Эффективное преобразование распределенной энергии, доступной повсеместно — от человеческой деятельности и вибраций машин до океанических волн в электрическую энергию, — сложная задача. Решил ее директор-основатель Пекинского института наноэнергии и наносистем Китайской академии наук Чжун Линь Ван.
Чжун Линь Ван изобрел трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ), способный эффективно преобразовывать случайную, бесполезную, низкочастотную механическую энергию в электричество для устойчивого питания сенсорных сетей и Интернета вещей. За уникальное и перспективное изобретение в 2023 году профессору Вану присуждена премия «Глобальная энергия».
Ученый родился в ноябре 1961 года в Китае. В 1987-м получил степень доктора физики в Государственном университете Аризоны. Из 100 тысяч ученых по всему миру во всех областях занял первое место по научному влиянию в 2019 и 2020 годах и третье место по научному влиянию за всю карьеру по версии Стэнфордского университета.
Исследования профессора Вана в области наносистем с автономным питанием вдохновили ученых и промышленников всего мира на сбор энергии окружающей среды. Это нашло широкое применение в сенсорных сетях, искусственном интеллекте, робототехнике и Интернете вещей.
Повторное использование энергии — реальность
Лауреат «Глобальной энергии» рассказал «ЭПР», что идея создания трибоэлектрического наногенератора пришла к нему еще в 2005 году, когда он был ведущим студентом по пьезоэлектрическому эффекту на наноуровне.
«Мы обнаружили, что можем преобразовывать небольшую механическую энергию в электрическую с помощью нанопроводов, назвали свое открытие наногенератором. В 2012-м выяснили, что трибоэлектрический эффект может делать то же самое, и такое устройство намного эффективнее и намного дешевле. На данный момент тысячи людей работают в этой области, так что она быстро развивается», — отмечает эксперт.
Все дело в том, что ТЭНГ использует сочетание эффектов трибоэлектризации и электростатической индукции и может преобразовывать любую форму механической энергии в электрическую с эффективностью в 50–85%, что считается самым важным открытием в данной области с момента первого изобретения электромагнитного генератора Фарадеем в 1831 году.
Немаловажно, что изобретение профессора Вана соответствует тенденциям нашего времени в части целей устойчивого развития и способно внести весомый вклад в достижение углеродной нейтральности.
«Энергия, которую мы используем сегодня, в основном зависит от ископаемого топлива. Однако сжигание нефти, угля, газа негативно влияет на окружающую среду, повторно использовать эту энергию трудно, — рассуждает Чжун Линь Ван. — По имеющимся прогнозам, к концу XXI века большинство из традиционных источников энергии перестанут использоваться.
Так на какую энергию мы можем положиться для устойчивого развития нашего человечества, скажем, через пару столетий? Наше изобретение делает возможным повторное использование энергии, то есть мы можем извлекать энергию из окружающей среды и применять ее вновь.
Традиционно мы используем электромагнитный генератор, который наиболее эффективен, если механический запуск осуществляется на высокой частоте и с большой амплитудой. Но энергия, распределяемая в нашей среде обитания, довольно низкого качества. Чтобы получить такую энергию, нужно использовать новые эффекты, такие как трибоэлектрический эффект и явление электростатической индукции. На основе их мы и изобрели трибоэлектрический наногенератор в 2012 году.
ТЭНГ может работать с эффективностью до 50%. На данный момент можно применять его в качестве источника питания для носимой электроники, Интернета вещей, распределительного датчика для защиты окружающей среды, безопасности и так далее. Мы демонстрируем, что возможно использовать энергию водных волн, энергию океана, внедряя инновационный подход к крупномасштабному сбору энергии.
Как только вы сделаете это, у вас появится долговременная энергия, необходимая для жизнеобеспечения человека. Но это невозможно при использовании традиционной технологии из-за ограниченности физических принципов.
Наш новый подход делает возможным повторное использование энергии. Допустим, мы можем вырабатывать более 400 кВт•ч на кубометр воды в год, что на 30% больше, чем производит солнечная генерация в той же местности. Таким образом, это оказывает огромное влияние на наши будущие потребности в энергии. Надеемся, что наше изобретение станет основой технологий для энергетики будущего».
Фокус на коммерциализацию
Говоря о планах, Чжун Линь Ван признается: все его внимание сосредоточено именно на трибоэлектрическом наногенераторе. Он хочет, чтобы его изобретение служило человечеству.
