Главная » Экономика и Инновации » ТЕХНОСФЕРА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ.

ТЕХНОСФЕРА ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ.

08.09.2019 17:29

       Ныне развитие человечества характеризуется стремительным «истреблением» всех видов энергетических ресурсов, теплового «загрязнения» атмосферы, и как следствие - приближением энергетического кризиса и экологического «шока» на Земле. Потепление на планете идет уже около 10 тысяч лет, и по расчетам климатологов уже должна бы наступить эпоха похолодания. Но идет потепление, скорее всего, как результат деятельности человека. Создаваемая им «дополнительная» энергия «загрязняет» окружающую среду, вызывает излишнее и вредное потепление на Земле. Что касается России, то здесь (как и в скандинавских странах) потепление идет в 2,5 раз быстрее. Ущерб от потепления в Арктике и вообще на планете, по подсчетам специалистов, может составить к концу нынешнего века около 90 триллионов долларов. Выход из этой ситуации - вместо стремительного «истребления» углеводородного топлива и организацию, тем самым, «дополнительного» потепления на Земле, создать существующую в гармонии с природой, особо эффективную, утилизирующую опасное, излишнее, «дополнительное» потепление на Земле, природоподобную техносферу, и, прежде всего, природоподобную энергетику.

       Новая техносфера. Преобразование энергии.

       Технология - это всегда управление тем или иным процессом. В энергетике же - преобразование энергии. В XVIII веке были созданы первые преобразователи тепловой энергии в механическую - паровые двигатели, а затем, в XIX веке, другие, более эффективные преобразователи - двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины. В XX веке турбины тепловых электростанций стали «посредниками» - их объединили с электрическими генераторами - производителями энергии электрической, которая затем, после использования, самопроизвольно вновь преобразуется и, также как тепло и дым из труб электростанций, поступает в окружающую среду в виде («грязной», дополнительной к возобновляемой солнцем, вызывающей «парниковый» эффект и изменение климата) тепловой энергии.

       «Проявления же перегрева, - считает Сергей Хайтун, кандидат физико-математических наук, в.н.с. Института истории естествознания и техники РАН, - станут катастрофическими, когда добываемая энергия достигнет 0,1 % (одна экспертная оценка) или 1 % (другая оценка) от солнечной энергии, то есть через 50-80 или 130-200 лет соответственно. А если к этому добавить перегрев от деятельности самого человека, то и раньше. Выход просматривается только один - нам предстоит научиться собирать (концентрировать - М. С.) рассеиваемое тепло, чтобы вновь и вновь использовать (преобразуя - М. С.) его энергию».

       Такие выдающиеся ученые и естествоиспытатели, как Фридрих Энгельс, Николо Тесла, К. Э. Циолковский, Л. А. Чижевский искали пути утилизации тепла, а академики И. П. Бардин и С. А. Векшинский поддерживали профессора П. К. Ощепкова в его пионерских исследованиях возможности создания энергетических установок, преобразующих возобновляемое солнцем, а также создаваемое в результате человеческой деятельности и «загрязняющее» окружающую среду, тепло в электроэнергию.

       Преобразование энергии.

       Созданы и применяются имеющие низкие выбросы «грязных» парниковых газов и тепловой энергии, сберегающие углеводородные ресурсы ветряки и солнечные батареи. Их работа основана на известных и потому «переходных» технологиях преобразования энергии ветра и солнечного излучения в электроэнергию. Но и они - не панацея. Для обеспечения год от года нарастающих потребностей человечества в электроэнергии в перспективе ветряками и солнечными батареями пришлось бы покрыть большую часть или даже всю поверхность Земли. К тому же, эффективность их работы зависит от состояния атмосферы: в условиях штиля (безветрия) и облачности они перестают работать, и приходиться использовать традиционные, опасные для окружающей живой природы тепловые и атомные электростанции.

       Термоэлектрические генераторы.

