energyplus

В статье журнала Joule исследователи сообщают, что лунный грунт содержит много разных соединений водорода, которые можно преобразовать в воду, чтобы в дальнейшем получить другие полезные вещества. Для этого ученые предложили использовать минерал ильменит (FeTiO3) — оксид титана и железа. Его нашли в образцах лунного грунта, которые доставила на Землю миссия «Чанъэ-5».

Как показали эксперименты, если сфокусировать и навести пучок солнечных лучей на кусочек ильменита, он начнет активно отдавать водяной пар. Этот пар можно сконденсировать и использовать, в том числе отправить на переработку собранного углекислого газа, который выдыхают космонавты или колонисты. В результате такой реакции образуются водород и оксид углерода — основные компоненты для синтеза топливного метана, а бонусом как побочный продукт выделится кислород.

Добавка МСБ1 представляет собой модификатор структуры битума — он улучшает свойства битумных материалов в составе асфальтобетонной смеси. Для него ученые разработали уникальный состав. Одним из ингредиентов стала резиновая крошка из старых автомобильных шин. Благодаря специальной предварительной обработке она более равномерно распределяется в смеси, взаимодействует с битумом, изменяет его эластичные свойства. За счет этого в дорожном покрытии формируется пространственная сетка — своего рода каркас, который укрепляет битум.

Модификатор отличается от аналогов сложным компонентным составом, целенаправленным влиянием на структуру битума и асфальтобетонной смеси, формирует прочные пространственные структуры, в том числе с частицами щебня, и препятствует старению битума, что повышает долговечность асфальта.

Елена Чернышева, профессор кафедры технологии переработки нефти Губкинского университета

Исследования подтвердили, что добавка повышает устойчивость дорожного покрытия к низким и высоким температурам окружающей среды, образованию трещин и колеи, увеличивает поглощение шума, а также снижает тормозной путь автомобиля за счет повышения сцепления с дорогой. Прочность покрытия с использованием МСБ1 при 20 градусах повысилась в 1,5–1,7 раза, при 50 — в 2–4 раза. Также оно стало впитывать на 15–25% меньше воды.

Новые испытания добавки уже проводят на автодороге Р-79 Иваново — Ярославль. За экспериментальным участком будут наблюдать до 2028 года. В планах ученых — подобрать составы для разных климатических зон страны.

Как специалисты сообщили в статье журнала Nature, они исследовали экосистемное дыхание — так называют совокупное «дыхание» растений, грибов, микроорганизмов и других существ в экосистеме, в результате которых в атмосферу выделяется углекислый газ. Согласно общепринятому мнению, чем выше глобальная температура, тем активнее это дыхание — и тем больше углекислого газа выделяется в атмосферу. Это стимулирует глобальное потепление.

Проанализировав данные с 221 мониторинговой станции, измеряющей концентрацию разных газов между поверхностью Земли и атмосферой, ученые пришли к противоположному выводу. Дыхание экосистем адаптируется к повышению температуры: количество «выдыхаемого» углекислого газа может оставаться стабильным или вовсе снижаться.

Результаты исследования показывают, что благодаря адаптации темпы роста интенсивности дыхания экосистем — скорости обмена газовыми примесями между экосистемой и атмосферой — могут составить на 17,91–31,41% меньше ожидаемых. Значит, отмечают ученые, влияние дыхания на глобальное потепление тоже может быть ниже — такой вывод предполагает пересмотр климатических прогнозов и сценариев развития энергетики.

Новые китайские светодиоды отличаются тем, что вместо полупроводникового прибора в них находятся квантовые стержни из наночастиц. Они окружены специальными транспортными слоями, которые подают ток точно в них. Сами стержни тоже состоят из слоев: ядра и оболочки. Обычно на границах между ними часть электронов «застревает» — из-за этого эффективность светодиода снижается. Чтобы решить проблему, ученые изменили внутреннюю структуру стержней, «растушевав» границу между оболочкой и ядром. Для этого между слоями поместили еще один — градиентный, который объединяет оба материала.

