Материаловедение периода перемен

Предупрежден — значит вооружен.

Английская пословица

Вступив в период перемен, частным проявлением которых служат попытка энергетического перехода, декарбонизация и Зеленая сделка ЕС, человеческая цивилизация должна радикально измениться в самой своей сути: перестать быть цивилизацией технического типа. То есть перестать полагаться на техническую мощь машин, и постараться вернуться к жизни в гармонии с природой. Поэтому перемены затрагивают не только методы получения и использования энергии, а практически все области производства и общественных отношений.
Если преобразованиями общества занимаются социальные инженеры, то успех радикального изменения технологий во многом определяют специалисты по созданию новых материалов, материаловеды. Ведь все прекрасные мечты о светлом зеленом будущем так или иначе должны быть воплощены в какие-то изделия. А делают их как раз из материалов. Какие же задачи стоят перед материаловедами периода перемен?

В XX веке господствовали огромные машины чудовищной мощности. Примером служит турбина тепловой электростанции. На смену им приходят изящные установки вроде ветряков. Однако материалов они потребуют гораздо больше, чем стальные машины. Фото: ТАСС

От мощи — к экономии

Двадцатый век можно назвать эпохой технической бури и натиска. Создавая все более и более мощные машины, человечество стремительно, за столетие, освоило все стихии планеты, вышло в межпланетное и даже межзвездное пространство и вообще, по образному выражению академика В.И. Вернадского, превратилось в новую геологическую силу, преобразующую планету не хуже вулканов или землетрясений.

Это стало возможным благодаря созданию все новых и новых металлических материалов, способных быть прочнее, сильнее и вообще устойчивее при экстремальных условиях. Специалисты неоднократно объявляли наступление нового века, века пластика, керамики, электроники. Но век все тот же, железный, ведь сталь была и остается символом могущества человечества, основным материалом, который обеспечивает создание все более могущественных машин.

Задача материаловедов технической эры состояла в том, чтобы создавать материалы, способные выдерживать экстремальные условия, давать экстремальные значения каких-то физических свойств, скажем, магнитных, диэлектрических и других, благодаря чему можно обеспечить возрастающую мощь машин. О цене этого могущества задумывались, но это не было главным. Вспоминается анекдот про конструктора Артема Ивановича Микояна, который в ответ на упреки в расточительности заметил, что «если мне для достижения нужных характеристик потребуется заправлять самолет армянским коньяком, то я это сделаю».

Однако если задуматься, а для чего же нужны эти могущественные машины, то окажется, что в конечном счете они нужны для производства мусора. В самом деле, от добычи полезных ископаемых остаются отвалы, транспорт и энергосистема, работающие на ископаемом топливе, выбрасывают в атмосферу парниковые газы, химические производства изготавливают миллионы тонн пластика, который в конце концов оказывается на свалке, информатизация общества приводит к росту электронного мусора, и не только в головах пользователей.

В общем, к концу XX века думающим людям стали приходить мысли, что с этой прекрасной в своей мощи технической цивилизацией не все в порядке: циклы веществ и энергии в ней не замкнуты. В XXI веке эти мысли превратились в концепции циркулярной экономики, где антропогенные циклы веществ и энергии нужно замкнуть, а если это не удается без разрушения жизненного уклада и возвращения в пещеры, то попытаться вписать их в природные циклы.

Для этого нужно опять придумывать новые материалы и новые технологии, только несколько иные, при создании которых во главу угла ставятся не экстремальные сочетания свойств, а бережное отношение к природе. Отнюдь не всегда это удается, поэтому-то перед материаловедами и появились совершенно нетривиальные задачи, требующие отказаться от оптимума в пользу бережного обращения с ресурсами, в том числе после исчерпания жизненного цикла изделия. Любого: от пластикового пакетика и заколки для волос до АЭС.

Такой компромисс вполне может вызвать когнитивный диссонанс у специалиста, однако обстоятельства заставляют выбирать этот путь. Подобная ситуация неплохо описана в романе Гарри Гаррисона «Подвиньтесь! Подвиньтесь!», где из-за исчерпания ископаемых углеводородов люди вынуждены ездить на спирту, а летать на аэростатах, при этом они весьма резко высказываются о предках, которые сожгли всю нефть и довели человечество до такой жизни.

Жители слаборазвитых стран получают доход от разборки электронного мусора. Но в результате им приходится жить на свалке. Фото: EPA

Выписывая циклы

Проблемы, которые встали перед материаловедами, грандиозны и многообразны. Выберем лишь несколько аспектов, для чего воспользуемся статьями лица ответственного, президента Европейской академии наук, президента Международного союза обществ материаловедов португальца профессор Родриго Мартинса (Rodrigo Martins). Вот, например, как он видит проблему полимерных материалов и электронного мусора.

Вписывать пластики в природный цикл в Евросоюзе предполагают за счет растительного сырья, которое должно превращаться в биоразлагаемые материалы. Пока что автомобили, детали которых сделаны из древесины и отходов пищевой промышленности, выступают в качестве материаловедческих курьезов. Сегодня основная мысль исследователей направлена на борьбу с пресловутым пластиковым пакетом, а равно прочей упаковкой и всяческой одноразовой посудой, применяемой в системах быстрого питания.

