Реально ли прорывное сокращение энергии на отопление и охлаждение?

Доктор физико-математических наук, профессор Владимир Григорьевич Шавров заведует лабораторией магнитных явлений в микроэлектронике Института радиотехники и электроники Российской академии наук. Он один из ведущих магнитологов России. Студентом Томского университета он начал заниматься магнетизмом и еще молодым ученым открыл особое явление в физике магнитных материалов — магнитоупругую щель — аналог бозона Хиггса.

Владимир Григорьевич рассказал о своей работе над тем, как эффективно и дешево охладить ниже точки сверхпроводящего перехода линию электропередач или сверхсильный магнит. Создание таких технологий откроет неожиданные перспективы в электроэнергетике, медицине, транспорте и технологиях интернет-серверов. Появятся и перспективы создания магнитолевитационного транспорта — сверхбыстрого и суперэкологичного.

Изображение: из личного архива Светланы фон Гратовски. Аспиранты поздравляют Владимира Шаврова с Днем рождения

Расскажите, почему Вы заинтересовались этой проблемой — интенсивного использование энергии?

Последнее время огромное внимание уделяется проблемам климата, соглашению об уменьшении выбросов и возобновляемой энергетике. Энергетика в современном мире используется для различных нужд — промышленности, транспорта, бытовых нужд. Ведущими среди них являются расход энергии на освещение, охлаждение и отопление, транспорт.

Одно из основных условий существования современной цивилизации — это доступность энергетических ресурсов, и не только в промышленности и науке, но и для населения.

Мировое потребление энергии возросло почти вдвое за последние 30 лет. Эти потребности в энергетических ресурсах сейчас обеспечиваются по большей части за счет ископаемых источников энергии, в первую очередь за счет угля, газа и нефти.

В настоящее время мировое энергетическое хозяйство на 85% обеспечивается ископаемыми источниками энергии. Из-за темпов роста энергопотребления ученые прогнозируют опасность резкого дефицита энергоресурсов через 25–50 лет.

Поэтому необходимо ограничить темпы роста потребления энергетических ресурсов, в первую очередь ископаемых источников энергии, за счет повышения энергосбережения и создания новых альтернативных источников энергии и технологий ее использования.

Какие достижения науки и техники внедряются сейчас для экономии энергоресурсов?

Энергосбережение в освещении идет семимильными шагами. В последние десятилетия в энергосбережении произошел ряд замечательных прорывов, один из которых связан с разработкой новых типов твердотельных источников света.

Физики и ученые-материаловеды разработали принципиально новые физические основы создания светодиодных источников света. То есть вместо привычных ламп накаливания теперь используются полупроводниковые светодиоды. Для создания светодиодов было необходимо разработать новые полупроводниковые материалы, которые светились бы разноцветной палитрой и могли бы вместе обеспечивать все цвета радуги, включая белый.

Это стало возможным благодаря созданию новых полупроводниковых материалов, в частности, нитрида галлия GaN и гетероструктур, основанных на этом материале. Эти разработки позволили создать синие и белые светодиоды, а также лазеры, которые имеют на порядки большую эффективность и срок службы, чем лампы накаливания. Это выдающееся достижение было отмечено Нобелевской премией 2014 года.

Светодиодные источники света стали неотъемлемой частью нашей жизни. Мы используем их в наших жилищах, видим на улицах. Во всех странах мира улицы стали более освещенными, разноцветными, красивыми. Это особенно заметно сейчас перед Новым годом и Рождеством. Вместе с тем потребление энергии для освещения всего человечества уменьшилось в несколько раз.

Огромная часть мирового потребления энергии используется на создание микроклимата — для нужд отопления и охлаждения, какие перспективы уменьшения потребления энергии в этом направлении?

Более 50% энергии используется на создание микроклимата, то есть для отопления и охлаждения.

Поэтому экономия расходов на отоплении и охлаждении является еще более насущной проблемой, чем энергосбережение в освещении. В этом направлении работают ученые многих стран мира. Они стремятся сократить расходы энергии на охлаждение и нагрев по крайней мере в несколько раз.

Изображение из личного архива Светланы фон Гратовски. Аспирант Константин Колесов с магнитом

Какие физические эффекты Вы изучаете для получения новых возможностей в своих исследованиях?

Энергия может существовать в разных формах с различным качеством. Тепловая энергия имеет низкое качество, лишь небольшая ее доля может быть преобразована тепловой машиной в полезную работу. А электричество является высококачественной формой энергии. В среднем требуется около 3 кВт·ч энергии, хранимой в виде тепла, с достаточно высокой температурой, чтобы произвести 1 кВт·ч электричества.

Поэтому многие ученые, эксперты и инвесторы думают, что эта цель недостижима в ближайшее время. Но это почти всегда бывает с принципиально новыми прорывными разработками. Вспомним недавнее прошлое: создание мобильного телефона, интернета, в широкое использование которых не верили еще несколько десятилетий назад многие эксперты. Есть даже анекдоты на эту тему.

Здесь происходит то же самое, что происходило со многими прорывными изобретениями. Все такие утверждения, как правило, базируются на том, что не учитываются новые открытия в фундаментальной науке.