На поверхности каждого квантового стержня есть «волоски» — молекулы, которые не позволяют им слипаться и помогают проводить к ним ток, создавая «мостики» для зарядов. При этом те же молекулы мешают электронам «продираться» сквозь их густую структуру. Из-за этого светодиоды работают менее эффективно и быстрее изнашиваются. Специалисты уменьшили длину молекул и самих стержней, чтобы плотнее их уложить и облегчить маршрут электронов. Так на меньшей площади получилось расположить больше стержней — и яркость светодиода выросла. Также светодиодам добавили новый слой — для улучшения переноса положительных зарядов (дырок).

В результате светодиоды стали втрое ярче, на 24% эффективнее и на 22 тысячи часов долговечнее. Новая конструкция позволила достичь яркого, глубокого зеленого излучения в диапазоне 515–525 нанометров. Технология проходит лабораторные испытания.

Магия сорбции

Девушка держит в руках емкость с темной пахучей жидкостью. Это нефть. Через миг студентка, продолжая красиво улыбаться, выливает ее в пластиковый контейнер с водой. Нефть растекается по поверхности блестящим узором.

— Нефть и нефтепродукты быстро образуют в воде тонкую пленку, — комментирует участница студенческого стартапа свои действия и берет другую емкость, где хранится нечто напоминающее кокосовую стружку. Оно тоже отправляется в воду. — Видите?

Все видят: нефть собирается у «кокосовой стружки». На наших глазах происходит магия сорбции. Тем временем старшекурсница берет обычное бытовое ситечко и вылавливает потемневшую «стружку» из воды.

— Главное, теперь не перепутать и не съесть, — шутит кто-то из зрителей. Если не знать начала эксперимента, выглядит действительно аппетитно.

Девушку зовут Елена Хемова. Она приехала на форум из Саранска, чтобы показать разработку своей команды — нефтесорбент, способный за считаные секунды поглотить нефть и нефтепродукты, в то время как обычные сорбенты справляются за часы. Новый состав еще проще в применении и дешевле, ведь сделан из целлюлозы.

— Наш сорбент можно отжать и использовать повторно, но, если в этом нет необходимости, после очистки он сам распадется на воду и углекислый газ, — рассказывает Елена.

Такой биосорбент пригодится для многоэтапной очистки промышленной воды на нефтеперерабатывающих заводах. «Стружка» сможет впитать до 99% нефти или нефтепродуктов, а затем и ее, и очищенную воду можно будет снова использовать на предприятии.

Нейросеть на подхвате

Форум технологического предпринимательства и науки интересен тем, что здесь без лишних посредников стартапы общаются с представителями нефтегазовой отрасли и рассказывают им о своих проектах. Если диалог сложился и эксперты увидели в решении потенциал, разработчик получает шанс превратить свою идею в технологию, доработав и протестировав на месторождениях, а энергетика аккумулирует и внедряет лучшие инициативы, становясь эффективнее.

Магомед Мержоев шагает по выставке форума с улыбкой: презентация его проекта удалась. Вместе с командой он создал ИИ-модуль для анализа данных о месторождениях и прогнозирования показателей нефтедобычи. Для этого нужно переработать огромный массив информации. Раньше специалисты занимались аналитикой вручную — теперь им помогают нейросети.

— Модуль помогает прогнозировать ожидаемый прирост дебита нефти и жидкости в скважине, исходя из имеющихся данных, — объясняет Магомед. — Берется историческая база данных по конкретным объектам — это огромные таблицы, которые нужно проанализировать. Человек их просто физически не сможет просмотреть — на помощь приходит искусственный интеллект. Он просматривает сотни тысяч строчек, выявляет закономерности и делает выводы на их основе, прогнозирует объем нефти и жидкости после проведения геолого-технических мероприятий с учетом меняющихся условий и факторов, а затем представляет результаты эксперту, который выносит окончательное решение. В итоге экономится время специалистов, и мы получаем эффективный сценарий.