Несмотря на то что подобные материалы давно придуманы и технологии работы с ними отлажены, разлагаемый пакет-бутылка-тарелка остается скорее благим пожеланием и политики охотнее идут по пути запрета пластиковой упаковки и других одноразовых изделий из полимеров вроде трубочек для коктейля. Наглядное представление об этой печальной ситуации дает одно-единственное число: в 2019 году доля пластиков, полученных из биомассы, то есть включенных в естественный цикл обращения углерода, не превышала 1% от мирового производства полимеров.

Не совсем понятно, кто в этом виноват: свойства биоразлагаемых материалов или экономические условия? Если первое — значит, материаловеды еще не сказали своего последнего слова, которое общество вправе от них требовать, а если второе — то козыри в руках экономистов с политиками, с них и спрос. Одно совершенно точно: у материаловедов есть необозримое поле деятельности по созданию съедобных упаковок и таких, которые продлевают сроки хранения продуктов без использования сильного охлаждения. Это помогает уменьшать как потери пищи, которые составляют чуть ли не треть от всего объема ее производства, так и затраты энергии на работу холодильников.

Вообще, в области пищи деятельность материаловедов пока что находится не на высоте. Однако обстоятельства вынуждают создавать новые, невиданные технологии ее приготовления, чтобы уменьшить объем отходов, попадающих на свалку, и вовлечь в рацион различные нетрадиционные источники белка, которые наносят меньший вред окружающей среде, чем, скажем, коровы. Этим должна заниматься пищевая нанотехнология. Она сможет, например, дать нанодатчики свежести пищи или ее загрязнения ядохимикатами, аллергенами, антибиотиками. Условно говоря, лежит на прилавке кусок мяса, и нет на нем срока хранения. Свежесть же определяется просто: позеленела та часть, на которую нанесен нанодатчик, значит, этот кусок скоро испортится, надо уценивать, стал красным — нужно списывать. Использование нанодатчиков, нанотехнологической упаковки с консервантами, нанопроцессинга пищи позволит провести революцию в питании — не только повысить безопасность пищи, но и увеличить ее объем за счет радикального сокращения отходов.

Дитя информационной эры, электронный мусор, на наших глазах становится очередным бичом цивилизации. Во всяком случае, каждый год на мировой свалке оказываются более 50 млн тонн компьютеров, смартфонов, телефонов и прочей техники. Причем эта мировая свалка расположилась в слаборазвитых странах Африки, Азии и Латинской Америки. Технику там частично разбирают, извлекая полезные вещества, но не все и, главное, с крайне низкой культурой производства. Это плохо по двум причинам.

Во-первых, в электронных компонентах, а также пластиковых корпусах есть много вредных веществ, от свинца и кадмия до бромированых антипиренов. Оказавшись в отвалах после утилизации мусора, эти компоненты неизбежно с той или иной скоростью высвобождаются и распространяются с водой по окрестностям. Особенно плохо, если на такой свалке случится пожар. Как бы то ни было, а зоологи время от времени находят, скажем, антипирены в тканях диких африканских животных.

А во-вторых, в этих компонентах имеется много ценных металлов. Если золото и серебро с контактов снять не так уж сложно и некоторые на такой переработке микросхем наживают состояния, то извлечение редкоземельных элементов из чипов дело неблагодарное: работы много, а денежный доход мал. Например, пьезоэлектрики, а их особенно много в передатчиках и приемниках радиоволн, содержат львиную долю свинца во всей электронике. И отказаться от свинца не удается: выходит либо дорого, либо плохо, либо и то, и другое, но нет предела совершенству.

Однако свинец в пьезоэлектриках — лишь первый из многих. Не менее вредный кадмий используют в аккумуляторах, опасную ртуть — в экранах дисплеев, переключателях. Интересно, что свинца много и в самих микросхемах: свинцово-оловянный сплав составляет до 3% их веса. А ведь есть еще сурьма, мышьяк, бериллий, цинк, никель, молибден, висмут. Все они не очень-то полезны для здоровья.

Решать проблему можно эволюционно и революционно. То есть либо совершенствовать имеющуюся технологию и материалы, пытаясь заменить с большими или меньшими потерями вредный металл на что-то безвредное. Либо сломать систему и перейти на нечто невиданное. Оптимально — сделать биоразлагаемую электронику вообще без металлов.

И это не мечты. В 2021 году чернилами на бумаге напечатали первый тонкопленочный транзистор. Проводящий слой нанесли чернилами с графеном, диэлектрик — из кристаллической наноцеллюлозы, а полупроводником служил слой из нанотрубок. Правда, металл-таки понадобился: добавка ионов натрия к наноцеллюлозе существенно улучшила качество транзистора. Ну да компонент поваренной соли, конечно, нельзя считать таким уж вредным и не вписанным в природные циклы.

Если действительно удастся сделать электронику бумажно-графитовой, тогда в ликвидации электронного мусора будет совершен большой шаг вперед. Чтобы совсем уж от него избавиться, надо еще и корпусы делать не из прочных пластиков с антипиренами, а из чего-нибудь возобновляемого и хотя бы хорошо перерабатываемого, например из металла, как поступают изготовители дорогих смартфонов.

