К 2050 году глобальный спрос на энергию, как прогнозируется, удвоится. Это создает резкое противоречие. Нам нужно больше энергии, чем когда-либо прежде. Однако климатический кризис требует прекращения сжигания ископаемого топлива. Решение заключается в использовании возобновляемых источников энергии. Но есть одно «но». Эти системы должны быть оптимизированы для эффективной работы. Исследователи и инженеры обращаются к композитным материалам, чтобы решить эту задачу.
Дизайнеры ветряных турбин рано присоединились к этому движению. Им требовались лопасти, которые были бы невероятно легкими. Они также должны были выдерживать суровые условия. Коррозия является главным врагом в таких средах. Традиционными вариантами были эпоксидные или полиэфирные смолы, смешанные со стекловолокном. Эти смеси обеспечивали необходимую устойчивость к физическим нагрузкам.
Требования были простыми в теории, но сложными на практике. Лопасти должны служить более 30 лет. Потребность в техническом обслуживании должна быть минимальной. Они должны эффективно работать в условиях случайных и непредсказуемых погодных явлений. Ставки выросли с развитием оффшорных ветряных электростанций. Турбины, установленные в море, сталкиваются с более сильными штормами. Лопасти становились длиннее, чтобы улавливать больше ветра. Это вывело материаловедение на критический предел.
Инженеры ответили добавлением углеродных волокон в смесь. Результатом стало значительное улучшение. Лопасти стали легче. Их аэродинамика улучшилась. Это позволило им генерировать больше электроэнергии на единицу объема. Прирост эффективности был существенным.
Однако есть одна серьезная проблема. Эти перерабатываемые материалы для лопастей ветряных турбин notoriously трудно поддаются утилизации. Большинство композитов являются термореактивными (термостойкими). Они образуют необратимые связи. После отверждения они остаются в этом состоянии. Они не плавятся. Это делает переработку практически невозможной с использованием текущих методов.
Часы уже тикают. Начиная примерно с 2020 года, сотни ветряных турбин потребуется выводить из эксплуатации каждый год. Этот объем будет только расти. Если мы не сможем справиться с отходами, переход на зеленую энергию столкнется с логистическим кошмаром. Свалки не являются устойчивой долгосрочной стратегией для промышленного оборудования.
Команды ученых работали над этой конкретной узкой проблемой. Их целью было создание композитного материала, который действительно можно было бы перерабатывать. Прорыв заключается в изменении базовой смолы. Вместо термореактивных смол они обратились к термопластичным смолам.
Этот сдвиг важен по двум причинам. Во-первых, он позволяет осуществлять переработку путем депolyмеризации. Материал можно разложить обратно на его компоненты. Во-вторых, это экономит энергию при производстве. Термопласты часто требуют меньше энергии для обработки, чем традиционные смолы. Это делает весь жизненный цикл лопасти более чистым.
Мы движемся к циклической экономике для возобновляемой инфраструктуры. Недостаточно просто генерировать чистую энергию. Мы также должны управлять оборудованием, которое ее производит. Следующее десятилетие определит, сможем ли мы замкнуть цикл в ветроэнергетике. Материаловедение развивается быстро. Но масштаб грядущих отходов огромен. Сможете ли мы успевать? Ответ зависит от того, насколько быстро эти новые методы переработки будут масштабироваться. Ветер будет продолжать дуть. Вопрос в том, сможем ли мы убрать за ним следы.
Скрытые материалы, определяющие развитие морской и топливной энергетики
Ветряные турбины занимают все заголовки новостей, но настоящая инженерная битва за возобновляемую энергию разворачивается под водой и в топливных элементах. Речь идет не только о том, чтобы уловить ветер или солнечный свет. Речь идет о выживании в агрессивной среде.
Возьмем гидро turbines. Они работают в суровых условиях. Морская вода вызывает коррозию металла, разъедает подшипники и со временем ослабляет структурную целостность. Здесь на сцену выходят композиты. Они, очевидно, легкие, что важно, когда нужно эффективно вращать ротор. Но их настоящая суперсила — это устойчивость.
Эпоксидная смола практически непроницаема для воды. Она действует как щит. Внутри этих турбин вы найдете сопла — компоненты, предназначенные для ускорения потока воды и захвата большей мощности. Они изготовлены из стекловолокна и эпоксидной смолы. Материал не ржавеет. Он не набухает. Он просто выдерживает нагрузки.
Композиты предлагают график технического обслуживания, который практически отсутствует.
Топливные элементы представляют собой другой набор вызовов. Они считаются возобновляемыми только в том случае, если водород производится устойчивым способом. Но, предполагая, что «зеленый» водород существует, оборудование должно быть надежным. Здесь виниловый эфир в сочетании с углеродным волокном меняет правила игры.
Эти смеси являются проводящими. Они размерно стабильны. Они не горят. Практическое применение имеет здесь решающее значение. Автомобилям будущего на водородных топливных элементах нужны резервуары для хранения. Металлические баки тяжелы и подвержены водородному охрупчиванию. Композитные баки легче. Они сокращают время производства. Они вписываются в конструкции транспортных средств, которые не могут принять жесткие металлические детали.
Солнечные поверхности и стремление к эффективности
Солнечные панели существуют уже десятилетиями, но материалы, поддерживающие их, эволюционируют. Мы смотрим не только на эффективность самой ячейки. Мы рассматриваем жизненный цикл всей установки.
Реактопластичные композиты заменяют алюминиевые рамы. Они заменяют традиционные глиняные черепичные крыши. В результате получается конструкция, которая легкая, прочная и невосприимчивая к погодным условиям. Солнечный свет разрушает многие материалы. Эти композиты сопротивляются этому.
Но инновации проникают глубже в фотоэлектрическую ячейку. Исследователи экспериментируют с тонкими пленками. В частности, с комбинацией оксидов висмута и марганца. Это не просто структурное покрытие. Это оптическое покрытие.
Пленка оптимизирует то, как ячейка поглощает солнечный свет. Она захватывает более широкий спектр лучей. Больше поглощения означает больше электроэнергии. Это тонкий сдвиг в химии, который может значительно повысить выходную мощность.
Тенденция очевидна. Мы отходим от тяжелых, проводящих, корродирующих металлов. Мы движемся к инженерным материалам, которые служат дольше. Энергетический сектор меняет не только то, что он сжигает или что он улавливает. Он меняет то, из чего он построен. И это изменение структурное.
