Батарейка Пандоры

Нам предстоит пережить две революции одновременно - технологическую и социальную: научиться не только создавать сверхмощные гаджеты, но и жить рядом с ними. Прогресс ускоряется и, возможно, нам это пригодится уже очень скоро.

Сегодня будут первые торги после снятия санкций с Ирана и мы увидим очередные минимумы котировок нефти. Цены на нее еще какое-то время будет лихорадить, но существенного подорожания уже не будет и конец нефтяной эры уже отчетливо просматривается в контурах ближайшего будущего.

Вот об этом будущем мне и хочется поговорить. Тем более, что выглядит оно совсем не таким безоблачным, как казалось бы на первый взгляд.

Важная деталь

XXI век уже на дворе, но мы все еще ползаем по разбитым дорогам на машинах с двигателем внутреннего сгорания, а не летаем на электрокарах. Роботы остаются частью сборочных конвейеров, а не нашими постоянными спутниками и помощниками в домашних делах. Да и лазерное оружие мы тоже видим только в кинотеатрах, хотя это, наверное, к лучшему.

Почти все необходимые технологии у нас уже есть, но все электрическое остается привязанным к розетке и отползает от нее лишь ненадолго. Без компактного, легкого и недорогого аккумулятора будущее, о котором писали фантасты, не наступит.

Более того, без нового аккумулятора альтернативная энергетика (ветровая, солнечная, приливная) никогда не сможет стать по-настоящему эффективной. Причина проста: разрыв во времени между выработкой и потреблением энергии. Ветер дует как ему заблагорассудится, а солнечные батареи вырабатывают максимум энергии в летний полдень, тогда как максимальное ее потребление приходится на долгие зимние вечера.

Если энергию не накапливать, то нужно либо строить многократно избыточные мощности по ее генерации, либо компенсировать провалы за счет традиционных источников энергии - газовых или гидроэлектростанций. И то, и другое существенно снижает выгоды от альтернативной энергетики, а то и вовсе делает ее бессмысленной на большей части нашей планеты. Так что без аккумулятора нам не обойтись.

Плотность энергии

Лучшие из существующих аккумуляторов имеют очень низкую плотность энергии и очень высокую стоимость ее хранения, проигрывая по этим показателям в десятки раз практически любому традиционному энергоносителю, включая дрова, торф, уголь и бензин.

Современный литий-полимерный аккумулятор способен запасать до 200 Вт/ч на каждый килограмм своего веса. Для сравнения, из каждого килограмма бензина можно выработать до 2917 Вт⋅ч, а из килограмма дизельного топлива до 5583 Вт⋅ч. Разница колоссальна - в 15-25 раз.

Из-за низкой плотности энергии все современные электронные гаджеты это, по сути, один большой аккумулятор с экраном и малюсенькой микросхемой, сиротливо ютящейся где-то в уголке. Посмотрите на открытый iPhone или MacBook, и вы удивитесь, как много места занимает батарея.

Самый передовой электрокар, Tesla S, тащит на себе батарею емкостью 85 кВт⋅ч, которая весит пол-автомобиля, стоит пол-автомобиля и которой хватает на четыреста с небольшим километров, после чего ее нужно перезаряжать - полтора часа до полной зарядки или 40 минут до 80%.

Это то, что мы имеем сейчас, но прогресс не стоит на месте. Плотность энергии в батареях непрерывно растет. Первые свинцово-кислотные батареи имели плотность энергии 30-50, никель-кадмиевые - 45-80, никель-металлгидридные - 60-120 и литиевые - 150-200 Вт⋅ч/кг.

Нужен рывок

То и дело появляются сообщения о том, что изобретена очередная, еще более эффективная, разновидность батарей, но до промышленных образцов дело пока не дошло. Серьезный задел для повышения емкости батарей обещают пресловутые нанотехнологии и, в перспективе, из различных комбинаций лития с кремнием и углеродными нанотрубками можно выжать до 2000 Вт⋅ч/кг, то есть раз в 10 больше, чем сейчас.