Обитатели прибрежных территорий вынуждены существовать с тем мусором, что выбрасывают к их ногам волны Мирового океана. Фото: EPA

Главный мусор цивилизации

Впрочем, самый главный мусор технической цивилизации, который волнует все человечество, это парниковые газы. И главнейшие циклы, которые нужно закрыть, это цикл углерода, коль скоро сейчас цивилизация базируется на использовании ископаемого углеводородного топлива, а также связанный с ним энергетический цикл. Именно здесь есть грандиозные задачи для материаловедов: замыкать эти циклы нужно так, чтобы не размыкать какие-то другие.

Чтобы замкнуть оба важнейших цикла, человечество на наших глазах предпринимает беспрецедентные меры, ведущие к омертвлению основных фондов на триллионы долларов, исчезновению миллионов рабочих мест и даже к мировой войне. Пока что решать проблему цикла углерода предполагают за счет отказа от ископаемого топлива, а цикла энергии — за счет использования только той энергии, что поступает на планету от Солнца и тепла Земли, а ни в коем случае не накоплена, хоть в виде ископаемых углеводородов, хоть в виде урана. Видимо, термоядерная энергия, если ею удастся управлять, окажется в этом же нежелательном списке.

Какие же материалы нужны человечеству для решения проблемы энергетики? Удивительно, но из поля зрения специалистов выпадает такой важнейший и реально работающий вид возобновляемой электроэнергетики, как гидроэнергетика. Видимо, считается, что там все уж сделано, идеальные материалы для гидротурбин найдены и серьезных задач для материаловедов нет. Аналогично нет в списках и геотермальной или приливной энергетики. Впрочем, не исключено, что эти виды энергетики сознательно или бессознательно считаются реликтами уходящей эры огромных машин и поэтому в расчеты для зеленой эры их не принимают.

Магнит для ветряка

Истинным приоритетом оказывается энергетика на ветряках и солнечных батареях. И здесь материаловедам действительно есть где разгуляться. Прежде всего, ветряки, гигантские сооружения с многометровыми лопастями, оказываются весьма экологически грязными с точки зрения производимого ими мусора. Собственно, именно эти лопасти, сделанные из прочных композиционных материалов, своего рода шедевр материаловедения уходящей технической эры, и есть мусор. Ведь по окончании срока службы, а он исчисляется двумя десятками лет, ветряк надо ломать.

И тут встает вопрос: а куда девать лопасти? Их ведь специально делали из материала, способного выдерживать длительную работу в тяжелых условиях, при смене температур, под действием осадков, брызг соленой воды, если речь идет о ветряках морского базирования. Будь лопасти металлическими, их бы легко пустили в переплавку, но они пластиковые. Переработать прочный пластик не удается, и приходится лопасти закапывать в каких-то пустынных местах до лучших времен, когда технология переработки будет востребована.

Материаловедам предстоит добиться, чтобы лопасти были сделаны из легко перерабатываемого материала, который можно вернуть в цикл производства. Иначе, замыкая цикл энергии, приходится размыкать цикл вещества и накапливать отходы.

С генераторами электричества у ветряков также не все ладно. Они, конечно, металлические, подлежащие переплавке, однако содержат редкоземельные металлы: самый мощный постоянный магнит делают из сплава неодим-железо-бор, в который порой добавляют празеодим и другие редкие земли. В целом на каждый гигаватт установочной мощности ветряка идут сотни тонн неодима, десятки тонн празеодима и диспрозия, тонны тербия и иттрия.

Система переработки таких сплавов не столь совершенна, чтобы после демонтажа старого ветряка снова пустить содержащиеся в нем редкие металлы в производство нового ветряка. Значит, эти металлы снова и снова надо добывать из минералов, применяя изощренные технологии, ведь не случайно их назвали редкими. И создавать отвалы пустой горной породы, без них добычи металлов не бывает. В общем, ветряк хоть и замыкает цикл энергии, но сам по себе остается гигантской машиной, реликтом технической цивилизации с ее расточительством по отношению к минеральным ресурсам.

Альтернативой постоянным магнитам для генераторов электричества служат сверхпроводящие электромагниты. Они позволяют повышать мощность ветряков при снижении веса, однако и высокотемпературные сверхпроводники не обходятся без редких или вредных металлов. Так, в самом распространенном материале этого класса, иттрий-бариевом купрате, есть иттрий, а рекордсмен по температуре сверхпроводящего перехода содержит ртуть. Так что и здесь нет идеального материала, хотя возможностей для фантазий ученых, ищущих горячую сверхпроводимость, гораздо больше, чем при колдовстве с постоянными магнитами, где известно если не все, то очень многое.

Вершиной мастерства было бы создание магнитной или сверхпроводящей формы углерода или углеводорода, правда пока что неясно, точно ли существуют фундаментальные запреты на такие свойства у этого элемента. Все-таки в 90-е годы появлялись сообщения об открытии в Троицке магнитных свойств у спеченных фуллеренов. Материал на основе углерода уж точно был бы вписан в природные циклы вещества. Надежду на успех дает тот факт, что, скажем, в середине 60-х годов вряд ли кто из серьезных материаловедов мог бы даже задуматься об органических транзисторах, а теперь такие материалы занимают важное место в современной электронике.

