Молния в руках

Отечественная инновационная продукция с успехом конкурирует на мировом рынке, но практически не востребована в Украине.

Одним из первых реальных применений нанотехнологий стали суперконденсаторы, способные запасать невиданные по прежним меркам объемы электроэнергии. Как сообщала «УТГ», лучше всех в мире такие устройства умеют делать в Киеве, правда, пока только в виде опытных партий.

Что представляет собой суперконденсатор, каковы его возможности и сферы применения и какие сложности возникают перед производственниками и учеными при внедрении новых технологий?

Гонка за емкостью

— Как известно, обыкновенный конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных слоем диэлектрика, — рассказывает Юрий Малетин, доктор химических наук, научный руководитель киевской компании «Юнаско». — Его емкость пропорциональна площади пластин, диэлектрической проницаемости слоя диэлектрика и обратно пропорциональна толщине этого слоя. На практике уменьшать толщину диэлектрика до бесконечности нельзя — наступит его пробой и конденсатор выйдет из строя. Увеличение площади пластин означает «раздувание» габаритов прибора и допустимо только до определенных пределов.

Для повышения емкости в суперконденсаторах применяют электроды из пористых материалов, имеющих громадную поверхность — до 2000 м2/г. Электроды суперконденсатора представляют собой сформированную особым образом массу, нанесенную на металлическую фольгу. Поры в ней имеют размеры от 1 до 2 нанометров, то есть мы имеем дело с наноматериалом. Разнополярные электроды предохраняются от замыкания между собой с помощью так называемого сепаратора — слоя пористого диэлектрика, проницаемого для электролита. Электроды и сепаратор пропитывают электролитом и помещают в герметичный корпус. Такая конструкция позволяет запасать огромную емкость — до 10 фарад на см3. Это на 3—4 порядка выше, чем в обычных конденсаторах.

Если старые устройства могут дать мощный импульс в течение примерно одной миллисекунды, то суперконденсаторы выдают импульсы с такой же мощностью длительностью до 10 секунд. Используются как сами по себе, так и в комбинированных схемах, когда подсоединены параллельно с обычным аккумулятором. При этом они берут на себя все пиковые нагрузки, ведь при пиках литий-ионные аккумуляторы могут выйти из строя и даже загореться. Суперконденсатор эту опасность снимает, а значит, увеличивает надежность схемы питания и срок жизни аккумуляторов.

Преимущество суперконденсатора перед обычным еще и в гораздо более высокой энергоемкости. Впрочем, надо заметить, по этому показателю они пока проигрывают современным литий-ионным аккумуляторам раз в 30—40. Дело в том, что в любом химическом источнике тока «работает» вся масса электродов. А в конденсаторе — только их поверхность. А вот по удельной мощности суперконденсаторы выигрывают — в них не происходит никакой химической реакции, которая всегда тормозит процесс, здесь скорость заряда и разряда определяется только процессами диффузии. Вот почему в мире растет интерес к комбинированным устройствам питания.

— Юрий Андреевич, вы только что вернулись из США с конференции по суперконденсаторам. Какие тенденции она зафиксировала?

— Сегодня многие фирмы мира наперегонки конструируют и производят суперконденсаторы. Конференция во Флориде была уже двадцатой. Выступали ученые и производственники из разных стран — от Китая до США, от Франции до Австралии. Один из признанных центров, Институт транспортных исследований США, в течение многих лет тестирует суперконденсаторы и литий-ионные аккумуляторы со всего мира. Его тесты подтвердили, что наши приборы обладают самой высокой удельной энергией. Их удельная мощность составляет 3216 Вт/кг, в то время как у лучших зарубежных аналогов она не превышает 2050 Вт/кг (фирма BatScap, Франция) и 1400 (компания Ls Cable, Южная Корея). Напомню, что удельная мощность — это величина максимального заряда суперконденсатора на 1 килограмм его массы.

Высоких показателей продукции мы достигли благодаря применению специальных методов обработки нанопористых углеродных материалов, тщательному подбору катодных, анодных материалов и электролита, а также за счет простоты конструкции.

