მრეწველობა

გრაფენის პოტენციალი განახლებადი ენერგიის სისტემებისთვის

გრაფენის პოტენციალი განახლებადი ენერგიის სისტემებისთვის

გრაფენის სტრუქტურა [სურათი:UCL მათემატიკისა და ფიზიკის მეცნიერება, Flickr]

წლის დასაწყისში, იანვრის ბოლოს, მანჩესტერისა და აბუ დაბიში უნივერსიტეტებმა განაცხადეს, რომ აპირებენ თანამშრომლობას გრაფენის შემცველი ქაფის წარმოების პროექტში, რომელიც შედგება ნახშირბადის ატომების ერთი ფენისგან, რომელიც განლაგებულია თაფლის ქსელში, რომელიც ფოლადზე 10 ჯერ უფრო ძლიერია, 1000 ჯერ მსუბუქია ვიდრე ფურცელი თითო ერთეულის ფართობზე.

გრაფენი პირველად 2004 წელს მანჩესტერის უნივერსიტეტის ლაბორატორიაში აღმოაჩინეს, მეცნიერების მიერ ნახშირბადის ერთი ფენის წარმოებისა და მრავალი თეორიის მცდელობის შემდეგ, 1962 წელს ელექტრონული მიკროსკოპით დაფიქსირდა. პროფესორებმა ანდრე გეიმმა და კონსტანტინე ნოვოსელოვმა გამოიყენეს პროცესი, სახელწოდებით " სკოტჩის ტექნიკა ”, რომელშიც სკოტჩს არაერთხელ იყენებდნენ გრაფინის ფენების გრაფიტის ნაჭერიდან მოსაშორებლად, სანამ ატომების მხოლოდ ერთი ფენა არ დარჩებოდა. ამან 2010 წელს ორ მეცნიერს ნობელის პრემია მიანიჭა.

უახლოეს მომავალში გრაფენი შეიძლება გამოყენებულ იქნას ელექტრული კომპონენტებისთვის და სხვა ნივთებისთვის, როგორიცაა სენსორები, ელემენტები, კომპოზიტები, იონების გადამცვლელი მემბრანები და სხვა პროდუქტები. კვლევის ჯგუფი ფოკუსირებული იქნება სამ პროექტზე, რომლებიც მოიცავს გრაფენს და ორგანზომილებიან მასალებს, რომელთა გამოყენება შეიძლება მრავალფეროვან პროგრამაში. ერთ-ერთი პროექტი შეიმუშავებს დაბალფასიანი ჭავლური ბეჭდვის ტექნიკას მიკრო-სენსორების მშენებლობისთვის. ამის შემდეგ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ენერგეტიკის სექტორში და სამხედრო პროგრამებისთვის. კიდევ ერთი პროექტი შეისწავლის გრაფინის გამოყენების წყლის პოლისციას.

მანჩესტერის უნივერსიტეტის პროფესორმა ბრაიან დერბიმ, ინჟინერთან საუბრისას, განმარტა, რომ ბატარეის ელექტროდებში გრაფენის გამოყენების უპირატესობა, მხოლოდ ერთი მაგალითის მოყვანა, არის ის, რომ მას აქვს ძალიან მაღალი ზედაპირი და სისქე მხოლოდ ერთი ატომია. ამასთან, იმისათვის, რომ მასალა იყოს სასარგებლო, ატომის სისქის ფენები უნდა შეფუთონ 3D ობიექტში. სწორედ ამიტომ, მკვლევარები ცდილობენ წარმოქმნან ქაფი გრაფინიდან, რათა შეიმუშაონ მასალის შეფუთვის გზები, რათა მათ სივრცეში ააწყონ, მაგრამ მათი ზედაპირის ფართობი მაქსიმალურად შეიკავონ. გუნდი ასევე იმედოვნებს, რომ შეიმუშავებენ კომპოზიტებს, რომლებშიც გრაფენის ფანტელები იფანტება პოლიმერულ მატრიცაში, რაც ქმნის ძლიერ, მაგრამ მაინც მოქმედ კომპოზიტს.

გრაფენის კვლევა დიდ ბრიტანეთში, ეგზტერის უნივერსიტეტში [სურათი:ეგზეტერის უნივერსიტეტი, Flickr]

როგორ შეიძლება გრაფინი ისარგებლოს განახლებადი ენერგიის სექტორში?