Проблема магнитных материалов в зеленой эре человечества не исчерпывается темой ветряков. В электромобилях колеса крутят электродвигатели — где один, а где и четыре, по одному на колесо. Там также нужны мощные магниты. Их размеры, конечно, несопоставимы с генераторами ветряков, но дело в количестве: по планам декарбонизаторов, к 2040 году ежегодные продажи электромобилей должны превысить 70 млн штук, не считая всяческих сигвеев и самокатов. Для сравнения: в 2019 году было продано 3 млн электромобилей. И в каждом есть электродвигатели, в которых содержится до килограмма неодима, празеодима, диспрозия и тербия. То есть на 70 млн штук потребуется 70 тыс тонн этих металлов. В то же время сейчас мировое годовое производство, скажем, неодима составляет около 10 тыс тонн. Только из соотношения этих чисел становится ясен весь масштаб работ, который предстоит выполнить материаловедам по совершенствованию рецептуры магнитов для нужд устройств зеленой эры.

В XX веке господствовали огромные машины чудовищной мощности. Примером служит турбина тепловой электростанции (фото в начале статьи). На смену им приходят изящные установки вроде ветряков. Однако материалов они потребуют гораздо больше, чем стальные машины. Фото: DPA/TASS

Батареи и батарейки

Солнечные элементы с точки зрения проблем материаловедения похожи на ветряки: они тоже создают плохо перерабатываемый мусор и используют много ценных металлов. Уже создано три поколения таких элементов. В первом использовали массивные пластинки из кристаллического кремния. Во втором на стекло наносят тонкие пленки аморфного кремния, теллурида кадмия, селенида меди-индия-галлия. Третье поколение находится еще в лабораториях, в таких элементах генерировать электричество станут органические соединения, нанесенные либо на то же стекло, либо на полимерную пленку. Именно к этому поколению принадлежат перовскитные элементы, с которыми связаны самые большие надежды. В них за преобразование света в электричество отвечает гибридное органо-неорганическое соединение свинца.

Однако идеальный материал еще не найден, ведь он должен отвечать довольно противоречивым требованиям: хорошо превращать свет в электричество, работать долго, не разрушаясь от превратностей погоды, и, самое главное, состоять из таких компонентов, которые не нарушают природного равновесия. С последним-то и имеются серьезные проблемы. Пока что на один гигаватт установленной мощности солнечных элементов нужно израсходовать под сотню тысяч тонн стали, десятки тысяч тонн алюминия, тысячи тонн меди, хрома, сотни тонн олова. Интересно, что расход кремния оказывается значительно меньшим — в худшем случае сотни тонн.

Это никак нельзя счесть идеалом бережного отношения к природным ресурсам. Казалось бы, перовскитная органика может выручить ситуацию, но и там есть вредный свинец или дефицитное олово. Да и никак пока не удается обойтись без меди для электрической разводки и стали в качестве крепежа.

Альтернативная энергетика никоим образом не может работать без систем хранения электричества. И тут до идеала тоже еще далеко. Взять хотя бы тот факт, что стандарт для хранения — литий-ионные батареи. А литий — отнюдь не самый распространенный элемент на Земле. Вот если заменить его на натрий, калий, кальций, тогда удастся снизить потребность в ресурсозатратных технологиях, но пока конкуренты лития не позволяют выйти на нужный уровень эффективности.

Важная задача — выбор материала для катода. Как это часто водится в технике, чем лучше характеристики материала, тем более дорогие вещества надо в него добавлять. Не обошла эта судьба и аккумуляторы. Сейчас самый лучший катод делают из оксида никеля-кобальта-алюминия. Можно обойтись без кобальта, однако при этом аккумулятор с тем же зарядом потяжелеет более чем двукратно. Столь тяжелые батареи годятся разве что для тракторов, вес которых и так велик. Да и прослужит такой аккумулятор заметно меньше, чем с кобальтом.

В общем, предметом забот материаловедов периода перемен станут все компоненты аккумулятора: и оба электрода, и электролит. Их нужно делать из ресурсосберегающих материалов и при этом обеспечивать высокую эффективность. Эти материалы и предстоит разработать, либо изменить сам подход к хранению электроэнергии от возобновляемых источников.

Масштаб проблемы таков. В 2020 году в мире было установлено батарей для хранения энергии суммарной мощностью 15,5 ГВт. К 2040 году это число должно вырасти в 25 раз, только ежегодный прирост мощности составит 105 ГВт, а объем запасенной энергии достигнет 6,5 ТВт·ч. При этом основное число батарей будет работать на транспорте, то есть это как раз литий-ионные батареи, если материаловеды не найдут эффективной замены литию.

Для крупномасштабного хранения, впрочем, скорее всего, будут использованы ванадий-проточные аккумуляторы, существующие пока что лишь в лабораториях. Они служат гораздо дольше, нежели литиевые, правда в этом случае многократно возрастает потребление ванадия. В целом же, если двигаться курсом декарбонизации, прописанном в Парижском соглашения, то окажется, что потребление никеля для создания все новых и новых аккумуляторов должно вырасти более чем в 140 раз по сравнению с уровнем 2020 года, а кобальта — в 80 раз.

