-желтая утка»-. Давайте еще поищем источники

Демонстрация состоялась в конце мая этого года, тогда же были сообщения информагенств, в частности ИТАР-ТАСС, вызвавшее довольно широкий резонанс. В частности, на сайте physorg.com оригинальная новость отсутствует, но ее обсуждение осталось. Ответом на сообщение был дружный глумеж американских физиков и других энтузиастов науки, сопровождаемый криками «поверю когда увижу», «звучит как очередное русское надувательство», «Самойлов, выйди из класса» и т. д.

Далее, авторы открытия и изобретений на его основе – настоящие (а не псевдо-) ученые —- директор НЦеПИ ОИЯИ профессор В. Н. Самойлов, профессор О. А. Займидорога, и сотрудник Физического института им. Лебедева РАН И. Е. Проценко.

Статьи, описывающие физику явления, опубликованы в 2000-2002 годах:

Статья «-К проблеме управляемого виртуального коэффицента преломления«-, авторы: А. Н. Ораевский, И. Е. Проценко, А. Ботеро (США) в журнале МФИ им. Лебедева РАН «-Квантовая электроника»- т. 30 вып. 9 за 2000 г. стр. 809 —- 814-

Статья «-Оптические свойства гетерогенных сред«-, авторы А. Н. Ораевский, И. Е. Проценко в журнале в журнале МФИ им. Лебедева РАН «-Квантовая электроника»- т. 31 №2 за 2001 г. стр. 252 —- 255-

Статья «-Проблема получения высокого показателя преломления и оптические свойства гетерогенных сред«-, авторы О. А. Займидорога, В. Н. Самойлов, И. Е. Проценко в журнале ОИЯИ «-Физика элементарных частиц и атомного ядра»-, т. 32 вып. 1 за 2002 г., стр. 101 —- 152-

На изобретения получен т. н. «-зонтичный патент»- в 2003 году, см. также здесь.

Более подробно и квалифицировано (для журналиста) суть изобретения изложена в статье из некоей дубненской газеты, доступной здесь

Выдержка из статьи:

Технологии, разработанные учеными Дубны способны полностью поменять наши сегодняшние представления о технике, промышленности, медицине и других сферах деятельности, сделав нынешнюю научную фантастику повседневностью.

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ —- ЭТО РЕАЛЬНОСТЬ

Фантастические гетероэлектрики

Первый приоритет в деятельности центра, как рассказал директор профессор Валентин Николаевич Самойлов, имеют нанотехнологии, развивающиеся на основе нового вещества, открытого и запатентованного под названием гетероэлектрик (название тоже принадлежит этому коллективу, а патент относится к разряду «зонтичных», то есть распространяющихся на все типы устройств и приборов, которые могут быть созданы когда-либо в любой из областей применения на основе этого вещества).

В свое время профессор О.А.Займидорога обнаружил интересный эффект: если в какой-либо материал (носитель) ввести наночастицы определенного ряда других материалов (затравку), то воздействие электромагнитного поля вызывает явление суперкогерентности – интенсивные согласованные по времени колебания электронов «затравки», приводящие к интенсивному взаимодействию всего образца (гетероэлектрика) с электромагнитным полем, уникальным образом меняют свойства этого материала.

Уже на стадии обнаружения эффекта ученые поняли, что он повлечет за собой много нового. Поэтому решено было создать для изучения гетероэлектриков группу с привлечением теоретиков, которые эффект объяснили, создали теоретическую модель, позволяющую вычислять «формулу» гетероэлектрика с теми или иными навязанными свойствами. После этого приступили к моделированию определенных устройств.

Начали с особого вида стекла. Если его производить на основе гетероэлектриков, то это может быть сверхжаропрочное стекло, устойчивое к пожарам, или пропускающее заданный спектр излучения, или использующее часть солнечных лучей для выработки электроэнергии (а на ее основе – тепла для обогрева помещения), или обладающее свойством поглощать радарное излучение и т.д. В этой области центр оформил серию патентов и изобретений.

Далее была выполнена серия защищенных патентами разработок высокоэффективных фотоэлементов, их существует три разновидности, и в каждую внесена своя лепта. К этому циклу работ примыкают и разработки по фотокатодам.

Все эти элементы, выполненные на основе гетероэлектриков, обладают огромной эффективностью, многократно превышающей нынешние мировые рекордные показатели. Если сегодня коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлементов составляет 12 – 18% и научные лаборатории США обещают через несколько лет поднять его до 34%, то для фотоэлементов, изготовленных на основе гетероэлектриков, этот показатель уже сегодня достигает 90%. Мало того, гетероэлектрические фотоэлементы обладают уникальной способностью работать и в ночное время, используя видимые и инфракрасные световые потоки. Так что можно уже говорить не только о солнечных батареях, но и о «звездных», способных вырабатывать электроэнергию в любой климатической зоне и в любое время суток.

На базе гетероэлектриков получен также новый вид лазерного излучения и на его основе не имеющий аналогов в мире дипольный нанолазер, который не содержит резонатора – устройства, определяющего габариты всего лазера. То есть нанолазер по своей величине получается в десятки тысяч раз компактнее, чем другие ныне существующие. Изготовление серийного образца нанолазера станет существенным скачком в физике, электронике и лазерной технике.

Сейчас на основе гетероэлектриков в центре ведется разработка новой оптики, отличающейся не только улучшением всех параметров, но и обладающие некоторыми абсолютно новыми свойствами.

Это только небольшая часть возможных применений гетероэлектрика. А вообще сегодня коллектив авторов патента описал 24 направления применения его, причем по большинству направлений качественный скачок в улучшении различных показателей составляет от 100 до 1000 раз, а в ряде случаев речь вообще идет об абсолютной новизне изделий, то есть прототипы сегодня в практике отсутствуют.

