1. важлива деталь
2. щільність енергії
3. потрібен ривок
4. електронні мрії
5. Електрокосмос
6. Ложка дьогтю
7. як граната
8. Питання національної безпеки
9. Озброєний і дуже небезпечний

Сьогодні будуть перші торги після зняття санкцій з Ірану і ми побачимо чергові мінімуми котирувань нафти. Ціни на неї ще якийсь час буде лихоманити, але істотного подорожчання вже не буде і кінець нафтової ери вже чітко проглядається в контурах найближчого майбутнього.

Ось про це майбутньому мені і хочеться поговорити. Тим більше, що виглядає воно зовсім не таким безхмарним, як здавалося б на перший погляд.

важлива деталь

XXI століття вже на дворі, але ми все ще повзає по розбитим дорогам на машинах з двигуном внутрішнього згоряння, а не літаємо на електрокарах. Роботи залишаються частиною складальних конвеєрів, а не нашими постійними супутниками і помічниками в домашніх справах. Та й лазерну зброю ми теж бачимо тільки в кінотеатрах, хоча це, напевно, на краще.

Майже всі необхідні технології у нас вже є, але все електричне залишається прив'язаним до розетки і відповзає від неї лише ненадовго. Без компактного, легкого і недорогого акумулятора майбутнє, про яке писали фантасти, не наступить.

Більш того, без нового акумулятора альтернативна енергетика (вітрова, сонячна, приливна) ніколи не зможе стати по-справжньому ефективною. Причина проста: розрив у часі між виробленням і споживанням енергії. Вітер дме як йому заманеться, а сонячні батареї виробляють максимум енергії в літній полудень, тоді як максимальне її споживання припадає на довгі зимові вечори.

Якщо енергію не накопичувати, то потрібно або будувати багаторазово надлишкові потужності по її генерації, або компенсувати провали за рахунок традиційних джерел енергії - газових або гідроелектростанцій. І те, і інше істотно знижує вигоди від альтернативної енергетики, а то і зовсім робить її безглуздою на більшій частині нашої планети. Так що без акумулятора нам не обійтися.

щільність енергії

Кращі з існуючих акумуляторів мають дуже низьку щільність енергії і дуже високу вартість її зберігання, програючи за цими показниками в десятки разів практично будь-якого традиційного енергоносія, включаючи дрова, торф, вугілля і бензин.

Сучасний літій-полімерний акумулятор здатний запасати до 200 Вт⋅ч на кожен кілограм своєї ваги. Для порівняння, з кожного кілограма бензину можна виробити до 2917 Вт⋅ч, а з кілограма дизельного палива до 5583 Вт⋅ч. Різниця колосальна - в 15-25 разів.

Через низької щільності енергії всі сучасні електронні гаджети це, по суті, один великий акумулятор з екраном і малесенькій мікросхемою, сиротливо ютящейся десь в куточку. Подивіться на відкритий iPhone або MacBook, і ви здивуєтеся, як багато місця займає батарея.

Самий передовий електрокар, Tesla S, тягне на собі батарею ємністю 85 кВт⋅ч, яка важить пів-автомобіля, варто пів-автомобіля і якої вистачає на чотириста з невеликим кілометрів, після чого її потрібно перезаряджати - півтори години до повної зарядки або 40 хвилин до 80%.

Це те, що ми маємо зараз, але прогрес не стоїть на місці. Щільність енергії в батареях безперервно росте. Перші свинцево-кислотні батареї мали щільність енергії 30-50, нікель-кадмієві - 45-80, нікель-металгідридні - 60-120 і літієві - 150-200 Вт⋅ч / кг.

потрібен ривок

Раз у раз з'являються повідомлення про те, що винайдена чергова, ще більш ефективна, різновид батарей, але до промислових зразків справа поки не дійшла. Серйозний заділ для підвищення ємності батарей обіцяють горезвісні нанотехнології і, в перспективі, з різних комбінацій літію з кремнієм і вуглецевими нанотрубками можна вичавити до 2000 Вт⋅ч / кг, тобто раз в 10 більше, ніж зараз.