У императрицы Марии Федоровны был собственный электромобиль, который теперь хранится в Политехническом музее. Если бы история распорядилась по-другому, человечество в ХХ веке могло бы жить не с бензиновым, а электрическим транспортом. Тогда проблема сжигания ископаемых углеводородов стояла бы не так остро. Фото: Zuma/TASS

Водород будущего

Важнейшая часть программы декарбонизации — водородная энергетика. Водород должен заменить моторное топливо и стать источником тепла там, где по тем или иным причинам не удастся использовать электричество. А делать водород станут в гигантских электролизерах, превращая электрическую энергию, полученную от возобновляемых источников, в энергию химических связей. Извлечение из небытия идей водородной энергетики, видимо, связано с тем, что не совсем понятно, точно ли хватит мощностей электрических подстанций и возможностей электросетей, чтобы запитать весь транспорт и все электронагреватели. Водород же можно весьма экономно распространять по специально построенным водородопроводам и на конечном пункте расфасовывать по баллонам. Есть и еще одно соображение: водород может стать промежуточным энергоносителем — в него закачивают энергию при пике ее производства, а потом ее извлекают при пике потребления. Так удается стабилизировать энергосистему, основанную на нестабильных возобновляемых источниках, и делать это без использования электрических аккумуляторов.

В этой энергетике есть три важных компонента, и они также требуют пристального внимания материаловедов, ведь оптимум материалов еще не найден. Одна из тяжелейших проблем — водородное охрупчивание металлов. Никто и никогда не создавал столь масштабные системы для транспортировки водорода, которые понадобятся для водородной энергетики. Подобрать устойчивые к охрупчиванию материалы для всей номенклатуры изделий, применяемых в этих трубопроводах, — очень большая задача.

Впрочем, такие системы — реликт технической цивилизации, решать подобные задачи специалисты умеют. А вот два других компонента нужно воплощать уже в рамках зеленой идеологии. Это электролизер и топливный элемент. Первый разлагает воду на водород и кислород, второй соединяет водород с кислородом и выдает воду, а попутно — энергию. При этом выходит, что все циклы замкнуты: нет ни ископаемой энергии, ни выхлопных газов.

Строго говоря, сейчас нет промышленности для изготовления электролизеров и топливных элементов: ее надо создать практически с нуля. Специалисты же отмечают, что к 2040 году установочная мощность электролизеров должна достигнуть 1500 ГВт, а суммарная мощность топливных элементов — 20 000 ГВт. С чем это можно сравнить? В 2020 году суммарная установленная мощность электростанций в мире была 7365 ГВт. Из них на гидроэнергетику приходилось 1294 ГВт, на ветер — 624 ГВт, Солнце — 581 ГВт. То есть задача по масштабам сравнима с изготовлением мирового парка ГЭС.

Сейчас упор сделан на метод щелочного электролиза, им и так получают небольшие количества чистого водорода. В основном же водород делают конверсией метана: этот процесс несравнимо дешевле. Однако в рамках декарбонизации получать водород из метана недопустимо. Поэтому предполагается массовое строительство щелочных электролизеров.

Существующие производственные мощности позволяют выпускать лишь 2 ГВт электролизеров в год, то есть выполнение плана растягивается на добрые 700 с лишним лет, а никак не 20. В ЕС хотят сократить этот срок до 250 лет: увеличить мощность заводов по изготовлению электролизеров до 6 ГВт в год.

Впрочем, есть мнение, что дорогие мембранные электролизеры могут составить конкуренцию дешевым щелочным, если материаловеды обеспечат повышение надежности и долговечности используемых в них материалов. Пока что мировые мощности по производству таких электролизеров позволяют в год делать изделий с суммарной мощностью 500 МВт, но скоро это число удвоится.

Поскольку все эти устройства не удается печатать на бумаге, а нужно воплощать в металле, интересно посчитать, сколько его понадобится. Оказывается, 1 ГВт установочной мощности щелочных электролизеров требует 10 тыс тонн стали, 500 тонн алюминия, 1000 тонн никеля, 100 тонн циркония. Мембранным электролизерам нужны совсем другие металлы: на 1 ГВт приходится 300 кг платины и 700 кг иридия, остальное — полимеры. Платина немного в меньшем количестве требуется и для наиболее распространенных мембранных топливных элементов, преобразующих водород в энергию: именно они работают в водородных автомобилях или дронах.

Высокотемпературным топливным элементам из керамики, а их предполагается использовать для снабжения домов теплом, электричеством и равно в работе в реверсном режиме, то есть для электролиза воды, платина не нужна. Зато на 1 ГВт мощности потребуется 200 тонн никеля, 40 тонн циркония, 20 тонн лантана и 5 тонн иттрия. Конечно, это меньше, чем на те же щелочные электролизеры, жаль только, что за полвека совершенных устройств этого типа не создано. Таким бытовым топливным элементом можно было бы днем вырабатывать водород из воды и солнечной энергии, а ночью расходовать его на отопление и освещение, решив проблему высокой металлоемкости литий-ионных аккумуляторов.

