Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
3D-печать сделает экологичные топливные элементы из керамики эффективнее
Исследователи из Сколтеха продемонстрировали, что бюджетным методом 3D-печати возможно изготовить керамическую деталь довольно сложной решетчатой формы для топливных элементов. Так называются перспективные устройства для эффективной и экологичной выработки электроэнергии. Напечатанную в Сколтехе решетчатую структуру из керамики нельзя повторить традиционными технологиями производства. С ней топливные элементы будут эффективнее производить энергию, а значит, смогут раньше заменить сжигание газа.
Научная статья опубликована в журнале Ceramics International. Одна из альтернатив сжиганию природного газа и другого ископаемого топлива на теплоэлектростанциях и в двигателях внутреннего сгорания — твердооксидные топливные элементы. Они могут вырабатывать энергию на производстве и в частных домохозяйствах, в том числе на не электрифицированных объектах, а также на кораблях, в автомобилях и даже космических спутниках. Для топливных элементов характерна высокая эффективность преобразования химической энергии в электрическую, устойчивость к неполадкам во внешней электросети и экологичность. Факторы, препятствующие широкому внедрению технологии — весьма высокая рабочая температура и потребность в инновационных материалах.
Твердооксидные топливные элементы работают на метане и других углеводородах. В отличие от теплоэлектростанций, эти устройства вырабатывают электроэнергию из топлива прямо на месте — доставка по ЛЭП не требуется. Поэтому они хорошо подходят в качестве резервного источника питания и в других системах, чувствительных к перебоям электроснабжения. Процесс преобразования энергии в топливном элементе отличается от горения и обеспечивает бо́льшую эффективность: электрический КПД порядка 60 процентов против 45 — у газотурбинной электростанции. И там и там КПД можно повысить, попутно используя выделившееся тепло, но вывод тот же: топливный элемент произведет больше электроэнергии на кубометр израсходованного природного газа, чем традиционная электростанция.
Что касается пользы для окружающей среды, то при окислении газа в топливном элементе, без горения, в атмосферу не выбрасываются оксиды азота, диоксид серы, аэрозольные частицы и другие загрязняющие воздух вещества. Углеродные выбросы на 40–50 процентов ниже, чем, например, в немецкой и американской национальных электросетях, утверждают производители твердооксидных топливных элементов.
Твердооксидный топливный элемент состоит из анода, катода и электролита — слоя керамического материала между двумя электродами, который характеризуется ионной проводимостью. Эта величина описывает, насколько хорошо электролит проводит ионы кислорода. От этого, в свою очередь, зависит скорость химической реакции, высвобождающей электроэнергию: чем выше ионная проводимость, тем мощнее топливный элемент. А сама проводимость зависит от материала электролита, его структуры и температуры работы устройства.
Структура — как раз тот аспект, над которым работали авторы проведенного в Сколтехе исследования. Они изготовили керамические изделия из двух популярных материалов электролитов в форме так называемых иерархических решетчатых структур. Такого рода сложная геометрия повышает ионную проводимость; без 3D-принтера ее получить нельзя. В качестве материала использовался цирконий, стабилизированный оксидом скандия или оксидом иттрия. Первый вариант подходит для топливных элементов с температурой работы 1 тыс. градусов Цельсия, а второй — 750 градусов.
Коллектив создал недорогой демонстрационный образец 3D-принтера, который использует технологию микростереолитографии и — внезапно — офисный проектор. Последний применяли для матричной доставки ультрафиолетового излучения, которое воздействует на полимерное связующее в составе керамической пасты и тем самым отверждает материал по мере печати заготовки детали. Ученые добились необходимой для изготовления сложной структуры точности освещения, использовав сравнительно недорогой DLP-проектор — на таких часто показывают презентации в офисе.
Топливные элементы, изготовленные с применением 3D-печати (b) и без (a) / © Игорь Пчелинцев
После печати заготовки из нее в печи выжигается полимерное связующее, затем деталь спекается для устранения остаточных пор, и получается прочная керамика. Первый автор научной статьи, выпускник магистратуры Сколтеха Игорь Пчелинцев, предложил инновационное решение — объединить выжигание и спекание в одном процессе. Коллектив исследователей разработал, описал и выполнил всю процедуру 3D-печати, включая подбор оптимального состава керамической пасты, а также провел постобработку изделий и проверку их электрических свойств.