       В конце прошлого веке функцию утилизации излишней, «грязной», опасной, «дополнительной» тепловой энергии взяли на себя термоэлектрические генераторы-преобразователи тепловой энергии в электрическую. Прямое, без посредников, преобразование термоэлектрическими генераторами тепловой энергии в электрическую основано на давно известном эффекте Зеебека (открыт 180 лет назад): при нагревании одной стороны термоэлектрического модуля (ТЭМ) и охлаждении другой его стороны, на контактах возникает электрическое напряжение (ЭДС). Нагрев происходит, например, за счет сгорания природного (попутного нефтяного) газа или отбора горячего пара тепловых котлов. Основные элементы термоэлектрогенератора: камера сгорания топлива, теплоприемник, термоэлектрический модуль и радиатор. Разработан проект замены автомобильного генератора электрического тока на систему, электричество в которой будет производить термоэлектрический модуль, использующий разницу температур между нагретой выхлопной трубой автомобиля и охлаждающей жидкостью. Недостаток прежних аналогичных систем: температура выхлопной трубы в 500-800 градусов Цельсия разрушала контакты термомодуля.  Разработана технология создания наноматериалов для изготовления контактов, выдерживающих такие высокие температуры. Благодаря прямому преобразованию тепловой энергии в электрическую термоэлектрические модули, по сравнению с генераторами ТЭС, отличаются: бесшумностью работы; отсутствием подвижных частей и рабочих жидкостей; работой в любом пространственном положении; малыми размером и массой; простой управления. Такие генераторы частично утилизируют выбросы тепловой энергии, уменьшают тепловое загрязнение окружающей среды. Однако сами эти генераторы используют для своей работы достаточно высокие температуры горения различных видов загрязняющего окружающую природу углеводородного топлива. КПД преобразования ими тепловой энергии в электрическую невелик и составляет 8-47 % при создаваемой мощности 0,1 Вт-7 кВт.

       По плодам узнается древо.

       Ученик К. Э. Циолковского, биофизик, профессор А. Л. Чижевский писал о том, что основоположник космонавтики интересовался энергетикой и видел решение «проблемы полного перехода тепловой энергии в электрическую со стопроцентным коэффициентом преобразования» в глубоком изучении электронной теории, и особенно в ее (природоподобном - М. С.) приложении к биологическим процессам. Впервые теория и научная разработка устройства преобразования низкопотенциальной (рассеянной в несметных количествах в окружающей среде и возобновляемой солнцем и пополняемой деятельностью человека) тепловой энергии в электрическую в приложении к   квантово-волновой механике и микроэлектронике приведены в написанной профессором П. К. Ощепковым в 1943 году монографии «Можно ли использовать энергию окружающей среды?» (опубликована в 2014 году). В ней П. К. Ощепков исследует возможности и физические условия решения поставленной К. Э. Циолковским задачи преобразования низкопотенциальной, рассеянной в окружающей среде тепловой энергии в электрическую. Для поиска решения этой проблемы в Академии наук СССР была, по существу, создана в 1954 году Электрофизическая лаборатория. Здесь под руководством профессора П. К. Ощепкова впервые было предложено искать решение проблемы преобразования низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую в приложении к квантово-волновой механике и микроэлектронике.

       В 1959 году Павел Кондратьевич в предисловии к книге своего ученика и соратника, инженер-полковника, кандидата технических наук  И. И. Гвая «О малоизвестной гипотезе Циолковского» впервые публикует принцип (предложен в 1943 году) создания асимметричного, потенциального, энергетического микробарьера в качестве основы реализации предлагаемой концепции организации однонаправленного движения электронов (электротока) в замкнутой системе (схеме), состоящей из микропроводника и встроенных в него микрополупроводников. Для поиска решения этой проблемы в Академии наук СССР была, по существу, создана в 1954 году отдельная Электрофизическая лаборатория. Здесь под руководством выдающегося ученого, организатора науки и изобретателя радиолокации (видение на расстоянии) и интроскопии (видение внутри), профессора П. К. Ощепкова (1908-1992) впервые был запущен  теоретический и экспериментальный поиск решения актуальной сегодня проблемы концентрации и преобразования в гигантских количествах рассеянной в окружающей нас среде, возобновляемой солнцем и добавляемой (излишней) деятельностью человека, тепловой энергии в электрическую в приложении к квантово-волновой механике и микроэлектронике.

