Нанотехнологии в охране окружающей среды

Во время «затемнения» (аварии энергосистемы, которая имела место во многих штатах Северо_Востока США и Канаде 14 августа 2003 г.) огромное количество людей оставалось без электроэнергии в течение недели. В отсутствие эффективных альтернативных линий передача и распределение энергии были полностью разрушены.

Чтобы исключить регулярное появление «затемнений» в промышленно развитых странах (которые уже зафиксированы в Италии, Великобритании, Канаде и скандинавских странах), нужно решительно изменить систему передачи и распределения электрической энергии.

«Затемнение» - это масштабная авария энергосистемы, которая является результатом несбалансированности спроса на электрическую энергию и ее потребления.

Большое значение для исключения «затемнений» имеет локальное генерирование электроэнергии. Не принципиально, как именно она генерируется (за счет солнечной, ядерной, геотермальной или других видов энергии), но очень важно использовать все местные источники.

Надежность энергосети можно повысить с помощью наноматералов и нанотехнологий. Достоинством «умной» энергосети является то, что каждый ее элемент играет активную, а не пассивную роль.

В таблице 2 приведена сравнительная характеристика современной энергосети и «умной» энергосети будущего.

Таблица 2. Современная энергосеть менее восприимчива к изменениям, чем «умная» энергосеть

Хранение

Человечеству нужно позаботиться также об эффективном хранении электричества. Если домовладельцы рассчитывают на использование только солнечной энергии, то им придется позаботиться о надежном хранилище, которое способно удерживать энергию хотя бы в течение недели. В пасмурные дни такая система должна предоставить достаточно энергии для нормального функционирования дома. В настоящее время для этого используются литиевые батареи, но они занимают большую территорию (почти как сам дом) и стоят около 50-60 тыс. долларов. Для широкого распространения таких батарей в домашних хозяйствах они должны иметь размер не больше стиральной машины, а стоимость - не выше 1000 долларов.

Как усовершенствовать возможности хранения энергии? Ответом опять может стать создание «умной» энергосети. По мнению специалистов Национальной лаборатории энергетических технологий США, типичная «умная» энергосеть должна обладать семью основными характеристиками, которые перечислены в табл. 3.

Будущие исследования

Наибольшая проблема ближайших десятилетий - задача генерирования и распределения энергии, достаточной для 1010 людей планеты. До 2050 г. человечеству потребуется найти способы генерирования дополнительных 10 тераватт экологически чистой энергии ежегодно. Для всеобщего процветания новая энергия должна быть дешевой, широко распространенной и доступной, что невозможно с помощью имеющихся в настоящее время технологий.

На этом пути человечеству придется преодолеть еще множество препятствий. Исследования новых источников энергии требуют большего финансирования. Профессор Смолли предлагал взимать налог в 10% на каждый галлон нефтепродуктов, потребляемых в США.

Только это позволило бы аккумулировать около 10 млрд. долларов дополнительного финансирования на исследования новых видов энергии. США инвестируют огромные средства в импорт, производство и распределение энергии, но не в исследования новых ее источников. Более крупные инвестиции позволили ли бы найти и развить новые технологии и решить многие энергетические проблемы уже к 2020 г.

В ближайшие 50 лет энергетический ландшафт планеты изменится самым драматическим образом. Новые технологии откроют новые возможности. Лидерство будет определяться степенью освоения новых источников энергии. В настоящее время основные усилия США сосредоточены на использовании нефти, газа и водорода, хотя в ближайшее время, после подписания президентом США Джорджем У. Бушем в 2005 г. так называемого энергетического билля, все может измениться решительным образом. Самая крупная в мире нефтегазовая энергетическая отрасль в процентном отношении тратит меньше денег на научные исследования, чем остальные отрасли.

Учитывая значение проблемы, очевидно, что этот подход является чрезвычайно близоруким.

Факторы риска окружающей среды

Среди факторов риска окружающей среды наибольшее значение имеют воздействие и угроза. Под воздействием подразумевается возможность контакта с загрязняющим веществом в достаточно высокой концентрации, которая способна вызвать проблемы. Под угрозой подразумевается сама эта проблема (например, воздействие однослойных углеродных нанотрубок в форме аэрозоля выражается в возможности их вдыхания, а угроза - в потенциальной угрозе органам дыхания).

К сожалению, в настоящее время практически ничего не известно о токсикологии искусственно созданных наночастиц в «мокрых» взаимодействиях. Кое-что на сегодня определено лишь в вопросе влияния аэрозолей на живые организмы в результате их вдыхания. Однако токсикологическое влияние наночастиц на биологические процессы пока не изучено. В настоящее время интенсивно исследуется биологическое

влияние наночастиц кварца, титана и железа на функционирование клеток в частности и дыхательной системы в целом. Аналогичные исследования выполняются научно-исследовательскими лабораториями США для изучения воздействия наночастиц на кожу человека.

Одним из наиболее важных вопросов, волнующих многих ученых и политиков, является уровень последствий от постоянного или внезапного масштабного воздействия наночастиц на окружающую среду. Нельзя с уверенностью сказать, что такое воздействие окажет какое-то негативное влияние. Просто до сих пор еще недостаточно ясно, какие свойства наночастиц могут нанести вред окружающей среде и в какой мере.

