`

СПЕЦИАЛЬНЫЕ
ПАРТНЕРЫ
ПРОЕКТА

Архив номеров

Как изменилось финансирование ИТ-направления в вашей организации?

Best CIO

Определение наиболее профессиональных ИТ-управленцев, лидеров и экспертов в своих отраслях

Человек года

Кто внес наибольший вклад в развитие украинского ИТ-рынка.

Продукт года

Награды «Продукт года» еженедельника «Компьютерное обозрение» за наиболее выдающиеся ИТ-товары

 

Когда же настанет эпоха топливных элементов?

Статья опубликована в №8 (625) от 26 февраля

+33
голоса

Возможно, вам покажется, что мы решили подойти к анализу данного вопроса слишком уж издалека. Конечно, наше издание занимается прежде всего освещением высоких технологий, а не политики. Но иногда эти темы сливаются настолько тесно, что их не разъединить. Одним из таких примеров служит английское слово «power», имеющее отношение как к энергии (в том числе электрической), так и к власти (в том числе политической).

Американская власть есть капитализм плюс электромобилизация всей страны

Когда же настанет эпоха топливных элементов?
Tesla Roadster – экологически чистая альтернатива Lamborgini и его аккумуляторная батарея ESS

Трагедия 9/11 изменила мнения американцев о многих вещах, и в частности о таком фундаментальном элементе американского образа жизни, как регулярное посещение автозаправок. Пользование нефтепродуктами стало ассоциироваться в национальном сознании не только с экологическим, но и с политическим злом: каждый приобретенный галлон бензина не только отравляет городской воздух смогом и приближает парниковый апокалипсис, но и спонсирует международный терроризм. Ведь чем больше та или иная страна получает американских нефтедолларов, тем враждебнее она настроена по отношению к США. Этот закон кажется парадоксальным, но события последних 50 лет систематически доказывали его истинность, и крушение WTC подвело под этими доказательствами жирную черту.

Нация автомобилистов поставлена перед необходимостью преодоления (или хотя бы уменьшения) унизительной зависимости от импорта нефти и нефтепродуктов. По всей видимости, достижение этой цели потребует отказа от автомобильных двигателей внутреннего сгорания в пользу электромоторов. Поэтому электромобилизация все более воспринимается в США как вопрос национальной безопасности, а сопряженная с ней задача совершенствования мобильных источников электроэнергии становится одним из ключевых национальных приоритетов. Некоторые обозреватели сравнивают его по актуальности с космической программой «Апполлон» (в 60-е годы прошлого столетия имевшей целью утверждение способности США противостоять советскому блоку в военно-технологическом отношении).

Для массового пересаживания американцев на электромобили вышеупомянутое усовершенствование должно иметь качественный характер, иначе электромобиль обречен на неконкурентоспособность: ведь по удельной энергоемкости современные аккумуляторы (около 0,07 кВт•ч/кг) уступают бензину (13,02 кВт•ч/кг) на два порядка (даже с учетом скидки на относительно низкий КПД двигателей внутреннего сгорания, не превосходящий 40%).

Первый блин комом. А второй?..

Когда же настанет эпоха топливных элементов?
Автобус на ионисторной тяге

Электромобили General Motors EV1, выпускавшиеся в 1996–1999 гг., снискали скандальную славу: производители едва ли не силой отняли их у владельцев (точнее, у арендаторов) и уничтожили. Авторы нашумевшего документального фильма «Кто убил электромобиль?» склонны объяснять случившееся сговором автопромышленников с могущественными нефтяными воротилами. Тогда как сами автомагнаты указывают на предрешенную необъятностью американских просторов коммерческую провальность автомобиля, дальность пробега которого на одной зарядке была ограничена 200 км.

В марте нынешнего года опустевшую на десятилетие нишу готовится занять компания Tesla Motors (teslamotors.com), разрабатывающая роскошные спортивные электромобили с невообразимой приемистостью: с места до 100 км/ч они бесшумно разгоняются менее чем за 4 с. Дальность их пробега на одной заправке составляет около 400 км, а цена колеблется в пределах от 50 до 100 тыс. долл.

Элон Маск (Elon Musk), один из финансовых учредителей Tesla Motors, надеется, что его компания станет одним из ключевых автопроизводителей в XXI веке. О небезосновательности этого мнения можно судить по успеху еще одного основанного им проекта PayPal.

