Ситуация с графеном в России
К сожалению, как это уже не раз случалось в истории развития перспективных направлениях науки и техники, открытия, сделанные российскими учеными, были активно подхвачены зарубежными специалистами, и нашей стране приходилось выступать в роле догоняющих.
Приходится констатировать, что сегодня на долю России приходится, только 0,003% продаж графеновых компонент и продуктов (на 2 порядка ниже, чем в Индии и Израиле). Хотя, по некоторым оптимистичным прогнозам экспертов, потребность в графеновых компонентах на российском рынке оценивается примерно в 165 млн. долларов (к 2025 г.) и 1,5-2 млрд. долларов к 2030 г. Хотя следует признать, что сегодня, когда графеновый рынок только складывается, наметить темпы его роста и даже очертить его границы весьма сложно.
В России сегодня графеновой тематикой занимаются от силы несколько десятков научных лабораторий. Еще меньшее число научных центров производят собственный графен, причем в очень ограниченных количествах (граммы, десятки граммов) и далеко не всегда достаточно высокого качества. В подавляющем большинстве отечественных научных разработок используется довольно низкосортный, однако, достаточно дешевый графен из Китая.
Это объясняется, с одной стороны, малой информированностью наших специалистов о преимуществах графеновых технологий, с другой, дороговизной научных исследований, требующих наличия сложного и, в основном, импортного оборудования.
География научных лабораторий, занимающихся графеновыми технологиями в России, пока невелика: Москва, Санкт-Петербург, Новосибирск, Томск, Челябинск, Тамбов…
В Якутске, в лаборатории «Графеновые технологии» Северо-Восточного федерального университет им. М.К. Амосова изучаются тонкопленочные структуры и нанокомпозиты на основе графена. Учеными университета разработан ряд продуктов на основе графена, в частности, сенсоры влажности на основе графеновой пленки, а также на основе оксида графена.Лаборатория оснащена современным оборудованием, которое позволяет синтезировать графен, измерять его параметры и создавать электронные приборы на основе графена.
Оптические свойства графеновых пленок исследуются в Государственном университете аэрокосмического приборостроения нашей северной столицы. Там же, в Институте аналитического приборостроения РАН изучают прозрачность графеновых пленок.
Использование графена в качестве катализаторов в различных приложениях исследуется в Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН.
Интересны исследования, проводимые в научных лабораториях «Института графена» в Москве. Это работы по использованию высокопрочного с графеновыми добавками бетона, упроченного графеном асфальта, эффективному опреснению морской воды с помощью графеновых пленок за счет солнечного излучения. Ученые этого Института разработали электропроводящие краски и клеи с графеновым наполнителем, позволяющие создавать высокоэффективные энергосберегающие нагревательные настенные панели, «теплые полы», а также дающие возможность значительно интенсифицировать теплоотвод в различных электронных устройствах.
В Институте неорганической химии имени А.В. Николаева СО РАН (Новосибирск)разработаны методики перевода графена в устойчивые дисперсии в жидких средах. Практическая значимость исследований состоит в целенаправленном получении новых материалов на основе графена, включая тонкие проводящие прозрачные пленки, прочную и гибкую "графеновую бумагу", композиты с высокой прочностью, катализаторы.
Следует констатировать, что, несмотря на все возрастающий интерес во всем мире к графеновой тематике, в России никакого внимания к этой проблематике, ни со стороны РАН, ни со стороны каких-либо государственных структур так и не возникло. И опять мы будем выступать, как это чаще всего бывало, в роли догоняющих.
Хотим мы этого, или нет, но графеновая революция, а точнее сказать – эволюция, уже происходит. И, как прогнозирует Андрей Гейм, в конечном итоге графен появится вокруг нас незаметно: это будет не сенсационный прорыв, а «медленная диффузия» в повседневную реальность. Все больше вокруг нас будут появляться принципиально новые графеносодержащие материалы, а в магазинах – бытовые товары с графеновыми добавками. Иначе говоря, уже сегодня открывается множество вариантов – от улучшения качества товаров, когда на рынке появится целый класс графеносодержащих устройств, до создания принципиально новых технологий. Можно смело утверждать, что графен – наиболее масштабная технология нашего времени. Мало того, уже в ближайшие годы в игру вступят и другие двумерные материалы на основе металлов, полуметаллов, полупроводников, диэлектриков.