Python ползет к данным

Олег Рахматуллин только поступил на первый курс магистратуры, как ему предложили место в команде разработчиков. Она создает программную платформу на Python для проектирования нефтепромыслов и веб-приложение для визуализации и исследования моделей месторождений. Язык программирования Python — это стандарт для разработчиков, но заниматься проектированием промыслов с его помощью было нельзя: не поддерживаются данные. Молодые люди из Москвы придумали, как конвертировать данные, чтобы состыковать их разные форматы.

— Здорово, что мы оказались здесь! — с воодушевлением говорит Олег. — Мы поговорили с экспертами «Газпром нефти», получили практические советы и теперь планируем запускать пилот.

Все участники форума по-хорошему упертые люди. Например, доцент из Самары Ксения Бабицкая со своей командой: они придумали новый способ, как заставить высоковязкую нефть течь через поры породы в скважину и при этом не нагонять в нее лишнюю воду — она может настолько «разбавить» нефть, что добыча станет нерентабельной. Защитить скважину от воды предлагают новым реагентом. В недрах он превращается в гель, который пропускает нефть, но задерживает воду. Прежде чем найти нужную формулу состава, молодые ученые сделали более 700 неудачных попыток.

— Нам хотелось бы тиражировать и модернизировать технологию под условия конкретных месторождений. Производственный опыт никогда не сравнится с лабораторным. Программа поддержки стартапов INDUSTRIX дает такую возможность — для нас это основная ценность участия в ней, — рассказывает Ксения.

Устойчивое охлаждение

Не все участники форума новички. У Сергея Миськова, например, большой опыт работы в разных компаниях. Он хорошо знает отрасль и, похоже, понимает, что ей нужно. Его стартап называется «Накладной термоэлектрический охлаждающий модуль». Это приспособление, которое помогает усилить работу устройств, охлаждающих грунт в зоне вечной мерзлоты — там, где залегает до 70% запасов нефти и свыше 90% природного газа России. Если бы грунт оттаял, это навредило бы экологии и сделало бы все сооружения на нем неустойчивыми.

— У нас ушло всего полгода от разработки идеи до стендовых испытаний. Возможно, помог опыт, — объясняет Сергей. — Проанализировали большое количество патентов, литературы и смогли быстро создать оптимальный продукт.

Устройство Сергея в среднем в 8,5 раза дешевле аналогов и проще в управлении. Эксперты отрасли заинтересовались проектом и прямо на форуме назначили встречу для уточнений деталей по испытаниям.

— Участники форума — люди с неожиданными идеями и свежим взглядом на решение задач отрасли. Ведь они приходят из разных индустрий, — отмечает начальник департамента по технологическому развитию «Газпром нефти» Богдан Костюк. — Среди проектов молодых специалистов и стартаперов много ярких полезных разработок, которые имеют все шансы стать реальными технологиями в энергетике будущего.

Секрет 34 градусов

Солнечные панели появились благодаря изучению фотогальванического эффекта, который открыл французский физик Беккерель в 1839 году и математически объяснил Альберт Эйнштейн в 1905 году.

Первые практические фотоэлементы создали на основе кремниевых полупроводников. Драйвером развития этих технологий альтернативной энергетики в середине XX века стали космические программы — например, солнечные панели использовали для питания спутников.

Позже, в XXI веке, структура фасеточных глаз насекомых, обладающих антибликовыми свойствами, подтолкнула ученых к созданию улучшенных покрытий для солнечных элементов.

Сегодня солнечную энергетику продолжают развивать с помощью технологий, позаимствованных у природы, и одними из самых увлекательных находок в ее коллекции стали… бабочки.

В 2015 году ученые исследовали поведение белянок и капустниц во время принятия солнечных ванн. Выяснилось, что насекомые складывают крылья под углом в 34 градуса: в таком положении их чешуйчатая структура отражает свет прямо на мышцы. Таким образом бабочка быстрее разогревается перед полетом.

