Правительство США уделяет пристальное внимание использованию водорода в качестве топлива. Однако чтобы сжигать водород, его сначала нужно получить.
Группа исследователей под руководством профессора Манораньяна Мисры (Manoranjan Misra) из Университета штата Невада в Рино (США) использует массивы нанотрубок на основе диоксида титана для генерации водорода на основе расщепления воды с помощью солнечного света. Если этот процесс удастся перенести на более крупный промышленный масштаб, то он может стать основой для получения водорода из воды.
При использовании нового метода молекулы воды расщепляются гораздо эффективнее. В настоящее время изучаются различные материалы, полученные на основе углеродных нанотрубок, чтобы повысить эффективность процесса расщепления воды с использованием бесплатной солнечной энергии.
В методе Мисры около 1 трлн нанотрубок помещается на площадке из диоксида титана величиной с ноготь. Полученный водород удается сохранять в системах наноразмерных пор титана и углеродных нанотрубок. Такой наноматериал способен сохранять водород для последующего использования в двигателях автомобилей.
В майском номере журнала Physical Review Letters группа ученых из Национальной лаборатории Лос_Аламос (США) поделилась своим открытием. Они обнаружили, что один фотон может генерировать три свободных электрона в квантовой точке. В современных солнечных фотоэлементах один фотон способен генерировать только один электрон, а остальная энергия рассеивается в виде тепла. Таким образом, новый метод позволит повысить эффективность солнечных фотоэлементов с 20-30 до 65%.
Ядерная энергия
Как насчет энергии, получаемой на основе ядерного распада? Для решения «проблемы тераватт» нужно построить очень много новых атомных электростанций. Причем это должны быть электростанции - бридеры, поскольку имеющегося урана будет недостаточно для получения многих тераватт энергии. Сколько нужно построить бридеров к 2050 г., чтобы получить 10 тераватт? Не удивляйтесь, но для этого потребуется построить 10 тыс. атомных элетростанций с мощностью 1 гигаватт. Это значит, что в течение 27 лет каждый день должна вводиться в строй новая атомная электростанция. Вряд ли человечество сможет осилить такую задачу в ближайшие 50 или даже 100 лет.
Вероятно, наиболее перспективным является создание реакторов на основе ядерного синтеза. Если они будут созданы, то, несомненно, начнут использоваться. Однако, по современным оценкам, их стоимость будет чрезвычайно высока.
Кроме того, использование ядерных реакторов всех типов связано с огромной опасностью для окружающей среды, прежде всего из-за наличия радиоактивных отходов.
Уникальные свойства наноматериалов могут пригодиться для передачи и распределения энергии, выработанной атомной электростанцией.
На рисунке 6 показана схема типичной атомной электростанции и ее компонентов, в основе которых могут использоваться нанотехнологии.
Геотермальная энергетика
Геотермальная энергия генерируется за счет использования подземных тепловых потоков, которые поднимаются к поверхности земли с водой и паром. Представьте себе парилку с горячими камнями, на которые льют воду.
Чтобы воспользоваться этой энергией, в зонах с термальными подземными водами сверлят скважины, по которым нагретые грунтовые воды поступают на поверхность. Для извлечения этой энергии в промышленном масштабе требуется пробурить как можно больше скважин, что существенно повышает стоимость такой энергии.
По данным Всемирного геотермального конгресса, по состоянию на 2005 г. 72 страны использовали около 16 гигаватт геотермальной энергии для обогрева жилищ, растапливания снега, обогрева лечебниц и парников, а 24 страны - около 9 гигаватт для выработки электрической энергии. Рейкьявик, столица Исландии, полностью отапливается за счет геотермальной энергии вулканических пород Среднеатлантического хребта, который пересекает Исландию. Для этого к системе отопления подключены подземные резервуары с горячей водой с температурой 80-100 °С. А для выработки электрической энергии используются резервуары с температурой около 180 °С и выше. Такие резервуары обычно находятся вблизи вулканов и содержат горячий пар внутри раскаленных горных пород. Благодаря наноматериалам ученые и инженеры могут повысить эффективность передачи геотермальной и электрической энергии.