Использование дорогих металлов в водородном секторе энергетики будущего стараниями материаловедов стабильно падает. Так, в 2014 году в электромобиле компании «Тойота» было 40 граммов платины, а в плане на 2040 год стоит снизить это количество до 5 граммов, и план явно будет выполнен. Современные разработки щелочных электролизеров дают снижение потребности в никеле до 800 тонн на 1 ГВт. Однако ни одна опробованная конструкция не позволяет совсем отказаться от цветных металлов. Более того, требуется расширить объем их производства, то есть замкнуть цикл потребления минеральных ресурсов никак не удается. Видимо, всем причастным специалистам надо еще немало потрудиться, найти какие-то новые концепции, чтобы решить эту важную задачу.

Цикл воды

А что с ресурсами для водородной энергетики? Хватит ли воды на планете для извлечения из нее, а не из метана промышленных количеств водорода?

Вода тут нужна не простая, а дистиллированная. То есть можно использовать как морскую, так и пресную, но к электролизеру в числе потребителей энергии прибавляется дистиллятор. Этот серьезный потребитель. Можно организовать замкнутую систему на основе высокотемпературных топливных элементов. В них, как и в любом водородном элементе, водород в реакции с кислородом дает электричество, когда его не хватает, а также тепло. Получившуюся воду можно собрать и затем, при наличии избытка электричества, на том же элементе провести обратную реакцию получения водорода электролизом. Скорее всего, это удастся на стационарных водородных установках — как для отдельного дома, так и для более крупных масштабов. В водородном транспорте замкнуть технический цикл воды не удастся, и она окажется в атмосфере, присоединится к ее естественному циклу. В результате разве что вырастет влажность в крупных городах, где будет много водородных автомобилей.

Сколько же воды потребуется? С учетом потерь в электролизере из 10 л воды получается 1 кг водорода. Для понимания возьмем новейший водородный завод компании «Ахро», который в 2022 году будет открыт в Швейцарии на базе ГЭС Эглизау-Глаттфельден. Предполагается, что установочная мощность предприятия составит 2,5 МВт (из общей мощности ГЭС 43 МВт), а объем производства будет 350 тонн водорода в год. Тогда 1500 ГВт мощностей элетролизеров, предполагаемых по плану декарбонизации ЕС на 2040-й, сделают в год 210 млн тонн водорода, на что потребуется 2,1 млрд тонн воды, то есть два кубических километра. Напомним, что для «зеленого» питания электролизеров нужно обеспечить 1500 ГВт мощностей возобновляемой энергетики, а с учетом потерь и расхода на подготовку воды, скорее всего, 2000 ГВт. Это примерно столько, сколько в 2021 году было всего ветряков и солнечных батарей на планете.

Поскольку эффективность дистилляции составляет от 15 до 50%, выходит, что нужно переработать от 4 до 14 кубических километров воды. Это сток не самой большой европейской реки, например Тахо (11 км³) или Сены (12—14 км³). Скажем, сток Дуная несопоставимо более мощный — 205 км³.

Вопрос о том, как скажется изъятие на технические нужды человечества стока, скажем, Сены, видимо, должен служить предметом для рассуждений защитников природы. Материаловеды же, обеспечивая технологов материалами для лучшей дистилляции, а также для замыкания цикла воды в топливном элементе, конечно же помогут уменьшить расход этого ценнейшего вещества.

Чтобы обеспечить планы по внедрению водородной энергетики, нужно в год пропускать через электролизеры столько воды, сколько Сена за тот же год уносит в океан. Фото: Zuma/TASS

Зеленая металлоемкость

Как видно, при нынешнем уровне развития технологий и материаловедения, материальной основой зеленой эры оказывается не кремний или пластик, а цветной металл. А о том, как выглядит ситуация в целом, в своем докладе рассказало Международное энергетическое агентство  («The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions» - полный доклад в PDF, май 2021 года), собственно, числовые данные из этого доклада по некоторым направлениям и были использованы в статье.

Интегральный вывод таков: внедрение безуглеродной энергетики при использовании имеющихся сегодня материалов и технологий ведет к многократному росту потребления многих дорогих металлов. Так, общая потребность в минеральном сырье, кроме стали и алюминия, вырастет к 2040 году четырехкратно, а если удастся выйти на глобальную углеродную нейтральность к 2050 году — то и шестикратно. При этом основной рост придется на компоненты для электромобилей, систем хранения электричества, а также для линий электропередач.

Раскладка по металлам такова. Лития потребуется в 42 раза больше, чем в 2020 году, кобальта и никеля соответственно в 21 и в 19 раз больше, производство редкоземельных металлов должно вырасти семикратно. При этом перспективы извлечения их из вторсырья весьма туманны. Так, в 2040 году на свалке окажется литиевых аккумуляторов на суммарную мощность 1,3 ТВт·ч энергии (главным образом от электромобилей), а из вторсырья удастся получить не более 12% потраченных на их производство металлов, прежде всего никеля и меди.

Интересно, что все металлы зеленой эры человечества имеют многократно более высокий углеродный след, чем металлы технической эры: лидером оказывается кобальт, у него след почти в восемь раз больше, чем у стали. У никеля и алюминия — в пять раз, у лития и меди — в три. В результате углеродный след при производстве, скажем, электромобиля оказывается в два раза больше, чем при производстве автомобиля с двигателем внутреннего сгорания.

