четверг, 28 мая 2009 г.

Укрощение «строптивого» фтора

«После долгого молчания, в котором я не пытаюсь оправдываться, имею удовольствие сообщить Вам, синьор, а через Ваше посредство и Королевскому обществу о некоторых поразительных результатах, полученных мною... Главный... это создание прибора, который по своим действиям, то есть по сотрясению, испытываемому рукой и т.п., сходен с лейденской банкой или со слабо заряженной электрической машиной, но который, однако, действует непрерывно, одним словом, дает непрерывный поток электрического флюида», – писал Алессандро Вольта.
В Парижской академии наук организовали специальную комиссию по изучению гальванизма. В нее вошли самые известные ученые. Они соорудили по описаниям вольтов столб и повторили все эксперименты итальянского исследователя перед его приездом. Погрузив один из концов «электродвигательного прибора» в воду и присоединив к другому его концу металлическую проволоку, академики засовывали руку в чашку с водой и одновременно прикладывали второй электрод к языку, к веку, к кончику носа или на лоб. В момент замыкания цепи следовал такой удар, что некоторые чуть не лишались языка. Но... наука требует жертв. Ощущения были настолько неожиданными! При наложении проволоки на веко создавалось ощущение вспышки. А когда два электрода от противоположных полюсов батареи вставляли в уши, в голове раздавался шум... «Это было нечто вроде треска или лопанья, как если бы кипело какое-то масло или вязкое вещество», – писал сам Вольта. Он полагал, что в дальнейшем его прибор сможет послужить медикам для излечения болезней. Другого применения гальваническому электричеству он не представлял.

Альбом: Химики

Александр Константинович Цветников

В лаборатории химии фторидных материалов Института химии ДВО РАН тезка великого итальянца старший научный сотрудник, кандидат химических наук Александр Константинович ЦВЕТНИКОВ синтезирует перспективные материалы, создает химические источники тока и предлагает новые применения гальваническому электричеству.

На рубеже восьмидесятых-девяностых годов он собрал свой первый химический источник тока (ХИТ) и опробовал его в наручных часах «Электроника». Уже в те годы результаты поисковой работы оказались настолько интересны специалистам, что при докладе в научно-производственном объединении «Квант» была высказана поддержка новым исследованиям и обещано финансирование. К слову, НПО «Квант» было крупнейшим среди предприятий СССР, занимающихся разработкой методов прямого преобразования различных видов энергии (химической, солнечной, тепловой) в электричество и созданием на этой основе автономных источников электропитания. К несчастью, грянула перестройка, нет СССР, нет НПО «Квант», но есть упрямый химик Цветников, который не пасует перед трудностями. К нему, как мне кажется, очень подходят слова Данте Алигьери: «Следуй своей дорогой, и пусть люди говорят что угодно».

– Александр Константинович, эти батарейки и аккумуляторы, заполонившие рынок, в самом деле отличаются не только названиями?

– Устройство, в котором химическая энергия непосредственно превращается в электрическую энергию, называется «химическим источником тока». Используют и другие названия: «гальванический элемент», «электрохимический элемент» или «электрохимическая ячейка». Главная характеристика источника тока – его удельная энергоемкость, показывающая, какое количество энергии может быть отдано единицей объема или массы. Химические источники тока подразделяются на первичные (не перезаряжаемые) и вторичные (перезаряжаемые). Первичные химические источники тока часто называют «батарейкам», а вторичные – аккумуляторами. На сегодняшний день наиболее энергоемкими являются первичные ХИТ. В них «выгорает» почти вся запасенная энергия. Для аккумуляторов более важным, чем энергоемкость параметром является количество циклов перезарядки. Лучшие литий-ионные вторичные источники тока, способны отдавать сто тридцать ватт на килограмм веса. Литий-полимерные ХИТ, способны увеличить этот параметр до ста шестидесяти, выдерживая до девятисот циклов перезарядки.
О потенциальных возможностях аккумуляторов говорит такой факт. В Западном Берлине, в 1961 году, была сооружена огромная аккумуляторная батарея. Эта батарея массой 630 тонн при мощности 17 мегаватт могла в случае необходимости в течение часа, до запуска аварийных электростанций, снабжать многомиллионный город электроэнергией.
На мой взгляд, нужно больший упор делать на производство первичных, но не разовых источников, а регенерируемых. Это значит, что после завершения срока их работы потребуется не утилизация вредных отходов, а восстановление катодов, анодов, электролитной массы и повторное использование их во вновь созданных источниках. Такую программу реализовать не просто. Достаточно сказать, что сегодня нет социального или коммерческого запроса на такую программу.
Тем не менее, многие понимают ее необходимость. Посмотрите вокруг: в нашей жизни стремительно растет потребность в автономных источниках энергии. Ноутбуки, коммуникаторы и сотовые телефоны, цифровые камеры, плееры и прочие гаджеты все шире проникают практически в каждую семью. А автомобили…


Лаборатория фторидных материалов


– А что автомобили? Разве реально перевести их на электрическую тягу?


