Огромное число изобретений в нашем мире сделано детьми или совсем молодыми учеными. Вы, например, знали, что шрифт Брайля, снегоход, водные лыжи, батут и еще кучу всего придумали совсем юные ребята? Сфера экологии не является исключением. Совсем недавно школьница из Новосибирска создала настоящего Валли (герой мультфильма) — прототип робота, который без участия человека может собирать, сортировать и доставлять на переработку мусор с городских улиц. Свое изобретение она представила на фестивале «Техносреда» в сентябре 2021 года.
Ученые и профильные деятели по всему миру ищут оптимальные способы сохранить и даже приумножить то, что у нас есть сейчас, помочь природе справиться с губительным воздействием цивилизации и обеспечить будущим поколениям экологичную жизнь. Одну из таких команд молодых ученых мы попросили подробнее рассказать о проектах, которые они реализуют. Возможно, в ближайшем будущем их изобретения станут широко распространенными в обиходе предметами.
Вместе мы сила
В команде научной молодежной лаборатории кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника» Южно-Российского государственного политехнического университета (НПИ) имени М.И. Платова 9 человек. Это 3 аспиранта (Александр Янучок, Никита Ведмичев, Денис Добрыднев), 2 магистранта (Анатолий Шмаков, Владимир Филимонов), 1 бакалавр (Дарья Шинкаренко) и 1 инженер-монтажник Денис Куксин. Научным руководителем проектов является Владимир Папин, кандидат технических наук, доцент, а научным консультантом — Роман Безуглов, кандидат технических наук, доцент кафедры ТЭСиТ.
Команда формировалась постепенно, преподаватели потихоньку привлекали к научной работе студентов, и те ребята, кому это было особо близко, оставались в команде.
Каждый из студентов и аспирантов занимается отдельным научным исследованием. Вся работа официально выполняется на базе молодежной исследовательской лаборатории «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» кафедры «Тепловые электрические станции и теплотехника». В рамках реализации всех проектов ученые плотно сотрудничают с Всероссийским обществом изобретателей и рационализаторов.
В 4 раза меньше вредных выбросов
«Я всегда интересовался интеллектуальной деятельностью, хотел связать свою жизнь и профессию с чем-то, что будет приносить пользу обществу, — делится с нами участник научной группы магистрант Анатолий Шмаков. — По совету родителей выбрал науку, на третьем курсе мне посчастливилось познакомиться с моим нынешним научным руководителем Владимиром Владимировичем Папиным, благодаря его курсу я заинтересовался темой нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Вместе с ним мы сформировали идею и воплотили ее в исследование».
Анатолий Шмаков сегодня активно работает над созданием теплогенератора повышенной эффективности. «Как известно, теплоснабжение является одной из базовых отраслей энергетики России. Потребление топлива для теплоснабжения равняется всему топливному экспорту России. И проблема в том, что используемые ресурсы рано или поздно закончатся. Поэтому к этому необходимо подходить рационально, а также использовать энергию из возобновляемых источников. Нашим проектом предлагается разработка теплогенератора повышенной эффективности, обеспечивающего от 1,5 до 4 раз больше теплоты за счет того же количества топлива, что и у конкурентов. Разрабатываемый теплогенератор работает следующим образом: тепловой двигатель вырабатывает механическую и тепловую энергию, механическая энергия передается парокомпрессионному тепловому насосу, а тепловая — абсорбционному тепловому насосу, — делится подробностями Анатолий. — Мы одновременно используем и органическое топливо, и возобновляемые источники энергии: парокомпрессионный и абсорбционный тепловые насосы для трансформации низкопотенциальной теплоты одного и того же источника за счет работы теплового двигателя. Сам принцип совместного использования органического топлива и возобновляемых источников не новый, но мы придумали, как делать это более эффективно. Если говорить простым языком, то с помощью нашей технологии можно использовать в 1,5–4 раза меньше органического топлива — в сравнении с традиционными котельными.
А если потребление топлива снижается в 1,5–4 раза, то во столько же раз закономерно снижается уровень выбросов вредных веществ в атмосферу».
Проект поддержан Фондом содействия инновациям (УМНИК), победил в региональном этапе конкурса «Ты — инноватор», также получен грант Президента. На текущем этапе подана заявка на изобретение, ведется разработка лабораторного образца.
Просто разделяй
Не один Анатолий попал таким образом в молодежную исследовательскую лабораторию. Дарья Шинкаренко, с детства интересующаяся вопросами сохранения экологии, работает над проектом по химической переработке отходов в топливо.
