Химия, движение и сама жизнь: как устроены самые необычные аккумуляторы

Знаменитая формула Альберта Эйнштейна — E=mc² — утверждает, что энергия есть в любом теле и любую материю можно превратить в чистую энергию. Пытаясь создать более эффективные аккумуляторы, ученые пробуют получать энергию из ядер атомов, бактерий, движения и многих других источников. Что из этого получается — в материале «Энергии+».

Ядерная энергия

Ядерные аккумуляторы используют распад радиоактивных изотопов для выработки электричества. Во время этого процесса химическое вещество — например, плутоний — излучает частицы, которые создают энергию при взаимодействии с полупроводником.

Ядерные аккумуляторы долгие годы не нуждаются в зарядке. К примеру, космический зонд «Вояджер-1» с 1977 года и до сих пор передает данные с помощью такого аккумулятора. Благодаря ему он смог сообщить нам, что покинул пределы Солнечной системы.

Преимущество этого источника энергии в долговечности и надежности. Правда, в повседневной жизни его использовать нельзя: дорого и небезопасно. Ученые давно пытаются придумать бытовой ядерный аккумулятор, но до доступного серийного продукта дело до сих пор не дошло.

Энергия жизни

Мозг человека вырабатывает достаточно электричества, чтобы запитать светодиодную лампочку. Производить энергию способны и микроорганизмы. Принцип действия таких биоаккумуляторов похож на фотосинтез: вместо солнечного света бактерии перерабатывают органическое сырье или вторсырье и генерируют электрический ток.

Живой аккумулятор смог бы одновременно генерировать электричество и очищать сточные воды. Проведенные эксперименты показали, что некоторые прототипы смогли бы работать десятилетиями и поддерживать работу микроэлектроники. Однако внедрить биоаккумуляторы в повседневную жизнь пока не удается: бактерии нужно содержать в подходящих для них условиях и не забывать «кормить». Иначе долго живая батарейка не прослужит.

Энергия газа

В обычных батарейках используются твердые или жидкие вещества, но энергию можно получать и из химических реакций газов. Однако если активное вещество улетучится, аккумулятор станет бесполезным. Как удержать газ в корпусе?

Решение нашел советский инженер Александр Пресняков. В своем газовом аккумуляторе он использовал активированный уголь. Каждый грамм этого материала содержит сотни квадратных метров микроскопических пор, которые могут удерживать газ. Во время его зарядки через электролит пропускают электрический ток, запускается процесс электролиза, и выделяются газы. Уголь внутри аккумулятора поглощает их, как губка. Когда нужна энергия, аккумулятор подключают к электроцепи, и газы начинают взаимодействовать друг с другом, создавая электричество.

Несмотря на оригинальность решения, газовые аккумуляторы вдвое уступают литийионным в эффективности.

Энергия движения

Чем сильнее вы раскрутили карусель, тем сложнее ее остановить. Вращение хранит энергию — на этом принципе работают инерционные аккумуляторы. В их основе ротор —массивный вращающийся диск. Во время зарядки он раскручивается, создавая запас кинетической энергии (энергии движения). Когда заряд нужно использовать, генератор преобразует кинетическую энергию обратно в электрическую.

Чтобы вращение ротора было максимально долгим, его помещают в вакуум, что исключает сопротивление воздуха, а чтобы «подвесить» диск в вакууме, используют магнитные подшипники: так движение ротора не замедлится из-за трения об опору.

Такие батареи применяют в энергетической промышленности: аккумуляторы с супермаховиками, изготовленными из полимеров, используют на атомных и теплоэлектростанциях как дополнительные источники энергии при пиковых нагрузках на электросеть и как накопители энергии, когда нагрузка падает.

Перспективные области внедрения инерционных батарей — транспорт и космос, где важна легкость аккумулятора. Супермаховики, разогнанные до огромных скоростей, могут запасать больше энергии на единицу массы, чем другие известные накопители. Так, для Международной космической станции разработали маховичную энергетическую установку, которая по эффективности превзошла никель-водородные аккумуляторы.

Быстрая энергия

Представьте, что вы заряжаете электромобиль быстрее, чем наполняете бензобак. Технологии для сверхбыстрой зарядки существуют: суперконденсаторы, или ионисторы, способны накапливать и отдавать большое количество электроэнергии за считаные секунды.

Для накапливания энергии супеконденсатор использует электрическое поле между двумя электродами. Они обмениваются заряженными частицами напрямую, без электрохимических реакций. Электролит между электродами позволяет «удерживать» заряд.

Плюсы ионистора впечатляющие: он выдерживает сотни тысяч циклов зарядки — разрядки, не теряя эффективности. Однако максимальная емкость в пересчете на массу пока в 20–30 раз меньше, чем у литийионных батарей. Поэтому суперконденсаторы применяют не для того, чтобы «брать» энергию с собой, а ради мощной стационарной зарядки. Например, они могут быстро «заправить» электробусы во время остановок.