Формування нанотехнологiчного способу виробництва та його вплив на розвиток свiтового господарства

Основными направлениями  исследований российских ученых являются создание высокопрочных материалов (в частности, «жидкая броня»), мощных энергоисточников («аморфный кремний», над которым работает НПП «Квант»), невидимых и меняющих цвет нанообъектов, наноматериалов для униформы военнослужащих, новой защиты от оружия массового поражения и других.

РАЗДЕЛ 3

ПОСЛЕДСТВИЯ ОСВОЕНИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СТРУКТУРЫ МИРОВОГО ХОЗЯЙСТВА

 

3.1. Внедрение  нанотехнологий, как альтернатива  борьбе за ресурсы

 

3.1.1. Борьба за ресурсы как основа военных конфликтов XXI века

 

Национальный совет по разведке США выпустил доклад «Глобальные  тенденции-2025: изменяющийся мир», футурологические построения экспертов американской разведки представляют определенный интерес.

Американские политологи и военные  специалисты едины в своих утверждениях, что войны и вооруженные конфликты будут неизбежны в будущем. Однако они расходятся в оценке источников угроз национальной безопасности США.

 Ряд специалистов  отстаивает точку зрения, что  основными источниками войн будущего  будут столкновения из-за доступа к естественным стратегическим ресурсам. Борьба за нефть лежит, по мнению некоторых авторов, во всех войнах и конфликтах ХХ века и будет составлять сердцевину конфликтов будущего.

К 2015 году население Земли должно составить 7,2 млрд. человек [23], а к середине XXI века, по прогнозам американских ученых, оно должно достичь 9 млрд. человек. И хотя, по мнению оптимистов, человечество справится с проблемами перенаселения, не все ученые с этим согласны. академия наук США прогнозирует 95% прироста населения в бедных регионах мира – прежде всего в Африке, Латинской Америке, Азии.

Прирост населения Земли будет  сопровождаться дальнейшей урбанизацией. К 2015 году более половины человечества будут проживать в городах. В  мега-городах (население более 10 млн. человек), по американским прогнозам, будет проживать около 400 млн. человек.

Рост численности населения  и его специфические особенности (изменение демографической структуры  обществ) несут с собой огромное количество трудностей и проблем  социально-экономического и политического характера.

Правительства стран  «третьего мира» по многим причинам уже сегодня не могут функционировать  эффективно, а в будущем их способность  действовать еще более проблематична.

Таким образом, основными  вызовами ХХІ века (вероятными причинами войны) могут стать войны за ресурсы.

 

3.1.2. Энергетика как направление внедрения нанотехнологий

 

Одним из наиболее важных направлений внедрения нанотехнологий, может, стать энергетика, поскольку  темпы научно-технического прогресса, интенсификация общественного производства, улучшение условий труда и решение многих социокультурных проблем в значительной мере определяются уровнем использования энергетических ресурсов. Актуальность внедрения нанотехнологий в энергетику связана с особенностями нашего времени, важнейшей характеристикой которого является, с одной стороны, нерациональное использование невозобновляемых источников энергии и на этой основе возникновение многочисленных энергетических проблем, в том числе глобальных, а с другой стороны, появляющаяся возможность применения уникальных альтернативных источников энергии в нанотехнологических разработках.

Основой технологии переработки  ресурсов есть получение энергии  в различных ее формах. Энергетика является сердцем промышленного  и сельскохозяйственного производства. За время существования человека кардинальным образом изменились источники энергии от самого человека в качестве энергетического ресурса ранних технологий до атомной и термоядерной энергии. Однако авария в Чернобыле, ряд аварий и инцидентов на АЭС США, Англии, ФРГ, и относительно недавно произошедшая ядерная авария на атомной электростанции «Фукусима-1» Японии обострили понимание того, что мирный атом требует к себе особого подхода, а также альтернатив в ближайшей перспективе.

Современное состояние  природных условий с одной  стороны стимулирует, а с другой ограничивает развитие нанотехнологий. Так в связи с существующими  глобальными проблемами современности, будущее практическое внедрение  нанотехнологий обусловлено возрастающими требованиями экономичности, эргономичности, улучшения экологии. Сегодня передовые знания и технологии, в том числе и нанотехнологии, позволяют использовать обозначенные выше природные энергетические ресурсы, но уже на другом новом уровне. В энергетике создаваемые на основе нанотехнологий материалы могут быть с успехом применены при разработке новых типов солнечных батарей, а также при создании новых преобразователей энергии, экологически безопасных продуктов, транспортных средств и т.п. Ниже приведем некоторые конкретные примеры.