В настоящее время ученым известны многие позитивные свойства наноматериалов. Однако, во избежание неприятных последствий для здравоохранения и благополучия окружающей среды, нужно предусмотреть все негативные эффекты от применения новых нанотехнологий.

Ученые занимаются исследованиями фактической дозы наночастиц, влиянию которых может подвергнуться окружающая среда и биологические организмы (бактерии, рыбы, люди). Для предсказания скорости и эффективности распространения наночастиц в окружающей среде необходимо тщательно изучить все способы перемещения наночастиц.

Наноматериалы способны распространяться разными способами в пористых материалах. Например, фуллерены и однослойные углеродные нанотрубки демонстрируют совершенно разную подвижность. Во время сборки наноструктур их подвижность заметно падает. Профессор Марк Визнер с коллегами из Университета Дьюк (США) занимается изучением подвижности и методов перемещения разных наночастиц.

«Зеленые» нанотехнологии

Нанотехнологии способны изменить производственные процессы двумя способами. Во-первых, за счет быстрого сокращения отходов производства и повышения его эффективности. Во-вторых, за счет использования наноматериалов в качестве катализаторов, которые повысят эффективность производственных процессов и позволят избавиться от токсичных и грязных материалов, а также конечныхпродуктов.

«Зеленые» нанотехнологии - это технологии, в которых используются безопасные для окружающей среды химические и технологические процессы. В идеале «зеленые» нанотехнологии должны улучшить производственные процессы, предъявляемые к материалам требования, химические процедуры, а также заменить текущие небезопасные вещества и процессы. Это позволит сократить расходы энергии и материалов.

Для достижения данных целей ученые ведут исследования в следующих направлениях:

- синтез на атомном уровне новых улучшенных катализаторов для производственных процессов;

- вставка информации в молекулы (такие как ДНК) для создания новых молекул;

- самосборка молекул как основа для новых химикатов и материалов;

- создание молекул в микро- и нанореакторах;

- использование альтернативной энергии на основе солнечных батарей и топливных элементов, а также разработка новых способов передачи энергии;

- усовершенствование производственных процессов с целью более экономного использования энергии.

Значение «зеленой» химии и «зеленых» технологий было оценено по достоинству в 2005 г., когда Нобелевскую премию по химии «За вклад в развитие метода метатезиса в органическом синтезе» вручили Роберту Граббсу (Robert Grubbs) из Калифорнийского технологического института (США), Ричарду Шроку (Richard Schrock) из Массачусетского технологического института (США) и Иву Шовену (Yves Chauvin) из Института нефти (Франция). Метатезис означает такое «переключение» пары химических связей, при котором возникает перегруппировка атомов, то есть изменяется углеродный скелет одной или двух молекул.

Вот типичный пример такой реакции:

NaCl + AgNO3 = AgCl + NaNO3.

Этот тип реакции играет огромную роль в химической промышленности, например при создании лекарств и пластмасс, поскольку для метатезиса расходуется гораздо меньше энергии и уменьшается количество вредных побочных продуктов.

Международный совет по нанотехнологиям

В 2004 г. энтузиастами была учреждена международная организация - Международный совет по нанотехнологиям (International Council on Nanotechnology - ICON), - которая собирает и распространяет всю доступную информацию о нанотехнологиях. Члены этой организации пытаются оценивать преимущества и недостатки нанотехнологий (например риски для окружающей среды) и распространяют информацию об этом.

ICON создал базу данных с научными выводами о преимуществах и недостатках нанотехнологий. Совет поддерживает эту базу данных в сотрудничестве с Университетом Райс (США), Министерством энергетики США и представителями химической промышленности.

В ICON входят представители не только промышленных предприятий, но и правительственных учреждений США, университетов, колледжей и неправительственных организаций. В таком широком партнерстве члены ICON обсуждают и оценивают потенциальные риски и меры безопасности при работе с нанотехнологиями, предлагают стандарты и терминологию для создания и применения наноматериалов, а также распространяют сведения о нанотехнологиях.

Широкая поддержка со стороны членов совета упрочила положение ICON как всемирного хранилища информации о достоинствах и недостатках нанотехнологий.

Выводы

Вполне возможно, что некоторые новые материалы могут представлять риск для изготовителей и потребителей, а также для общества и окружающей среды. Поэтому ученые стремятся максимально тщательно и всесторонне изучить потенциальный риск, связанный с новыми нанотехнологиями, чтобы гарантировать безопасность их применения.

Развитие нанотехнологий продолжается и вполне возможно, что человечество действительно решит глобальные проблемы с их помощью.

Список литературы

1. Н. Кобаяси «Введение в нанотехнологии», 2008 г.,

2. Л. Уильямс, У. Адамс «нанотехнологии без тайн»,

3. Мария Рыбалкина «Нанотехнологии для всех»,

4. Др. Матиас Шуленбург, Кельн «НанотехнологииНовинки завтрашнего дня».

Размещено на Allbest.ru