       Для решения этой проблемы была разработана технология, реализованная с помощью микроэлектронной, экспериментальной, демонстрационной энергетической установки, которая была создана и испытана с положительным, но недостаточным квантовым и энергетическим эффектом преобразования низкопотенциальной, возобновляемой солнцем и деятельностью человека, рассеянной тепловой энергии окружающей среды в электрическую энергию. Дальнейшая работа была продолжена и после перехода П. К. Ощепкова из Электрофизической лаборатории в созданный и руководимый им Институт интроскопии. После же ухода профессора из жизни эта работа была приостановлена в ожидании создания необходимых для продолжения и развития исследований и экспериментов принципиально новых, монокристаллических проводящих и полупроводниковых материалов. Ну, а природоподобное решение этой проблемы, её развитие в приложении к биоэнергетическим процессам, технологиям и конструкциям живой клетки профессор оставил своим ученикам и соратникам.

       Природноподобные технологии.

       Наметились два пути исследований биогенерации электроэнергии клетками животных и их моделирование. Первый - это копирование природы: разобрать по молекулам и смоделировать, например, чудо природы - биэнергетику клеток рыбы-угря. Такую задачу поставили перед собой Jian Xu (Yael University, США) и David Lavan (NIST - Национальный институт стандартов и технологий США). На основе такого копирования они разработали математическую модель работы электрических клеток угря, и сравнили её с ранее полученными экспериментальными данными. На основе этого сравнения были разработаны модели искусственных клеток угря. По мнению ученых эти искусственные клетки, соединенные последовательно и уложенные в объеме куба со стороной чуть более четырех миллиметров, будут способны производить электроток мощностью около 300 микроватт, достаточный для выращивания имплантатов и работы миниатюрных наноустройств.

       Предполагается, что источником энергии для работы этих искусственных клеток-биогенераторов послужит, как и для их природных аналогов, синтезируемые в митохондриях электрических клеток угря (и вообще в любых живых клетках растений и животных) хранители энергии - молекулы адезинтрифосфата (АТФ). Другой, отечественный путь - разработать новые подходы к раскрытию природы механизма биогенерации электроэнергии, его последующего моделирования и создания, на этой основе, природоподобного теплоэлектрогенератора. Такую проблему, возможно, смогут решить находящиеся в научной разработке представители новой техносферы - природоподобные, гибридные, генерирующие, концентрирующие и хранящие электроэнергию нанобиотехнологии, которые обещают полностью изменить саму научную парадигму энергетики и облик всего мира.

       Биоэнергетика: новые подходы.

       Один из путей создания новой техносферы в энергетике - развитие научных исследований биоэнергетики живых клеток. Традиционно процессы биогенерации электроэнергии объясняются в рамках хемиосмотической теории Питера Митчела как сочетание «темнового» (без света, в отличие от растительных клеток) процесса «дыхания» и переноса электронов (подобие электротока) в электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) внутренних мембран митохондрий (биоэлектростанций клеток) с преобразованием создаваемой в этой цепи электрической энергии в химическую энергию синтезируемой молекулы аденозинтрифосфата (АТФ). Появление в этой теории понятия «электрическая энергия» было таким неожиданным и оказалось таким внушительным, что автор теории даже без экспериментального её доказательства (оно пришло позже) был удостоен Нобелевской премии. Это означает, что премия была присуждена не за открытие нового явления, а за гениальную догадку о его существовании. Однако вопрос о природе механизма биогенерации электроэнергии митохондриями клеток животных продолжал оставаться открытым.

       Хемиосмотическое сопряжение энергии.

       (а) Общий принцип (изображение: «В мире науки»).

       (б) Аналогичная электрическая цепь.

