04/08/2016

Ученые рассказали об источниках энергии на ближайшее будущее

549 Сотрудничество Аналитика Физика Техника ​Солнечные электростанции вскоре станут самыми популярными источниками энергии на планете, уверены ученые. О том, какие материалы и технологии в ближайшем будущем позволят человечеству использовать дешевое и экологичное "солнечное" топливо, о последних публикациях в области "солнечных" материалов, эксперты, в том числе и российские, рассказали журналистам на пресс-конференции, прошедшей в Санкт-Петербургском государственном университете. Пресс-конференция был организована при участии интернет-портала STRF.ru.

Встреча ведущих ученых физиков и химиков с журналистами состоялась в рамках 21-й Международной конференции по преобразованию и запасанию солнечной энергии (IPS-21), которая впервые прошла в России с 25 по 29 июля 2016 года.

Конференция IPS является ключевым научным форумом, посвященным проблемам солнечной энергетики, и имеет давнюю историю. Сорок лет назад в мире разразился один из самых масштабных энергетических кризисов, который заставил человечество задуматься о поиске альтернативных источников энергии. С тех пор во всем мире активно ведутся разработки в этой области: в качестве потенциальных источников рассматриваются ветер, вода и биоэнергия. Однако особые надежды ученые возлагают именно на солнце доступный, безопасный для окружающей среды, а главное, неисчерпаемый источник.

Существует три основных подхода к преобразованию энергии единственной звезды Солнечной системы. Первый называется фотовольтаикой, или превращением энергии в электричество. "Однако на этой конференции мы обсуждаем не вопросы давно и хорошо известной кремниевой фотовольтаики, а так называемые материалы третьего поколения. Они позволят столь же эффективно преобразовывать энергию Солнца, но в производстве будут гораздо дешевле своих предшественников (кремниевых и тонкопленочных элементов), и вскоре смогут найти массовое применение", объяснил профессор СПбГУ, председатель оргкомитета конференции IPS-21 Алексей Емелин.

Второй поход предполагает преобразование солнечной энергии в химическую с целью добычи настоящего "солнечного" топлива, например, через получение водорода из воды и метана или метанола при фотофиксации углекислого газа. Кроме того, исследователи стремятся создать контролируемые системы фотосинтеза, которые бы копировали процесс, происходящий в природе уже миллионы лет, и получали полезные вещества и материалы за счет энергии Солнца. Третий подход называется фотокатализом (это ускорение химической реакции, обусловленное совместным действием катализатора и облучения светом, по сути искусственный фотосинтез). Он позволяет, в частности очищать воду и воздух от вредных веществ, к примеру, оксидов азота, уменьшая проблемы от выбросов автомобилей и промышленных предприятий.

"Нам интересно, как можно солнечную энергию преобразовать в топливо. Природа делает достаточно хорошую работу в этом направлении, но необходимо хотя бы в 10 раз повысить ее эффективность, рассказал руководитель мегагранта в лаборатории СПбГУ "Фотоактивные нанокомпозитные материалы", профессор Университета им. Г. Лейбница в Ганновере (Германия) Детлеф Банеманн.

Нужно не только создать материалы, но и понять как технически осуществить преобразование солнечной энергии в больших масштабах. Потребуются большие площади, многие квадратные километры, чтобы собирать солнечную энергию и преобразовывать ее в водород, метан и другие вещества, а также хранить и использовать это топливо".

В свою очередь профессор Университета Нотр Дам (США) Прашант Камат добавил, что фотосинтез, действительно, является одним из простейших способов преобразования солнечной энергии, но если посмотреть, например, на листья деревьев, то они абсорбируют свет только в ограниченной части спектра. "Мы должны изобрести в разы более эффективные материалы, поглощающие весь световой спектр и превращающие его в энергию, которую люди смогут использовать. И я убежден, что в ближайшие десятилетия самыми популярными на планете станут именно солнечные и ветряные энергетические установки", сказал эксперт.

Многое однако зависит как от поддержки государства, так и от климата. По словам Банеманна, он считает, что результаты государственной программы поддержки солнечной энергетики, — когда людей субсидировалии за генерацию электричества солнечными батареями на крышах домов и сброс ее в сеть это гораздо больший успех, чем ветроэнергетика, хотя последняя развита в Германии гораздо сильнее. "У нас много ветра, и не так много солнца", — поясняет он свою мысль, имея в виду что по сути солнечная энергетика развивалась не благодаря, а вопреки, и при этом вышла на хороший уровень.

В России солнца еще меньше. Приличное число солнечных дней в году в Бурятии, Якутии, Краснодарском крае. Тем не менее, энтузиасты этого вида энергетики есть и в нашей стране. Есть и интересные публикации результатов, относящихся к новым поколениям преобразующих солнечную энергию материалов. Так, в апреле 2016 года в журнале RSC Advances (Impact Factor 3,289) вышла публикация Алексея Емелина и Детлефа Банеманна с соавторами об органических материалах на основе карбазола, способных поглощать и преобразовывать солнечный свет. Органическая химия предоставляет материаловедам широкие возможности влиять с помощью состава на свойства веществ. Авторы попытались понять, каким образом электродонорные молекулярные группы влияют на характеристики карбазольных материалов силу фототока и эффективность конверсии энергии. Наилучшим был признана группа гексилоксизамещенного фениламина плотность тока составила 6,84 мА/cm 2, а эффективность 3,33%.

"Мы стараемся понять какие аспекты строения молекул важны для эффективного преобразования света. Если получается получить удачный материал, то это переносится на практику", — уточнил Алексей Емелин.

По его словам, это фундаментальная работа, где изучалось как состав органических красителей, (которые при возбуждении светом передают энергию близлежащим молекулам. Ред.) влияет на эффективность преобразования солнечной энергии. Органические материалы, несмотря на еще относительно невысокие показатели по эффективности (в той статье Емелин и Банеманн приводят данные, что рекорд составляет около 8%) вызывают у исследователей стойкий интерес по той причине, что стоимость их может в десятки раз быть ниже чем, материалов из кремния. Однако, то над чем ученые реально бьются, это немного другое не эффективность. По словам Банеманна, все материалы нового поколения хороши, но над стабильностью их еще работать и работать.

В лаборатории образец живет час, день, очень хорошо если неделю. Для практики это неприемлемо те же кремниевые батареи имеют срок службы 20 лет. "Мы должны сделать нечто, что протопчет дорожку к промышленному применению", — размышляет Банеманн.