Нанотехнологии в охране окружающей среды

Вероятно, наиболее перспективным  является создание реакторов на основе ядерного синтеза. Если они будут созданы, то, несомненно, начнут использоваться. Однако, по современным оценкам, их стоимость будет чрезвычайно высока.

Кроме того, использование  ядерных реакторов всех типов  связано с огромной опасностью для окружающей среды, прежде всего из-за наличия радиоактивных отходов.

Уникальные свойства наноматериалов могут пригодиться  для передачи и распределения  энергии, выработанной атомной электростанцией.

На рисунке 6 показана схема типичной атомной электростанции и ее компонентов, в основе которых могут использоваться нанотехнологии.

 

 

Геотермальная энергетика

Геотермальная энергия  генерируется за счет использования  подземных тепловых потоков, которые  поднимаются к поверхности земли  с водой и паром. Представьте себе парилку с горячими камнями, на которые льют воду.

Чтобы воспользоваться  этой энергией, в зонах с термальными  подземными водами сверлят скважины, по которым нагретые грунтовые воды поступают на поверхность. Для извлечения этой энергии в промышленном масштабе требуется пробурить как можно больше скважин, что существенно повышает стоимость такой энергии.

По данным Всемирного геотермального конгресса, по состоянию  на 2005 г. 72 страны использовали около 16 гигаватт геотермальной энергии для обогрева жилищ, растапливания снега, обогрева лечебниц и парников, а 24 страны – около 9 гигаватт для выработки электрической энергии. Рейкьявик, столица Исландии, полностью отапливается за счет геотермальной энергии вулканических пород Среднеатлантического хребта, который пересекает Исландию. Для этого к системе отопления подключены подземные резервуары с горячей водой с температурой 80–100 °С. А для выработки электрической энергии используются резервуары с температурой около 180 °С и выше. Такие резервуары обычно находятся вблизи вулканов и содержат горячий пар внутри раскаленных горных пород. Благодаря наноматериалам ученые и инженеры могут повысить эффективность передачи геотермальной и электрической энергии.

 

Солнечная энергетика

 

Взгляните на Солнце на рис. 7 (непосредственно на него лучше не смотреть, чтобы не повредить зрение) и сравните его огромные размеры с гораздо меньшими размерами Земли.

 

Рис. 7. Солнце ежедневно генерирует гораздо больше энергии, чем может использовать человечество

 

Сколько тераватт солнечной энергии поступает на Землю ежедневно? Около 165 тыс. тераватт, что гораздо больше, чем необходимые человечеству 10 тераватт. Остается только найти такие способы их получения, чтобы эту энергию можно было использовать вместо нефти, газа и угля. Возможно ли это? И да, и нет. В 2006 г. США использовали около 3 тераватт. Чтобы удовлетворить все энергетические потребности человечества, солнечными батареями пришлось бы полностью покрыть территорию нескольких штатов: Техаса, Оклахомы, Канзаса, Колорадо и Нью_Мексико, но это непрактично.

Что является наибольшей проблемой при получении и  использовании солнечной энергии? Дело в том, что солнечный свет не всегда одинаково освещает поверхность  Земли. Необходимо найти способ сохранения солнечной энергии для ее использования в темное или пасмурное время суток.

Солнечная энергия –  наиболее перспективный альтернативный источник энергии для южных штатов США. С ее помощью можно было бы удовлетворить потребности в  электроэнергии в масштабах всей страны. Однако Правительство США ежегодно выделяет менее 100 млн долларов на исследования способов получения солнечной энергии. Для удовлетворения растущих энергетических потребностей правительству нужно инвестировать большие средства в этот и другие возобновляемые источники энергии.

 

Природный газ

Можно ли использовать другие химические виды топлива, например природный  газ? К сожалению, это связано  с проблемой повышения уровня углекислого газа и стоимостью добычи, доставки и распределения природного газа. В июле 2005 г. в журнале Scientific American в статье Can We Bury Global Warming? («Можно ли похоронить глобальное потепление?») Роберт Х. Соколов (Robert H. Socolow) привел оценку, согласно которой Уильям Шекспир с каждым миллионом вдыхаемых молекул поглощал 280 молекул углекислого газа, а мы – 380.

Сейчас изучается возможность  секвестрации углерода (carbon sequestration), то есть сохранения углекислого газа под  землей или в глубинах океана вместо выброса его в атмосферу. Альтернативные способы получения энергии должны основываться на более эффективном использовании ископаемых видов топлива и замещении их другими возобновляемыми источниками энергии.

