До пори до часу прикидаючись простим автовиробником, компанія з Ліхтенштейну nanoFlowcell винайшла нову екологічно чисту «нафту».
Нунцій ла Веккьо, технічний директор і візіонер ліхтенштейнський компанії nanoFlowcell, - майстер робити такі гучні заяви, що від них волосся на голові стає дибки. Оцініть міць посилу: «Наша методика цілеспрямованих досліджень дозволила нам прорватися крізь бар'єри, встановлені квантової хімією». Або трохи точніше: «Фізичні та хімічні кордону, встановлені рівнянням Нернста (лауреат Нобелівської премії з хімії, що зв'язав термодинаміку з електрохімією. - Прим. Ред.), Були відсунуті нами настільки далеко, що ми не могли повірити очам».
Однак не поспішайте поблажливо посміхатися. Спочатку оціните характеристики першого концептуального автомобіля веккії, nanoFlowcell Quant e-Sportlimousine. Чотири електродвигуна видають 925 л.с. пікової потужності і розвивають жахливий крутний момент 2900 Н • м - це тяга, яку неможливо реалізувати навіть теоретично, тому електроніці доводиться безперервно зменшувати скажений запал моторів. Чотиримісний спорткар довжиною 5257 мм вистрілює до сотні за 2,8 с і розганяється до 380 км / ч. І цей монстр вже отримав від влади дозвіл безперешкодно їздити по дорогах Європи. І головне: пробіг Quant e на одній зарядці (або заправці!) Досягає 600 км, а трохи ближчий до життя і до серії компактний спорткар nanoFlowcell Quantino, згідно обіцянкам, буде проїжджати до 1000 км без годівлі.
Наймасивніший елемент конструкції Quant E - паливний бак, дві ємності по 200 л кожна. Запас іонних рідин зберігається максимально низько і близько до центру кузова - в центральному тунелі.
Насправді автомобілі, яких світ ще не бачив, - зовсім не головне дітище фірми. Вони служать лише першими демонстраторами технології потокових батарей nanoFlowcell, за допомогою яких компанія обіцяє перевернути уявлення про енергетику в історичних масштабах.
Два слова про хімії
Технологія потокових батарей йде корінням в космічну галузь: вперше подібний джерело енергії був запатентований NASA в 1976 році і призначався для забезпечення енергією космічних апаратів. Він поєднує в собі конструктивні принципи і переваги традиційних акумуляторів, паливних осередків і навіть двигунів внутрішнього згоряння.
nanoFlowcell Quant F «Спробуйте доженете нас!» - цією фразою творці описують електромобіль Quant F (спадкоємець Quant E), натякаючи, що його швидкість - всього лише метафора, яка характеризує стрімкість наукових розробок фахівців nanoFlowcell. Розробки ці розвивають максималку понад 300 км / год і розганяються до 100 км / год за 2,8 с при запасі ходу до 800 км. Крім небачених динамічних характеристик автомобіль може похвалитися сенсорними органами управління, захованими під дерев'яною обробкою салону, і дисплеєм на центральній консолі шириною 1,25 м. Довжина гіперкара - 5257 мм, колісна база - 3198 мм. Цікава і ширина дверного отвору - більше 2 м.
Потокові батареї можна як перезаряджати, так і миттєво заправляти новим електролітом, немов бензином. Вони не мають ефекту пам'яті і не зменшують ємності з роками. У теорії у них немає технологічної межі по ємності (залежить від обсягу «паливних» баків) і потужності (залежить від розмірів реактора). Проблема лише в тому, що до недавнього часу вони були вкрай неефективні з точки зору поєднання всіх цих параметрів, тобто давали невелика напруга і потужність при занадто великих розмірах. Фахівці nanoFlowcell стверджують, що їм вдалося упакувати в літр електроактивні рідини небувалу кількість енергії за допомогою нанотехнологій. Склад «палива», технологія його виробництва та конструкція енергетичної осередки, зрозуміло, тримаються в найсуворішому секреті.