З одного боку, це дуже хороші новини. Збільшуємо ємність хоча б в 5 разів - і електромобілі починають проїжджати на одній зарядці 2000 км., Тобто більше, ніж може витримати за кермом водій і час підзарядки стає критичним.

Збільшуємо ємність в 10 разів - і iPhone працює на одній зарядці більше тижня, як стара добра Nokia з монохромним екраном. Акумулятор, здатний накопичити енергію на тиждень забезпечення вашого будинку, важить всього 20 кг - сущі дрібниці. Квадрокоптера перетворюються з іграшок в реальні кошти пересування, електромобілі повністю витісняють бензинові, а у людиноподібних роботів, нарешті, з'являється шанс.

електронні мрії

Зрозуміло, це не межа мрій. Наприклад, щільність енергії теплового розпаду плутонію, що використовується в РІТЕГ - 611,6 млн. Вт⋅ч / кг, реакції дейтерій-тритій в перспективних термоядерних реакторах - майже 100 млрд. Вт⋅ч / кг, а щільність енергії в парі матерія-антиматерія і зовсім сягає запаморочливої ​​цифри з дванадцятьма нулями.

Це дає надію, на те, що рано чи пізно нам вдасться знайти джерела або акумулятори енергії з проміжними плотностями енергії - в сотні і тисячі разів більш ємкі, ніж зараз. І їх відкриття обіцяє цікаві перспективи.

Наприклад, зовсім непогано було б забути про зарядний пристрій на весь термін служби гаджетів. Купив новий iPhone16S з уже зарядженою батареєю, і до виходу iPhone17 в наступному році заряду вистачає. Ніяких перетирають проводів, забутих будинку зарядок і інших «радощів». Для цього доведеться збільшити ємність батарей «всього» в 200-300 разів.

Зате електричні авіалайнери стануть майже в два рази вантажопідйомності, а переліт на них буде обходитися в десяток разів дешевше, ніж сьогодні.

Тягнути електричні дроти до котеджних селищ стане безглуздо - навіть там, де місця для вітряків немає, а сонячні батареї неефективні, можна буде просто раз на рік їздити на зарядну станцію - заряджати домашній акумулятор.

Електрокосмос

Збільшення щільності енергії в 1000 разів і більше переверне наші уявлення про космічні польоти. Замість палива в баки ракет можна буде запихати взагалі все підряд - воду, метан, вуглекислий газ і тупо нагрівати це, створюючи реактивну струмінь.

Для виходу на орбіту цього буде достатньо, в космосі можна використовувати економічні іонні двигуни, а запаси палива поповнювати на будь-якій планеті з атмосферою або запасами льоду, що принципово спростить колонізацію Марса і дослідження планет Сонячної системи.

Ложка дьогтю

Зрозуміло, щільність енергії - не єдина важлива характеристика акумулятора і без них будь-яка теоретично досяжна щільність енергії не має практичного сенсу.

Одна з важливих характеристик це швидкість саморозряду. За перший місяць літій-іонний акумулятор втрачає 4-6% енергії, потім - істотно менше: за 12 місяців акумулятор втрачає 10-20% запасеної ємності. Сама по собі цифра втрат не грандіозна, але в разі великої місткості акумулятор може мимоволі перегріватися в результаті саморазряда.

Друга характеристика - ціна одного ват-години. Зараз 1 кВт⋅ч літієвий акумулятор обходиться мінімум в $ 300. Це багато, хоча ціна ват-години і падає приблизно на 8% щорічно. Елон Маск обіцяє найближчим часом домогтися приблизно $ 125 за кВт⋅ч при масовому виробництві батарей.

У випадку з радіоізотопними батарейками (хоч це і не акумулятори) все цікавіше. Наприклад, батарея марсохода Curiosity містить 4,77 кг. плутонію, кожен кілограм якого коштує близько 1 мільйона доларів. Зате в розрахунку на ват-година теплової потужності при повному розпаді плутонію виходять смішні $ 0,0016. На практиці, щоправда, у РІТЕГ дуже низький ККД і з 1 кг. плутонію вдається отримати тільки 35-38 Вт електричної потужності і вартість одного ват-години електроенергії виявляється в районі 10 центів.