Источник питания (Energy Storage System, или ESS) первой модели от Tesla Motors («Tesla Roadster») – самый инновационный и дорогостоящий компонент конструкции. Он выдает до 200 кВт мощности при энергоемкости 53 кВт•ч и представляет собой батарею с водяным охлаждением, состоящую из 6800 литий-ионных аккумуляторов типа 18650. Емкость аккумуляторов постоянно контролируется системой, принимающей меры в случае чреватых возгоранием неполадок.

Заметим, что аккумуляторы данного типа (несколько превосходящие размерами обычную пальчиковую батарейку AA) являются стандартными строительными блоками АКБ большинства современных ноутбуков.

Какое все это имеет отношение к мобильной электронике?

О масштабах американской кампании электромобилизации можно судить по тому, что «Даймлер Крайслер», «Форд» и «Дженерал Моторс» уже затратили на участие в ней свыше 2 млрд долл. Ее побочным результатом почти наверняка станет появление источников питания, обеспечивающих автономную работу ноутбуков в течение суток (а мобильных телефонов – в течение месяца).

Такие источники питания позволят ликвидировать углубляющийся разрыв между характеристиками аккумуляторов и производительностью всех прочих подсистем мобильной электроники. Ведь усредненные темпы роста удельной энергоемкости аккумуляторных батарей оцениваются сегодня в 6% (для наиболее коммерчески актуального типа – литий-ионного – этот показатель несколько выше: 9%). Если бы в течение хотя бы десяти последних лет прогресс в этой области подчинялся закону Мура, то источники автономного питания уменьшились бы до размеров пуговицы!

Топливные элементы

Да, друзья мои, я думаю, что воду когда-нибудь будут употреблять как топливо; что водород и кислород, которые входят в ее состав, будут использованы вместе или поодиночке и явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь.
Жюль Верн, «Таинственный остров»

Топливные элементы – изобретение немецкого ученого Кристиана Фридриха Шёнбейна (Christian Friedrich Schonbein). Условия, при которых кислород и водород реагируют с выделением воды, тепла и электроэнергии, были установлены им в 1839 г., а исполненные вдохновенного оптимизма слова Жюля Верна написаны спустя 35 лет. Сегодня, на 170-м году своего существования, идея Шёнбейна до сих пор не получила значимой коммерческой реализации. Несмотря на столь вопиющий «долгострой» (по сравнению с которым проект Duke Nukem Forever выглядит как блицкриг), многие по-прежнему убеждены: за топливными элементами – будущее. Когда же оно наступит?

Оптимистически настроенные изучающие эту тему историографы надеются, что нынешняя – четвертая – фаза их развития окажется решающей, и что мы стоим на пороге технологического прорыва. Им противостоят пессимисты: в статьях на финансово-аналитических сайтах они рекомендуют ни в коем случае не связываться с акциями компаний-производителей топливных элементов, а в издевательских комментариях к шапкозакидательским пресс-релизам последних обыгрывают каламбур «fuel cells – fool sells» (намекающий, что торговать топливными элементами могут только дураки).

Впрочем, их позиция не лишена смысла, так как для того чтобы топливные элементы смогли на равных конкурировать с традиционными источниками электроэнергии, необходимо решить три важнейшие задачи:

  • ограничить содержание платины и других драгоценных материалов-катализаторов, взвинчивающих стоимость топливных элементов;
  • уменьшить темпы деградации электродов, сокращающих срок их эксплуатации;
  • исправить подмоченную репутацию топливных элементов как бренда.

В 1970 г. выход из строя топливных элементов системы энергообеспечения злосчастной космической экспедиции Apollo 13 едва не погубил ее экипаж. С тех пор в коллективном сознании американцев эти продукты вызывают сложное чувство уважительного недоверия, проиллюстрировать которое можно одним из начальных эпизодов фильма «Терминатор 3», где герой Шварценеггера вырезает из собственной брюшины нечто, напоминающее аккумуляторную батарею для ноутбука, и выбрасывает его из окна мчащегося на бешеной скорости автомобиля. Через пару секунд раздается чудовищной силы взрыв, из-за которого машина едва не опрокидывается. Ведущий ее Джон Коннор замечает в зеркале заднего вида что-то вроде вздымающегося над горизонтом ядерного гриба и бросает на Терминатора смертельно испуганный взгляд. «Поврежденные топливные элементы утрачивают стабильность», – поясняет тот с леденящей невозмутимостью.