Экологически чистое использование угля – одно из перспективных  направлений, но для этого с помощью  нанотехнологий придется решить проблемы секвестрации углерода и снижения стоимости использования угля.

 

«Умные» энергосети

Для создания поистине «умных»  энергосетей США и другие промышленно  развитые страны стремятся улучшить свойства электрических кабелей. Они  пытаются кардинально изменить способы хранения и передачи энергии на основе сверхпроводящих кабелей, в которых практически нет потерь энергии. Смолли называет такую систему распределенной сетью генерирования и хранения электроэнергии (distributed storage and generation grid). Всемирная энергетическая сеть должна перейти от транспортировки

традиционного массивного топлива (угля, нефти, газа и т.д.) к  передаче невесомой энергии (электрического тока по проводам).

На рисунке 8 представлена схема возможного улучшения системы  доставки энергии.

 

Рис. 8. Передачу энергии можно сделать гораздо более эффективной за счет усовершенствования методов и материалов

 

Наноматериалы, например углеродные нанотрубки, представляют собой один из вариантов, повышающих эффективность системы передачи электрической энергии. Дело в том, что проводимость углеродных нанотрубок в 6 раз выше проводимости меди. К тому же они имеют гораздо меньший размер, что особенно важно в местах, где подземные коммуникации уже переполнены медными проводами, например в подземных коммуникациях Нью_Йорка, которые на основе углеродных нанотрубок вполне могут разместиться в уже существующих подземных коммуникациях, и для них не придется рыть новые туннели.

Современная энергосеть уже заметно устарела. Ее основные компоненты имеют возраст от 15 до 20 лет. Энергосеть должна обладать положительными свойствами Интернета, то есть быть надежной, защищенной от атак злоумышленников, а также сохранять энергию (например, в батареях, механических аккумуляторах, водородных элементах и т.п.).

Во время «затемнения» (аварии энергосистемы, которая имела место во многих штатах Северо_Востока США и Канаде 14 августа 2003 г.) огромное количество людей оставалось без электроэнергии в течение недели. В отсутствие эффективных альтернативных линий передача и распределение энергии были полностью разрушены.

Чтобы исключить регулярное появление «затемнений» в промышленно  развитых странах (которые уже зафиксированы  в Италии, Великобритании, Канаде и  скандинавских странах), нужно решительно изменить систему передачи и распределения электрической энергии.

«Затемнение» – это  масштабная авария энергосистемы, которая  является результатом несбалансированности спроса на электрическую энергию  и ее потребления.

Большое значение для  исключения «затемнений» имеет локальное  генерирование электроэнергии. Не принципиально, как именно она генерируется (за счет солнечной, ядерной, геотермальной или других видов энергии), но очень важно использовать все местные источники.

Надежность энергосети можно повысить с помощью наноматералов  и нанотехнологий. Достоинством «умной» энергосети является то, что каждый ее элемент играет активную, а не пассивную роль.

 

Будущие исследования

Наибольшая проблема ближайших десятилетий – задача генерирования и распределения  энергии, достаточной для 1010 людей планеты. До 2050 г. человечеству потребуется найти способы генерирования дополнительных 10 тераватт экологически чистой энергии ежегодно. Для всеобщего процветания новая энергия должна быть дешевой, широко распространенной и доступной, что невозможно с помощью имеющихся в настоящее время технологий.

На этом пути человечеству придется преодолеть еще множество  препятствий. Исследования новых источников энергии требуют большего финансирования. Профессор Смолли предлагал взимать  налог в 10% на каждый галлон нефтепродуктов, потребляемых в США.

Только это позволило  бы аккумулировать около 10 млрд. долларов дополнительного финансирования на исследования новых видов энергии. США инвестируют огромные средства в импорт, производство и распределение энергии, но не в исследования новых ее источников. Более крупные инвестиции позволили ли бы найти и развить новые технологии и решить многие энергетические проблемы уже к 2020 г.

В ближайшие 50 лет энергетический ландшафт планеты изменится самым  драматическим образом. Новые технологии откроют новые возможности. Лидерство будет определяться степенью освоения новых источников энергии. В настоящее время основные усилия США сосредоточены на использовании нефти, газа и водорода, хотя в ближайшее время, после подписания президентом США Джорджем У. Бушем в 2005 г. так называемого энергетического билля, все может измениться решительным образом. Самая крупная в мире нефтегазовая энергетическая отрасль в процентном отношении тратит меньше денег на научные исследования, чем остальные отрасли.