— Чем ваши конденсаторы отличаются от зарубежных аналогов?

— Удельную мощность мы увеличили за счет снижения внутреннего сопротивления, с которым борются все разработчики. Но нам удалось решить данную проблему удачнее, чем другим. Мы проанализировали все составляющие внутреннего сопротивления и минимизировали все, что поддавалось минимизации. Однако, простите, дальше возникают вопросы о производственной тайне, о ноу-хау, которых касаться мы не будем.

Но могу показать вам ячейку суперконденсатора, которую выпускает наше опытное производство. Вес, как видите, небольшой — 183 грамма, максимальная удельная мощность — около 30 киловатт на килограмм веса, то есть она может выдать примерно 6 киловатт в коротком импульсе. И если в электровозе двигатель дает 200 киловатт, то 20—30 таких ячеек достаточно, чтобы разогнать его на старте.

— Какая емкость ячеек достигнута?

— Сейчас мы выпускаем суперконденсаторы емкостью до 1800 фарад. А раньше делали и до 3500 фарад. Впрочем, большая емкость нынче не проблема. Для нас сегодня главное — выставить наше изделие на рынок, и прежде всего в Украине. В Китае на развитие приборов, сохраняющих электроэнергию, выделяются огромные средства. А мы, к сожалению, в этом направлении не развиваемся вообще.

Кому изобретение?

— Любой высокотехнологичной компании в Украине сегодня нелегко, — констатирует Александр Шнайдрук, директор по развитию компании «Юнаско». — Стратегический фокус государства не направлен на развитие новых технологий. Даже если есть желание освоить новые подходы, изобретения, ноу-хау — уже нет необходимых специалистов, а также соответствующих предприятий и связей между ними. Сложно быть одним из немногих, кто пробивает новые технологии. На государственном уровне поддержки не ощущается. Поэтому, учитывая интеграционные процессы по всему миру, мы должны ориентироваться на зарубежные рынки. Сегодня с этим нет проблемы. На нас выходят чаще, чем мы на кого-либо. Активно сотрудничаем с различными партнерами, в основном из Европы и азиатских стран, а также из России. Работаем в общем направлении научного и технического поиска, по которому идут все развитые страны мира. Это тренд энергетических инноваций, альтернативных источников энергии. Разработка суперконденсаторов является важным звеном в цепочке новых технологий.

— Александр Евгеньевич, известно, что компания «Юнаско» сотрудничает с Институтом электросварки им. Патона. Кто еще в Украине заинтересовался вашей продукцией?

— Мы, конечно, рекламируем наши разработки и в Украине, надеемся, что кто-либо из крупных промышленников обратит на них внимание. Сотрудничество с институтом Патона находится в стадии подписания соглашений о совместной работе. Готов первый договор на поставку партии наших суперконденсаторов для разработки сварочного устройства нового типа. Одно время проявляли интерес небольшие инженерные фирмы в Украине, но он пока не выразился в конкретных разработках. Пытались сотрудничать с крупными украинскими производителями аккумуляторов, но у них, к сожалению, нет времени на инновации.

Мы предлагали наши разработки отечественным производителям автобусов, так как в мире уже есть хорошие готовые решения использования супераккумуляторов в транспорте. Написали письма руководителям всех таких предприятий. Пока реакции нет. Один авиазавод заинтересовался нашими источниками тока. Для авиации существенно, что они работают при низких температурах, вплоть до — 500С. Но дальше интереса дело не пошло.

— Способствует ли нынешнее законодательство развитию инновационных разработок, их внедрению?

— Возможно, что-то и написано, но юристы таких льгот, которые как-то бы поддерживали, стимулировали развитие новых технологий,
не обнаружили. Более того, мы получаем намного больше различных грантов от Европейского Союза, чем от родного государства. Но гранты — это разовая поддержка. А вот на законодательном, юридическо-административном уровне такой помощи реально нет.

Электросварка без трансформатора

Первыми в Украине оценили огромные возможности суперконденсаторов в Институте электросварки им. Патона.