«В нашем мире существует глобальная проблема засорения природы мусором различного происхождения. Каждый год один человек оставляет после себя 445 кг мусора, не считая производственных отходов. Решение мы видим в переработке бытового мусора. Проект подразумевает создание насоса химической энергии, работа которого состоит в том, что, подобно холодильной установке, растворитель проходит цикл превращений, перерабатывая мусор для дальнейшего использования, как фреон отдает и принимает тепловую энергию. Установка работает следующим образом. Мусор помещают в бак для соединения с растворителем. Первым добавляют растворитель для целлюлозы, который с помощью химической реакции отделяет ее от мусора. Данный раствор перекачивают в бак для дальнейшего осаждения целлюлозы. После выделения целлюлозы из раствора растворитель перекачивают для дальнейшего использования, а целлюлозу отправляют на переработку и использование в виде дополнительного топлива. После полного выделения целлюлозы мусор переносится в следующую емкость, где путем флотации отделяется пластик — проще говоря, он просто всплывает в жидкости. Осажденный пластик отправляют на переработку в различные виды пластиковых изделий. Особенностью устройства является обратимость процессов и минимальный расход рабочего тела при совершении химических реакций, — делится идеей Дарья. — Меня радует наличие возможности работать над идеей, я чувствую, что государство сегодня уделяет экологии должное внимание, запущен одноименный национальный проект, осуществляется поддержка научной деятельности. Однако решать эти вопросы оперативно пока не получается. Мы, молодые ученые, со своей стороны пытаемся ускорять процесс, находить новые подходы к решению наболевших вопросов».
Солнечный кондиционер
Каждый из реализуемых здесь проектов по-своему интересен. Например, Александр Янучок решает вопрос более экологичного охлаждения помещений в жаркое время года. Подавляющее количество кондиционеров в мире работает по парокомпрессионному циклу и использует электрическую энергию для привода компрессора, а для нагревания воды применяют или газовые, или электрические установки. Однако эти ресурсы есть не везде, а необходимость в кондиционировании и обеспечении горячей водой у потребителя остается. Солнечный кондиционер — это устройство, которое будет работать по принципу абсорбционного теплового насоса от тепловой энергии Солнца, обеспечивающее кондиционирование помещений и подогрев воды для потребителя. На данный момент по проекту ведется разработка эскизной конструкторской документации и лабораторного образца для проведения исследований.
Применение возобновляемых источников энергии (солнечное тепло, тепло грунта, тепло атмосферного воздуха) в абсорбционных трансформаторах теплоты для бытового использования при их внедрении в масштабах страны позволит сократить вредные выбросы в атмосферу при сжигании топлива на ТЭС, так как при применении предложенных установок нагрузка на ТЭС снизится.
Энергия рядом с нами
Денис Добрыднев трудится над модернизированным паросиловым циклом.
Как известно, большая часть электрической энергии вырабатывается на тепловых электрических станциях. Несмотря на широкое распространение даже на современных ТЭС тепловые потери составляют 50–60%. Основная причина низкой эффективности — конденсация пара. Эффективность микротурбин, используемых в настоящее время в малой энергетике, еще ниже и составляет около 9–18%. Проектом предлагается решение, обеспечивающее сокращение тепловых потерь за счет использования абсорбционного принципа. Предварительные расчеты показывают снижение тепловых потерь на 10–15% для станций малой мощности. Применение позволит снизить выбросы от тепловых электрических станций в атмосферу, гидросферу, уменьшить тепловое загрязнение водоемов. Также появится возможность утилизировать низкопотенциальную теплоту промышленных предприятий и установок, полезно использовать ее для генерации.
Проект поддержан Фондом содействия инновациям (УМНИК), а также в рамках регионального этапа Всероссийского конкурса «Ты — инноватор» и стал победителем в номинации «Энергия рядом с нами» Всероссийского конкурса студенческих проектов по модернизации топливно-энергетического комплекса. На текущем этапе уже получен патент на изобретение.
Температура Кюри
Актуален и вопрос утилизации вторичных энергетических ресурсов. Во всем мире тепловые выбросы низкого потенциала заключают в себе значительное количество энергии. Особенно важно использование систем утилизации теплоты в энергетике. Этим направлением занимается Никита Ведмичев.
На сегодняшний день большинство технологических процессов, работа многих механизмов и систем сопровождается выделением большого количества тепловой энергии, которая не используется, а рассеивается в окружающей среде и называется сбросным теплом. Чаще всего сбросное тепло является низкопотенциальным, поскольку имеет температуру незначительно выше температуры окружающей среды.
Большая доля теплоты теряется в таких энергетических объектах, как: газотурбинные, газопоршневые установки, технологические сбросы теплоты в промышленности и коммунальном секторе, вплоть до сбросного с вентиляцией воздуха.