Betavoltaics

Данная компания с 2005 г. разрабатывает технологию использования диодов из пористого кремния для преобразования бета-излучения, испускаемого радиоактивными изотопами (например, тритием) в электроэнергию. Период полураспада трития (соответствующий двукратному уменьшению мощности его бета-излучения) составляет 12,3 года, что существенно превосходит период безнадежного морального устаревания любой мобильной электроники, так что ноутбуки, мобильные телефоны и MP3-плееры, будь они оснащены батареями Betavoltaics, не пришлось бы заряжать вовсе.

Бета-излучение легко экранируется, таким образом батареи Betavoltaics вполне безопасны. Чего нельзя сказать об их содержимом, которое может быть превращено в «грязную бомбу» и использовано, например, для радиоактивного загрязнения водохранилищ. Поэтому в США, находящихся в состоянии бесконечной войны с террором, у технологии Betavoltaics вряд ли есть перспективы: не в то время и не в том месте она появилась.

Аккумуляторы, конденсаторы и их гибриды

Когда же настанет эпоха топливных элементов?
Бактерии Rhodoferax колонизируют графитовый электрод микробиологического топливного элемента

В многообразии, предлагаемом более традиционными автономными источниками питания, легко заблудиться. Казалось бы, всем хороши литий-серные аккумуляторные батареи Sion Power, используемые сегодня в авиакосмических и военных приложениях. Их удельная энергоемкость в несколько раз выше, чем у литий-ионных (по заявлениям представителей Sion Power, теоретический предел этого параметра оценивается головокружительными 2,5 кВт•ч/кг); заряжаются они быстро; места занимают мало (ввиду высокой плотности); заряд хранят долго; могут работать в широком температурном диапазоне. Увы, их недостаток – неприемлемо малое количество циклов перезарядки (несколько десятков), а удастся ли его преодолеть – неизвестно.

Наиболее перспективное направление совершенствования традиционных аккумуляторов, по-видимому, связано с переходом с графитовых электродов в литий-ионных батареях к электродам из кремниевых нанотрубок. Теоретический предел удельной энергоемкости такого нанотехнологического аккумулятора оценивается исследователями из Стэнфордского университета в 2 кВт•ч/кг, что позволяет надеять-ся на 25-кратное продление времени автономной работы ноутбуков.

Автобусный маршрут номер 11 в Шанхае в течение уже полутора лет обслуживают машины, использующие ионисторы в качестве источника энергии (оперативная подзарядка происходит на остановках, оборудованных особыми контактными площадками). Подобно традиционным конденсаторам, ионисторы (называемые также супер- и ультраконденсаторами) накапливают энергию в виде электростатического поля; никаких химических реакций в ходе их работы не происходит, и потому количество циклов перезарядки может исчисляться миллионами. Эти устройства имеют чрезвычайно высокий КПД (более 95%); в отличие от современных аккумуляторов, не склонны к самовозгоранию, и, вдобавок ко всему, изготовляются из нетоксичных материалов.

Когда же настанет эпоха топливных элементов?
Диаграмма Рагоне

Поскольку емкость ионистора определяется площадью поверхности и проводимостью его «обкладок», большие надежды связаны с использованием материалов на основе углеродных нанотрубок. Совместная исследовательская программа Калифорнийского университета в Дэвисе и компании Mytitek Inc. доказываает возможность улучшения эксплуатационных характеристик ионисторов в несколько раз.

Итак, не зарядить ли ноутбук ионистором? Вообще говоря, сопоставление различных типов мобильных источников электроэнергии – сложная задача, требующая учета многих разнородных параметров. Наиболее существенные из них – удельную энергоемкость и удельную мощность – принято отображать в логарифмическом масштабе на так называемых диаграммах Рагоне.

Отличие конденсаторов от топливных элементов, занимающих противоположные углы диаграммы, можно проиллюстрировать, сравнив конденсатор с кофейной чашкой, а топливный элемент – с узкогорлой бутылкой: первую можно быстро опорожнить, зато во вторую помещается больше жидкости. В походных условиях объем сосуда ценнее ширины его горлышка, и потому для ноутбуков топливные элементы теоретически являются более перспективным источником питания, чем ионисторы.