nanoFlowcell Quantino Незважаючи на неймовірні для субкомпактного авто 22-дюймові колеса, хетчбек Quantino найбільш близький до серійного виробництва. За обіцянками nanoFlowcell, він порадує майбутніх власників 1000-км запасом ходу і ціною, яка відповідає його розмірам. Яскрава особливість Quantino - низьковольтна енергетична установка з напругою всього 50 В. Подібні системи вимагають занадто великої сили струму, щоб розвинути прийнятну потужність, тому раніше вони встановлювалися тільки на крихітні гольф-кари. Двигуни Quantino розвивають гідні 134 к.с., що демонструє колосальний енергетичний потенціал nanoFlowcell. Перевага низьковольтної системи - відсутність ризику іскрового розряду, що загрожує пожежею.
Щоб розібратися, як працюють сучасні потокові батареї, варто освіжити в пам'яті принцип дії простіших джерел енергії. Нагадаємо, що в найпростішому гальванічному елементі, наприклад пальчикової батарейки, анод (негативний електрод) і катод (позитивний електрод) розділені електролітом - розчином, який проводить електричний струм за рахунок рухливості містяться в ньому іонів. На поверхні анода протікає реакція окислення, в ході якої вивільняються позитивні іони і вільні електрони. На поверхні катода йде реакція відновлення, що протікає з поглинанням вільних електронів і позитивних іонів. При цьому позитивні іони рухаються від анода до катода через електроліт, а негативні - через навантаження: електромотор, лампу або іншу електричну схему.
У найпростіших вугільних батарейках цинковий стакан, який служить анодом, поступово розчиняється, віддаючи іони і електрони. У перезаряджаються акумуляторах процеси окислення і відновлення оборотні. Наприклад, в літій-іонних елементах позитивно заряджені іони літію переходять від катода до анода при зарядці і від анода до катода при розрядці. Незалежно від характеристик, більшість звичних нам батарейок і акумуляторів ріднить замкнута конструкція. В їх закритому корпусі містяться і електроди, і електроліт, і запас електроактивних елементів (постачальників витратних матеріалів для реакцій), в ролі яких, як правило, виступають самі електроди. Це означає, що і потужність, і ємність батареї обмежені розмірами її корпусу.
Цього недоліку позбавлені потокові батареї, в яких електроліт містить розчинені електроактивні речовини, зберігається в окремих баках і прокачується насосами через паливну комірку. У класичній потокової батареї redox (скорочення від reduction-oxidation, відновлення-окиснення) є два бака: в одному зберігається рідина для окисної реакції, в іншому - для відновлювальної.
Для руху автомобіля nanoFlowcell використовується енергія хімічних зв'язків в електроактивних рідинах двох видів. У паливній комірці вона перетворюється в електричну енергію, яка накопичується в суперконденсаторах. Конденсатори можуть віддавати великі порції енергії за короткий час, вони забезпечують високу пікову потужність силової установки.
Паливна комірка складається з двох електродів, розділених мембраною. Мембрана перешкоджає змішуванню рідин між собою, але не перешкоджає іонного обміну між електродами. Продукти окислювально-відновних реакцій видаляються з осередку разом з протікає рідиною, яка по замкнутому контуру повертається назад в бак.
Зарядка і розрядка в потокової батареї відбуваються так само, як і в будь-який інший: під час роботи концентрація електроактивних речовин в баках падає, а під час зарядки - зростає. Ємність потокового акумулятора залежить від розмірів паливних баків, тому потенціал даної конструкції важко переоцінити. Мало того, при необхідності швидко поповнити заряд рідина можна просто замінити. Це так само просто і зручно, як заправити бензиновий автомобіль.
Однак потужність потокової батареї як і раніше визначається розмірами електродів в паливній комірці і інтенсивністю відбуваються на ній реакцій. Саме тому до недавнього часу перспективи таких джерел живлення в промисловості, особливо в автомобільній, були райдужними.