Да, сейчас существуют технологии утилизирующих низкопотенциальную теплоту уходящих газов. Но одни из установок предполагают большие массогабаритные показатели, а другие обладают низким КПД и сравнительно высокой стоимостью.
Поэтому научная группа предлагает технологию преобразователя низкопотенциальной теплоты в электроэнергию на основе фазового перехода второго рода (температура Кюри).
Принцип работы данного преобразователя основан на том, что при достижении температуры точки Кюри у рабочего поршня теряются ферромагнитные свойства, расположенный вблизи него магнит перестает на него действовать и происходит смещение поршня в зону холодного источника, где он охлаждается, восстанавливает ферромагнитные свойства, совершает работу и под действием превалирующей силы, приложенной к нему, двигается в обратном направлении, совершая работу.
Разработка преобразователя низкопотенциальной теплоты в электроэнергию на основе фазового перехода второго рода позволит, во-первых, снизить тепловое загрязнение окружающей среды; во-вторых, снизить расход топлива и, соответственно, сократить выход дымовых газов. Кроме того, это даст возможность повысить КПД всей системы в целом, вырабатывать дополнительную электрическую энергию и, что не менее важно, развить энергетику в рамках Стратегии научно-технологического развития РФ на период до 2035 года за счет внедрения новой энергетически эффективной технологии.
Предлагаемый преобразователь может использоваться в любой сфере жизни, где происходит выделение тепловых выбросов с температурой от 20 ℃ до 800 ℃. Проект стал победителем в рамках всероссийского конкурса «Энергия развития».
Топим ветром
Внимательно к проблеме истощения природных ресурсов относится и Владимир Филимонов. Из доклада комиссии Мирового энергетического совета при современном уровне потребления запасов: угля хватит на 250 лет, газа — на 60 лет, нефти — на 40 лет. При этом, по данным Международного института прикладного системного анализа, мировой спрос на энергоносители вырастет с 9,2 млрд т в пересчете на нефть (конец 1990-х гг.) до 14,2–24,8 млрд т в 2050 году.
По мнению молодых ученых, решением данных проблем может служить ветроотопитель — устройство, которое работает от энергии ветра и обеспечивает теплом и холодом потребителя за счет вихревого эффекта.
Принцип в том, что набегающий поток ветра приводит в движение ветроколесо. Вал ветроколеса, совершая круговые движения, передает энергию через зубчато-ременную передачу на турбину. Турбина ускоряет поток воздуха. Далее по трубе этот поток воздуха поступает в вихревую трубу, в которой происходит разделение потока воздуха на холодный и горячий. Горячий поток направляется в систему отопления и горячего водоснабжения, а холодный — в систему кондиционирования. Таким образом, устройство собирает энергию распределенного ветрового потока в один более мощный поток воздуха и преобразует эту энергию объединенного потока в тепло и холод.
Для работы ветроотопителя не требуется топлива, а при его работе отсутствуют вредные выбросы в атмосферу. Ветроотопитель позволит сократить потребление природных ресурсов, а также улучшить экологическую ситуацию в мире.
Молодые умы меняют мир к лучшему
Ни для кого не секрет, что численность населения нашей планеты постоянно растет. При этом люди стремятся к максимально комфортной жизни с использованием всех благ цивилизации. А это закономерно ведет к увеличению потребления различных видов энергии.
Производство этой самой энергии серьезно влияет на окружающую среду. Сжигание ископаемого твердого и жидкого топлива сопровождается выделением сернистого, углекислого и угарного газов, а также оксидов азота, пыли, сажи и других загрязняющих веществ.
Добыча угля открытым способом и торфоразработки ведут к изменению и даже разрушению природных ландшафтов. Разливы нефти и нефтепродуктов при добыче и транспортировке способны уничтожить все живое на своем пути.
Строительство и эксплуатация крупных гидроэлектростанций приводит к отселению людей из зоны затопления, уничтожению ценных видов рыб, увеличению риска возникновения разрушительных землетрясений, повышению риска катастрофических наводнений и так далее. Атомная энергетика является потенциально опасной из-за возможных аварий на энергоустановках, сопровождающихся выбросом радиоактивных материалов.
Перечислять можно долго. Главное сегодня — понять, что энергосбережение и использование возобновляемых источников энергии могут стать ключом к решению накопившихся проблем. Не зря ведь глава компании Tesla Илон Маск заявлял, что именно активное развитие возобновляемых источников энергии может стать гарантией развития цивилизации. В противном случае человечество рискует вернуться в «темные века».
Фото: архивы героев, заглавное фото — фотосток Pixabay.