С одной стороны, это очень хорошие новости. Увеличиваем емкость хотя бы в 5 раз - и электромобили начинают проезжать на одной подзарядке 2000 км., то есть больше, чем может выдержать за рулем водитель и время подзарядки становится не критичным.

Увеличиваем емкость в 10 раз - и iPhone работает на одной зарядке больше недели, как старая добрая Nokia с монохромным экраном. Аккумулятор, способный накопить энергию на неделю обеспечения вашего дома, весит всего 20 кг - сущие пустяки. Квадрокоптеры превращаются из игрушек в реальные средства передвижения, электромобили полностью вытесняют бензиновые, а у человекоподобных роботов, наконец, появляется шанс.

Электронные мечты

Разумеется, это не предел мечтаний. Например, плотность энергии теплового распада плутония, используемого в РИТЭГах - 611,6 млн. Вт⋅ч/кг, реакции дейтерий-тритий в перспективных термоядерных реакторах - почти 100 млрд. Вт⋅ч/кг, а плотность энергии в паре материя-антиматерия и вовсе достигает умопомрачительной цифры с двенадцатью нулями.

Это дает надежду, на то, что рано или поздно нам удастся найти источники или аккумуляторы энергии с промежуточными плотностями энергии - в сотни и тысячи раз более емкие, чем сейчас. И их открытие сулит интересные перспективы.

Например, совсем неплохо было бы забыть о зарядных устройствах на весь срок службы гаджетов. Купил новый iPhone16S с уже заряженной батареей, и до выхода iPhone17 в следующем году заряда хватает. Никаких перетирающихся проводов, забытых дома зарядок и прочих «радостей». Для этого придется увеличить емкость батарей «всего» в 200-300 раз.

Зато электрические авиалайнеры станут почти в два раза грузоподъемнее, а перелет на них будет обходиться в десяток раз дешевле, чем сегодня.

Тянуть электрические провода к коттеджным поселкам станет бессмысленно - даже там, где места для ветряков нет, а солнечные батареи неэффективны, можно будет просто раз в год ездить на зарядную станцию - заряжать домашний аккумулятор.

Электрокосмос

Увеличение плотности энергии в 1000 раз и более перевернет наши представления о космических полетах. Вместо топлива в баки ракет можно будет запихивать вообще все подряд - воду, метан, углекислый газ и тупо нагревать это, создавая реактивную струю.

Для выхода на орбиту этого будет достаточно, в космосе можно использовать экономичные ионные двигатели, а запасы топлива пополнять на любой планете с атмосферой или запасами льда, что принципиально упростит колонизацию Марса и исследование планет Солнечной системы.

Ложка дегтя

Разумеется, плотность энергии - не единственная важная характеристика аккумулятора и без них любая теоретически достижимая плотность энергии не имеет практического смысла.

Одна из важных характеристик это скорость саморазряда. За первый месяц литий-ионный аккумулятор теряет 4-6% энергии, затем - существенно меньше: за 12 месяцев аккумулятор теряет 10-20% запасенной емкости. Сама по себе цифра потерь не грандиозна, но в случае большой емкости аккумулятор может самопроизвольно перегреваться в результате саморазряда.

Вторая характеристика - цена одного ватт-часа. Сейчас 1 кВт⋅ч литиевого аккумулятора обходится минимум в $300. Это много, хотя цена ватт-часа и падает примерно на 8% ежегодно. Элон Маск обещает в ближайшее время добиться примерно $125 за кВт⋅ч при массовом производстве батарей.

В случае с радиоизотопными батарейками (хоть это и не аккумуляторы) все интереснее. Например, батарея марсохода Curiosity содержит 4,77 кг. плутония, каждый килограмм которого стоит около 1 миллиона долларов. Зато в расчете на ватт-час тепловой мощности при полном распаде плутония получаются смешные $0,0016. На практике, правда, у РИТЭГов очень низкий КПД и из 1 кг. плутония удается получить только 35-38 Вт электрической мощности и стоимость одного ватт-часа электроэнергии оказывается в районе 10 центов.

