Альтернативная энергетика готовится стать базовой

Сибирское отделение РАН посетил профессор университета Хьюстона Алекс Игнатьев, который совместно с Институтом физики полупроводников им. Ржанова СО РАН работает над проектом организации вакуумной космической лаборатории для выращивания полупроводниковых пленок. Характеристики полученных материалов обещают произвести мировую техническую революцию. И в первую очередь – в энергетике. На основе выращенных в космосе первых монокристаллических пленок уже получены фотоэлементы для солнечных батарей. Их КПД равен 40% против традиционных 16%. По словам Алекса Игнатьева, этот показатель можно довести до 60%. При дальнейшем удорожании нефти, газа и угля солнечная энергия имеет все шансы превратиться из альтернативной в базовую.

Новая технология изготовления полупроводниковых пленок методом молекулярно-лучевой эпитаксии стала возможной благодаря высокой чистоте космического вакуума в лаборатории без стен. Оборудование для выращивания пленок размещается под специальной металлической полусферой, прикрепленной снаружи к заднему борту космической станции, и космос при движении корабля исполняет роль вакуумной камеры. Как ни странно, создание такой лаборатории сопряжено не с дополнительными затратами, а с экономией средств. Строить камеры сверхвысокого вакуума на Земле дорого и неэффективно – нужны особо чистые помещения в сотни квадратных метров и оборудование почти на миллиард долларов. Для сравнения: стоимость лаборатории США, которая трижды запускалась на шаттле «Колумбия», составляла около $15 млн. Выбор учеными космической технологии связан, в первую очередь, не с экономией финансов, а с идеальными условиями роста кристаллов. Распылив в закрытой вакуумной камере арсенид галлия один раз, в ней уже никогда нельзя будет вырастить кристаллы кремния и германия. Мышьяк, входящий в состав первого соединения, осядет на стенках, и полученный материал потеряет свойства полупроводника. Из-за отсутствия стен космическая лаборатория может использоваться сколько угодно без риска нежелательных химических реакций.

Технологию выращивания полупроводников в открытом космосе Алекс Игнатьев опробовал трижды и доказал ее потрясающую эффективность. Уникальные образцы полученных кристаллов хранятся в лаборатории Хьюстонского университета. До 2003 года работа шла активно. Однако затем правительство США предпочло инвестировать в развитие космической техники, планируя запуск ракет на Луну и Марс. Лишь с приходом президента Обамы ситуация изменилась. Сегодня НАСА планирует продолжить финансирование проекта, а с российской стороны ожидаются инвестиции от федерального агентства «Роскосмос» и НПО «Энергия». Лаборатория будет работать на борту МКС.

– Эффективность нашей разработки уже доказана, теперь одна из главных задач – сделать ее проще и дешевле, – пояснил профессор Алекс Игнатьев. – Сегодня кремниевые батареи с КПД 16% можно купить по три тысячи долларов за мегаватт. У нас энергия пока получается примерно в пять раз дороже, поскольку ведутся научные исследования, а не коммерциализация. Частично цена снизится за счет масштабирования производства, но можно добиться удешевления и научными методами. Производство полупроводниковых пленок нового поколения – международный проект, в котором ожидаются совместные патенты на исследования и полученную продукцию. Но профессор Алекс Игнатьев имеет и собственные, пожалуй, даже более глобальные идеи о том, как заставить космос служить человеку.

– У нас есть интересный проект производства солнечных батарей на Луне из лунной пыли (реголита) с последующей передачей энергии на Землю микроволнами или лазерами, для которых состояние атмосферы и погода – не помеха. Луноход движется со скоростью один метр в час и плавит кремниевую пыль, а затем производит напыление кремния и металлов. Фактически можно за считанные годы покрыть поверхность Луны солнечными батареями, превратив ее в мощный источник энергии для землян. Поскольку там не бывает облаков, он будет бесперебойным. Кроме того, эта мертвая планета не получит от производства никакого ущерба для экологии. НАСА готово финансировать этот проект. На его реализацию нужно 6 лет. И хотя идея полностью наша, это будущее энергетики не только для США, а для всего мира, поэтому с предложением о совместной работе мы также планируем обратиться в «Роскосмос».

9 июля вместе с новосибирской делегацией из ИФП СО РАН гость из США направился в Томский госуниверситет, где планируется создание международных лабораторий под руководством ведущих ученых всего мира. Начальник научного управления ТГУ д.ф.н. Иван Ивонин сообщил, что первую такую лабораторию (полупроводникового материаловедения) возглавит Алекс Игнатьев, а финансирование проекта станет возможным, если удастся выиграть федеральный конкурс Минобрнауки.

– В Томском университете десятилетиями развивалось направление полупроводникового материаловедения, – сообщил Иван Ивонин. – Мы надеемся поставить работы на более высокий уровень и сориентировать их на создание солнечных батарей нового поколения, совместив науку, образование и производство. В этой лаборатории будут работать и представители новосибирского Академгородка.

Российский инициатор международного проекта д.ф.н. Олег Пчеляков, возглавляющий отдел ИФП СО РАН, добавил, что сегодня на средства «Роскосмоса» создано несколько имитаторов космического оборудования. Одна из лабораторий будет установлена в Томском госуниверситете, вторая – в Аэрокосмическом университете в Красноярске, третья – в Центре управления полетами в Москве.

– Идея научно-образовательного проекта состоит в том, чтобы проводить эксперименты одновременно в космосе и на Земле, причем силами профессуры и студентов, – сообщил он. – Мы уже договорились о приобретении нескольких скафандров, чтобы студент мог входить в чистое помещение и делать то же самое, что и в космической лаборатории. На экране будет отображена прямая трансляция с борта МКС, где работают космонавты. Появится возможность различными методами изучать кристаллы и сравнивать их свойства. Учитывая, что университеты уже оборудованы не хуже институтов, работы можно проводить на самом высоком уровне. Думаю, мы сможем продавать рабочее время в вакуумной космической лаборатории любым желающим университетам и исследовательским группам, которым для проведения исследований требуется сверхвысокая чистота.

Мария ШКОЛЬНИК -----------------------