Энергетическая сфера столкнулась со множеством вызовов: стремительным развитием передовых технологий и внедрением искусственного интеллекта в привычные процессы, отказом от традиционных энергоносителей и переходом на зеленые источники энергии. Под влиянием этих и других факторов энергосистема постепенно трансформируется. Успешное ее развитие во многом зависит от инноваций, над которыми сегодня работают ученые по всему миру.

Всю жизнь в поиске решений

Один из таких ученых — профессор химии Корнелльского университета Эктор АБРУНЬЯ. В 2024 году он стал лауреатом премии «Глобальная энергия» в номинации «Нетрадиционная энергетика» за фундаментальный вклад в области электрохимии, аккумуляторов, топливных элементов и молекулярной электроники и получил награду на Российской энергетической неделе из рук вице-премьера Александра НОВАКА.

Уже много лет ученый занимается поиском новых методов повышения производительности топливных элементов и батарей. К их числу относятся трансмиссионная электронная микроскопия и дифференциальная электрохимическая масс-спектрометрия, уже успевшие доказать свою эффективность.

Доктор Абрунья возглавляет команду исследователей, которая считается лидером в проектировании и разработке Li-S-батарей (литий-серных аккумуляторов), обладающих высокой плотностью энергии и длительным циклом работы. Кроме того, в числе разработок профессора — концепция симметричных окислительно-восстановительных батарей, которая открыла новые возможности в области хранения больших объемов электрической энергии.

«Мы живем в интересное время, когда, на мой взгляд, государства должны объединить усилия, забыть о разногласиях и работать на то, чтобы справиться с возникающими перед энергетикой вызовами», — говорит ученый.

Меньше минуты на зарядку

По его мнению, особого внимания сейчас заслуживает молекулярная электроника, подразумевающая создание электронных схем, связующим звеном которых является одна-единственная молекула. Это уникальное достижение.

«Представьте, что у вас есть молекула. Вы устанавливаете контакт на обоих ее концах, пропускаете ток и измеряете свойства. Это и есть молекулярная электроника. Моя команда была одной из первых, кто начал работать в этом направлении. Много лет назад мы даже попали на обложку журнала Nature с нашим одномолекулярным транзистором», — вспоминает Эктор Абрунья.

Суть такого транзистора заключается в использовании отдельных молекул для реализации квантованного управляемого потока заряда при комнатной температуре.

«Обычно у аккумуляторов высокая удельная энергоемкость. Это значит, они могут накапливать большое количество заряда. На нем ваш автомобиль сможет проехать, скажем, 400 километров. Проблема в том, что вы не сможете быстро зарядить такую батарею. А значит, невозможны и резкие ускорения — при нажатии педали газа электромобиль будет разгоняться очень медленно. Мы решили попробовать объединить скорость заряда-разряда и высокую энергоемкость. И приступили к разработке материалов на органических молекулах, — рассказывает ученый. — Емкость у них как у батареек, при этом они могут заряжаться и разряжаться очень быстро. Например, аккумулятор у вас в телефоне заряжается за пару часов. А теперь представьте: батареи, которые мы разработали, заряжаются меньше чем за минуту».

Электрохимия сопряжена со многими направлениями энергетики. Наглядный пример: производство водорода посредством электролиза — это электрохимический процесс. Аккумуляторы и топливные элементы — тоже электрохимия. Наблюдается большой интерес к использованию электрохимии для осуществления химических превращений, например, для синтеза с помощью электронов. Электрохимия способна обеспечить очень эффективные процессы получения водорода по низкой цене.

---

Особенности инновационных батарей:

• могут накапливать большое количество заряда,
• заряжаются меньше чем за минуту,
• работают с дешевыми железом, марганцем и кобальтом.

---

«На мой взгляд, сегодня все сложности, связанные с применением электрохимии в разных областях, сопряжены с производством долговечных и производительных устройств с широко распространенными элементами или металлами», — подчеркивает ученый.

Технологии приспосабливаются к пространству

Появление современных эффективных аккумуляторов — необходимость в условиях развития зеленых источников энергии. Но существует риск, что увеличение их производства может нанести вред окружающей среде.

«Я часто говорю в своих выступлениях и интервью о том, что крайне важно решить глобальную энергетическую проблему. Нам нужна энергия, без нее человечество не сможет выжить. Современные достижения в значительной степени связаны с тем, что мы смогли использовать энергию для производства самых разных вещей. Вопрос в том, как нам продолжать использовать ее, не нанося ущерба окружающей среде?

Есть мнение, что можно попробовать перейти на литий-ионные батареи, которые обладают высокой плотностью энергии. К примеру, мы можем разработать аккумуляторы, мощность которых превышает емкость аккумулятора мобильного телефона в пять раз. Это значит, потребуется в пять раз меньше аккумуляторов, в пять раз меньше ресурсов.

Литий-серные аккумуляторы немного более объемные, но сохраняют много энергии, и они гораздо более удобны для стационарных устройств, чем для мобильных. У них есть такие штуки, которые называются окислительно-восстановительными проточными батареями. По сути, вы храните две жидкости, смешиваете их и получаете электричество. Это удивительно, не так ли? Идея в том, чтобы приспособить технологию к конкретному применению, но в этом должны участвовать не одна или две страны, а все», — говорил Эктор Абрунья в сентябре 2024 года на Встрече без галстуков «Энергетика-2100».

Вместе с тем, констатировал он, для длительной транспортировки или перевозки тяжелых грузов аккумуляторы не подойдут, поскольку они слишком громоздкие. Наиболее эффективным представляется использование топливных элементов.

«Они позволяют за пять минут заправиться топливом, чтобы проехать две тысячи километров. Вопрос только в стоимости. В топливных элементах обычно используются дорогие металлы — платина, палладий, золото. Сейчас мы разрабатываем топливные элементы, работающие с железом, марганцем и кобальтом, которые в 500 раз дешевле.

Также стоим на пороге превращения водорода в топливо. Электролиз позволяет получать водород, который будет использоваться на транспорте, в металлургии, сельском хозяйстве, с меньшими затратами», — рассуждает ученый.

В окружении лучших

Эктор Абрунья не мыслит своей жизни без науки. Признается, что все его успехи и достижения стали возможными благодаря команде — людям, которые работают с ним на протяжении 41 года. Это, в том числе, студенты и постдокторанты (исследователи, получившие степень кандидата наук или успешно защитившие кандидатскую диссертацию и желающие продолжить академическую карьеру).

«Чтобы добиться успехов в науке, нужно окружить себя лучшими из лучших», — убежден доктор Абрунья.

Он полагает, что людям стоит быть более интеллигентными в том, как они используют ресурсы, нужно делиться технологиями, помогать развивающимся странам, где существуют проблемы с доступом к ресурсам, и не отказываться от традиционных источников энергии.

«Ядерная энергетика по-прежнему пользуется дурной славой, верно? Все думают об авариях, но факты говорят за себя. Франция получает 75% электроэнергии от атомной энергетики, у них никогда не было аварий, поскольку они чрезвычайно осторожно используют эти технологии.

Думаю, пришло время переосмыслить ядерную энергетику. Есть сообщения о том, что, возможно, существуют термоядерные реакторы, которые могут работать. Если это окажется правдой, это будет настоящей революцией. К тому же мы можем попробовать производить розовый водород путем электролиза с использованием электроэнергии, вырабатываемой на АЭС. Полагаю, что в будущем ядерная программа будет пересмотрена в позитивном свете», — резюмирует Эктор Абрунья.

Фото: Фотобанк «Росконгресс»
Иллюстрация: @freepi