– По моему мнению – да! Давайте немного помечтаем, заглянем в будущее. Возьмем автомобиль среднего класса, такой как, например, «Тойота Королла» и попробуем преобразовать его в электромобиль. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) заменим на электродвигатель. Убираем топливный бак и коробку передач. В переоборудованном автомобиле они не понадобятся. В высвободившийся объем нужно разместить подходящий источник энергии. И вот тогда становится ясно, что распространение электромобилей сдерживается, в первую очередь, отсутствием источников питания электромоторов, способных потягаться с бензином по удельной (на литр объема) энергоемкости. Обычный автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор может запасти столько энергии, сколько выделяется при сгорании в ДВС пятидесяти граммов бензина, поэтому нам потребуется совсем другой источник. Лучшие из первичных ХИТ, разрабатываемых сейчас нами, позволят произвести около 800 киловатт-часов электроэнергии при установке в легковой автомобиль среднего класса без изменения его веса и внешнего вида. В режиме городской езды нашему автомобилю потребуется 20 до 30 киловатт в час. Обращаю внимание на то, что в отличие от двигателя внутреннего сгорания, электродвигатель не расходует энергию в то время, пока автомобиль стоит в «пробках». Поэтому расход энергии определяется не временем работы двигателя, а расстоянием до объекта, к которому вы направляетесь. Так что указанного запаса энергии хватит, как минимум, на месяц. По окончании периода эксплуатации заменим ХИТ на новый, а использованный отправим на регенерацию. Например, в Братск, где много дешевой энергии, или в Зею. А может быть, к этому времени построят АЭС в Приморье.
Выгоды при переходе от ДВС к электродвигателю очевидны. Исключается основной фактор загрязнения окружающей среды современных крупных городов – выхлопные газы автомобилей. Использование ХИТ не сопровождается значительным количеством отходов, поскольку они подвергаются практически полной регенерации. Мы имеем дело, по сути, с электрохимическим накопителем-преобразователем энергии. Теоретические оценки дают значение запасенной энергии в ХИТ около 1,5 киловатт-часов на килограмм веса. Так что потребительский эффект (перемещение на местности) от электромобиля, снабженного ХИТ, становится соизмеримым с результатом от автомобиля с баком бензина.
В проблеме создания новых ХИТ есть много нерешенных, интересных, не только химических задач. Например, каким образом с пользой утилизировать образующееся в процессе эксплуатации ХИТ тепло?

– Можно ли сказать, что дни двигателей внутреннего сгорания сочтены?

– Все ведущие мировые производители автомобилей связывают дальнейший прогресс своей отрасли с развитием принципиально нового транспорта, сверхэкономичного и экологически чистого, а именно – автомобилей с гибридной энергоустановкой и электромобилей. Их общемировой выпуск увеличивается с каждым годом, но при всех достоинствах вторичных источников тока, не удается освободиться от их главного недостатка – высокой себестоимости при сравнительно низкой энергоемкости. Несколько лет тому назад в США была принята программа «Свободный автомобиль», направленная на снижение зависимости страны от потребления углеводородного топлива. Реализация программы привела к созданию материалов, позволяющих запасать необходимую энергию. Речь идет не только о ХИТ, но и о водородных топливных элементах. Только вот стоимость этой энергии оказалась порядка десяти тысяч долларов за киловатт. Легковые автомобили, использующие подобные источники тока, будут стоить около полумиллиона долларов. Дорогое удовольствие…

– Где же выход?

– В дальнейшем поиске материалов. Нам уже удалось на порядок снизить удельную стоимость запасенной энергии.
Так, работая над технологией производства известного фторуглеродного материала «ФОРУМ», мы нашли сравнительно простой способ получения катодного материала из того же недорогого исходного сырья (отходов фторопласта). Наиболее энергоемкие катодные материалы для литиевых химических источников тока в мире созданы на основе фторированного графита и других модификаций углерода. Однако высокое электрическое сопротивление не позволяет использовать эти соединения для получения больших разрядных токов. Но мы придумали, как на основе нашего материала создать нанокомпозит – диэлектрическую фторуглеродную матрицу, пронизанную сверхтонкими проводящими каналами. Это позволило осуществлять токосъем по всему объему материала. Другая задача – как добиться необходимой пористости материала, чтобы обеспечить подвод электролита к зонам взаимодействия лития с кислородом, фтором – в стадии решения.