як граната

Найважливіше питання використання потужних джерел енергії це те, як ви ними розпорядитися. Візьмемо самий банальний гаджет - смартфон: в середньому він споживає приблизно 1 Вт (від 0,1 Вт в режимі очікування до 5 Вт при максимальному навантаженні), і на рік безперервної роботи йому знадобиться акумулятор ємністю трохи більше 8 кВт⋅ч.

З одного боку, це не так вже й багато: такої енергії вистачить на 4 години роботи потужного домашнього електричного обігрівача або 10 годин роботи духовки. З іншого боку - це еквівалент майже 7 кілограм тротилу - більше, ніж сумарно використовувалося під час терактів 2010 року в Московському метро.

При руйнуванні, несправності або неправильному використанні навіть літій-іонні акумулятори мають неприємну властивість загорятися і вибухати. А тепер уявіть собі наслідки падіння з п'ятого поверху iPhone з річним запасом енергії. Все живе в радіусі 7-8 метрів навколо буде знищено.

Про більш потужних гаджетах і говорити нема чого. Батарея ноутбука зможе зрівняти із землею цілий будинок, а електромобіль перетворюється в потужний фугас на колесах.

Питання національної безпеки

Зрозуміло, в нашому житті повно небезпечних речей: електричні розетки цілком здатні нас вбити, а вибух побутового газу руйнує цілі будинки і влади це не особливо турбує.

З іншого боку, нас вважають настільки небезпечними, що не дають пронести в літак пилку для нігтів і більше 100 мл. рідини. Про дозвіл на носіння вогнепальної зброї я вже й не кажу.

Логіка проста: себе вбивайте, як хочете, а інших - ні-ні. І потужні акумулятори в цю логіку не вписуються. У світі високих енергій кожна людина буде здатний підірвати смартфоном автомобіль, автомобілем - знести будівлю, а за допомогою іграшкового квадрокоптера і батарейок від ліхтарика - влаштувати справжнісіньку бомбардування.

Тому можна очікувати, що потужні гаджети будуть дозволені приблизно в тих же країнах, де зараз дозволено вогнепальну зброю. Можливо, для отримання дозволу на акумулятор потужніший буде вимагатися довідка з психдиспансеру, відсутність судимостей і сертифікат про проходження курсів з безпечного поводження з батарейками.

У всіх інших країнах виробництво, зберігання і носіння потужних батарей буде населенню заборонено, наскільки б серйозно виробники не підійшли до питання забезпечення безпеки акумуляторів для користувачів.

Озброєний і дуже небезпечний

Забавна виходить ситуація. Для того, щоб нарешті настало майбутнє з фантастичних оповідань, нам потрібна дуже проста і зрозуміла річ, без якої не вийде нічого - потужне джерело енергії або ємний акумулятор, в десятки і сотні разів перевершує те, що ми маємо сьогодні.

Ось тільки як його зробити - абсолютно незрозуміло. Очевидно тільки, що еволюційним шляхом, на базі існуючих технологій хімічних акумуляторів можна зробити тільки найперший крок - підняти щільність енергії раз в 10, не більше.

Принципово більш високих значень щільності енергії можна домогтися тільки використовуючи щось з розряду високотемпературних надпровідників, LENR - низькоенергетичних ядерних реакцій, термоядерного синтезу або чогось настільки ж екзотичного.

Все це поки знаходиться за межами наших технологічних можливостей, а потенційне володіння величезною руйнівною потужністю будь-яким членом суспільства, включаючи дітей, злочинців і божевільних - за межами наших уявлень про безпеку.

Це означає, що нам доведеться пережити дві революції одночасно - технологічну і соціальну: навчитися не тільки створювати надпотужні гаджети, але і жити поруч з ними.

Для цього має сенс вже зараз як мінімум почати відмовлятися від заборон на володіння зброєю і шукати механізми саморегулювання людських спільнот, кожен член яких озброєний і дуже небезпечний.

Прогрес прискорюється і, можливо, нам це знадобиться набагато раніше, ніж бачиться зараз.