Отметим, что инновации последнего времени могут внести в диаграмму Рагоне существенные коррективы. Например, завершение проекта EESU (Electrical Ener-gy Storage Unit), объявленного стартапом EEstor, грозит расширить область, отведенную ионисторам, вверх до 0,27 кВт•ч/кг. Такой ионистор превзойдет современные литий-ионные батареи по удельной энергоемкости в несколько раз. Поэтому ноутбук, оснащенный EESU, сможет заряжаться в долю секунды и функционировать автономно в течение рабочего дня.

Кроме того, стараниями компаний, продвигающих гибридные технологии, между красными и желтыми «островами» на приведенной диаграмме может появиться «перешеек». Здесь следует упомянуть тончайшую батарею, представляющую собой матрицу из «впечатанных» в бумагу нанотрубок, разрабатываемую в Политехническом институте Ренсселера и MIT, а также свинцово-кислотный аккумулятор-ионистор, коммерциализуемый компанией Axion Power под торговой маркой e³.

Когда же настанет эпоха топливных элементов? Микроструктура ткани, пригодной для пошива электрогенерирующей одежды, разработанной в Университете штата Джорджия. Попарно объединенные волокна представляют собой кевларовые сердечники, окруженные щетинками из нанокристаллов оксида цинка. Желтым цветом показан слой напыленного золота. Взаимное трение волокон вызывает пьезоэлектрический эффект, позволяющий получать ток мощностью до 80 мВт с квадратного метра ткани

Гениальные и/или сумасбродные идеи

Тень глобального энергетического кризиса, надвигающегося по мере неумолимого удорожания энергоносителей, сгущается в такие сумерки, что гениальность от сумасбродства в них не отличить.

Примеры?

Ряд лабораторий занимается исследованием так называемых микробиологических топливных элементов (Microbial Fuel Cell, или MFC). Вырабатываемая ими электроэнергия – побочный продукт электрохимических процессов, протекающих в некоторых экзотических микроорганизмах. Вероятно, среди дисциплин, обусловливающих прогресс в этой области, не последнее место займет генная инженерия.

Теоретики от нанотехнологии рассчитали, что использование энергии упругой деформации молекул позволяет создать пружину удельной энергоемкостью 0,27 кВт•ч/кг. Ноутбук, оснащенный такой гипотетической «молекулярной пружиной» (представляющей собой одну гигантскую молекулу со сложной структурой), можно было бы «заводить» наподобие патефона.

В 2005 г. ученые из MIT и Технологического института штата Джорджия опубликовали фундаментальную статью с анализом всевозможных аспектов задействования ресурсов человеческого тела для питания мобильной электроники. В ней без тени иронии рассматривается, в частности, возможность имплантации миниатюрных турбин в кровеносные сосуды пользователя. Впрочем, эта идея, скорее, относится к следующему разделу.

Смена умственного труда на физический – лучший отдых

Когда же настанет эпоха топливных элементов? Когда же настанет эпоха топливных элементов?
Микроминиатюрные турбинный и роторно-поршневой двигатели, призванные выполнять по совместительству функции электрогенераторов, разрабатываются Калифорнийским университетом в Беркли и MIT

Supercharger – устройство, разрабатываемое для стран третьего мира в рамках проекта OLPC (One Laptop Per Child). Оно позволяет заряжать аккумуляторы «стодолларовых ноутбуков» тягловой силой крупного рогатого скота. Однако в странах «первого мира» мобильной электроники так много, а коровы до того отвыкли от физических нагрузок, что тамошним пользователям остается надеяться только на себя. Они могут, например, применять электрогенерирующую насадку на коленный сустав, разработанную в университете Симона Фрэзера (и обсуждавшуюся посетителями сайта нашего издания). Или одно из множества других подобных изобретений, сообщениями о которых день ото дня полнятся новостные сайты.

Первый выход на широкого потребителя

Когда же настанет эпоха топливных элементов?