– Почему говорите именно о литиевых ХИТ?

– У лития самый отрицательный электродный потенциал среди всех металлов. Это связано с малым радиусом иона и сильной поляризацией. Литий обладает самой высокой удельной энергией.
Одна из главных задач в разработке лучших литий-ионных аккумуляторов – создать материал анода, способный многократно и обратимо принимать и отдавать максимальное количество ионов лития. Перспективными считаются углеродные матрицы, которые в сравнении с металлическими обладают высокой циклируемостью.

– Литий и фтор – активные элементы. Легко ли было свести их вместе и заставить «работать в одной упряжке»?

– Фторная тематика развивалась в Институте химии еще его директором-основателем, членом-корреспондентом АН СССР, доктором химических наук Юрием Владимировичем Гагаринским. Придя студентом в институт, работая вместе с аспирантом (сейчас профессором, доктором химических наук) Владимиром Кирилловичем Гончаруком над получением фтора и синтезом высших фторидов переходных металлов и фторгалоидов, я впервые «нюхнул» фтора и «заразился» им на всю жизнь. Затем, с младшим научным сотрудником Анатолием Аркадьевичем Уминским, занимался синтезом интеркалированных соединений графита с фторидами переходных металлов и фторгалоидов.
Фтор – удивительный элемент. Например, в нем синим пламенем горит вода, а в результате, как продукт горения, выделяется кислород! Можно сказать, что фтор – это самый «мужской» элемент. Он агрессивный (окисляет всех), мощный (сорвет электрон с любого), даже благородные элементы не могут перед ним устоять. С ним нужно работать очень осторожно. В школе друзья звали меня «Химиком», за любовь к исследованиям процессов, сопровождающимся воспламенениями и взрывами. Так что работа «с риском» пришлась мне по душе.

Альбом: Химики

На опытном участке

Литий – высокоактивный щелочной металл. Даже в условиях сверхвысокого вакуума литиевая поверхность, «очищенная» ионной бомбардировкой, за считанные секунды «вылавливает» молекулы остаточного газа и покрывается пленкой из продуктов взаимодействия. С литий-ионными аккумуляторами и первичными ХИТ впервые познакомился в Красноярске, стажируясь в Сибирском технологическом институте у профессора, доктора химических наук Ильи Анатольевича Кедринского.
Весьма перспективным является создание анодного материала, способного запасать большее количество ионов лития, чем графит и катодного материала, содержащего больше фтора, чем фторграфит. Эту задачу в полном объеме нам удалось решить только через много лет.

– Почему?

– Работа по этой теме в постперестроечный период, в силу ряда причин, была приостановлена. Ее удалось возобновить несколько лет тому назад благодаря заинтересованности и помощи директора нашего института академика РАН Валентина Ивановича Сергиенко. Чрезвычайно важным для успеха работ оказалось решение вопроса о приобретении установки получения сверхчистого фтора.
Генераторы фтора – очень редкие устройства, спрос на них минимален. Достаточно сказать, что в России в научных учреждениях кроме нас с фтором работают только в Новосибирске и в Москве. Поэтому трудно было найти подходящую фирму-производителя. Большую помощь оказали директор Дальневосточного геологического института ДВО РАН академик РАН Александр Иванович Ханчук и его заместитель по науке кандидат геолого-минералогических наук Александр Васильевич Игнатьев. Геологи заинтересованы во вскрытии геологических пород и проведении изотопного анализа выделившегося кислорода с помощью высших фторидов галогенов, которые можно получать, только имея в распоряжении элементный фтор.
Фирму, готовую изготовить генератор, нашли в Англии, провели переговоры. Между тем, производителя «поглотила» и перепрофилировала другая фирма, и переговоры пришлось возобновить. Наконец договорились снова, но отпускная цена изменилась (и менялась еще не раз). Затем возникли трудности в связи с отсутствием представительства фирмы на территории России. Появилась идея передачи оборудования в лизинг. Наконец, все-таки было создано представительство, и решился вопрос с продажей установки, но на его месте возникло несколько других вопросов...
Обо всех перипетиях «борьбы за элементный фтор» можно написать отдельную статью. Тем не менее, три года упорной работы увенчались поставкой и запуском дорогостоящей уникальной установки, равной которой нет в России.


А.К. Цветников рядом с генератором фтора

Используя различные углеродные материалы, можно при их фторировании получать фторуглероды с различным содержанием фтора, различного цвета и различной дисперсности, отвечающие различному назначению. Теперь, в частности и для источников тока, мы сможем синтезировать такие материалы, о которых раньше только мечтали.