«В ближайшем будущем мы намерены переключить внимание с научных открытий, технологических инноваций на коммерциализацию. Наступает важный и ответственный этап — переход к коммерциализации разработки. Несколько небольших компаний начинают работать над коммерческим применением, и также есть молодые люди, занимающиеся коммерциализацией.
В мире насчитывается более 16 тысяч ученых из 83 стран и регионов, которые занимаются исследованиями в этой области. Каждый год публикуются тысячи статей, — говорит эксперт. — Мы наблюдаем высокий интерес к трибоэлектрическим наногенераторам в Америке и Европе. Да и во многих других странах проводятся исследования ТЭНГ, поскольку они видят большой потенциал и понимают, какое влияние может оказать ТЭНГ на отрасль энергетики.
Возможности применения такого наногенератора действительно широки: его можно использовать как для датчиков, так и для мониторинга умных городов или инфраструктуры, а также для крупномасштабной «голубой энергетики». В этой связи рассчитываем выйти на коммерциализацию в течение 5–10 лет».
Заместитель председателя Правительства РФ Александр Новак вручает Чжун Линь Вану премию «Глобальная энергия».
Профессор Ван убежден: сегодня крайне важно объединять усилия ученых из разных стран, развивать международное сотрудничество, в том числе по продвижению его разработки:
«Наука не имеет границ, тот же ТЭНГ принадлежит человечеству. Уверен, что при взаимодействии с иностранными коллегами мы могли бы более эффективно продвигаться к коммерческому эффекту и сделать так, чтобы ТЭНГ был полезен для общества. Это возможно только при широком сотрудничестве со всеми странами».
Разработка, которая изменит мир
В октябре 2023 года профессор Ван побывал в Москве — в рамках форума «Российская энергетическая неделя» он получил премию «Глобальная энергия». Она присуждена в номинации «Нетрадиционная энергетика» за изобретение трибоэлектрических наногенераторов как новой энергетической технологии для автономных систем, Интернета вещей, робототехники, искусственного интеллекта и крупномасштабного сбора «голубой энергии». Награду вручил заместитель председателя Правительства РФ Александр Новак.
«Для меня большая честь получить эту премию, поскольку наше изобретение — трибоэлектрический наногенератор представляет собой инновационный подход к получению энергии из окружающей среды. Наше изобретение направлено на то, чтобы перераспределять энергию наиболее эффективным образом.
ТЭНГ позволяет конвертировать механическую энергию соответствующим образом. За счет этого можно увеличить эффективность ее использования.
Создание трибоэлектрического наногенератора — величайший прорыв. Благодаря ТЭНГ мы можем получать энергию тогда, когда нам это нужно, и там, где это нужно, в гармонии с биологическими системами, не оказывая негативное влияние на окружающую среду.
Речь идет об энергии, которая генерируется по мере того, как мы двигаемся — ходим, говорим и так далее. Наше изобретение применимо для защиты окружающей среды, в медицине, в сфере взаимодействия человека и машины и во многих других случаях. Но, что наиболее важно, мы намерены расширять использование ТЭНГ для сбора так называемой «голубой энергии».
Возможно, в будущем наша разработка позволит совершить энергетический прорыв и заменить ископаемые источники энергии более зелеными. А также сделать прорыв в сфере сенсорных технологий, который позволит развивать не только Интернет вещей, робототехнику, но и целые умные города.
Мне очень приятно, что данная разработка получила столь высокое признание, это важно не только для меня, но и для всей нашей команды, — говорит Чжун Линь Ван. — Я пожертвую премию своему университету, в котором получил степень бакалавра, для создания фонда, который сможет учредить новую премию для молодых преподавателей и аспирантов, занимающихся наукой. Мне хочется, чтобы они не боялись проводить оригинальные исследования и совершали научные открытия. Уверен, таким образом в будущем увеличится количество молодых ученых, которые внесут инновационный вклад в устойчивое развитие мира. Три залога успеха для молодых ученых — терпение, упорство и настойчивость».
Говоря о сложности пути к новым открытиям, он цитирует знаменитую фразу швейцарского зоолога и естествоиспытателя Луи Агассиса:
«Любая научная истина проходит через три стадии. Сначала все говорят, что она идет вразрез с Библией. Затем — что все это было открыто давным-давно. И под конец — что все верили, что так оно и есть, — подчеркнул Чжун Линь Ван. — Для прохождения всех трех стадий необходим не только упорный труд, но также вдохновение, любопытство и креативность, позволяющие посмотреть на старую проблему под новым углом».
Фото: Фотобанк РОСКОНГРЕСС