Учитывая значение проблемы, очевидно, что этот подход является чрезвычайно близоруким.

 

Факторы риска окружающей среды

Среди факторов риска  окружающей среды наибольшее значение имеют воздействие и угроза. Под  воздействием подразумевается возможность контакта с загрязняющим веществом в достаточно высокой концентрации, которая способна вызвать проблемы. Под угрозой подразумевается сама эта проблема (например, воздействие однослойных углеродных нанотрубок в форме аэрозоля выражается в возможности их вдыхания, а угроза – в потенциальной угрозе органам дыхания).

К сожалению, в настоящее  время практически ничего не известно о токсикологии искусственно созданных  наночастиц в «мокрых» взаимодействиях. Кое-что на сегодня определено лишь в вопросе влияния аэрозолей на живые организмы в результате их вдыхания. Однако токсикологическое влияние наночастиц на биологические процессы пока не изучено. В настоящее время интенсивно исследуется биологическое

влияние наночастиц кварца, титана и железа на функционирование клеток в частности и дыхательной системы в целом. Аналогичные исследования выполняются научно-исследовательскими лабораториями США для изучения воздействия наночастиц на кожу человека.

Одним из наиболее важных вопросов, волнующих многих ученых и политиков, является уровень последствий от постоянного или внезапного масштабного воздействия наночастиц на окружающую среду. Нельзя с уверенностью сказать, что такое воздействие окажет какое-то негативное влияние. Просто до сих пор еще недостаточно ясно, какие свойства наночастиц могут нанести вред окружающей среде и в какой мере.

В настоящее время  ученым известны многие позитивные свойства наноматериалов. Однако, во избежание  неприятных последствий для здравоохранения  и благополучия окружающей среды, нужно  предусмотреть все негативные эффекты от применения новых нанотехнологий.

Ученые занимаются исследованиями фактической дозы наночастиц, влиянию  которых может подвергнуться  окружающая среда и биологические  организмы (бактерии, рыбы, люди). Для  предсказания скорости и эффективности распространения наночастиц в окружающей среде необходимо тщательно изучить все способы перемещения наночастиц.

Наноматериалы способны распространяться разными способами  в пористых материалах. Например, фуллерены  и однослойные углеродные нанотрубки демонстрируют совершенно разную подвижность. Во время сборки наноструктур их подвижность заметно падает. Профессор Марк Визнер с коллегами из Университета Дьюк (США) занимается изучением подвижности и методов перемещения разных наночастиц.

«Зеленые» нанотехнологии

Нанотехнологии способны изменить производственные процессы двумя  способами. Во-первых, за счет быстрого сокращения отходов производства и  повышения его эффективности. Во-вторых, за счет использования наноматериалов в качестве катализаторов, которые повысят эффективность производственных процессов и позволят избавиться от токсичных и грязных материалов, а также конечныхпродуктов.

«Зеленые» нанотехнологии – это технологии, в которых  используются безопасные для окружающей среды химические и технологические процессы. В идеале «зеленые» нанотехнологии должны улучшить производственные процессы, предъявляемые к материалам требования, химические процедуры, а также заменить текущие небезопасные вещества и процессы. Это позволит сократить расходы энергии и материалов.

Для достижения данных целей  ученые ведут исследования в следующих  направлениях:

– синтез на атомном уровне новых улучшенных катализаторов для производственных процессов;

– вставка информации в молекулы (такие как ДНК) для создания новых молекул;

– самосборка молекул как основа для новых химикатов и материалов;

– создание молекул в микро- и нанореакторах;

– использование альтернативной энергии на основе солнечных батарей и топливных элементов, а также разработка новых способов передачи энергии;

– усовершенствование производственных процессов с целью более экономного использования энергии.

Значение «зеленой»  химии и «зеленых» технологий было оценено по достоинству в 2005 г., когда Нобелевскую премию по химии «За вклад в развитие метода метатезиса в органическом синтезе» вручили Роберту Граббсу (Robert Grubbs) из Калифорнийского технологического института (США), Ричарду Шроку (Richard Schrock) из Массачусетского технологического института (США) и Иву Шовену (Yves Chauvin) из Института нефти (Франция). Метатезис означает такое «переключение» пары химических связей, при котором возникает перегруппировка атомов, то есть изменяется углеродный скелет одной или двух молекул.