Солнце по своей природе  является чисто энергетическим источником. И нанотехнологии могут представлять значимость в получении и использовании  солнечной энергии, в частности, «за счет нанесения на поверхность  стекол солнечных батарей или  коллекторов нанослоев некоторых веществ, позволяющих резко повысить степень поглощения падающего на поверхность излучения.

На сегодняшний день ученые разработали пластиковые  солнечные батареи, способные превращать энергию Солнца в электричество  даже в пасмурный день [24].

Пластиковые солнечные батареи нового поколения можно наносить как краску, или наклеивать как пленку.

Новый материал использует нанотехнологии и содержит первые солнечные  батареи, способные улавливать невидимое  инфракрасное излучение Солнца. Открытие привело ученых к предположению, что пластиковые солнечные батареи могут со временем стать в 5 раз более эффективными, чем уже существующие.

Новый материал на основе квантовых точек, созданный группой  исследователей под руководством Теда Сарджента, профессора факультета электротехники и вычислительной техники Университета Торонто, впервые способен с заметной эффективностью (2-4%) улавливать и преобразовывать в энергию инфракрасное излучение Солнца. На основе результатов исследований новых материалов ученые предполагают, что подобные солнечные батареи могут со временем стать в несколько раз более эффективными, чем уже существующие.

Взвесь полупроводниковых  наночастиц, называемых квантовыми точками, легко наносится на поверхность  подобно аэрозольной краске, что  существенно снижает стоимость производства подобных батарей - по оценкам группы Сарджента, стоимость материалов для покрытия 1 кв.м слоем квантовых точек толщиной 1 мкм составляет в настоящее время менее 20 долл. США (при массовом производстве эта цифра будет меньше). При этом подобная технология предоставляет очень большую гибкость в выборе формы батарей [25].

Как краска состав может  быть нанесен на другие материалы  и использован в качестве источника  «портативного электричества». Свитер, покрытый новым материалом, может зарядить мобильный телефон или другие беспроводные устройства. Машина на водородном топливе, покрашенная такой краской, теоретически может трансформировать такое количество энергии, что батарея будет постоянно подзаряжаться.

Исследователи даже мечтают, что однажды «солнечные фермы», построенные с использованием пластичного материала, будут построены в пустынях в таком количестве, что энергии, вырабатываемой ими, будет достаточно для обеспечения нужд всей планеты.

«Количество солнечной  энергии, достигающее поверхности Земли, в 10000 раз превышает наше энергопотреблении», – сказал Тед Сарджент, профессор электротехники и вычислительной техники из Университета Торонто. Сарджент – один из изобретателей нового материала.

«Если мы покроем 0,1% земной поверхности высокоэффективными солнечными батареями, – добавил ученый, – мы, в принципе, сможем заменить традиционные источники энергии новыми, экологичными и возобновляемыми».

Пластичные солнечные  батареи сами по себе не являются новинкой. Но существующие материалы до сих пор были способны улавливать только видимый свет, в то время как другая половина солнечного излучения находится в инфракрасном спектре.

Новый материал – первый пластичный состав, способный улавливать и инфракрасную, и видимую часть  спектра.

Все теплые предметы выделяют какое-то количество жара. Так что всегда остается немного энергии в инфракрасной части спектра, даже когда кажется, что снаружи темно.

Ученые соединили специально разработанные наночастицы с  полимером, чтобы создать особый пластик, способный отыскивать энергию в форме ИФ-излучения.

Если разработки продолжатся, новый материал «будет улавливать до 30% солнечной энергии против 6% –  эффективности существующих пластиковых  солнечных батарей», – сказал Питер  Пьюманс, профессор электротехники из Стэнфордского университета,  изучивший работу [26].

В конечном счете, посредством  «солнечных ферм» можно будет  улавливать большой объем солнечной  энергии и использовать для наших  нужд, утверждают ученые.

«Это потенциальная  замена других источников электроэнергии, которые производят «парниковые газы» в качестве побочного эффекта – таких, как уголь», – говорит Сарджент [26].

