Выработанный мировой политикой курс на отказ от использования ископаемого топлива в транспортном секторе и для электрогенерации определяет жёсткие временные рамки для освоения инновационных технических возможностей и перехода на новые технологии. В этом аспекте прочно занял сегодня позиции мировой тренд, который находит самое широкое освещение в средствах массовой информации — отказ от использования транспорта с ДВС и переход на электромобили.
В сравнении с 2019 годом в 2020 году глобальный рынок электромобилей вырос на 41%, отмечает портал Motoring Research. Рекордные показатели фиксируются и в первом квартале 2021 года несмотря на пандемию – за это время продано в два с половиной раза больше электромобилей по сравнению с аналогичным периодом прошлого года. Однако, необходимо отметить, что не всех водителей удовлетворил опыт эксплуатации электромобилей. По данным сайтам nature.com, в Калифорнии Покупатели гибридных автомобилей и электромобилей в дальнейшем отказались от них их эксплуатации: гибридных автомобилей и сделали выбор в пользу машин только с двигателем внутреннего сгорания 20% опрошенных, а среди отказавшихся от электромобилей доля таких отказов 18%. Причинами отказов, по словам водителей, стали неудобство при зарядке, параллельное владение другим автомобилем, отсутствие дома зарядки с напряжением 240 вольт.
Несмотря на это, по оценке аналитиков Boston Consulting Group, к 2026 году более половины мировых продаж легковых машин будут составлять электромобили. Такие темпы перехода на электромобильность требуют не только серьезных инвестиций в инфраструктуру их зарядки и осуществления дополнительных электрогенерирующих мощностей в энергетике, но и создания целой отрасли утилизации и переработки аккумуляторных батарей, отработавших свой срок.
Подобная проблематика, связанная с производством электромобилей первого поколения, найдет своё решение при старте процесса выпуска электромобилей второго поколения, которые характеризуются прежде всего отсутствием необходимости их зарядки от централизованного электроснабжения. Электромобили второго поколения будут иметь встроенные в их корпуса автономные источники постоянного тока, которые в состоянии преобразовывать энергию окружающих электромагнитных и тепловых полей в электрический ток. Такая технология, получившая название Neutrinovoltaic, разработана немецко-американской компанией Neutrino Energy Group под руководством Holger Thorsten Schubart.
Возможность преобразования окружающих электромагнитных полей в электрический ток, реализовалась благодаря исследованию особых свойств графена. Данные, опубликованные различными исследовательскими институтами во всем мире, показывают, что графен, благодаря свойству повышенных колебаний его атомов по сравнению с другими материалами, относясь к 2D материалам, может устойчиво существовать, если ведёт себя как 3D материал. Колебания атомов графена, обусловленные особенностями кристаллической решётки, приводят к появлению «графеновых волн», которые наблюдаются под микроскопом с сильным разрешением. С единицы поверхности графена можно получить относительно небольшую мощность тока, поэтому изначально было не совсем ясно, как использовать данное открытие в прикладных целях.
Экспериментальные работы по значительному увеличения выходной мощности с единицы поверхности электрогенерирующего материала, проведённые научным коллективом немецко-американской компании Neutrino Energy Group, позволили найти решение этой проблемы. Была реализована идея, которая заключалась в создании многослойного наноматериала: с этой целью на металлическую фольгу наносилось одностороннее многослойное покрытие методом осаждения из паровой фазы, состоящее из чередующихся слоёв графена и легированного кремния. Сторона фольги с напылением представляет собой положительный полюс, а непокрытая поверхность – отрицательный. Воздействие электромагнитных излучений вызывает вертикальные колебания атомов графена, а атомов кремния – в горизонтальное, приводя колебания к резонансу атомных вибраций, которые многократно увеличивают ток.
Сами по себе атомные колебания не могут вызвать электрический ток, поэтому задача стояла в том, чтобы направлять электроны графена в одном направлении. Для этого должна быть нарушена внутренняя симметрия материала, или то, что физики называют «инверсией». Обычно, электроны графена должны чувствовать равную силу между ними, а это означает, что любая поступающая энергия рассеивает электроны во всех направлениях, симметрично. Необходимо было сломать инверсию графена и вызвать асимметричный поток электронов в ответ на поступающую энергию от нейтрино и других электромагнитных излучений. Holger Thorsten Schubart и его команда предположили, что размещение слоя графена между слоями легированного кремния выбивает электроны графена из равновесия, электроны, ближние к кремнию, испытывали определенное воздействие. Общий эффект заключался в явлении, которое физики называют «косым рассеянием» — термин, определяющий процесс, при котором облака электронов отклоняют свое движение в одном направлении. Чем сильнее энергия поступающих излучений, тем сильнее частота и амплитуда колебаний «графеновых волн», а значит больше энергии можно преобразовать в постоянный электрический ток.
Neutrinovoltaic технология позволяет изготовить различные по габаритным размерам и выходной мощности источники постоянного тока, которые можно размещать как внутри корпусов различных приборов и оборудования, так и в виде отдельных изделий, например для электроснабжения домов.
Так как преобразование энергии электромагнитных, включая энергию нейтрино, и тепловых окружающих полей не зависит от погодных условий, такие источники генерируют электроэнергию 24 часа в сутки, 365 дней в году и работают в базовом режиме, что позволяет отнести их к источникам гарантированного электроснабжения. При таких характеристиках становится возможным устанавливать на электромобили небольшие аккумуляторные батареи, что существенно экономит использование таких дефицитных материалов, как литий и кобальт, и уменьшает соответственно стоимость электромобилей.
Однако, адаптация Neutrinovoltaic технологии для электромобилей требует дополнительных исследовательских и опытно-конструкторских работ. Для подобных решения задач компания Neutrino Energy Group заключила в марте 2021 года Меморандум о сотрудничестве с ведущим индийским научно-исследовательским центром по исследованию метаматериалов C-MET. Стартовый бюджет проекта составил $2.5 млрд. и предусматривает строительство в Германии технического и выставочного центра, а также завода по производству Pi-Car электромобилей.
Автор: к.т.н. Румянцев Л.К.