АРТЁМ ОГАНОВ,
ПРОФЕССОР СКОЛКОВСКОГО ИНСТИТУТА НАУКИ И ТЕХНОЛОГИЙ,
ПРОФЕССОР И ЗАВЕДУЮЩИЙ ЛАБОРАТОРИЕЙ КОМПЬЮТЕРНОГО ДИЗАЙНА МАТЕРИАЛОВ В УНИВЕРСИТЕТЕ ШТАТА НЬЮ-ЙОРК

Новые материалы для энергетики будущего

Эффективность новых технологий зависит от эффективности новых особых материалов, которые мы изобретаем.
Поделитесь лекцией в соцсетях:
Для того, чтобы многие технологии в энергетике (и не только в энергетике) заработали, и чтобы они были рентабельны и эффективны, предъявляются достаточно жесткие требования к материалам. Эффективность многих технологий зависит от эффективности новых, тех особых материалов, которые мы изобретаем. В начале 2016 года вышел обзор по материалам для энергетики. Сейчас вы видите на экране таблицу из этого обзора, которая говорит о начале новой научной революции. В чем ее суть?

В таблице, которую вы видите, приведены некоторые материалы, предсказанные теоретически. Это новые материалы с особыми свойствами, которые затем были созданы и изучены экспериментально. Сейчас мы отходим от той парадигмы, когда новые материалы получаются чисто экспериментальным путем. Случайность, или метод проб и ошибок —были до недавнего времени доминирующими способами получения материалов. Сегодня теория и теоретический дизайн материалов бросают вызов таким методам. Вы видите целый ряд материалов для литий-ионных аккумуляторов, для фотовольтаики, термоэлектрических материалов, сверхпроводников, материалов для конденсаторов, которые были вначале предсказаны на компьютере, а затем реализованы экспериментально. Кстати, целый ряд этих материалов был получен либо в моей лаборатории, либо с помощью моего метода.

В чем суть этого нового направления в науке и почему до недавнего времени такое было невозможно? Дело в том, что когда мы предсказываем новый материал, мы ничего не можем сказать о его свойствах до тех пор, пока мы не знаем его структуру. Кристаллическая структура — это самая важная информация в материале, которая нам нужна и которая определяет его свойства. Но, так уж получилось, что предсказывать кристаллическую структуру до недавнего времени считалось совершенно невозможным. Почему? Потому что возможных разных кристаллических структур для заданного соединения бесконечно много. Когда мы предсказываем, например, самую устойчивую кристаллическую структуру, структуру с наименьшей энергией, мы должны перебрать все возможные варианты расположения атомов в пространстве, а их бесконечно много. Нам бы потребовалось больше времени, чем возраст Вселенной, чтобы перебрать все возможные варианты и оценить их. Поэтому раньше эта задача считалась нерешаемой. Вот сейчас, например, вы видите на слайде публикацию (а подобных ей было много), заголовок которой – «Предсказуемы ли кристаллические структуры?». И первое же слово в статье – «нет». Дальше пишется, что это могла бы быть первая научная статья в «химической» литературе, состоящей из одного слова.

Но решить эту задачу удалось. Мне и моим коллегам удалось создать эволюционный алгоритм, который вместо перебора всех вариантов находит быструю тропинку к оптимальному решению.

И, как только такого рода решение появилось, появился и путь к дизайну материалов. Этот путь основан на эволюционном алгоритме в сочетании с квантово-механическими расчётами. Мой алгоритм дает этому методу быстроту, а квантовый механический расчет метод дает точность. В результате у нас точность, быстрота и надежность сочетаются «в одном флаконе». Мы решили задачу предсказания структуры по заданному составу и теперь можно предсказать все устойчивые химические соединения и даже химическую формулу, просто зная названия элементов. Например, в системе марганец-бор мы нашли все экспериментальные стабильные соединения. Даже те, которые раньше экспериментаторы не видели. Так можно открывать материалы с новыми свойствами. Но по-настоящему интересной задачей является другая. Это задача нахождения материалов с самыми лучшими из возможных свойств.