Свести концы с концами позволяет баланс электричества при эксплуатации: если электромобиль станет использовать зеленое электричество, вот тогда его углеродный след составит пятую часть от бензинового автомобиля. А если электричество делают сжиганием газа или угля, то след остается ровно таким же.

Из этого доклада видно, что окончательно решить задачу периода перемен, то есть одновременно замкнуть циклы энергии и материалов, никак не получается. В лучшем случае удастся замкнуть цикл энергии и углерода, хотя очевидно, что кратное и многократное увеличение производства дорогостоящих цветных металлов требует совсем не маленького увеличения затрат энергии. При этом нет никакой гарантии, что на Земле имеется необходимое количество извлекаемых минеральных ресурсов, чтобы кратно увеличить выпуск цветных металлов, жизненно важных для зеленой эры. Для того чтобы реально решить проблемы, стоящие перед человеческой цивилизацией, требуются какие-то совершенно иные подходы, выходящие далеко за рамки имеющихся технологий и материалов.

И ключевая роль, а также ответственность здесь принадлежат материаловедам и специалистам по технологии материалов: чем совершеннее материалы и технологии они придумают, тем совершеннее станет мир светлого зеленого будущего.

---

Зеленая эра: кто в выигрыше?

Результатом перехода к зеленой эре станет замена энергоемкой экономики на материалоемкую. Энергетика, базирующаяся на возобновляемых ресурсах, потребляет в разы больше материалов, нежели энергетика ископаемых углеводородов. Поскольку ветер и солнечный свет есть, в сущности, везде, зависимость мира от поставщиков энергоносителей в виде ископаемых углеводородов, а это США, РФ, Королевство Саудовская Аравия и Исламская Республика Иран, исчезает: энергию каждый может брать буквально со своей крыши. Зато появляется зависимость от поставщиков критически важных материалов. Кто они, эти поставщики?

1. Кто владеет ресурсом того или иного важного для зеленой эры вещества? На рисунке для каждого из них перечислены по три страны с самыми большими уровнями добычи (КСА – Королевство Саудовская Аравия, ИРИ – Исламская республика Иран, ДРК – Демократическая республика Конго, РЗМ – редкоземельные металлы)

Наиболее важны для зеленой эры медь, никель, кобальт, литий, редкоземельные металлы и графит. Как видно из рис. 1, эти ресурсы сосредоточены также в небольшой группе стран, которые сегодня следует отнести к числу небогатых, а, скажем, Демократическую Республику Конго, основного поставщика кобальта, — так просто к нищим. Зато переработкой вывезенного из этих стран минерального сырья занята главным образом одна страна — КНР (см. рис. 2). А вот потребителями всего этого богатства оказываются прежде всего страны ЕС и США, КНР находится на третьем месте и по внедрению электромобилей, и по установке солнечных батарей или ветряков.

2. Минеральное сырье, как правило, перерабатывают вовсе не те, кто его добывают. Мировым лидером при этом оказывается КНР, а по редкоземельным элементам она и вовсе почти монополист

Выходит, что в наибольшем выигрыше при мировом отказе от ископаемых углеводородов и переходе на использование возобновляемых источников энергии оказывается именно Китай, отчасти США и ЕС как поставщики новых технологических решений. Те страны, которые сейчас сидят на нефтегазовой игле, по мере энергоперехода либо должны смириться с разрушением своей экономики, либо создавать технологии и отрасли промышленности, ориентированные на потребности зеленой энергетики. Либо выдвигать свою концепцию декарбонизации и привлекать союзников для ее реализации.

---

О неизбежности декарбонизации

Порой раздаются голоса — а может, ну ее, эту декарбонизацию, жили же без нее? Увы, объективная реальность не оставляет выхода: процесс глобального роста температуры вполне материален, то есть дан нам в ощущениях и не зависит от наших представлений о мире.

Надежды климатических оппозиционеров на то, что с 2000 года планета войдет в очередной естественный цикл похолодания, не оправдались. Исследователи фиксируют рост интегральных показателей: температуры, уровня Мирового океана; сдвиг сроков смены времен года каждый может увидеть невооруженным глазом. Как было не раз рассказано в нашем журнале, независимо от причин этого явления, у человечества есть только два реальных пути сохранения комфортного климата.

Первый — «открыть форточку», то есть сократить концентрацию парниковых газов в атмосфере, чтобы тепловое излучение поверхности планеты лучше уходило в космос. Второй — создать экран в верхних слоях атмосферы, чтобы излишнее тепло не проникало на планету. Этот экран необязательно должен быть циклопическим сооружением. Он у планеты уже был, причем созданный человеком — слой из капель серной кислоты в верхних слоях атмосферы.

Такой слой возникает естественным путем после извержений вулканов. А человек, сам того не подозревая, создавал его, сжигая уголь. Содержащаяся в нем сера, сгорев, превращается в диоксид, который, попадая и в нижние, и в верхние слои атмосферы, соединяется с водой, превращаясь в серную кислоту. Из нижних слоев она выпадает кислотным дождем, а в верхних держится десятилетиями, формируя теплозащитный планетарный экран. Считается, что именно он обеспечил снижение температуры Северного полушария в интервале 30–60-х годов XX века.