Пока новостные сайты обсуждали сенсационные известия об экспериментальных образцах топливных элементов для мобильных телефонов и MP3-плееров, в виртуальном магазине www.fuelcellstore.com (чей ассортимент насчитывает уже десятки наименований) без особого шума появился новый продукт. Детище лаборатории Геннадия Финкельштайна из израильской компании Medis выделяется симпатичным дизайном и низкой ценой ($29,99). Работает оно на жидком топливе (точнее, на растворе борогридрида натрия), легко умещается в ладони, весит 185 г и предназначается для подзарядки батарей мобильных телефонов (один заправочный картридж позволяет говорить до 30 ч). По-видимому, «24-7 Power Pack» – первый продукт, разработанный в расчете на широкого потребителя, и потому успешная наладка его массового производства – важнейшее событие в долгой и многострадальной истории топливных элементов.

Несколько настораживает разве что цена сменных картриджей к нему ($19,99). Если в скором будущем она не снизится, то придется признать, что маркетологи из Medis решили взять на вооружение тактику производителей струйных принтеров, сбывающих свои устройства по демпинговым ценам в расчете на прибыль от продажи расходных материалов.

«24-7 Power Pack» – представитель одного из самых перспективных классов топливных элементов, обозначаемого аббревиатурой DBFC (Direct Borohydride Fuel Cell). Всего таких классов в настоящее время насчитывается около двух десятков. От своих ближайших конкурентов из DMFC, работающих на легковоспламеняющемся и токсичном древесном (метиловом) спирте, он отличается прежде всего безопасностью. В контексте перестраховочных мер предосторожности, принятых авиакомпаниями и сертификационными ведомствами после событий 11 сентября 2001 г., это весьма существенное преимущество.

Назад, к бензину?

Когда же настанет эпоха топливных элементов?
В университете штата Пенсильвания изобретен подпружиненный станковый рюкзак, позволяющий в зависимости от загрузки и особенностей походки получать до 7 Вт электроэнергии. По свидетельству испытателей, из-за демпфирования неравномерного давления лямок носить такой рюкзак даже удобнее, нежели обычный

Созданию конкурентоспособно-го бензинового генератора в формфакторе аккумуляторной батареи препятствует, главным образом, отсутствие подходящих двигателей внутреннего сгорания: попытки миниатюризации существующих конструкций сопровождаются повышением уровня шума, а также снижением их надежности и эффективности. Впрочем, последний параметр не столь критичен: как показывают расчеты, для преобразования 500 мл бензина в энергию, необходимую для питания ноутбука в течение суток, достаточно КПД всего лишь в 2,5% (для сравнения: КПД миниатюрных двигателей внутреннего сгорания, используемых в авиамоделировании, составляет около 4%).

Стоит отметить, что последние годы ознаменовались созданием множества новых перспективных устройств, потенциал которых еще не изучен. Таковы двигатель Веселовского (в противоположность изобретению Ванкеля, состоящий из треугольного статора и овального ротора); квазитурбинный двигатель (ротор которого изменяет свою форму по мере вращения в овальном статоре) и т. п. Вполне возможно, миниатюризация одного из них окажется более продуктивной для решения проблем, связанных с шумом и надежностью.

Разумеется, область применения подобных устройств всегда будет ограничена необходимостью отвода выхлопных газов.

ВПК США – двигатель прогресса

Возможно, через полгода нам предстоит столкнуться с несколькими доводами в пользу этого утверждения: предстоящей осенью финиширует объявленный Пентагоном конкурс на лучший источник питания для солдатской экипировки. Претенденты на главный приз (1 млн долл.) должны продемонстрировать устройство массой не более 4 кг, способное в военно-полевых условиях вырабатывать не менее 20 Вт в течение четырех суток.

Кстати, 20 Вт – типичный уровень энергопотребления современного ноутбука в режиме полной загрузки процессора. Поэтому весьма вероятно, что некоторые из продемонстрированных в ходе конкурса технологий найдут применение и в мирных целях.

+33
голоса

Напечатать Отправить другу

Читайте также

Владельцу изральской конторы статья понравилась. Я ему отсканировал ту часть, что касалась топливных элементов

если ему есть что рассказать - будем рады об этом написать

актуальна стаття

 
 
IDC
Реклама

  •  Home  •  Рынок  •  ИТ-директор  •  CloudComputing  •  Hard  •  Soft  •  Сети  •  Безопасность  •  Наука  •  IoT