       В ходе анализа традиционной теории Питера Митчела, и поиска новой модели механизма биогенерации электроэнергии представителями научной школы профессора П. К. Ощепкова были впервые разработаны и использованы междисциплинарные (на стыке биоэнергетики и нанотехнологии) подходы к теоретическим и прикладным исследованиям механизма генерации электроэнергии структурами внутренних мембран митохондрий клеток животных и человека. Вскоре необходимые для развития этих исследований и экспериментов монокристаллические, толщиною в один атом 2D-наноматериалы (графен и другие) были получены в 2004 году нашими бывшими, а ныне английскими, учеными, нобеллистами А. Геймом и К. Новоселовым. Это создало простор для дальнейшего развития теоретических исследований и научных разработок в области биоэнергетики. Поскольку наноструктуры - это естественный уровень организации живого и неживого, мы можем видеть точку конвергенции, в которой молекулярная биология предоставляет свои идеи и компоненты, а нанотехнология обеспечивает новые инструменты и методы для исследования и моделирования фундаментальных процессов клеточной биологии, в том числе механизма биогенерации электроэнергии, характеризующейся высокой квантовой и энергетической эффективностью.

       «Использование таких конвергентных технологий, - считает академик РАН М. В. Алфимов, - позволит построить системы генерации и использования энергии нового поколения, сравнимые по эффективности с природными организмами».

       По мере развития естествознания обнаруживается все более глубокая взаимосвязь между фундаментальными исследованиями механизма нанобиогенерации электроэнергии молекулярными наноструктурами внутренних мембран митохондрий живых клеток, и поисками новых, гармоничных с природой, возобновляемых источников электроэнергии. Понимание механизма нанобиогенерации электричества позволит, во-первых, приоткрыть тайну превращения неживой материи в живую, а, во-вторых, развернуть актуальные сейчас исследования в области нанобиофизического, нанобиоэнергетического и математического моделирования этого механизма. Раскрытие природы механизма нанобиогенерации электроэнергии, его моделирование, возможно, позволит также научиться у действующей в масштабах нанометров живой природы, как следует быстро, природоподобно, а значит безопасно, особо эффективно и автономно, получать электроэнергию.

       Во время работы в лаборатории биохимии клетки НИИ ЭДиТО РАМН (РАН) и последующие годы мною были разработаны принципиально новые нанобиофизическая, нанобиоэнергетическая и математическая (использовано одно из известных решений уравнения Шрёдингера) модели механизма преобразования наноструктурами внутренних мембран митохондрий клетки низкопотенциальной тепловой энергии окружающей среды в электроэнергию. Эти модели и легли в основу разработки природоподобного (подобного митохондрии - в течение жизни долго и непрерывно работающей с высокой квантовой и энергетической эффективностью, «вечной» нанобиоэлектростанции живой клетки, которая умирает только по заложенной в неё программе апоптоза), квантово-волнового, динамического, наноэлектронного, гибридного, автономного, в том числе индивидуального и портативного, долго и непрерывно работающего, наноразмерного теплоэлектрогенератора (TeslaiEnergyNano). Такой теплоэлектрогенератор предназначен для прямого, динамического преобразования в любое время суток даровой, возобновляемой солнцем, рассеянной в окружающей среде низкопотенциальной тепловой энергии в электрическую, аккумуляции и сохранения ее, с помощью суперконденсторов, в таком виде необходимое время, и обратного, в процессе использования электроэнергии потребителем, самопроизвольного преобразования вновь в тепловую энергию. Схема из миллионов таких наноустройств составит природоподобную, автономную, портативную, наноэлектронную, гибридную, саморегулируемая, масштабируемую электробатарею (TeslaiEnergy).