Угол в 34 градуса начали закладывать в прототипы тонкопленочных солнечных концентраторов. Эти устройства преобразуют энергию фотонов в тепло, а затем при помощи генератора — в электричество.

Наблюдение за бабочками помогло создать прототип солнечных панелей, КПД которых вырос в полтора раза, а масса уменьшилась в 17 раз.

Крыло против кремния

«Кто был тот ювелир, что, бровь не хмуря, нанес в миниатюре на них тот мир, что сводит нас с ума?» Так писал о бабочках Иосиф Бродский — и действительно, на поверхности их крыльев есть наноузоры. Эти структуры меньше длины волны света, способные по-особому преломлять, рассеивать и фокусировать фотоны. На основе строения этих наноузоров ученые создают гибкие и легкие фотоэлементы. Они уменьшают перегрев солнечной панели, подстраиваются под угол падения лучей и меняют цвет в зависимости от освещения.

Природа создает разнообразные узоры на крыльях бабочек с помощью разнообразных пигментов в их чешуйках. Яркая окраска чешуекрылых может быть предупреждающей, потому что некоторые тропические мотыльки ядовиты. Иногда с помощью своих узоров неядовитые виды имитируют опасные. Чешуйки гасят вибрацию при полете насекомого, что делает его почти беззвучным.

Татьяна Виноградова, кандидат биологических наук, популяризатор науки.

Крылья бабочек Papilio ulysses содержат множество наноотверстий, которые работают как естественный солнечный коллектор. Созданная по их образцу матрица улавливает почти весь свет в диапазоне теплого желто-оранжевого спектра — около 600 нанометров. Это экономит до 84% материала по сравнению с современными батареями.

Коммерческие солнечные панели сделаны из слоев кристаллического кремния толщиной 200–300 микрометров. Новые наноинженерные структуры позволяют сократить этот показатель в сотни раз и повысить эффективность батарей.

Умное охлаждение

Чешуекрылые не только греются — они умеют охлаждаться. На их крыльях распределены микроскопические «радиаторы». Окрашивая нервные клетки, ученые обнаружили, что у мотыльков есть целая сеть механических и температурных датчиков. Они помогают регулировать нагрев жилок через кровеносную и дыхательную системы. В результате тепло отводится от наиболее чувствительных участков тела — и насекомое не перегревается даже под палящим солнцем.

В 2023 году китайские ученые воспроизвели принцип строения крыла Morpho menelaus в охлаждающих покрытиях. Одно из них — тонкая полимерная пленка, которая под прямыми солнечными лучами остается на два градуса холоднее окружающего воздуха. Такой материал может использоваться на окнах или крышах зданий либо автомобилей, чтобы снизить затраты на кондиционирование воздуха.

Для внутрикомнатных или космических энергогенерирующих элементов легкие концентраторы, вдохновленные поверхностью крыла бабочки, могут оказаться интересным усовершенствованием.

Марина Теплякова, старший научный сотрудник центра энергетических наук и технологий Сколтеха

От бабочек к стрекозам и «солнечным листьям»

У стрекоз подсмотрели форму крыльев, чтобы улучшить аэродинамику лопастей ветряных турбин, которые после доработки начали захватывать воздух плавнее и эффективнее. Растения вдохновили специалистов на создание «солнечных листьев» — гибких фотоэлементов из полимеров, которые буквально тянутся к свету, как подсолнух за солнцем.

Благодаря аналогичному подходу появилась солнечная панель, имитирующая строение листка растения. В ней предусмотрена система отвода избыточного тепла: испарение воды охлаждает фотогальванический элемент, что помогает избежать перегрева и увеличивает общую производительность батареи.

Многие светопоглощающие материалы для солнечных панелей вдохновлены натуральными красителями: хлорофиллом, пигментами из соков свеклы и граната. Стоило бы чаще обращаться к природе, в которой все так талантливо спроектировано до нас.

