В Европе значительную часть энергии получают от солнца. В Японии до трети потребности домов в тепле и электроэнергии обеспечивается топливными элементами. В России удалось объединить две эти эффективные и экологичные технологии в единое целое. В подмосковной Черноголовке часть зданий Института проблем химической физики (ИПХФ) РАН получают энергию от топливных элементов.
Водород для топливных элементов вырабатывается с использованием электричества, которое производят установленные на территории учреждения солнечные батареи.
На фото Юрий Добровольский, руководитель лаборатории ионики твердого тела Института проблем химической физики Российской академии наук.
По вырабатываемой энергии (около 500 г/кВт) созданные в Черноголовке топливные элементы в 7-8 раз превосходят самые современные литийполимерные батареи той же массы, но могут служить значительно дольше.
Разработчики выжимают максимум из авиационных двигателей. Сегодня их КПД оценивается в 32-33%. Концепция более электрического самолета позволит экономить до четверти энергии двигателя, не отвлекая энергию на неосновные функции вроде питания систем кондиционирования и освещения, шасси и пр.
Руководитель лаборатории ионики твердого тела ИПХФ РАН Юрий Добровольский показывает несколько источников питания для беспилотных летательных аппаратов, резервных источников питания и зарядных устройств для мобильной техники, созданных на основе новых разработок. И они уже превосходно зарекомендовали себя при испытаниях.
Оценить работу электрохимиков из Подмосковья легко даже неспециалисту.
Раз в две недели в подмосковной Черноголовке проходят испытания беспилотных летательных аппаратов, изготовленных для ОАК ЦИАМ им. Баранова, "Ижмаш-Беспилотные системы" и "АФМ-Серверс" на топливных элементах ИПХФ РАН.
"Еще в прошлом году лучший в мире американский электрический беспилотник проводил в воздухе меньше 30 часов. Весной этого года с ЦИАМ мы изготовили аппарат, который может продержаться в воздухе около 40 часов, и приступили к его испытаниям", - рассказывает Юрий Добровольский.
"Жаль, за несколько дней до полета мы узнали о новом рекорде американцев - 42 часа. Но у нас уже есть ряд идей, как дотянуть до мирового рекорда".
Немного о технологии
Рынок водородно-воздушных топливных элементов начал формироваться около десяти лет назад. В нашей стране сейчас существует несколько сильных школ. "Специалисты не потерялись и остались в науке. Важно, что по этому направлению мы создаем собственные разработки, а не копируем чужие. Это мощный мотиватор", - отмечает Добровольский.
Для коммерциализации разработок институт пошел на сотрудничество со сколковским предприятием AT Energy. В этом году Сколково планирует инвестировать около 60 млн рублей в запуск мелкосерийного производства элементов питания. Лаборанты ИПХФ РАН уже не справляются с полупромышленным выпуском топливных элементов, ведь основная задача науки - новые разработки, а не производство.
Многие разработки в области электрохимии уже приносят ИПХФ РАН прибыль. Исследования ведутся как для отечественных (авиа- и судостроение, автомобильная промышленность), так и для зарубежных компаний, в число которых входят, например, Nissan или Samsung. По заказу Nissan институт участвует в разработке полностью электрического автомобиля.
"Наши идеи абсолютно коммерциализированы, - говорит Юрий Добровольский. - Зайдите в любую комнату и посмотрите на оборудование, спектрометры, мембранные анализаторы, 3D-принтеры для печати, стоимость каждого аппарата - 10, 15, 25 млн рублей. И эти деньги заработаны, в основном, благодаря коммерческим проектам".
Больше половины сотрудников лаборатории ионики специалисты моложе тридцати лет, выпускники физических и химических факультетов МГУ и МФТИ. Часть вернулась в Россию после нескольких лет работы в зарубежных институтах.
Разработанными в Черноголовке технологиями для беспилотников уже заинтересовалось Минобороны РФ.
Беспилотники вообще с каждым годом завоевывают все больше неба. Их применяют для мониторинга состояния линий электропередач, трубопроводов в труднодоступных районах, для обнаружения возгораний и контроля за ледовой ситуацией. За время одного полета беспилотник по специальной программе может исследовать территорию до 100 гектар. Это сравнимо с работой целой бригады пожарных в течение недели.
Новые технологии позволят также решить многие проблемы пилотируемой авиации. Основная задача исследований для отечественного авиастроения - многократное повышение эффективности источников питания, что может существенно улучшить характеристики как уже существующих, так и только разрабатываемых гражданских самолетов.
Благодаря работе отечественных ученых уже в ближайшее время мечта авиаконструкторов - добиться существенного увеличения КПД двигателя авиалайнера - станет реальностью.
Для воплощения в жизнь этих идей ОАК и концерн "Авиационное оборудование" объявили летом этого года о начале первого этапа совместных работ по реализации проекта "Электрического самолета". В его рамках ведется создание колеса с электроприводом для самолетов SSJ100 и МС-21.
Устройство позволит воздушным судам без использования основных двигателей и помощи аэродромных тягачей совершать руление, в том числе хвостом вперед перед взлетом и после посадки. Электрические двигатели размещаются на стойках шасси и приводят в движение колеса самолета. "Электрическое колесо" сокращает время использования маршевых двигателей на земле на 30-40 минут за один вылет и существенно снижает расход топлива.
При этом уменьшается выброс углекислого газа и двуокиси азота в атмосферу. Кроме того, существенно сокращается длительность шумового воздействия вблизи аэродрома. За счет повышения мобильности возрастает интенсивность авиационного движения, что приводит к сокращению времени нахождения самолета на земле и увеличивает рентабельность авиаперевозок. Со временем самолеты, не оснащенные электроприводом, не будут допускаться во многие зарубежные аэропорты.
Запланированный объем инвестиций в разработку и постановку в серийное производство этого инновационного продукта составит около 600 млн рублей. Для выполнения работ используются как собственные средства предприятий, так и финансирование в рамках федеральной целевой программы "Развитие гражданской авиационной техники".
Сергей Рыбак, фото Марины Лысцевой.
Journal information