Так и здесь — прорывное сокращение расхода энергии на отопление и охлаждение может быть сделано с помощью фундаментальных возможностей, которые могут открыться при современном правильном использовании теоремы Карно. Теорема, открытая французским ученым Сади Карно еще в 1824 году, может дать основу для настоящей революции в энергосбережении в области отопления и охлаждения.

Из теоремы Карно следует, что использовать для нагрева можно не только прямое потребление энергии, а существует возможность перекачивать тепло, используя устройство, называемое тепловым насосом Томсона. Такой насос будет накачивать тепло, как обычный насос накачивает воду.

Накачка тепла имеет количественную характеристику — коэффициент эффективности процесса (КЭП). В отличие от коэффициента полезного действия, КЭП, в принципе, может не только превышать 100%, но, согласно оценкам ученых, может достигать очень больших величин — тысяча процентов и больше. 

На данный момент тепловые насосы существуют, каждый имеет такой тепловой насос на кухне в холодильнике. В тепловых насосах в холодильниках в качестве рабочей жидкости в основном используются жидкие материалы — фреоны. Однако использование фреонов для перекачки тепла практически исчерпало себя на уровне КЭП порядка 300–400%, и он не растет дальше.

Кроме того, использование фреонов считается опасным для экологии, так как они разрушают озоновый слой Земли. Стоит задача сократить выбросы.

Мы ставим задачу достичь КЭП на уровне 1000% и делаем это с использованием твердотельных материалов для нагрева/охлаждения. Количество научных работ, патентов и инноваций в области создания твердотельных функциональных материалов для охлаждения и отопления растет по всему миру в геометрической прогрессии.

Эффекты, связанные с изменением температуры и теплосодержания, возникающие в материалах под влиянием внешних полей, известны как мульти-калорические эффекты, включая магнито-калорический, электро-калорический и эласто-калорический эффекты и т. д. Создана даже новая область науки — калорика.

В чем заключаются калорические эффекты?

При магнитокалорическом эффекте тепло, в зависимости от конкретного материала, выделяется или поглощается, если магнетик помещается в сильное магнитное поле.

При электрокалорическом эффекте тепло выделяется или поглощается при помещении сегнетоэлектрика в сильное электрическое поле.

Все мы знаем надувные шарики. Так вот, при надувании шарика выделяется много тепла. Это и есть проявление эластокалорического эффекта.

Последние дни была неустойчивая погода, снег таял, образовывались лужи, потом вода в лужах замерзала, и возникал гололед. Таяние льда, замерзание луж — всё это фазовые переходы. И многие люди замечают, что при замерзании луж становится теплее — это тоже калорический эффект вблизи фазового перехода, а при таянии снега становится промозгло. На самом деле становится холоднее из-за сильного калорического эффекта вблизи фазовых переходов.

В самом деле, калористические эффекты всех материалов достигают максимальных значений вблизи точки фазового перехода. Так, на примере фреонов, это — точка кипения. В твердотельных материалах калорические эффекты также наиболее сильно проявляются вблизи фазовых переходов.

Магнито-калорический эффект и электро-калорический эффект максимальны вблизи точки Кюри магнетиков и сегнетоэлектриков. Поэтому во всем мире ведется поиск новых твердотельных мульти-калорических материалов с фазовыми переходами. Сейчас уже достигнуты значения различных калорических эффектов порядка нескольких десятков градусов и изменения содержания тепла в нескольких десятков кДж/кг.

Над какой проблемой Вы и Ваши сотрудники работаете сегодня?

В рамках проекта «Криомаг» Российского научного фонда (РНФ) разрабатываются устройства, которые в принципе, с точки зрения коэффициента эффективности процесса (КЭП), могут приблизиться к пределу теоремы Карно за счет применения более сильных магнитных полей и новых магнитокалорических материалов.

Идея создания устройств нагрева и охлаждения на основе новых и уже сейчас существующих калорических материалов заключается в использовании двух или многокаскадных устройств. Первый каскад охлаждает рабочую зону всего на несколько градусов, но с очень высокой эффективностью.

Затем включается следующий каскад, который охлаждает уже охлажденную рабочую зону также на несколько градусов, но с высокой эффективностью. И так далее… Необходимое сверхсильное магнитное поле создается охлаждаемым сверхпроводящим магнитом.

Такую каскадную схему в оптике называют «зеркало бесконечности» или эффект Дросте. В живописи это означает технику размещения рекурсивного вида. Внутри изображения с использованием фотоэффекта Дросте находится его уменьшенная копия, внутри которой — еще меньшая копия предыдущего изображения и так до бесконечности. В теории этот процесс может быть нескончаем, но на практике ограничен разрешением изображения.

Пример эффекта Дросте в живописи показан на фрагменте триптиха Джотто 1320 года, на котором кардинал Стефанески сам держит триптих Джотто в его триптихе.

Аналогом этой технологии является и русская матрешка.

С помощью такой технологии уже в самое ближайшее время можно будет создавать энергосберегающие источники охлаждения и нагрева. А создание новых материалов, которые будут делать это с еще большей эффективностью, — это дело ближайшего будущего.

Пока нигде в мире не удалось создать технологию, которая в несколько раз уменьшит потребление энергии для охлаждения и отопления. Российские ученые здесь стоят на самых передовых рубежах новой науки — калорики.

По материалам: rossaprimavera.ru