Вот, например, метод «Менделеевского поиска», который мы придумали с моим иранским аспирантом. Он позволяет из всех возможных сочетаний всех возможных элементов во всех возможных кристаллических структурах найти тот материал, который обладает самыми лучшими свойствами. И вот иллюстрация (на слайде – прим.): поиск самого твёрдого из всех возможных веществ. Метод не знает ничего про реально-существующие материалы, про их структуру и свойства. Но исходя из законов квантовой механики и моего поискового алгоритма он находит, что самое твёрдое из всех возможных веществ – это алмаз. Вроде бы ничего нового. Но вслед за алмазом он находит множество материалов, которые могут быть полезны. Пусть они не столь твердые, как алмаз, но они могут быть более дешевыми, могут быть менее хрупкими, обладать более интересной электропроводностью и так далее. Казалось бы: нерешаемая задача, более миллиона возможных соединений, у каждого из них бесконечное количество кристаллических структур. Но наилучшее решение, как вы видите, удаётся найти.

Предсказательная сила метода такова, что он может предсказывать вещи, идущие вразрез с традиционной интуицией, но оправдывающиеся экспериментом. Например, натрий под давлением становится прозрачным. Мы это предсказали, а затем экспериментально нашли. Опять же, под давлением возникают соединения, запрещённые классической химией. Но наши расчёты их находят и затем всё подтверждается экспериментально.

А что же было сделано в контексте энергетики? Мы впервые год назад пришли к тому, чтобы «прощупывать» всё пространство химических составов и всех возможных кристаллических структур. Что же было сделано? Был найден целый ряд сверхпроводящих материалов. До «святого Грааля» мы ещё не дошли, но, как ученое сообщество, уже показали один из путей. Явление сверхпроводимости было сюрпризом. Когда его открыли 100 с лишним лет назад, люди были очень удивлены. С тех пор сверхпроводимость нашла множество разных применений: в томографии, в транспорте... Люди надеются, что на сверхпроводящих проводах удастся минимизировать потери энергии при передаче, хотя мы до этого ещё далеки. История учит нас, что сверхпроводимость всегда «приходит» с неизвестной стороны. Например, неожиданно было найти сверхпроводимости в оксидах, когда Беднорц и Мюллер открыли так называемые высокотемпературные сверхпроводники, хотя до сих пор нет даже нормальной теории сверхпроводников. Неожиданным было открытие сверхпроводимости в девариде магния. А ведь это соединение, которое было известно 200 лет, но никому даже в голову не приходило, что это отличный высокотемпературный сверхпроводник! Известны также органические сверхпроводники, например, сверхпроводимость на основе разных форм углерода. Алмаз может быть сверхпроводящим, допированный графит, допированный фулерен. Всё это отличные сверхпроводники, кто бы мог подумать!

История учит нас, повторюсь, что хорошие сверхпроводники оказываются там, где их никто не ждёт. Недавняя история, связанная с применением моего метода, которым пользуются три с половиной тысячи человек по всему миру, включая крупные компании, началась с открытия китайских ученых. Они предсказали, что сероводород, в том виде, в котором мы его знаем, при высоком давлении становится неустойчив и дает соединения состава H3S. Это было чисто теоретическое предсказание. Теоретики в той же работе предсказали, что это будет рекордный высокотемпературный сверхпроводник, с температурой около 200 Кельвинов (~ -70 градусов по Цельсию). Это значит – рекорд. Вполне земные температуры, которые встречаются в Якутии, не говоря уже об Антарктиде. Прежнее значение рекорда, для сведения, 135 Кельвинов. Спустя год, экспериментально это было подтверждено. Вышла работа российских экспериментаторов, которые подтвердили, что при давлении в 1,5 млн атмосфер возникает H3S со сверхпроводимостью до 203 Кельвинов. Уже есть работы, где говорится, что если бы допируете это соединение фосфором, то температура сверхпроводимости будет 208 Кельвинов, а это уже комнатная. Все хорошо, но для этого нужны слишком высокие давления. Как сделать это при атмосферном давлении — не знает никто.

Мое предсказание таково, что если нам удастся это сделать, то это придет не из известных соединений, а опять с неожиданной стороны, как всегда и было. Просто этот пример показывает, что «комнатная» сверхпроводимость достижима.

Мы научили наш метод искать новые магнитные материалы. Все сильные постоянные магниты основаны на редких землях. Это дорого, плюс на них действует китайская монополия. Это нужно преодолеть. Нет никаких причин для того, чтобы только редкоземельные магниты могли бы обладать хорошим свойствами. Мы начали искать подобные материалы и вскоре синтезировали новый материал WMnB2. По нашим предсказаниям, его свойства лишь на 20 процентов уступают редкоземельным магнитам, но стоимость его уже в два раза ниже. Это только начало, ведь следующие материалы могут оказаться намного дешевле.