— Когда Борис Евгеньевич Патон узнал о том, что в Украине разработаны лучшие в мире суперконденсаторы, он поставил перед нами задачу: найти им «дело» в электросварке, — говорит Давид Калеко, кандидат технических наук, старший научный сотрудник института. — Недавно мы продемонстрировали опытный экземпляр аппарата, который сваривает металл при помощи электроэнергии, получаемой от конденсаторов Малетина. Соединение получается быстрое и надежное.

— Где возможно использование этой технологии?

— Как нам видится, наиболее массовое применение таких аппаратов — в автомобильной промышленности, в виде специальных клещей для точечной сварки. Пригодятся они и в судостроении, и в строительстве. Использование суперконденсаторов позволит избавиться от тяжелых и громоздких трансформаторов, которые обычно сопровождают электросварку. Если сегодня нужно преобразовать 220 вольт в низкое напряжение и при этом получить ток в 5 килоампер, то трансформатор для этой цели весит не менее 16 килограммов, а аналогичное устройство на конденсаторах весит — 6 килограммов.

Есть и еще один нюанс. При точечной сварке трансформатор находится непосредственно в сварочных клещах. Его нельзя поставить где-то в стороне, так как резко падает сила тока и рабочему приходится всю смену держать клещи весом 5—8 килограммов на весу. Наша аппаратура решает эту проблему. Аппарат будет маленьким, при желании — ранцевого типа. С ним можно вести сварку на стройках, на большой высоте — не надо тянуть кабель.
А блоки заряженных конденсаторов можно доставлять, например, краном или лебедкой.

Возможно приваривать детали, например, в трюме корабля, при этом из-за малой длительности сварочного импульса гораздо меньше выброс вредных газов.

Или такой пример: ко всем трубопроводам, находящимся в земле, в обязательном порядке на расстоянии 2 километров друг от друга привариваются так называемые шпильки катодной защиты, на которые подается напряжение, чтобы компенсировать разницу потенциалов между трубой и землей. Для их ремонта требуется сварка. Прежде тащить по полям и лесам сварочный аппарат было проблемой: надо присоединяться к сети. А с нашей аппаратурой все просто: взял в машину бензиновый генератор, зарядил от него конденсатор, произвел сварку и поехал дальше. Кроме того, сама труба может быть достаточно далеко от дороги, к ней не подъедешь.
А с заряженным конденсатором можно и пешком подойти.

— Насколько более экономична сварка с помощью суперконденсаторов, чем обычная, от сети?

— Во-первых, гораздо меньше тратится электроэнергии. Так, наш аппарат для приварки шпилек потребляет ее в 6 раз меньше, чем традиционный, при том же объеме выполняемой работы. К тому же новая аппаратура удобнее и безопаснее, чем та, которая требует длинных кабелей. Еще один плюс — она достаточно надежна и долговечна. Суперконденсаторы также хороши тем, что выдерживают большое количество перезарядок.

У нас есть несколько перспективных разработок по различным видам сварки. Уже на выходе модели, которые можно демонстрировать широкой публике. Так что внедрение новой сварочной аппаратуры — вещь совершенно реальная.

— Вы будете создавать свое производство при институте Патона?

— Этот вопрос обсуждался, но решение еще не принято. Пока нет готового изделия, не ясно, какие нужны комплектующие, какой штат сотрудников и многое другое. Но проработки разных вариантов уже идут.

— Стоимость такого аппарата будет намного выше цены старой модели?

— Опытные партии, конечно, будут стоить дороже. Потом подешевеют. Насколько — зависит от массовости выпуска. Но в любом случае удобство и экономичность их применения будут важнее цены.

Китай переходит на электричество

Китайцы уже производят суперконденсаторы на 100000 фарад. Правда, они имеют солидные размеры, намного большие, чем у киевлян. В Шанхае на них работают городские полутроллейбусы-полуавтобусы. В этом городе расстояние от остановки до остановки не превышает километра. Машина на станции поднимает штанги, касается зарядного устройства, за 30 секунд суперконденсаторы заряжаются. Этого хватает, чтобы доехать до следующей остановки. Получился дешевый и экологичный вид транспорта. Такие машины планируется использовать в 8—10 городах Китая.