Марина Теплякова, старший научный сотрудник центра энергетических наук и технологий Сколтеха

Бабочки и цветы — часть соавторов технологий. Хотите узнать больше? Читайте, как животные приспосабливаются к арктическому холоду и как бактерии меняют технологии нефтедобычи.

Миллениалы помнят старые кнопочные сотовые, которые работали автономно до недели, сегодня смартфоны едва выдерживают сутки активного использования без подзарядки. За десятилетия мобильные телефоны превратились в мини-компьютеры с огромными дисплеями: электроэнергии им теперь нужно больше, а места для батареи в корпусе остается все меньше.

Задача всех современных производителей — прокачать как можно большим количеством энергоресурса маленькую аккумуляторную батарейку для телефона, а чем больше плотность энергии, тем меньше у нее циклов «заряд — разряд». Этим, в частности, объясняется то, что старые аккумуляторы с меньшей плотностью энергии служили дольше.

Валерий Ярмощук, директор производства литийионных аккумуляторов «Лиотех»

В мобильных устройствах чаще всего используются литийионные батареи (Li-Ion). Они преобразуют химическую энергию в электрическую. Основа процесса — реакции между окислителем (например, оксид кобальта), принимающим электроны, и отдающим их восстановителем (например, литий в графите).

Когда вы включаете устройство, на контактах батареи (отрицательном аноде и положительном катоде) уже существует разность потенциалов (напряжение). В процессе разряда атомы лития в аноде теряют электроны и превращаются в ионы (Li⁺).

Они перемещаются через проводящую жидкость (электролит) к катоду. Освободившиеся электроны движутся по внешней цепи устройства, обеспечивая его энергией, и попадают на катод, где встречаются с ионами лития. Аккумулятор считается разряженным полностью, когда практически все ионы лития переместились в катод.

Чтобы в батарее снова вырабатывалась энергия, нужно вернуть электроны в исходное положение, для этого подключают зарядное устройство. Ток, идущий по нему, «забирает» частицы из положительно заряженного полюса и «перекачивает» их в отрицательный.

В результате многочисленных циклов заряда — разряда емкость батареи снижается. Во время работы устройства происходит перемещение ионов лития по электролиту от одного электрода к другому. При этом нежелательна максимально высокая или низкая концентрация ионов в одном электроде. Она бывает, например, при полной разрядке аккумулятора и способствует его деградации.

Дмитрий Паращук, профессор физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова

Деградации батареи, независимо от того, насколько нова или стара модель, неизбежна. При этом из-за прокачки небольшой емкости аккумулятора большим объемом энергии и частой подзарядки батареи в современных моделях могут «стариться» преждевременно. Чтобы избежать этого, нужно учитывать всего несколько базовых правил.

Советы экспертов

По словам Валерия Ярмощука, если не разряжать батарею ниже 20 процентов и не заряжать выше 80, она будет работать дольше гарантийного срока. Допустимо «посадить» телефон до 10 процентов, но дальнейший расход заряда наносит вред аккумулятору.

Чтобы подзарядка не продолжалась до упора, задайте ее максимальный процент в настройках телефона: чаще всего это можно сделать в разделе «Защита батареи». Если вы месяцами не пользуетесь телефоном и храните его как запасной, проводите раз в полгода цикл заряда — разряда, чтобы сохранить работоспособность аккумулятора.

Во многих современных гаджетах есть два и даже три режима энергосбережения: базовый, средний (улучшенный) и максимальный. Первый чаще всего не влияет на повседневный функционал устройства, помогая избегать высоких нагрузок, его можно использовать по умолчанию.

Контролировать расход энергии помогают утилиты на базе искусственного интеллекта. На протяжении нескольких циклов «заряд — разряд» они анализируют время работы аккумулятора в разных режимах и время зарядки. На основе статистики ИИ подсказывают, какие приложения закрыть, чтобы продлить автономность смартфона и сократить нагрузку на его аккумулятор.