«Мы продемонстрировали, что технологией 3D-печати, в частности микростереолитографией, можно изготовить сложную структуру из одного экспериментального и одного коммерчески используемого керамического материала электролитов топливных элементов. Это шаг к улучшению эксплуатационных характеристик топливных элементов — чтобы со временем они смогли конкурировать с менее экологичными источниками энергии и их заменить», — резюмировал Пчелинцев.
Теперь, когда свойства материалов оптимизировали в лабораторных условиях, следующим шагом должно стать создание демонстрационных образцов топливных элементов, роль электролитов в которых будут играть напечатанные на 3D-принтере решетчатые керамические структуры.
Telegram 
Дзен 
VK Во Франции достраивают международный термоядерный реактор ИТЭР, в проекте которого Россия выступила и инициатором, и поставщиком ключевых компонентов: например, таких, как сверхпроводники, позволяющие магнитам токамака удерживать плазму при температуре до полутора сотен миллионов градусов. Но одновременно с этим проектом в нашей стране работают над национальным проектом токамака с реакторными технологиями (ТРТ), строительство которого начинается во второй половине 2020-х годов. Что будет отличать его от ИТЭР и других реакторов-предшественников — в инфографике Naked Science.
Исследователи из Орегонского университета здоровья и науки установили, что хронический недостаток сна снижает среднюю продолжительность жизни населения сильнее, чем безработица или отсутствие медицинской страховки. Масштабный анализ данных по всем округам США показал: недосып — второй по значимости поведенческий фактор риска ранней смерти, он уступает лидерство только курению.
Турецкие археологи обнаружили раннехристианскую фреску с изображением «Доброго Пастыря Иисуса». Этот мотив крайне редко встречается в Анатолии. Возможно, найденная фреска — единственная работа такого типа во всем регионе.
Новые материалы позволяют построить атомные реакторы и для полетов в космос, и для получения зеленой и более дешевой электроэнергии на Земле. Технологии, лежащие в основе их создания, помогают даже выращивать биологические ткани для замены поврежденных. Мы поговорили обо всем этом с научным руководителем направления «Материалы и технологии» Госкорпорации «Росатом», первым заместителем директора частного учреждения «Наука и инновации» Алексеем Дубом.
Ученые впервые на практике реализовали знаменитый мысленный эксперимент с «подвижной щелью», который обсуждали Бор и Эйнштейн почти 100 лет назад. Опыт с отдельным атомом показал, что попытка отследить путь частицы неизбежно разрушает ее волновые свойства.
Является ли моногамия естественным состоянием для человека? Новое исследование, основанное на анализе почти 200 тысяч родословных млекопитающих, подтвердило это суждение, поместив Homo sapiens в один эволюционный ряд с сурикатами и гиббонами.
С 2010-х в «Роскосмосе» говорили: будущая РОС сможет пролетать над полюсом, что даст ей возможности для новых научных экспериментов. Но вскоре после того, как в ноябре 2025 года Россия временно лишилась возможности запускать людей в космос, эта позиция изменилась. В результате запускать космонавтов с космодромов нашей страны станет довольно сложно.
Позавчера, 27 ноября 2025 года, при запуске космонавтов к МКС на стартовую площадку № 31 упала кабина обслуживания стартового комплекса. Это означает, что новые пуски оттуда до починки невозможны. К сожалению, в 2010-х годах, в рамках «оптимизации» расходов, резервную площадку (с которой летал Юрий Гагарин) упразднили. Поэтому случилось беспрецедентное: в XXI веке страна с пилотируемой космической программой осталась без средств запуска людей на орбиту. Пока ремонт не закончится, проблема сохранится. Чем это может грозить?
Японские биологи повторили античную технологию производства вина из изюма, чтобы выяснить механизм его брожения. Исследователи показали, что сушеный виноград, в отличие от свежего, накапливает на поверхности дикие дрожжи и способен превращать воду в алкоголь без внесения дополнительных заквасок.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно