Проекты лаборатории Swissnex показали в Астане

Асеф Азам выглядел, как настоящий ученый — в белом халате, с ярко-синими перчатками на руках. zvg

Более полувека назад был опубликован фантастический роман Станислава Лема «Астронавты», на страницах которого автор следующим образом описывает источники энергии будущего: «в 2003 году... фотохимические преобразователи под воздействием солнечных лучей превращают углекислоту и воду в сахар. Этот процесс, в течение многих веков совершавшийся в растениях, теперь был подвластен человеку».

В своем прогнозе писатель-фантаст немного ошибся. Михаэль Гретцель, профессор Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL), электрохимические ячейки, имитирующие фотосинтез растений, разработал гораздо раньше, уже в 1991-м. Принцип работы этой революционной технологии просто, доступно и наглядно демонстрировали на этой неделе в лаборатории Swissnex в павильоне Швейцарии на ЭКСПО-2017 в Астане.

25 июня, 13:00, время местное, лаборатория Swissnex. Сегодня здесь аншлаг, все места заняты. Посетители с интересом изучают внутренний интерьер помещения, который напоминает рубку космического корабля в ожидании капитана, вместо которого, однако, появляется Асеф Азам, инженер компании «Glass2Energy». «Сегодня я научу вас собирать фотогальванические панели из электронных и органических компонентов» — перейдя сразу к делу, начал он свою лекцию. Асеф Азам выглядел, как настоящий ученый — в белом халате, с ярко-синими перчатками на руках.

И в этих самых перчатках вместо пробирок, колбочек и других атрибутов ученых-химиков А. Азам принес с собой пачку чайных пакетиков, банку варенья и прозрачные стеклянные пластины. «Перед тем, как приступить к сборке солнечных батарей, необходимо разобраться, что же такого инновационного было собственно в изобретении Гретцеля» — начал А. Азам, предлагая публике совершить небольшой экскурс в историю швейцарской науки. «Сегодня Махаэль Гретцель — уважаемый ученый, лауреат нобелевской премии для инженеров, которая называется „Технология тысячелетия“. Но еще 20 лет назад он был простым химиком, исследующим природу таких полупроводников как титановые белила».

В основе разработки М. Гретцеля — новый метод измельчения титановых белил до наночастиц. Как правило, их размер не превышает 20-30 нанометров. Поэтому водный раствор на их основе частиц остается абсолютно прозрачным, пока в него не добавить натуральные красители, например, получаемые из лесных ягод. Оказывается, они хорошо абсорбируют солнечные лучи. И это вторая часть эксперимента. В третьей полученную смесь ученый выставил на свет. И здесь всех ожидал сюрприз. Под воздействием света электроны пришли в возбужденное состояние, переместившись из красителя в белила. После этого осталось дело за малым. М. Гретцель подвел к белилам электрические провода — и вот уже возник постоянный ток. Это и стало в свое время первым шагом на пути к созданию инновационной энергетической технологии.

Лепестки мальвы в роли полупроводников

Одновременно с детальным рассказом о технологии работы «ячеек Гретцеля», А. Азам проделал с принесенными предметами несколько нехитрых операций. Заварил чай на лепестках мальвы и окунул в стакан одну из стеклянных пластин. Другую пластину он разрисовал графитовым карандашом. В этот момент зрители в изумлении наблюдали за инженером в ожидании результатов.

«Теперь необходимо нанести следующий слой на первую пластину. Сегодня в качестве электролита, создающего необходимую среду для электрического тока, у нас будет варенье. Первая половина готова. Теперь над ней устанавливаем вторую. Она у нас покрыта графитом. Одно из свойств этого вещества — высокая электропроводимость. Затем соединяем эти две панели герметично, насколько это возможно. В итоге, получается светочувствительная батарея» — закончив свой рассказ, А. Азам предложил всем желающим самостоятельно сделать подобные панели.

Аружан Хамитова свою солнечную панель собрала одной из первых. Она учится в Астане в физико-математической спецшколе, а потому она довольно быстро освоила практические навыки работы с искусственным фотосинтезом. «Получилось достаточно легко. Я думаю, что это полезные занятия. Единственное, что я не поняла, почему две стеклянные пластины мы так ненадежно скрепляли. Хотелось бы, чтобы такие панели были более долговечными» — поделилась своими впечатлениями от семинара А. Хамитова.

Оксане Никулиной сборка мини-электростанции тоже показалась интересной. По профессии она — врач, поэтому её интересует все, что связано с «зелеными» технологиями. «Мне кажется в нашем солнечном Казахстане использование таких батарей очень актуально: минимум потребление энергии, и максимум выгоды. Правда, я так и не поняла, причем здесь титановые белила, но я не являюсь специалистом-химиком, и мне это простительно» — рассказала О. Никулина.

Затем, после всех проведенных экспериментов А. Азам, раскрыл секрет действия используемых ингредиентов. Оказывается, варенье содержит диоксид титана в виде наночастиц, которые также используется в красках. А чай из листьев мальвы хорошо поглощает видимый свет. «Для модуля размеров в один квадратный метр, который производит 40 Ватт, мне необходимо 0,6 граммов синтетического красителя. Этот объем эквивалентен примерно 10 граммам чая. Но если нам понадобится что-то стабильное, то я, конечно, не буду использовать чай, предпочтя химически устойчивую краску, которой нужно всего-то 0,6 литра на 1 кв. метр» — пояснил А. Азам.

Все дело — в перовските

Говоря о солнечных панелях, работающих с помощью чая и варенья, важно упомянуть о другом изобретении ученых из Федеральной политехнической школы Лозанны. Речь идет об альтернативе кристаллам кремния. Чтобы оценить значение этой технологии необходимо вернуться в 1950-е годы, когда впервые стали использоваться фотоэлементы на основе кремния. Электроны этого редкоземельного металла заряжаются на свету. Так возникает электрический ток, который зажигает лампочки и заставляет работать микроволновые печи. Впрочем, как ни совершенствуй эту технологию, производство кремния — дело нелегкое и дорогостоящее. Кроме того, при слабом свете кремниевая технология не работает.

Команда физиков под руководством Михаэля Гретцеля пошла другим путем. Ученые изобрели новый способ выращивания кристаллов на основе перовскита (титанат кальция, CaTiO3), сравнительно редкого для поверхности Земли минерала. Перовскит встречается преимущественно в тальковых и хлоритовых сланцах, и в Швейцарии как раз есть его месторождения. Благодаря этому минералу производительность солнечных панелей увеличивается на 20 процентов, а их себестоимость значительно снижается. Минерал этот, кстати, был открыт в 1839 году на Урале немецким геологом Густавом Розе (Gustav Rose; 1798 — 1873) и назван им в честь русского графа Льва Алексеевича Перовского (1792—1856).

«Продукты, которые производит наша компания, полностью изменят внешний облик домов» — с уверенностью прогнозирует А. Азам. «Сейчас здания только потребляют энергию. Но в будущем они будут сами ее вырабатывать. И чем выше дом, тем больше энергии можно произвести. Это как в компьютерах, в цифровой сфере, там мы используем «облака» для всего. Завтра наши дома будут энергетическими «облаками», — добавил А. Азам. Такая перспектива студентки Дане Кошен показалась очень заманчивой. Она тоже участвовала в семинаре и с удовольствием слушала лекцию А. Азама. «Мне кажется, что использовать такие панели – это очень эстетично, ими ведь можно украшать дома, отбойники или противошумные стены вдоль автотрасс. Как сейчас вижу, стою в пробке, и тут неожиданно у моего электрокара кончилось „топливо“, но я тут же подзарядила машину от дорожного забора. Круто же!» — с воодушевлением рассказала Д. Кошен.

Швейцарские ученые уже сегодня называют свою технологию надежным источником энергии будущего. Однако о настоящем пока говорить рано. Человечество сейчас потребляет около 15 тераватт энергии в год, причем на долю солнечной энергии приходится не более одной тысячной процента. Впрочем, по словам экспертов, стремиться к 100-процентной эффективности здесь и не стоит. Например, в процессе фотосинтеза перерабатывается только 2% от общего объема получаемой энергии света. И этого вполне достаточно для жизни на планете. Поэтому перед учеными Швейцарии сегодня стоит задача увеличить КПД своих панелей хотя бы до 7%. Кроме того, дальнейший успех «ячейки Гретцеля» зависит от второй фазы фотосинтеза — разложения воды на составные элементы. Но это уже другая история.