Борьба с кислотным дождями, а затем и декарбонизация (уголь дает наибольшие выбросы СО₂ на единицу полученного тепла) снизили поток SO₂ в атмосферу, теплозащитный экран стал разрушаться, что ускорило потепление.

Какой из двух способов выбрать? Это — главный вопрос, который нужно обсуждать при формировании политики декарбонизации. Согласно западной климатической инициативе, нужно сначала убрать приток антропогенных парниковых газов в атмосферу, создать безуглеродную энергетику и с ее помощью заняться изъятием углекислого газа из атмосферы. Этот подход неплохо просчитан климатологами, и цели заданы в Парижском соглашении. Такая политика декарбонизации обеспечивает прежде всего выгоду ЕС, в странах которого из углеводородных источников энергии есть разве что уголь, да и он уж почти повсеместно запрещен (хотя в чрезвычайных ситуациях закрытые было шахты начинают расконсервировать), зато есть отличный научный и технический потенциал по созданию солнечно-ветровой энергетики, а также США, опять-таки благодаря научному потенциалу и развитому машиностроению.

Альтернативой могла бы стать восточная климатическая инициатива. В ее рамках уголь из оборота не выводится, а, наоборот, именно ему принадлежит энергетический приоритет с условием изъятия углекислого газа из топочной трубы. В этом случае будет выбор меньшего из двух зол: кислотные дожди с теплозащитным экраном либо климатическая катастрофа, но без сернокислотных дождей. Приоритетом декарбонизации становится не отказ от сжигания углеводородов, а изъятие углекислого газа как из топочных труб предприятий, так и атмосферы, желательно в большем количестве, чем в нее поступает от деятельности человека. Такое изъятие должно осуществляться с использованием возобновляемой энергии, прежде всего гидро- и геотермальной. Этот подход выгоден углепотребляющим странам, например КНР и Индии, странам, добывающим нефть, газ, уголь, а также обладающим развитым машиностроением.

Сколь утопично выглядит задача изъятия углекислого газа из атмосферы? Не выйдет ли так, что при этом выбросы парниковых газов окажутся выше, чем будет утилизировано? Ведь концентрация углекислого газа в атмосфере ничтожна, это совсем не то, что его извлечение из печной трубы. Расчет есть в свежей статье международной группы исследователей (Yang Qiu е. а., «Nature Communications», 2022, 13:3635 - полный текст).

Из него следует, что к 2100 году планируется изъять из атмосферы от 200 до 1200 Гт СО₂. (В 2018 году мировые выбросы углекислого газа составили 34 Гт.) Для этого сейчас имеются две технологии. В одной использована реакция углекислого газа с раствором щелочи, в результате чего получаются карбонаты. Из них углекислый газ извлекают для дальнейшего использования либо захоронения прокаливанием при 900°С. В другой применен сорбент из аминосодержащего материала; из сорбента углекислый газ освобождается нагревом до 80—120°С, для чего можно использовать низкопотенциальные источники энергии вроде бросового тепла промышленных предприятий.

У Парижского соглашения есть две цели, желательная (нагрев планеты менее, чем на 1,5 градуса к 2100 году) и реальная (нагрев на 2 градуса). Для достижения первой нужно построить столько установок изъятия углекислого газа, что они станут потреблять 12% мирового электричества и 59% тепловой энергии, реализация второй цели требует меньше, 9 и 30% соответственно.

Углекислый газ попадает в атмосферу как при изготовлении этих установок, так и в процессе их работы, главным образом, он получается при выработке необходимой энергии. Так вот, если сегодня включить такие установки в энергосистему США, то на каждую тонну СО₂, которая будет выброшена при создании и работе установки, придется 1,36–1,94 тонны изъятого СО₂. В РФ и КНР из-за слабого развития альтернативной энергетики выигрыш будет меньше, в странах Западной Европы — больше. (Видимо, авторы расчета молчаливо предполагают, что гидроэнергетика дает не очень возобновляемую энергию. Ведь именно КНР — мировой лидер по установленной мощности ГЭС, регион с самой высокой долей ГЭС в энергобалансе — Латинская Америка, где такая генерация превышает 50%, а мировые мощности солнечной и ветряной энергетики едва-едва и только совместно приблизились к мировым мощностям ГЭС.) Если достижение цели декарбонизации и развитие энергетики на возобновляемых источниках будут идти согласно плану, то есть возобновляемая генерация достигнет к 2100 году 81% в мировом энергобалансе, тогда выигрыш от изъятия будет в пределах 1,95–2,25 тонны СО₂ на тонну затраченного. То есть дело вполне выгодное.

Конечно, если не учитывать то неприятное обстоятельство, что развитие ветро- и солнечной генерации требует значительного роста производства цветных металлов с сопровождающим такие производства загрязнением окружающей среды ядовитыми отходами и оскудением минеральных кладовых планеты.

Однако в целом из упомянутого расчета следует простая мысль: строй станции изъятия СО₂, питай их возобновляемой энергией и может так выйти, что никакая декарбонизация экономики не понадобится. Вопрос в масштабах подобного строительства и способности его осуществить.