2011 წელს, ჩრდილო-დასავლეთის უნივერსიტეტის ინჟინრებმა დაადგინეს, რომ გრაფინის ანოდები ენერგიას უკეთესად იკავებენ ვიდრე გრაფიტი, რაც საშუალებას აძლევს ათჯერ უკეთესად დატენოს ბატარეა, პოტენციური პროგრამებით, მათ შორის, ელექტრომობილებში (EV). 2013 წელს ტეხასის რაისის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა იწინასწარმეტყველეს, რომ გრაფენი, ბორის ზოგიერთი ატომის დამატებით, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ლითიუმის იონის ბატარეებისთვის ულტრაწვრილი მოქნილი ანოდის შესაქმნელად. ბორი ხელს უწყობს ლითიუმის იონებს გრაფენის გამყარებაში, რითაც ხელს უწყობს სწრაფი დატენვის მიწოდებას, რის გამოც რაისის უნივერსიტეტის კვლევა ჩატარდა ჰონდასთან ერთად, რომელიც ავტომობილების მწარმოებელთაგან ერთ – ერთია, რომელიც ახალაშენებულ EV– ს მოდელებს აწარმოებს. სხვა კომპანიებმა, როგორიცაა Kia და Hyundai, აჩვენეს დაინტერესება მასალის მიმართ, ორივე კომპანია აწესებს პატენტებს საწვავის უჯრედებში გრაფენის გამოყენებისთვის.

რაისის უნივერსიტეტის მკვლევარებმა ასევე დაადგინეს, რომ გოფენი შერეული ვანადიუმის ოქსიდში შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალი ეფექტურობის მქონე ეფექტური კათოდების შესაქმნელად, რომელთა დატენვა 20 წამში შეიძლება და მათი მოცულობის 90 პროცენტზე მეტი შენარჩუნება დიდი გამოყენების შემდეგ. გრაფენი ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას სუპერ კონდენსატორებისთვის და UCLA– ს მკვლევარებმა აღმოაჩინეს, რომ მისი დაფარვა შესაძლებელია DVD– ზე. ამის შემდეგ DVD დამწვარი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მილიონობით სუპერკონდენსატორის სქემების გრაფენის ფენაში ჩასაწერად, რომელთა გაწმენდის შემდეგაც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნებისმიერი, ვისაც სჭირდება ენერგიული კვების ელემენტი. შვედეთის მეცნიერებმა ასევე აღმოაჩინეს, რომ გრეფენს შეიძლება დაემატოს მაგემიტი, რკინის ოქსიდის ტიპი, რომელიც მსგავსია წითელი მადნისა, რის შედეგადაც იგი ნანოკრატში გადაიზარდა. ამის შემდეგ ეს შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც ელექტროდები ლითიუმის იონურ ბატარეებში.

მანჩესტერის უნივერსიტეტის ელექტრო და ელექტრონული ინჟინერიის სკოლის პროფესორი Forsyth მიიჩნევს, რომ გრაფინი დაგეხმარებათ EV– ს ეფექტურობის ამაღლებაში აკუმულატორების წონის შემცირებით, რომელთა წონა დაახლოებით 200 კილოგრამს შეადგენს. ეს ასევე ხელს შეუწყობს EV– ების დიაპაზონის 100 კილომეტრს მიღმა გაგრძელებას, რის გამოც შფოთვა ამჟამად მათი მიღების შეფერხების მთავარი ფაქტორია. ამასთან, გრაფენის გამოყენებამ ბატარეებში შეიძლება ასევე გაზარდოს ენერგიის შენახვის სექტორი, მანჩესტერის უნივერსიტეტმა თავის კამპუსში გამოიყენა ქსელის მასშტაბის აკუმულატორი და გადამყვანი სისტემა.

Mercedes SLS AMG E- უჯრედი ჟენევის საავტომობილო შოუზე [სურათი:სედრიკ რამირესი, ფლიკრი]

რაც შეეხება მზის PV– ს, გრაფინი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მზის უჯრედების ანარეკლირებული საფარის შესაქმნელად, ინდოეთის მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ მასალას შეუძლია მზის სპექტრის ულტრაიისფერ ნაწილთან ასახვა შეამციროს 35 პროცენტიდან 15 პროცენტამდე. სილვიჯა გრედეჩაკმა მასაჩუსეტსის ტექნოლოგიურ ინსტიტუტმა (MIT) ასევე დაადგინა, რომ გრაფენს PV უჯრედებში შეუძლია ენერგიის გარდაქმნის უფრო მაღალი ეფექტურობა, ხოლო მიჩიგანის ტექნოლოგიური უნივერსიტეტის სხვა მკვლევარებმა დაადგინეს, რომ გრაფენს შეუძლია პლატინის ჩანაცვლება მზის უჯრედების ელექტროდებში, ეფექტურობის დაკარგვის გარეშე.