Ионные проводники и материалы для ионных аккумуляторов. Очень важная тема. Сейчас многие группы исследователей находят новые материалы, иногда с двукратным увеличением ёмкости по сравнению с тем, что было раньше. Вот новый материал, который пока ещё находится на экспериментальной стадии, Li15Si4. Экспериментаторы нашли новую фазу с очень хорошими свойствами. Структуру найти не смогли, мы им помогли и, может быть, этот материал будет применяться.

Материалы по солнечной энергетике. Здесь есть две технологии. Об одной мы все знаем и говорим, это солнечные панели. А о второй почему-то молчим. Я расскажу об обеих. У кремниевых солнечных панелей эффективность сейчас примерно в 20%. Предел поглощения солнечного спектра в физике твёрдого тела находится на отметке в 34%. Определённые хитрые инженерные решения позволили превзойти этот показатель и достичь эффективности панелей в 45%, но они очень дорогие и пока применяются мало. Нами была предсказана новая форма кремния, которая на порядок лучше поглощает солнечное излучение. Она, после нашего предсказания, была также экспериментально получена, но пока в очень маленьких количествах. В этом направлении есть куда двигаться, кремний абсолютно побиваемый материал для фотовольтаики. Тут, кстати, можно вспомнить историю молодого краснодарского изобретателя, который работал над такими технологиями и чуть не угодил в тюрьму, а потом эмигрировал в Индию. На мой взгляд, это хороший пример, как не нужно нашим властям относиться к талантам.

Другая технология солнечной энергетики, о которой отчего-то мало говорят — это фотокаталитическое разложение воды. В чём суть? Есть особый материал, поглощающий солнечный спектр и переходящий в возбуждённое электронное состояние. В этом состоянии он рубит молекулу воды на части. В результате молекула оказывается расщеплена на атомы, которые потом рекомбинируют, образуя молекулы H2 и О2. Во всём мире пытаются найти более эффективные материалы для этой технологии. По-моему, она исключительно многообещающая и на нее следует обратить внимание.

Термоэлектрические материалы. Это то, что может революционизировать очень многие отрасли. Представим себе ТЭЦ. Там сжигается топливо. Какая эффективность, процентов 15? Огромное количество тепла просто рассеивается в окружающую среду от ТЭЦ. Если мы сможем улавливать это тепло и превращать его в электричество, а это то, что делают термоэлектрики — материалы будущего, мы сможем легко повысить КПД. С автомобилем то же самое: двигателем производится тепло, которое затем бездарно рассеиваетсяв окружающую среду. В случае с автомобилем можно было бы сделать то же самое, что и с ТЭЦ — улавливать рассеянное тепло и преобразовывать его в электричество для приборов, которые есть в том же автомобиле. И таких примеров масса. На самом деле, как это ни странно, термоэлектрики применялись партизанами во время Великой отечественной войны. И недавно эта же технология, как якобы новоизобретённая, была коммерциализирована в Японии, хотя ей уже 70 лет! В чем её суть: партизаны в лесах Белоруссии по много недель использовали свои рации, а фашисты не могли понять, почему они не разряжаются, что это за «вечные батареи» такие. А все просто. У них были котелки с термоэлектрическими элементами и, когда они варили суп, котелок ещё и вырабатывал электричество, поэтому они могли заряжать и окружающие предметы. Сейчас такие котелки, как я уже сказал, выпускают японские компании и продают под видом нанотехнологий.

Беда термоэлектрических материалов в их крайне низкой эффективности. Если мы найдем, как увеличить КПД материалов в два-три раза, то тогда многие технологии окажутся рентабельными. Даже из тех, которые сейчас рентабельными не являются.

Итак, можно производить электричество из тепла. Но есть и обратный процесс: вы пропускаете ток и осуществляете охлаждение. Есть такие холодильники, работающие на эффекте Пельте. Пока они применяются очень ограниченно из-за низкого КПД, но технология может использоваться в военной индустрии, например, для охлаждения солдат, которые находятся в пустыне. Мы сейчас начали заниматься этой тематикой, пока у нас есть первые, но очень успешные, тесты, и, если всё пойдёт хорошо, мы сможем порадовать вас какими-то новыми материалами.

Конденсаторы. Гибкие конденсаторы требуют диэлектрического материала не из керамики, как обычно, а из полимера. Был заказ на новые полимерные материалы для конденсаторов, и мы предсказали три таких материала с рекордными свойствами. Все три мы получили экспериментально и они оказались с предсказанными свойствами. Надо думать, что скоро они уже будут реализовываться.