В Японии, самом масштабном в мире рынке солнечной энергии, правительство предполагает, что  к 2030 году половина энергоснабжения жилого сектора будет производиться на солнечных электростанциях – сейчас на них приходятся доли процента.

Главная сложность относительно использования солнечной энергии  в настоящий момент – экономическая  целесообразность.

Стоимость солнечной  энергии при текущих затратах на производство составит 0,25-0,5 долларов США за киловатт-час. Это гораздо больше, чем средняя стоимость электроэнергии для жилых домов. Средняя цена в США по экспертным оценкам – менее десяти центов за киловатт-час. Но с новым материалом эта ситуация может измениться.

 

3.1.3. Продление срока эксплуатации техники с применением нанотехнологий как элемент экономии природных ресурсов

 

Следующих важным направлением применения нанотехнологий есть методы продления ресурса изнашиваемым техническим узлам с помощью нанесения специального нанопокрытия.

Как известно, потенциал  энергоресурсосбережения предприятий, построенных на технологиях ХХ века огромен. По некоторым оценкам он достигает 40% от текущего уровня потребления  энергии и ресурсов. А жизненный цикл (ресурс) многих видов техники и оборудования с помощью современных технологий восстановления может быть продлен в несколько раз. Специалистам, работающим в этой сфере известно также, что до 20-25% потенциала энергоресурсосбережения может быть реализовано при комплексном, системном внедрении организационных и высокоэффективных малозатратных мероприятий и проектов. При реализации на предприятиях таких программ и проектов, часть сэкономленных средств может быть использована для создания финансово-экономических «механизмов» дальнейшего системного развития энергоресурсосбережения и реализации инновационных стратегий предприятий. Нанотехнологии восстановления и защиты техники составляют технологическую основу проекта ресурсосбережения.

Рассмотрим РВС-ИПИ  технологию по ТУ-2111-001-93459106-2007, защищенную патентом на изобретение, является технологией восстановления техники [27]. РВС - ремонтно-восстановительный состав. ИПИ - интеллектуальный поверхностный изоморф. РВС-ИПИ технология - создатель интеллектуального поверхностного изоморфа.

РВС-ИПИ представляет собой подобранный состав мелкодисперсных  порошков, полученных из разнообразных  природных минералов (различных  серпентинов, содержащих магний, алюминий, железо и другие химические элементы в изоморфной примеси). Минералы подобраны по энергетической плотности и структуре их решеток. Технология позволяет остановить износ работающих агрегатов и восстановить технические характеристики до уровня стандартов и исходных заводских параметров. При добавках РВС-ИПИ в жидкую или консистентную смазку изношенные пары трения восстанавливаются в штатном режиме эксплуатации агрегатов, при этом, на сопряженных поверхностях трения образуется изоморфный слой.

Обработка пар трения новых агрегатов устраняет дефекты  заводского изготовления, увеличивает их ресурс, упрощает процесс приработки при вводе агрегатов в эксплуатацию. После восстановления, как правило, фиксируется уменьшение вибрации, повышение мощности, производительности, экономичности и других технических характеристик агрегатов и машин. Эффект сохраняется до 3-х лет, что продлевает срок эксплуатации данных технических изделий на 30-40%.

Образующийся в парах  трения слой называется интеллектуальным поверхностным изоморфом, поскольку  для запуска механизма восстановления необходима локальная повышенная температура, она возникает в местах слома, износа выступов поверхности, именно она и запускает процессы диффузии и легирования металла, образование самого слоя за счет атомов этого же металла и состава РВС-ИПИ. Как только поверхность восстановилась, локальная температура исчезает, и состав перестает действовать. В этом и заключается интеллектуальность состава: в избирательности  и распознавании мест  выработки поверхности металла.

За последние 10-12 лет, с начала практического применения РВС-ИПИ технологии, накоплен большой опыт обработки разнообразных узлов и механизмов оборудования практически всех отраслей промышленности и транспорта, в том числе:

а) на компрессорных и  газоперекачивающих станциях;

б) на портовом оборудовании и оборудовании судов;

в) на горно-обогатительных комбинатах;

г) на железнодорожном  транспорте, электро- и автотранспорте, на промышленном оборудовании (всех отраслей промышленности и сельского хозяйства);