В этой связи следует заметить, что графен, его компоненты и композиты являются базовым шагом к еще более грандиозному направлению – исследование и использование в последующие десятилетия других двумерных материалов, некоторые из которых по свойствам близки к графену, а некоторые по ряду параметров его превосходят. Уже сегодня изучения и попытки использования ряда двумерных материалов, в частности в энергетике, показывают существенные преимущества их характеристик в конкретных устройствах и элементах, а развитие технологий за последние 5-7 лет удешевило такие материалы от 3 до 5 раз! Откуда, естественно, следует, что задержка в исследованиях и разработках по графену и его компонентам приведет, понятно, к заметному отставанию и по изучению и применению других двумерных материалов.
Среди специалистов и ученых, занимающихся графеном, появление двумерных материалов и графена, как их первенца, сравнимо с изобретением колеса, бумаги, пластика, или транзистора. И это не преувеличение. Графен действительно масштабнее других передовых технологий нашего времени: искусственного интеллекта, виртуальной реальности или блокчейна. Графен – это материал, на основе которого могут быть разработаны тысячи технологий.
Что можно сделать в России в обозримой перспективе
Одной из составляющих возможного успеха российских разработок в области графена является наличие собственного российского графена высокого качества. В Институте графена создана установка по получению высококачественного графена, производительность которой (несколько десяткой кг в месяц) позволяет обеспечить этим уникальным материалом всехсегодняшних российских заказчиков. В случае необходимости установка может быть масштабирована.
При наличии госбюджетного финансирования Институтом графена могут быть выполнены следующие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы:
1. В рамках исполнения распоряжения Правительства РФ № 2634р от 12.10 2020 - «Развитие водородной энергетики в России», выполнить исследования по получению водорода из воды путем фотосинтеза, за счет солнечного излучения с применением графеновых катализаторов. Это позволит решить вопрос с получением достаточно дешевого, приемлемого для экономики водорода, и откроет путь к дальнейшему масштабному развитию водородной энергетики в нашей стране.
2. Как известно, ситуация с пресной водой во всем мире напряженная. Особенно остро этот вопрос стоит сегодня в Крыму и в других засушливых регионах, а также там, где, тем не менее, есть запасы соленой или засоленной воды. Предлагается создать прототип установки по эффективному опреснению морской (либо засоленной) воды с помощью графеновых пленок только за счет солнечного излучения, что поможет заметно снизить стоимость опреснения морской воды. Эта технология практически не требует энергетических затрат и отличается высокой экологичностью.
3. Выполнить исследования по использованию графеновых пленок в солнечных преобразователях, использующих термоэлектрический эффект, что позволит увеличить КПД существующих сегодня солнечных панелей до 35 и более процентов.
4. Разработать и создать на базе графеновых технологий новые концепции высокоэффективной мультигенерации электрической и тепловой энергии (включая, солнечные тепловое машинное и безмашинное преобразования на основе термоэлектричества, паровой генерации, систем хранения и конверсии, солнечного фотосинтеза и т.п.)
5. Исследовать возможности графеновых мембран и графеновых композитов для систем очистки и получения сверхчистых газов, включая водород, метанол и метан, применительно к водородной энергетике.
6. Изучить и изготовить образцы систем сепарации нефти и воды на базе графеновых технологий с эффективностью, в несколько раз выше существующих, причем с заметным экологическим эффектом по загрязнению окружающей среды.
7. Разработать и создать действующие макеты для генерации пара за счет поверхностного поглощения солнечного излучения графеновыми композитами, а также объемного поглощения графеновыми наножидкостями.
8. Разрабтать новые варианты суперконденсаторов и батарей на основе графеновых анодов и катодов, а также полимер-графеновых твердых электролитов.
9. Исследовать, разработать и создать прототипов систем для хранения тепловой энергии на основе графеновых композитов с высокой удельной тепловой емкостью.
10. Разработать и создать новые варианты материалов и систем термоменеджмента энергетического и электронного оборудования на основе пассивных и активных систем термостабилизации и охлаждения на базе графеновых технологий термоинтерфейсных материалов.
Е.В. Аметистов, профессор, член-корреспондент РАН,
Генеральный директор Института графена
С.В. Мищеряков, профессор, к.т.н., д.э.н., Генеральный директор Корпоративного энергетического института. (Москва)
Продолжение в следующей части