Драгоценный ресурс: алмазная наножидкость поможет создать экологичные системы отопления
- Статьи
- Наука и техника
- Драгоценный ресурс: алмазная наножидкость поможет создать экологичные системы отопления
Российские ученые разработали алмазную наножидкость, преобразующую солнечную энергию в тепло. В качестве основы авторы взяли воду с частицами измельченного графита, воздействовали на нее мощным ультразвуковым импульсом и микроволновым излучением и превратили графит в наноалмазы размером в десятки раз меньше вирусов. Затем они создали миниатюрный солнечный коллектор — устройство для нагрева воды с помощью энергии света. С такой наножидкостью он продемонстрировал рекордную эффективность в 87%. Разработка позволит усовершенствовать и удешевить экологически чистые системы отопления, рассказали «Известиям» специалисты.
Как превратить графит в алмазы
Ученые Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (МЭИ) протестировали алмазную наножидкость, которую синтезировали и запатентовали специалисты из ООО НПК «Наносистемы» (Ростов-на-Дону). Как рассказали «Известиям» ученые, в качестве основы для наножидкости они взяли воду с частицами измельченного графита. На нее подействовали мощными ультразвуковыми импульсами и микроволновым излучением, под действием которых в воде возникли микроскопические пузырьки. Их схлопывание локально повысило температуру воды до 5000 °C, а давление — до тысячи атмосфер. В этих условиях графит превратился в наноалмазы размером в десятки раз меньше вирусов.
Таким методом авторы приготовили наножидкости с разными концентрациями алмазных частиц — от 0,01% до 0,55%. Затем исследователи поместили полученные образцы в экспериментальную установку с лампой, по спектру имитирующей солнечный свет, и проверили, насколько быстро жидкости нагреваются.
Эксперимент показал, что жидкость с концентрацией алмазных наночастиц в 0,1% преобразует энергию солнечного света в тепло с эффективностью 75,8%. Образец с содержанием наночастиц в 0,25% показал лучший результат — его эффективность достигла 87,2%. Это значение превышает характеристики аналогичных коллекторов на основе дистиллированной воды и традиционного твердотельного устройства на 40,7% и 14,5% соответственно.
— Наша разработка поможет повысить эффективность солнечных тепловых установок и других энергоэкономичных систем. Она позволяет быстрее и полнее аналогов преобразовывать солнечный свет в тепло, что означает получение больших объемов горячей воды и тепла при меньших затратах. Такая технология особенно полезна для домов, предприятий и целых поселков в удаленных районах, где доступ к централизованным источникам энергии ограничен или отсутствует. Внедрение этой разработки поможет сделать солнечную энергетику доступнее, снизить зависимость от нефти и газа, а также уменьшить выбросы парниковых газов, — рассказала «Известиям» ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского отдела «Гидродинамика и теплоперенос при испарении, кипении и конденсации рабочих жидкостей на поверхности гибридных графеновых композитов применительно к перспективным направлениям традиционной и альтернативной энергетики» НИУ «МЭИ» Инна Михайлова.
Это шаг к более чистому воздуху, стабильным ценам на энергию и большей энергетической независимости, подчеркнула специалист. В будущем такие решения могут изменить подход к обеспечению теплом и энергией городов и сельских районов по всему миру, добавила она.
Традиционно в системах отопления и горячего водоснабжения для нагрева воды в качестве топлива используют электрическую энергию, газ или твердые материалы, например уголь и пеллеты (спрессованные древесные отходы). Однако более экологичной альтернативой может служить солнечная энергия. Для ее преобразования используют коллекторы, в которых твердые носители, такие как полупроводниковые кристаллы, поглощают свет и передают его энергию в теплопроводящие системы. Но такие устройства несовершенны: они теряют часть энергии из-за неэффективного поглощения и теплопередачи.
Как алмазная наножидкость влияет на живые организмы
Ученые разрабатывают солнечные коллекторы, в которых рабочим элементом служит наножидкость — раствор с частицами, хорошо поглощающими и проводящими тепло. Однако большинство существующих таких жидкостей либо дороги в производстве, либо недостаточно стабильны, рассказали специалисты.
Замена традиционных видов топлива, в том числе нефти, газа и угля на возобновляемые ресурсы, например энергию ветра и солнечный свет, вызывает интерес ученых уже давно, рассказала «Известиям» доцент департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции Института экологии РУДН им. Патриса Лумумбы Татьяна Ледащева.
— Предложен альтернативный вариант солнечного коллектора, в котором рабочим элементом служит наножидкость — раствор с наночастицами алмазов (наноалмазами), хорошо поглощающими и проводящими тепло. Отмечена более низкая стоимость представленного образца по сравнению с имеющимися на рынке аналогами и его стабильность. Безусловно, при массовом производстве данное новшество может повысить эффективность солнечных тепловых установок и других энергоэкономичных систем в районах с достаточным количеством солнечного излучения и способствовать повышению энергоэффективности и экологичности энергетической отрасли, — сказала специалист.
При этом Татьяна Ледащева отметила: не существует универсального решения для всех территорий и условий. Так, есть районы с разной продолжительности светового дня и, соответственно, солнечного излучения, и важно обеспечить потребителей в бессолнечные дни. Также необходимо учитывать аспект устройства накопителей энергии и аккумуляторов тепла, их срока службы и дальнейшей утилизации.
Разработка новых технологий, позволяющих увеличить коэффициент полезного действия подобных установок, важный процесс, подчеркнул член Общественного совета при Минприроды России, главный редактор научного журнала «Отходы и ресурсы» Владимир Пинаев.
— Следует также обратить внимание на влияние наночастиц алмазов на живые организмы при попадании в окружающую среду. Существуют исследования, касающиеся влияния наночастиц алмазов на живые организмы. Так, например, в работах 2014 года говорится об угнетающем влиянии наночастиц алмазов на развитие рыбок зебрафиш (Danio Rerio). В более поздних работах, касающихся, например, влияния частиц наноалмазов на светящиеся бактерии, говорится уже о положительном влиянии на них, — сказал эксперт.
Таким образом, до запуска подобных устройств в производство необходимо провести дополнительные исследования. И решить вопрос с переработкой вышедшего из строя оборудования и предотвращением проливов, не допуская попадания в окружающую среду жидкости, содержащей наноалмазы, резюмировал Владимир Пинаев.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.
