Группа ученых из США и Австралии получили вдохновение от живых организмов для разработки осмотической системы для производства электроэнергии. Николай Котов, ведущий научный сотрудник исследовательского проекта и профессор химического машиностроения в Мичиганском университете отвечает на вопросы об этом.
Не могли бы вы рассказать немного больше о том, как ваши осмотические исследования направлены на получение энергии?
Николай Котов (НК): Осмос — это повсеместный процесс диффузии ионов из области с высокой соленостью в область с низкой соленостью, который происходит практически повсеместно в мире. Это особенно важно для биологии, потому что осмос создает трансмембранный потенциал в клетках, который управляет многими биохимическими процессами. Таким образом, он служит универсальным источником энергии для всех живых организмов.
Задача химиков, материаловедов и инженеров состоит в том, чтобы извлечь и сконцентрировать эту энергию, потому что осмос является источником низкой мощности, плотность этой энергии не так высока, как солнечные лучи, например. Биологические мембраны могут предоставить чертеж для сбора этой «голубой» энергии. Все механизмы использования осмотической энергии в клетках основаны на мембранах с нанометровыми масштабными каналами, которые позволяют избирательно пропускать некоторые ионы.
Мы решили воспроизвести структуру нанопористых мембран из материала, который был бы прочным и технологически доступным, обратившись к прошлому опыту проектирования биомиметических наноструктур. Во время этого процесса арамидные нановолокна, которые изготавливаются из известной кевларовой ткани, служили нашей отправной точкой. Арамидные нановолокна обеспечивают превосходные механические свойства, унаследованные от кевлара, и обладают высокой термической и химической стойкостью. Они также образуют волокнистые сети высокой плотности с нанометровыми масштабными каналами, необходимыми для селективного переноса ионов.
В сотрудничестве с профессором Вэйвэем Леем из Университета Дикина в Австралии мы дополнительно усилили их свойства, создав композитные мембраны, объединяющие арамидные нановолокна и нанослои нитрида бора.
Каковы основные преимущества композитных мембран?
НК: Создание мембран с наноразмерными каналами — это давняя технологическая задача. Кроме осмотического производства энергии, они также использованы в опреснении для того, чтобы поставить пресную воду в много частей мира. Они могут быть изготовлены как из органических, так и из неорганических материалов, и оба типа обладают желательными и нежелательными свойствами. Когда спрашивают, какие свойства нужны мембранам для того, чтобы реально помочь переходу к возобновляемым источникам энергии в энергетике, то ответом будут все желательные из обоих классов мембран и ни один из нежелательных. Оказывается, что сочетание органических арамидных нановолокон и неорганических нанослоев нитрида бора приводит к мембранам, которые приближаются к этому случаю. По сравнению с другими типами мембран, [арамидные] выделяются устойчивостью к температуре, рН, солености и загрязнению. Способность обоих компонентов самопроизвольно самособираться в листы с наноразмерными каналами также делает их масштабируемыми.
Уже существует ряд экспериментальных установок, которые генерируют осмотическую энергию, в частности в скандинавских регионах и Соединенных Штатах, однако жизненный цикл этих мембран, наряду с их жизнеспособностью и эффективностью, остаются ключевыми проблемами. Стоимость энергии также все еще недостаточна, она должна быть ниже, и я думаю, что наши биомиметические мембраны могут помочь в этом.
А как же их недостатки?
НК: С любой новой технологией всегда приходится вкладывать значительные усилия на ранних этапах разработки. Это не недостаток материала, но недостаток стадии, на которой находится эта технология. В настоящее время мы работаем над тем, чтобы выяснить, есть ли какие-либо недостатки в материалах. На данный момент существует некоторая неоднородность в мембранах, которую нам нужно выяснить, а также сделать всю мембрану метр за метром более однородной.
Вы верите, что это открытие может изменить способ использования воды для получения энергии?
НК: Да, безусловно, может. Поскольку мир обращается к новым, экологически сознательным методам получения энергии, их спектр расширяется. Осмос будет частью этого спектра, конечно, не в каждом месте, но во многих, особенно в прибрежных районах и некоторых сточных водах с более высокой соленостью. Существует множество способов, которыми эти мембраны могут способствовать выработке большого количества энергии. Следует также принимать во внимание вероятное повышение уровня моря. Плотины, защищающие земли от наводнений, стоят дорого, но их строительство может быть сопряжено с осмотическими энергетическими установками, как это было в Нидерландах на плотине Афслуитдейк.
Как вы думаете, эти мембраны будут привлекать коммерческий интерес в ближайшем будущем?
НК: Самосборные биомиметические композиты уже производятся в больших количествах из графена, глины и других материалов. Это обеспечивает хорошую ступеньку для производства осмотических мембран. Уникальное сочетание их свойств, простота методов производства и низкая стоимость материалов делают их коммерчески привлекательными. У меня сложилось впечатление, что вскоре последует интерес со стороны компаний. Возможно, вас заинтересует, что эти арамидные нановолокна изготовлены из старых пуленепробиваемых жилетов, переработанных из кевлара, что добавляет еще одно измерение перспективам их коммерциализации. Потенциально, другие пластмассы могут быть переработаны в нановолокна, и эта возможность вдохновляет нас на дальнейшее развитие технологии.