Солнечная энергетика
Взгляните на Солнце на рис. 7 (непосредственно на него лучше не смотреть, чтобы не повредить зрение) и сравните его огромные размеры с гораздо меньшими размерами Земли.
Рис. 7. Солнце ежедневно генерирует гораздо больше энергии, чем может использовать человечество
Сколько тераватт солнечной энергии поступает на Землю ежедневно? Около 165 тыс. тераватт, что гораздо больше, чем необходимые человечеству 10 тераватт. Остается только найти такие способы их получения, чтобы эту энергию можно было использовать вместо нефти, газа и угля. Возможно ли это? И да, и нет. В 2006 г. США использовали около 3 тераватт. Чтобы удовлетворить все энергетические потребности человечества, солнечными батареями пришлось бы полностью покрыть территорию нескольких штатов: Техаса, Оклахомы, Канзаса, Колорадо и Нью_Мексико, но это непрактично.
Что является наибольшей проблемой при получении и использовании солнечной энергии? Дело в том, что солнечный свет не всегда одинаково освещает поверхность Земли. Необходимо найти способ сохранения солнечной энергии для ее использования в темное или пасмурное время суток.
Солнечная энергия - наиболее перспективный альтернативный источник энергии для южных штатов США. С ее помощью можно было бы удовлетворить потребности в электроэнергии в масштабах всей страны. Однако Правительство США ежегодно выделяет менее 100 млн долларов на исследования способов получения солнечной энергии. Для удовлетворения растущих энергетических потребностей правительству нужно инвестировать большие средства в этот и другие возобновляемые источники энергии.
Природный газ
Можно ли использовать другие химические виды топлива, например природный газ? К сожалению, это связано с проблемой повышения уровня углекислого газа и стоимостью добычи, доставки и распределения природного газа. В июле 2005 г. в журнале Scientific American в статье Can We Bury Global Warming? («Можно ли похоронить глобальное потепление?») Роберт Х. Соколов (Robert H. Socolow) привел оценку, согласно которой Уильям Шекспир с каждым миллионом вдыхаемых молекул поглощал 280 молекул углекислого газа, а мы - 380.
Сейчас изучается возможность секвестрации углерода (carbon sequestration), то есть сохранения углекислого газа под землей или в глубинах океана вместо выброса его в атмосферу. Альтернативные способы получения энергии должны основываться на более эффективном использовании ископаемых видов топлива и замещении их другими возобновляемыми источниками энергии.
Экологически чистое использование угля - одно из перспективных направлений, но для этого с помощью нанотехнологий придется решить проблемы секвестрации углерода и снижения стоимости использования угля.
«Умные» энергосети
Для создания поистине «умных» энергосетей США и другие промышленно развитые страны стремятся улучшить свойства электрических кабелей. Они пытаются кардинально изменить способы хранения и передачи энергии на основе сверхпроводящих кабелей, в которых практически нет потерь энергии. Смолли называет такую систему распределенной сетью генерирования и хранения электроэнергии (distributed storage and generation grid). Всемирная энергетическая сеть должна перейти от транспортировки
традиционного массивного топлива (угля, нефти, газа и т.д.) к передаче невесомой энергии (электрического тока по проводам).
На рисунке 8 представлена схема возможного улучшения системы доставки энергии.
Рис. 8. Передачу энергии можно сделать гораздо более эффективной за счет усовершенствования методов и материалов
Наноматериалы, например углеродные нанотрубки, представляют собой один из вариантов, повышающих эффективность системы передачи электрической энергии. Дело в том, что проводимость углеродных нанотрубок в 6 раз выше проводимости меди. К тому же они имеют гораздо меньший размер, что особенно важно в местах, где подземные коммуникации уже переполнены медными проводами, например в подземных коммуникациях Нью_Йорка, которые на основе углеродных нанотрубок вполне могут разместиться в уже существующих подземных коммуникациях, и для них не придется рыть новые туннели.
Современная энергосеть уже заметно устарела. Ее основные компоненты имеют возраст от 15 до 20 лет. Энергосеть должна обладать положительными свойствами Интернета, то есть быть надежной, защищенной от атак злоумышленников, а также сохранять энергию (например, в батареях, механических аккумуляторах, водородных элементах и т.п.).