Материалы с высокой плотностью энергии. Их можно использовать, наверное, и для хранения энергии, но пока их используют, как взрывчатые вещества. Под давлением, например, пентазол и азотоводородная кислота устойчивы, но когда давление снято, то малейшее прикосновение может привести к взрывному выделению энергии.

Почему я не очень верю в материалы для хранения водорода? Они существуют и где-то применяются, но, пожалуй, основное применение, которое им в свое время пророчили для автомобилей, никогда не будет реализовано. Нужно из водорода выделить порядка 15 процентов по массе и затем материал зарядить обратно этими же 15 процентами. Таких материалов нет, потому что такое количество водорода нельзя извлечь ни из одного материала.

Микропористые материалы или так называемые цеолиты. Они активно используются для разделения углеводородов. Их еще называют молекулярными ситами. Такие отходы, как углекислый газ, также можно захоронить с помощью микропористых материалов.

Газовые гидраты или клатраты. Это форма льда, в которой молекулы воды образуют такую ажурную конструкцию с большими пустотами. В эти пустоты можно поместить дополнительные молекулы: углекислый газ, хлор, метан. То есть, некоторые ядовитые вещества можно поместить в такой лед и затем безопасно захоронить на морской глубине. На глубинах в 350 метров и больше, вещества становятся совершенно устойчивыми и могут храниться миллионы лет абсолютно безопасно. Природа уже использует такие формы для хранения метана. И запасов метана в этой форме больше, чем запасов традиционного природного газа. Раньше говорилось, что даже на два порядка. Сейчас говорят, что в разы. Правда, до сих пор природный газ из газовых гидратов никто не может рентабельно извлекать. И энергетика будущего будет во многом завязана на этом классе природных материалов.

Вопросы Артёму Оганову

Олег Причко:
Можно ли предполагать, что в каком-то обозримом будущем появятся материалы, революционно решающие систему топлива применительно к газовым гидратам?

Артём Оганов:
Я думаю, что извлечение газа из газовых гидратов — это вопрос близкого будущего и ничего сверхсложного в этом нет. Тут скорее вопрос рентабельности. Такие вопросы люди умеют решать, и много времени на это не требуется. Что касается революционных технологий, то, конечно, фотовольтаика и солнечная энергетика – это технологии будущего. Фотокаталитическое расщепление воды, например, приводит к тому, что у вас появляется водород уже в газообразной форме, в смеси с кислородом. Поднесите спичку, и вы получите чистую, во всех смыслах слова, энергию. Термоэлектричество — нишевая, но тоже важная вещь, ведь там, где есть у вас рассеиваемое тепло, термоэлектрик — ваш друг. Сейчас уже есть разработка часов, которые не требуют никакой внешней подзарядки вообще — они «питаются» энергией вашего тела. Это может быть полезно полярникам или солдатам.

Михаил Козлов:
А что насчет конструкционных материалов? Где проходит линия фронта работ по ним на сегодняшний день?

Артём Оганов:
Во-первых, сталь продолжают разрабатывать с новыми, улучшенными характеристиками. Во-вторых — суперсплавы. В-третьих — пластики, а также металлические сплавы, армированные углеродными нанотрубками. Это может быть использовано для производства самолетных корпусов, чтобы они стали легче. Армированные пластики для облегченных самолетов — это то направление, куда все и идет. И, конечно, спецсплавы, которые тоже продолжают разрабатывать.

Леонид Каганов:
Что по поводу радиоактивных батареек? Есть ли в ближайшем будущем возможность, что появятся более эффективные материалы, чтобы извлечь из них напрямую электрический ток.

Артём Оганов:
Честно говоря, я не знаю. Возможно, это термоэлектрики, но там не такое большое нагревание… Я думаю, что в этой области уже все, что могли сделать, сделали. И это работает очень эффективно. Кстати, в этом контексте хочу рассказать о том элементе, о котором мы слышали с немного неправильной стороны — о полонии. Он обладает малым периодом полураспада и настолько интенсивно распадается, что его крупица от радиоактивного тепла вскипает. Представляете, какой злой элемент? И он используется в космонавтике для выработки энергии на орбите — дает много энергии за малый период времени.

Другие лекции сессии «Инновации в энергетике»

Copyright 2016 En+ Group Ltd.
Образовательный проект. Проект группы компании En+ Group Ltd.