Розділяй і володарюй За принципом дії потокові батареї практично не відрізняються від звичайних. Різниця полягає лише в тому, що електроактивні речовини в них зберігаються в окремих баках і поставляються до електродів насосами.
нанореволюція
Що стоїть за витіюватими висловлюваннями Нунцій ла веккії про нанотехнології і квантової хімії? Очевидний шлях до підвищення потужності паливної комірки - збільшення площі поверхні електрода: адже саме на ній протікає хімічна реакція і виробляються заповітні електрони. Найпростіший шлях - експериментувати з геометричною формою електродів: згортати їх у спіраль, гофрувати, надавати їм найхимерніші форми, щоб збільшити площу поверхні, не виходячи за прийнятні габарити осередки. І звичайно ж, будь-який виробник батарей вже вичавив весь потенціал геометрії насухо.
У своїй цюрихської лабораторії фахівці nanoFlowcell експериментували ні з конструкцією осередку і не з хімічним складом електродів. Об'єктом їх досліджень була так звана рідина. Крім електроактивних речовин вона містить кристалічні наночастинки, здатні формувати в безпосередній близькості від електродів просторові структури. В результаті заряд формується не тільки на поверхні електродів, а й в просторі навколо них, в самій рідини. Простір, в якому відбувається реакція, виявляється багато разів більше, ніж звичайно.
При вихідній напрузі 600 В і струмі в 50 А акумуляторна установка nanoFlowcell видає 30 кВт потужності. При порівнянній масі її ємність в п'ять разів перевищує ємність літій-іонних батарей. Один літр «іонної рідини» вміщує 11 400 Вт • год, що в 400 разів більше, ніж в звичайному свинцевому автомобільному акумуляторі. Приємні бонуси - практично повна відсутність схильності до саморазряду і гарантований ресурс в 10 000 зарядних циклів.
Однак в звичайну машину таку батарею не поставиш. Автомобілі Quant E, Quant F і Quantino довелося проектувати буквально навколо акумуляторної установки. Судіть самі: обсяг паливних баків Quant E - 200 л кожен. 400 л іонної рідини потрібно розмістити без шкоди для комфорту і керованості. Передача потокового батарея невпинно виробляє електроенергію, яка запасається в ємних суперконденсаторах. Ці пристрої здатні віддавати енергію дуже швидко великими порціями, саме вони забезпечують таку значну пікову потужність і динамічні характеристики автомобіля. У них же запасається енергія гальмування машини.
Коли заряд батареї добігає кінця, власник авто прямує зовсім не до найближчої розетки, а на заправку. Компанія розробила спеціальний заправний термінал високого тиску з подвійними шлангами і пістолетами, який дозволяє швидко заповнити баки новим комплектом іонних рідин.
світове панування
Очевидно, що кінцева мета nanoFlowcell - зовсім не скромне місце під сонцем на тісному конкурентному ринку автовиробників. Швидше, це світове панування. Сайт компанії малює нам райдужні перспективи: на чарівному двокомпонентному паливі працюватимуть легковика і вантажівки, кораблі і літаки, поїзди і навіть домашні електроприлади. Складається враження, що ліхтенштейнци знайшли єдину в світі свердловину з патентованої нафтою принципово нової якості.
Мабуть, варто побажати їм удачі: фахівці компанії запевняють, що технологія виробництва і паливних осередків, і самої іонної рідини надзвичайно дружелюбна до навколишнього середовища, до того ж в ній не використовуються дорогоцінні і рідкоземельні метали. Нам же, простим смертним, вона обіцяє швидкі, зручні і економічні автомобілі в самому найближчому (зі слів Нунцій ла веккії) майбутньому. nanoFlowcell
Стаття «Беззвучний гуркіт майбутнього» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №5, травень 2015 ).