Как граната

Самый важный вопрос использования мощных источников энергии это то, как вы ими распорядитесь. Возьмем самый банальный гаджет - смартфон: он потребляет примерно 1 Вт/ч, и на год непрерывной работы ему понадобится аккумулятор емкостью чуть больше 8 кВт⋅ч.

С одной стороны, это не так уж и много: такой энергии хватит на 4 часа работы мощного домашнего электрического обогревателя или 10 часов работы духовки. С другой стороны - это эквивалент почти 7 килограмм тротила - больше, чем суммарно использовалось во время терактов 2010 года в Московском метро.

При разрушении, неисправности или неправильном использовании даже литий-ионные аккумуляторы имеют неприятное свойство загораться и взрываться. А теперь представьте себе последствия падения с пятого этажа iPhone с годовым запасом энергии. Все живое в радиусе 7-8 метров вокруг будет уничтожено.

О более мощных гаджетах и говорить нечего. Батарея ноутбука сможет сровнять с землей целый дом, а электромобиль превращается в мощный фугас на колесах.

Вопрос национальной безопасности

Разумеется, в нашей жизни полно опасных вещей: электрические розетки вполне способны нас убить, а взрыв бытового газа разрушает целые дома и власти это не особенно беспокоит.

С другой стороны, нас считают настолько опасными, что не дают пронести в самолет пилочку для ногтей и больше 100 мл жидкости. Про разрешение на ношение огнестрельного оружия я уже и не говорю.

Логика простая: себя убивайте, как хотите, а других - ни-ни. И мощные аккумуляторы в эту логику не вписываются. В мире высоких энергий каждый человек будет способен взорвать смартфоном автомобиль, автомобилем - снести здание, а с помощью игрушечного квадрокоптера и батареек от фонарика - устроить самую настоящую бомбардировку.

Поэтому можно ожидать, что мощные гаджеты будут разрешены примерно в тех же странах, где сейчас разрешено огнестрельное оружие. Возможно, для получения разрешения на аккумулятор помощнее будет требоваться справка из психдиспансера, отсутствие судимостей и сертификат о прохождении курсов по безопасному обращению с батарейками.

Во всех остальных странах производство, хранение и ношение мощных батарей будет населению запрещено, насколько бы серьезно производители не подошли к вопросу обеспечения безопасности аккумуляторов для пользователей.

Вооружен и очень опасен

Забавная получается ситуация. Для того, чтобы наконец наступило будущее из фантастических рассказов, нам нужна очень простая и понятная вещь, без которой не получится ничего - мощный источник энергии или емкий аккумулятор, в десятки и сотни раз превосходящий то, что мы имеем сегодня.

Вот только как его сделать - совершенно непонятно. Очевидно только, что эволюционным путем, на базе существующих технологий химических аккумуляторов можно сделать только самый первый шаг - поднять плотность энергии раз в 10, не более.

Принципиально более высоких значений плотности энергии можно добиться только используя нечто из разряда высокотемпературных сверхпроводников, LENR - низкоэнергетических ядерных реакций, термоядерного синтеза или чего-то столь же экзотического.

Все это пока находится за пределами наших технологических возможностей, а потенциальное обладание огромной разрушительной мощью любым членом общества, включая детей, преступников и сумасшедших - за пределами наших представлений о безопасности.

Это означает, что нам предстоит пережить две революции одновременно - технологическую и социальную: научиться не только создавать сверхмощные гаджеты, но и жить рядом с ними.

Для этого имеет смысл уже сейчас как минимум начать отказываться от запретов на владение оружием и искать механизмы саморегулирования человеческих сообществ, каждый член которых вооружен и очень опасен.

Прогресс ускоряется и, возможно, нам это пригодится гораздо раньше, чем видится сейчас.