       Если человечеству сегодня «по плечу» разработка таких принципиально новых, гибридных, природоподобных нанобиотехнологий, то вскоре, возможно, «по плечу» будет и создание, на их основе, систем (батарей TeslaiEnergy) из наноразмерных теплоэлектрогенераторов (TeslaiEnergyNano), что обещает полностью изменить облик энергетики всего мира. Системы (батареи) из таких природоподобных устройств будут способны, подобно структурам живых клеток, долго, непрерывно и с особо высоким квантовым и энергетическим эффектом, генерировать и аккумулировать (запасать, хранить), а также использовать электроэнергию. Они станут естественной частью создаваемых в мире новых, распределенных (не традиционных, не централизованных), «умных» энергетических сетей. Создание такой «индивидуальной» техносферы в энергетике означало бы энергетическую независимость для страны, а в перспективе - и для каждого ее гражданина.

       Нанопротезы для митохондрий.

       Сегодня можно говорить о появлении нового направления в науке - наномедицины, которое, по определению Роберта Фрейтаса (Robert Freitas), предполагает:

       «Слежение, исправление, конструирование и контроль над биологическими системами человека на молекулярном уровне с использованием разработанных наноустройств и наноструктур».

       Разработанное наноустройство - теплоэлектрогенератор TeslaiEnergyNano будет по сути наноразмерной моделью, генерирующей электроэнергию замкнутой ЭТЦ мембран митохондрий клеток животных и человека, то есть нанобиороботом. Встроенный в клетку, с помощью средств адресной доставки в неё наноструктур, такой нанобиоробот сможет, в случае ослаблении работы или дисфункции митохондрии, генерировать недостающую клетке электроэнергию или даже заменить больную ЭТЦ митохондрии. При этом он не будет, как митохондрия, создавать условия для выработки, кроме электроэнергии, одноэлектронных, вредных для клетки молекул кислорода. Возможно эти новые исследования и разработки в области нанобиотехнологии и наномедицины - путь к созданию изготовлению нанобиопротезов важнейших для жизнедеятельности клеток и всего организма органэлл - митохондрий.  Можно себе также представить, что это будет один из перспективных путей к долголетию, а, быть может, и бессмертию человека.

       Справка.

       Президент РФ В. В. Путин выступая 28 сентября 2015 года на 70 сессии Генассамблеи ООН в частности сказал:

       «Нам нужны качественно иные подходы. Речь должна идти о внедрении принципиально новых природоподобных технологий, которые не наносят урон окружающему миру, а существуют с ним в гармонии, и позволят восстановить нарушенный человеком баланс между биосферой и техносферой. Это действительно вызов планетарного масштаба».

       Об авторе.

       Сидоров Михаил Александрович 1939 года рождения. Родился, учился и работал в Москве. После школы четыре года был студентом физического факультета МГПИ(У). Затем, работая в школе, учился в МГЗПИ и закончил его физико-математический факультет. После работал в различных КБ, НИИ, в Министерстве черной металлургии СССР. Эту работу совмещал с публикацией научно-популярных статей и очерков в московских газетах и журнале «Юность». Позже работал в редакциях журналов «Металлург» и «Наука России», а также в газете «НТР: проблемы и решения», и печатал свои статьи в РИА «Новости» и в других изданиях. С 1979 года член Союза журналистов СССР, а затем и России.

       Мою жизнь во многом определило сотрудничество с выдающимися учеными и организаторами науки, специалистами в области микроэлектроники и наноэлектроники, членом-корреспондентом РАН Ч. В. Копецким и профессором П. К. Ощепковым. В годы работы в лаборатории биохимии клетки НИИ ЭДиТО РАН и ОНЦ (Москва) сформировал новые, нанобиофизические подходы к исследованию биоэнергетики клеток животных и человека. За эту и другие работы был избран членом-корреспондентом (2004) и вскоре действительным членом РАЕН и её европейского отделения в городе Ганновер (ФРГ). Сейчас я на пенсии. Областью моих научных интересов остаются: нанобиофизика и нанобиоэнергетика клетки, а также наноэлектроэнергетика. Мною написано и издано более 20 книг (3 в Великобритании), много научных и научно-популярных статей и очерков.

Академик М. А. Сидоров.

Добавить комментарий
Внимание! Поля, помеченные * - обязательны для заполнения