Борщевик как источник энергии

Борщевик Сосновского когда-то завезли в Центральную Россию с Кавказа и начали культивировать в качестве корма для скота. Однако эта идея оказалась не очень эффективной. Зато жгучее растение распространилось так широко, что превратилось в существенную проблему. Если для фермеров и работников сельского хозяйства это сорняк, с которым сложно бороться, то для простого обывателя борщевик просто опасен. От него можно получить серьезные ожоги, которые долго не проходят. Поэтому растению объявили тотальную войну. Однако совсем недавно выяснилось, что борщевик можно использовать в самых благих целях: специалисты из МГУ и Сколтеха придумали изготавливать из него натрий-ионные батареи. Информация о разработке была опубликована в журнале Batteries.

Цены на литий, который используется сейчас в большинстве батарей, неуклонно растут. Добывают его в ограниченном числе стран, а производство этого металла не слишком экологично. Натрий является неплохой альтернативой литию, но его можно использовать лишь в паре с другим материалом. Твердый углерод, который используют для изготовления анодов натрий-ионных аккумуляторов, в принципе можно получать из любых органических материалов.

Скажем, немецкий фермер Кристиан Кох изобрел аппарат, в который загружаются любые биологические отходы. Содержимое бака нагревают до температуры 300 градусов, вследствие чего смесь начинает выделять углеводороды. При помощи катализатора предприимчивый немец превращает их в дизельное топливо, которое с успехом использует в качестве горючего для своей машины.

Специалисты из Американской организации по исследованиям в сельском хозяйстве во главе с доктором Чарльзом Ли придумали использовать в качестве биотоплива… грибы! Вернее, древесный гриб шиитаки, который растет в Юго-Восточной Азии. Шиитаки употребляют в пищу в качестве деликатеса. Он обладает способностью выделять фермент, позволяющий быстро расщеплять древесину и извлекать из нее питательные вещества. Ученые решили модифицировать ген, ответственный за выработку данного фермента. Если он сможет расщеплять не только дерево, но и различные биологические отходы, то на его основе можно было бы получать этанол, который будет служить топливом.

Некоторое время назад компания MagCap Engineering из Массачусетса в сотрудничестве с изобретателем Гордоном Уодлом из Иллинойса начала эксперимент по выработке электроэнергии… из деревьев! Уодл разработал конструкцию, состоящую из воткнутого в дерево металлического прута и электрической схемы, фильтрующей ток и напряжение. Вырабатываемого электричества достаточно, чтобы зарядить, например, батарею мобильного телефона.

Отечественные же ученые обратили внимание на борщевик, потому что его в России много, и непонятно, что с ним делать. «Мы подумали: а здорово было бы одновременно избавиться от этого гадостного сорняка и получить что-то полезное взамен, – говорит одна из авторов разработки Зоя Бобылева из Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. – Твердый углерод, который используется в анодах натрий-ионных аккумуляторов, можно производить из любой биомассы: скорлупы орехов, отходов бумажного производства и прочих, но вот борщевик никто еще не пробовал. А оказалось, что он неплохо подходит».

«На сегодня твердый углерод обеспечивает лучшее сочетание свойств для изготовления анода натрий-ионного аккумулятора, – комментирует руководитель проекта Евгений Антипов. – Этот материал представляет собой аморфную форму углерода, которая даже при сильном нагреве не переходит в графит. В отличие от графита у этого вещества такая структура, что оно может цикл за циклом внедрять в себя ионы натрия и высвобождать их обратно, что необходимо для работы аккумулятора, при этом объем материала не сильно изменяется. Другие достоинства – сравнительная дешевизна, простота синтеза и утилизации и невысокая пожароопасность».

Подходящий для анодов материал должен обязательно обладать двумя важными ключевыми характеристиками. Это высокая кулоновская эффективность и определенная удельная емкость. Чем выше первый показатель, тем меньше энергии будет тратиться на побочные процессы, которые еще и ведут к износу батареи. Первому параметру борщевик соответствует на 87%, по второму тоже вполне конкурентоспособен – 260 против 300 миллиампер в час для максимально подходящего сырья.

Кстати, разные виды борщевика показали разную пригодность для использования. «Если быть точнее, то мы рассмотрели отдельно зимний борщевик, который проще собрать, и более зловредный летний борщевик, который цветет и пахнет, – рассказывает Бобылева. – Но надо сказать, что именно из летних образцов получился материал с более высокой кулоновской эффективностью, а этот показатель – слабое место анодов из твердого углерода, поэтому мы именно на нем сконцентрировались в своем исследовании. Что касается удельной емкости, вероятно, мы сможем ее повысить в будущем».

Как же происходит технологический процесс переработки борщевика? Его подвергают так называемой прямой карбонизации. Сначала нагревают до 1300 градусов по Цельсию в бескислородной среде. Затем полученную биомассу промывают кислотами, для того чтобы удалить металлические и прочие примеси, и повторяют процедуру нагрева. Далее помещают в наполненный водой закрытый реактор и там варят. На выходе получаются небольшого размера сферы, содержащие углерод.

Предполагается, что со временем натрий-ионные аккумуляторы смогут заменить более дорогие и неэкологичные литий-ионные накопители энергии, которые устанавливаются, к примеру, на солнечных и ветрогенераторах и другом оборудовании, где компактность не играет существенной роли. «Спрос на перезаряжаемые аккумуляторы будет расти, – считает еще один соавтор исследования, руководитель Центра энергетических технологий Сколтеха профессор Артем Абакумов. – Если говорить о стационарных батареях, применяемых в промышленности или для выравнивания колебаний при генерации энергии солнечными батареями и ветряками, то натрий-ионная технология выглядит очень перспективно. Такие батареи будут значительно дешевле литий-ионных, и хотя по массе и габаритам они будут проигрывать, это не всегда важно – зависит от применения».

Ирина ШЛИОНСКАЯ