Арктическая сталь, космический пластик, «цифровые» масла и другие материалы для энергетики будущего

Современная энергетика требует инновационных материалов: тех, что способны выдерживать лютые морозы Крайнего Севера и горячую плазму термоядерных реакторов. Где и как их создают, «Энергия+» узнала на Форуме будущих технологий.

Солнце на вольфрамовой ладони

По словам эксперта Научно-исследовательского института электрофизической аппаратуры Павла Пискарева, за 70 лет в мире создали около 200 моделей токамаков — термоядерных реакторов, в которых плазма удерживается в вакууме с помощью магнитного поля. Они эволюционировали от вакуумных сосудов из нержавеющей стали с медными катушками до установок с электромагнитами из сверхпроводников. При этом материал, который мог бы выдержать колоссальные температуры в реакторе, все еще не найден.

В первых моделях для стенок реактора предлагали использовать графит. Сейчас рассматривают вольфрам — самый тугоплавкий из металлов. Однако при попадании его частиц в плазму она охладится, и эффективность работы установки снизится. Необходимо защитное покрытие. Попутно надо придумать, как справиться с хрупкостью вольфрама, и научиться изготавливать из него детали сложной формы.

Можно взять обычный конструкционный вольфрам и с помощью 3D-печати вырастить на нем тот же металл, но модифицированный — пористый. Залив поры медью или бронзой, мы получим отличное внутреннее покрытие. С внешней стороны можно напечатать металлический слой, пронизанный мельчайшими капиллярами. Если пустить по ним литий, который будет охлаждать вольфрам и не давать ему трескаться, получится идеальный материал для стенок реактора. 

Павел Пискарев

Начальник отделения энергонапряженных многослойных компонентов центра «Синтез» НИИ электрофизической аппаратуры им. Ефремова

Сейчас над созданием композита для токамака трудятся несколько научно-исследовательских институтов России.

Начинка для электрохимического «двигателя»

Эксперты форума прогнозируют, что в ближайшем будущем мы чаще станем использовать топливные элементы наряду с двигателями внутреннего сгорания и литиевыми аккумуляторами. Они преобразуют в электричество энергию химических реакций.

Электрохимические технологии проникли во все сферы нашей жизни и распространятся еще шире — прежде всего в транспорте. Конечно, двигатели внутреннего сгорания никуда не исчезнут, но гибридных автомобилей станет больше.

Алексей Кашин

Генеральный директор компании «ИнЭнерджи»

Гибридные автомобили, предполагает эксперт, будут сочетать преимущества двигателя внутреннего сгорания и водородного или твердооксидного топливного элемента. По словам научного сотрудника Университета науки и технологий МИСиС Ульяны Заворотней, КПД водородно-воздушных топливных элементов может достигать 83%, а их энергоэффективность втрое выше, чем у литийионных батарей. Водородные элементы испытали даже в космосе: они показали себя эффективными и безотходными. Все, что получается при их работе, — электричество, тепло и чистая вода.

Одно из препятствий к внедрению электрохимических «двигателей» — нехватка эффективных материалов. Они нужны для мембран, эффективно фильтрующих заряженные частицы, а в случае с твердооксидными элементами — еще и для керамики, которая играет роль электролита.

Материалы для освоения Арктики

Без новых материалов, выдерживающих экстремальные нагрузки и низкие температуры, не обойтись при освоении месторождений в Арктике и транспортировке ископаемых по Северному Ледовитому океану.

В Институте физической химии и электрохимии имени Фрумкина РАН разрабатывают северные противообледенительные материалы для судов, самолетов и объектов энергетики. Они обладают водоотталкивающими свойствами, поэтому на них не образуется ледяная корка.

Мы научились наносить супергидрофобные покрытия на любые другие материалы и делать их прочными, используя лазерную обработку. Под воздействием лазера происходит химическая модификация, благодаря которой покрытие становится устойчивым и долговечным.

Людмила Бойнович

Главный научный сотрудник Института физической химии и электрохимии имени Фрумкина РАН

Курчатовский институт создает арктические виды стали, которые не становятся хрупкими даже при минус 105 градусах. Такие материалы подойдут для корпусов арктических ледоколов и танкеров, заполярных плавучих АЭС и нефтедобывающих платформ.

Секретный ингредиент — нейросеть

Создавать новые материалы ученым помогает искусственный интеллект (ИИ). По словам начальника управления цифровых технологий и ИИ «Газпром нефти» Михаила Королькова, в нефтяной отрасли каждое третье разрабатываемое решение предполагает применение нейросетей.

Все постепенно движется к полной кастомизации, когда, например, смазочные материалы создают под конкретные отрасль, заказчика и даже механизм. ИИ позволит нам разрабатывать рецептуры в десятки раз быстрее — за два-три месяца вместо двух-трех лет.

Михаил Корольков

Начальник управления цифровых технологий и ИИ «Газпром нефти»

По словам Михаила Королькова, во столько же раз ИИ в перспективе ускорит разработку конструкционных пластиков. Сегодня эти материалы используют повсюду: в строительстве, в нефтегазовой промышленности для трубопроводов, в аэрокосмической технике, в упаковке. Нейросети быстро подберут рецептуру пластика под конкретные задачи — например, с повышенными прочностью и стойкостью к высоким температурам. В перспективе материалы чаще будут создавать и улучшать с помощью инструментов компьютерного моделирования — это сократит количество физических испытаний и ускорит процесс.