Российские исследователи разработали наножидкость на основе алмазов, которая способна преобразовывать солнечную энергию в тепло. В качестве исходного материала использовали воду с частицами измельченного графита, на которую воздействовали мощными ультразвуковыми импульсами и микроволновым излучением. В результате графит превратился в наноалмазы с размером в десятки раз меньше вирусов. На базе этой наножидкости создали компактный солнечный коллектор для нагрева воды с помощью солнечного света. Устройство продемонстрировало рекордную эффективность — 87%. По словам специалистов, данная технология поможет улучшить и сделать доступнее экологичные системы отопления.

Преобразование графита в алмазы

Учёные из Национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» (МЭИ) испытали алмазную наножидкость, созданную и запатентованную ООО НПК «Наносистемы» (Ростов-на-Дону). Как сообщают «Известиям» исследователи, основой наножидкости служила вода с частицами измельченного графита. После воздействия мощных ультразвуковых волн и микроволнового излучения в воде появились микроскопические пузырьки, схлопывание которых вызвало локальный рост температуры до 5000°C и давления до тысячи атмосфер. Эти экстремальные условия способствовали превращению графита в наноалмазы размером в десятки раз меньше вирусов.

Полученными таким способом наножидкостями с различной концентрацией алмазных частиц – от 0,01% до 0,55% – исследователи заполнили пробирки и поместили их в экспериментальную установку с лампой, спектр которой имитирует солнечный свет. Там проверяли скорость нагрева жидкостей.

Фото: Инна Михайлова Экспериментальный стенд для изучения процессов прямого поглощения солнечного излучения в жидкостях

Результаты испытаний показали, что раствор с концентрацией наночастиц алмазов 0,1% преобразует солнечную энергию в тепло с эффективностью 75,8%. А жидкость с содержанием частицы в 0,25% показала наивысшее значение эффективности — 87,2%. Этот показатель превосходит аналогичные результаты коллекторов на базе дистиллированной воды и традиционных твердотельных систем на 40,7% и 14,5% соответственно.

— Наша разработка позволит увеличить эффективность солнечных тепловых систем и других энергоэффективных устройств. Она преобразует солнечный свет в тепло быстрее и эффективнее, чем аналоги, что обеспечивает больший объем горячей воды и тепла при меньших затратах. Технология особенно важна для домов, предприятий и поселков в удалённых районах, где централизованные источники энергии недоступны. Внедрение разработок способствует доступности солнечной энергетики, снижает зависимость от нефти и газа, а также уменьшает выбросы парниковых газов, — рассказала «Известиям» старший научный сотрудник НИУ «МЭИ» Инна Михайлова.

Она подчеркнула, что это шаг к чище воздуху, стабильным ценам на энергию и большей энергетической автономии. В будущем такие технологии могут изменить методы обеспечения теплом и энергией городов и сельских регионов по всему миру.

Справка «Известий»

В системах отопления и горячего водоснабжения традиционно применяют электричество, газ или твердые топлива, такие как уголь и пеллеты (прессованные древесные отходы). Однако более экологичным вариантом является использование солнечной энергии. Для ее преобразования применяются коллекторы, где твердые носители, например, полупроводниковые кристаллы, поглощают свет и передают тепловую энергию в систему нагрева. Но такие устройства обладают недостаточной эффективностью из-за потерь при поглощении и передаче тепла.

Влияние алмазной наножидкости на живые организмы

Специалисты создают солнечные коллекторы, основанные на наножидкостях — растворах с частицами, обладающими высокой теплопроводностью и способностью интенсивно поглощать свет. Однако большинство существующих жидкостей либо дорогостоящие в производстве, либо нестабильны, сообщили эксперты.

Фото: Инна Михайлова Аспирант Чан Куок Тхинь в лаборатории нанотеплофизики НИУ «МЭИ»

Старший преподаватель департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции Института экологии РУДН имени Патриса Лумумбы Татьяна Ледащева рассказала «Известиям», что интерес учёных к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечный свет и ветер, высок уже длительное время.

— Предложен альтернативный вариант солнечного коллектора с использованием наножидкости, содержащей наночастицы алмазов, которые отлично поглощают и передают тепло. Отмечается более низкая стоимость представленного образца по сравнению с аналогами на рынке и его высокая стабильность. В случае массового выпуска новинка сможет повысить эффективность солнечных тепловых систем, особенно в регионах с достаточным солнечным излучением, способствуя улучшению энергоэффективности и экологичности энергетической сферы, — отметила специалист.

Однако она подчеркнула, что не существует универсального решения для всех территорий, учитывая разную продолжительность светового дня и интенсивность солнечного излучения. Важно также обеспечить энергией потребителей в безсолнечные дни. Помимо этого следует учитывать вопросы устройства накопителей тепла и срока их эксплуатации, а также последующей утилизации.

Член Общественного совета при Минприроды России, главный редактор научного журнала «Отходы и ресурсы» Владимир Пинаев выделил важность разработки технологий, повышающих КПД подобных систем.

— Необходимо обращать внимание на влияние наночастиц алмазов на живые организмы при попадании в окружающую среду. Существуют исследования, показывающие, что в 2014 году было выявлено угнетающее воздействие наночастиц алмазов на развитие рыбок зебрафиш (Danio Rerio). В более поздних экспериментах с светящимися бактериями были выявлены положительные эффекты от воздействия наноалмазов, — отметил эксперт.

Фото: Максим Ковтун Разработчики технологии получения наноалмазов Максим Ковтун и Сергей Курлович

Таким образом, перед коммерческим внедрением подобных устройств требуется проведение дополнительных исследований. Также необходимо решить проблемы с переработкой отработанного оборудования и предупреждением попадания наножидкости с алмазами в окружающую среду, подчеркнул Владимир Пинаев.

Итоги исследования, финансируемого грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Thermal Engineering.