От солнечных батарей до термоядерных реакторов: как квантовые технологии меняют энергетику
Рядом с нами существует вселенная, в которой не действуют привычные законы физики. Когда-то она казалась непостижимой, а сегодня ее принципы лежат в основе многих прорывных разработок. Это квантовый мир — пространство научных открытий, ставших главной темой XX фестиваля «Наука 0+» в Москве. Рассказываем, как квантовые технологии меняют энергетику.
Сложные расчеты и новые материалы
Если классическая физика достаточно точно описывает большой мир — работу двигателя, движение автомобиля, падение подброшенного в воздух мяча, то квантовая изучает поведение частиц на субатомном уровне, где привычные нам законы перестают действовать.
Наверное, самой известной технологией, основанной на этих принципах, стал квантовый компьютер. В обычных вычислительных системах все расчеты строятся на битах — простейших единицах измерения информации, которые равняются нулю или единице, а в квантовых все основано на кубитах, способных принимать оба эти значения одновременно. Это позволяет выполнять сложнейшие операции намного эффективнее.
Обычные компьютеры пока что выигрывают на коротких дистанциях — они подходят для быстрого решения относительно несложных задач, в то время как квантовому в силу его устройства нужно время, чтобы проснуться и подумать. Но чем сложнее вычисления, тем заметнее преимущество квантовых технологий. Особенно это касается ситуаций, предполагающих перебор большого количества вариантов решения — десятков и сотен тысяч.
Алексей Моисеевский
Аспирант кафедры квантовой электроники физического факультета МГУ, основатель компании S-Quantum
Какое отношение это имеет к энергетике? Самое прямое! Представьте, что нужно продумать энергосистему города или региона. Понять, какие станции строить — ГРЭС, ТЭЦ или АЭС, где их разместить и как предусмотреть нагрузку на годы вперед, ведь количество жителей будет увеличиваться и энергии потребуется больше. Классическому суперкомпьютеру для этого понадобятся гигантские вычислительные мощности. Если в задачу добавится новая переменная — скажем, необходимо поставить в городе мощное промышленное предприятие, — расчеты придется проводить заново. Квантовый компьютер не только быстрее, но и экономнее: он не требует огромных и дорогих дата-центров, а результаты выдает с меньшей погрешностью.
«Другой пример — задачи, связанные с подбором молекулярных и кристаллических структур, — продолжает Алексей Моисеевский. — Допустим, нам нужно создать совершенно новый материал для ядерной энергетики. Для этого нужно определить атомарную структуру материала: просчитать взаимодействие всех атомов во всех возможных комбинациях. У суперкомпьютера на такую работу уйдут месяцы, тогда как квантовый справится значительно быстрее».
Впрочем, всех этих чудес придется подождать. Квантовые компьютерные технологии сегодня развиваются семимильными шагами, но пока их не удалось сделать достаточно мощными для таких масштабных и сложных вычислений. Однако примеры решения реальных задач уже есть: в конце сентября «Росатом» впервые применил такое устройство в проекте по созданию атомных реакторов нового поколения.
Новая химия и молекулярные губки
Если существует квантовая физика, значит, должна быть и квантовая химия! И она, конечно же, есть.
В то время как классическая химия оперирует макроскопическими понятиями вещества или же молекулярной структурой соединений, квантовая химия дает возможность перейти к большей детализации — на уровне атомных ядер и электронов. Это позволяет намного точнее описывать взаимодействия и рационально настраивать химические процессы.
Мария Хренова
Доктор физико-математических наук, профессор РАН
Благодаря такой сверхточности методами квантовой химии можно моделировать сложнейшие атомные системы, искать новые лекарства и промышленные соединения, визуализировать сложные процессы, происходящие в живых клетках. В энергетике будущего без них, конечно, тоже никуда.
«В этом году Нобелевскую премию по химии присудили за создание металлорганических каркасов — это особые материалы, похожие на губку или решетку и состоящие из металлических узлов и органических молекул, которые их соединяют, — рассказывает Мария Хренова. — Благодаря ячеистой структуре и наличию пор они могут использоваться, например, для хранения и транспортировки водорода, улавливания углекислого газа, изготовления катализаторов для нефтехимии и много где еще».
Солнечная энергетика и сверхчувствительные датчики
Строго говоря, технологии на основе квантовых эффектов уже давно вошли в повседневную жизнь: их используют в системах радиосвязи, электронных микроскопах, лазерах, медицинских приборах. Однако исследователи мира мельчайших частиц постоянно находят для них новые способы применения.
Фото: Российский научный фонд
Один из таких примеров — квантовые точки, за открытие которых в 2023 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Это крошечные полупроводниковые кристаллы, размеры которых исчисляются в нанометрах. Их свойства привлекли внимание исследователей в сфере солнечной энергетики — как альтернатива дорогим и сложным кремниевым технологиям.
Материалы электроники на основе кремния весьма трудно изготовить, для этого нужны специальные фабрики со сложным оборудованием. В самом простом случае они захватывают и преобразуют в электричество только маленький кусочек солнечного спектра. Квантовые точки эти проблемы решают: они синтезируются чуть ли не на кухне и в зависимости от размера и структуры могут захватывать весь спектральный диапазон солнечного излучения — от инфракрасного света до ультрафиолета.
Андрей Наумов
Доктор физико-математических наук, руководитель Троицкого обособленного подразделения Физического института имени Лебедева РАН
«Благодаря интенсивным исследованиям коэффициент полезного действия панелей с квантовыми точками постоянно повышается и в принципе может приблизиться к 100 %, тогда как даже у самых лучших многокомпонентных кремниевых батарей он едва достигает 50 %», — отметил Андрей Наумов.
Еще один пример — квантовые нити, из которых получаются легкие и прочные провода, проводимость которых намного выше, чем у меди. Или сверхчувствительные сенсоры и датчики, способные улавливать мельчайшие частицы, например одиночные фотоны. Такие сенсоры пригодятся в тех же термоядерных реакторах, где для контроля над раскаленной плазмой критически важно отслеживать даже самые незначительные изменения в окружающих ее магнитных полях.