– Постройка электромобиля «в голове» – это здорово! А в реальной жизни такой супер-ХИТ кому-нибудь нужен?

– Нашими источниками заинтересовались коллеги из Института проблем морских технологий ДВО РАН. Силовой установке автономного необитаемого подводного аппарата нужен легкий высокоэнергоемкий ХИТ.

– А разве вес под водой имеет большое значение?

– Вес – нет, а вот масса аппарата, как мера инертности, – несомненно. Расход энергии у менее массивного аппарата при маневрировании будет меньше, его автономность повысится. В итоге ему покорятся большие глубины, он сможет дольше оставаться под водой и активнее маневрировать.

– Интересные вещества эти фторуглероды! С одной стороны, они служат катодными материалами химических источников тока, обладающих высокой удельной энергией. С другой стороны – как антифрикционный материал с низким коэффициентом трения, особенно в условиях больших нагрузок, высоких температур, низкой влажности, в вакууме.

– Они перспективны еще и как адсорбент, защитное покрытие. Вот, например, оказалось, что «ФОРУМ», не пропускает ультрафиолет. Причем, в отличие от своего «родного брата тефлона», он легко наносится на любую поверхность. Его частичка по своему строению похожа на капустный кочан, в котором отдельные листочки слабо связаны между собой. Механическое воздействие на частицу ФОРУМ приводит к ее разрушению на наноразмерные пленочки, в силу размерного (нано) эффекта (реализуется, когда количества атомов на поверхности и в объеме частицы соизмеримы), легко взаимодействующие с поверхностью, на которой находится образец. Причем, и микроскопические исследования однозначно это подтверждают, вся поверхность образца полностью закрывается однородной по толщине пленкой. Ее адгезия к поверхности настолько сильна, что пленка удаляется только с подложкой или при отжиге. Учитывая то, что покрытие еще и химически стойкое, не взаимодействующее с кислотами, даже «царской водкой», окислителями, ему находится множество применений.
Вот так «суперактивный» фтор в «крепких объятиях» углерода образует пассивное ко всему соединение.



Исследованием «ФОРУМА» занимаются не только в России, но и за рубежом. Мы передали образцы в США, Китай, Украину, Белоруссию. Индивидуальность этого уникального материала подтверждена сертификатом Американского общества исследования материалов (ASTM) – ведущей в мире организации, занимающейся учетом природных и синтезированных веществ. Мы также продолжаем исследование его свойств. У нас в институте обновился приборный парк, появились великолепные методы исследования структуры, свойств материалов. Например, туннельная микроскопия атомно-силовая микроскопия.
Антифрикционная противоизносная высокотемпературная добавка к маслам «ФОРУМ» получила допуск к новой военной технике. Она одобрена Центральным управлением ракетной техники и горючего, Главным автомобильным и бронетанковым управлением Министерства обороны России, руководством и главными конструкторами ОАО «Камаз».


На Всероссийской военной выставке

– Академическому институту редко удается довести результат исследований до внедрения такого уровня.


– Нам помогла победа в конкурсе Министерства обороны России на разработку высокотемпературной антифрикционной противоизносной добавки к маслам для новой военной техники. За последние годы в головных институтах Министерства обороны, непосредственно производителями автомобилей было проведено множество экспертиз: по эксплуатации, испытаниям ходовой части автомобилей, трибологии. Рассматривалось воздействие присадки, как на двигатели, так и на ходовую часть. После заседаний экспертных комиссий, совещаний было подтверждено соответствие фактических свойств присадки заявленным, и даны рекомендации к использованию, в особенности для эксплуатации в экстремальных условиях.

– Это что, в бою?

– Не обязательно. Прежде всего, это зимние условия, запуск холодного двигателя, некачественное масло или при утрате масла. В реальной жизни встречается часто, боевые условия совсем не обязательны.

Альбом: Химики


У нас все готово, даже инструкции по эксплуатации прошли все стадии согласования и утверждены в двух управлениях МО России. В этом году планировалось начать поставки по госзаказу, да вот кризис планы нарушил.

– Трудно найти подобный пример успеха научной разработки!

– Познакомьтесь поближе с работой нашего института и найдете такие примеры.

2 комментария:

  1. Анонимный29 мая 2009 г., 11:31

    Молодец Цветников!!!

    ОтветитьУдалить
  2. Хочу поздравить, здорово и интересно написано, и вопросы прямо в тему. Интересно читать не о былых заслугах, а об ученых, реально делающих науку сегодня. Александр, который все силы кладет на внедрение, просто молодец!

    ОтветитьУдалить