Можно ожидать, что внедрение в практику гетероэлектриков даст существенный скачок в научно-технической сфере, революционным образом меняющий всю экономику.

Зачем нужна де-вода

Одно из направлений исследований относится к области новейших оздоровительных и профилактических медицинских технологий и входит в государственную программу «Здоровье нации». Речь идет об использовании уникальных свойств деионизированной легкой воды (термин «де-вода» тоже введен специалистами центра).

Совместно с Институтом хирургии им. Вишневского в Москве и Институтом цитологии в Санкт-Петербурге проведены многолетние научные эксперименты по изучению благотворного влияния де-воды на человеческий организм при различных заболеваниях. Получены феноменальные результаты. Это, например, практически полное прекращение деления раковых клеток. Заметный иммуномоделирующий эффект. Устранение хирургических инфекций, включая сепсис. Усиление действия лекарств, растворенных в де-воде (а это, как одно из основных следствий, приводит к снижению дозировки препаратов). Антидиабетическое действие: де-вода стимулирует выживаемость клеток, производящих инсулин. Кроме того, де-вода способна прекращать апоптоз – запрограммированную смерть клеток. Перечисленные свойства уникальной воды – основные, но далеко не все из обнаруженных, исследования продолжаются, есть, например, данные о полезности де-воды и в применении к нервным заболеваниям и др. В настоящее время подана заявка на патент «-Способ профилактики и лечения заболеваний»-.

Кстати, де-вода применима не только в медицине, но и в технике. В НЦеПИ ее используют при получении сверхчистых редкоземельных элементов.

Что же касается медицинского применения, то здесь до широкого внедрения новинки в практику нужно получить необходимые разрешительные документы (сертификаты, лицензии и т.д.). Сейчас поданы несколько заявок на официальное подтверждение способов профилактики и лечения некоторых заболеваний при использовании де-воды. Как известно, в медицине подобные документы оформляются по несколько лет, так как идут обычно перепроверки заявленных свойств. Возможно, бюрократический процесс ускорит тот факт, что исследования проводятся в рамках государственной программы. А эффект от применения предложенных методов просто потрясающий.

Аппарат, определяющий «все»

И еще о двух актуальных разработках центра, не имеющих аналогов в мире, – аппаратно-программных комплексах.

Первый —- по измерению пространственно-частотных характеристик жидкостей, и прежде всего воды. Практически впервые создан инструментарий, позволяющий заглянуть «в глубь» структурного состояния воды —- измерить пространственную анизотропию ее диэлектрической проницаемости, пространственно-частотные характеристики кластерной структуры воды. Такие возможности актуальны прежде всего для медицинских исследований, ведь организм человека, как известно, на 90% состоит из воды. Но и в технических целях применение комплекса весьма перспективно. Полученные первые результаты говорят о возможности создания в воде линейных сверхпроводящих кластеров.

Второй аппаратно-программный комплекс предназначается для исследования основных параметров вещества, обеспечивает возможность получения качественно новой информации об исследуемых объектах и их свойствах. В итоге устройство позволяет определять не только химический состав, но и химическое соединение, структуру, то есть оно способно различать разные агрегатные состояния (твердое, жидкое, газообразное) одного и того же вещества. Можно представить себе пользу подобных аппаратов в сфере обеспечения безопасности, в экологии, промышленности и множестве других отраслей. Это позволит в том числе создавать базы данных пространственно-частотных характеристик болезней, лекарств и определять их совместимость, что в дальнейшем даст возможность проводить более эффективный подбор и назначение лекарственных препаратов. К исследованиям по медицинской тематике подключается все большее число специалистов – биохимиков, биофизиков, медиков, задача у которых масштабна – выявить и проанализировать свойства различных лекарств (в том числе определить подлинность их изготовления), исследовать их совместимость при лечении различных заболеваний.

Мы представили сегодня лишь главные разработки, выполненные в НЦеПИ ОИЯИ. Наверное, даже для читателя, далекого от техники и науки, стало понятно: сегодня дубнинские ученые имеют ряд существенных предложений, массовое использование которых способно преобразить нашу жизнь. Теперь слово за инвесторами, готовыми вместе с учеными осуществить переход от лабораторных образцов к промышленным. «Нам не нужны кредиты и инвестиции, – подчеркивает В.Н.Самойлов, – мы готовы работать на партнерских началах».

Таким образом, выяснилось, что, несмотря на желтизну некоторых источников и ненужную сенсационность в подаче материалов, данное открытие, точнее эффект, и сделанные на его основе изобретения отвечают основным критериям научности. Статьи, описывающие эффект и его теоретическое обоснование, появились в научных журналах в 2000 – 2002 годах, изобретения запатентованы в 2003 г. В том же научном центре сделаны и другие открытия и изобретения, в частности, разработанная технология для сверхочистки воды для детектора нейтрино в рамках проекта BOREXINO в ОИЯИ привела к не менее многообещающим результатам.

Не исключено, что во всем этом есть большой элемент попила и самопиара, связанный с модным словом «нанотехнология». К тому же, советская наука, не связанная с ВПК, была традиционно слаба во внедрении открытий и изобретений в производство. События последних 15 лет, скажем так, не улучшили ситуацию.

Остается надеяться, что данные открытия не будут положены под сукно каким-нибудь АО «Тормоз», и на их базе будут созданы коммерческие технологии производства революционной оптики, квантовых компьютеров, сверхэффективных фотоэлектрических преобразователей и элементов питания – «суперконденсаторов» на базе гетероэлектрика, более эффективных и технологичных, чем ионисторы, традиционные аккумуляторные батареи или топливные элементы.

Не только нефтью и газом сильна земля русская :)