აგრეთვე იხილეთ: 10 ძალიან პოპულარული ელექტრო მანქანა (EV) და ჰიბრიდები

მასალის კიდევ ერთი პოტენციური გამოყენებაა ინდუმის თუნუქის ოქსიდის (ITO) ჩანაცვლება მზის უჯრედებში. ეს არის მასალა, რომელიც იშვიათი და ძვირია. ამჟამად იგი გამოიყენება გამჭვირვალე ელექტროდებისთვის, მაგრამ ასევე ძალიან მყიფეა. MIT– ის მეცნიერები იმედოვნებენ, რომ შეიმუშავებენ ახალი მზის უჯრედს, რომელიც დამზადებულია გრაფენისა და მოლიბდენის დისულფიდისგან, რის შედეგადაც მიიღება მზის უჯრედი, რომელიც არის თხელი და მსუბუქი 1000 – ჯერ მეტი ეფექტურობით, ვიდრე ჩვეულებრივი სილიციუმის პანელები.

საწვავის უჯრედების ელექტრომობილებში (FCEV), გრაფინი შეიძლება დაეხმაროს განახლებადი წყალბადის საწვავის ღირებულების შემცირებაში, რაც თავის მხრივ ნიშნავს მეტ წყალბადის საწვავის სადგურებს დამუშავების დაბალი ხარჯების გამო. აზოტით დოპინგებული და კობალტით გაზრდილი გრაფენი აჩვენა, რომ რაის უნივერსიტეტის მეცნიერებმა წყალში წყალბადის წარმოების ეფექტური და გამძლე კატალიზატორია, რომელიც შეცვლის ძვირადღირებულ პლატინას.

ამრიგად, გრაფინის განახლებადი ენერგიის ორი მთავარი პროგრამა, ამრიგად, მზის ელემენტები და ელემენტებია EV- ებისთვის, თუმცა მასალების საერთო ბაზარი ახლა 9 მილიონ დოლარს აღემატება ნახევარგამტარებში, ელექტრონიკაში, ბატარეებსა და კომპოზიტებში.

მანჩესტერის უნივერსიტეტის დაგეგმილი ახალი გრაფენის ინჟინერიის ინოვაციების ცენტრი (GEIC) [სურათი:მანჩესტერის უნივერსიტეტი]

დიდი ბრიტანეთი ახლა ამას ასპარეზობს, მანჩესტერის უნივერსიტეტი ახლა მიდის გზაზე მეორე სპეციალისტის გრაფინის კვლევითი ცენტრის მშენებლობისთვის, რომელსაც ახლახანს მიენიჭა დაგეგმვის ნებართვა 15 Თებერვალი. გრაფენის საინჟინრო ინოვაციების ცენტრი (GEIC) ყურადღებას გაამახვილებს ინდუსტრიის ხელმძღვანელობით გრაფენის პროდუქტების შემუშავებასა და გამოყენებაზე, გრაფენის ნაციონალურ ინსტიტუტთან (NGI) და სერ ჰენრი როისის შემოთავაზებულ მასალების თანამედროვე კვლევის ინსტიტუტთან თანამშრომლობასთან დაკავშირებით, რათა გრაფენის შემუშავება შესაძლებელი გახდეს პირველადი კვლევა პროდუქციის დასასრულებლად, ამით მანჩესტერი დამყარდა გრაფენის კვლევის წამყვან გლობალურ ცენტრად. აქცენტი გაკეთდება არსებული მასალების გაუმჯობესებაზე და ახალი ბაზრების გახსნაზე GEIC– ის დაფინანსებით, რომელიც ძირითადად აბუ დაბის განახლებადი ენერგიის კომპანია Masdar– მა და უმაღლესი განათლების დაფინანსების საბჭომ გახსნეს ინგლისის გაერთიანებული სამეფოს კვლევითი პარტნიორობის საინვესტიციო ფონდისთვის (UKRPIF). ცენტრი დასრულდება 2017 წლის ბოლოს.


Უყურე ვიდეოს: განახლებადი ენერგიის წყაროები (ოქტომბერი 2021).