Научно - исследовательская работа на тему «Нанотехнологии в моей будущей профессии» | Зигерт Андрей Алексеевич. Работа №209843

Научно - исследовательская работа на тему

«Нанотехнологии в нашей будущей профессии»

Выполнил студент ГБПОУ «Самарский техникум промышленных технологий» Зигерт Андрей

Руководитель:

преподаватель физики

Заслуженный учитель РФ

Маринцева Мария Николаевна

Цели научно - исследовательской работы:

Изучить применение

нанотехнологий

в электроэнергетике.

Выявить положительные и отрицательные стороны

нанотехнологий

, существующие на сегодняшний день.

Создать мини – конспект «Применение

нанотехнологий

в энергетике»

Сделать отчет о проделанной работе в форме презентации и печатной версии.

Задачи научно - исследовательской работы:

- повышение интереса к получаемой профессии за счет получения дополнительной информации;

- повышение социального статуса обучающихся по квалификации «Электромонтаж»

Актуальность научно - исследовательской работы :

- специальность Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий вошла в «ТОП – 50» - перечень востребованных на рынке труда новых и перспективных профессий, согласно приказу Министерства труда и социальной защиты РФ от 02.11.2015г.№ 38;

- В начале работы над проектом мы провели анкетирование обучающихся техникума: Что ты знаешь о нанотехнологиях? В результате анкетирования выяснилось, что только небольшая часть опрошенных знает ответ на поставленный вопрос; Показать снятие ответов на вопросы и построить диаграмму

- Нанотехнологии могут стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции.

Погружение в работу.

1.Первый этап работы представлял собой изучение теоретического материала, связанного с понятием «Нанотехнологии» с использованием Интернет – ресурсов и научно-исторической литературы.

2.На втором этапе работы осуществлен сбор информации о применении нанотехнологий в различных сферах жизни и деятельности человека.

3. На третьем этапе исследования проведен анализ и обобщение информации о применении нанотехнологий в энергетике.

4.На четвертом этапе исследования проведено обобщение информации о применении нанотехнологий в нашей будущей профессии и представление этой информации для широкой аудитории.

Что же нам удалось выяснить в результате работы над проектом?

Нанотехнология — область прикладной науки и техники, занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой устройств размером порядка 10-9 м или 10 нм.

Особенность нанотехнологий заключается в том, что рассматриваемые процессы и совершаемые действия происходят в нанометровом диапазоне пространственных масштабов. В этом диапазоне размеров «сырьем» являются отдельные атомы, молекулы, молекулярные системы.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр – одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов.

Толчком к развитию нанотехнологий послужила лекция Ричарда Фейнмана, в которой он научно доказывает, что с точки зрения физики нет никаких препятствий к тому, чтобы создавать вещи прямо из атомов. Нанотехнологии – это масштабная, всесторонняя область исследований, связанных с фундаментальными науками. Можно сказать, что практически любая учебная дисциплина, изучаемая в техникуме, так или иначе будет связана с технологиями будущего. Самой очевидной представляется связь “нано” с физикой, химией, биологией, специальными дисциплинами. По-видимому, именно эти науки получат наибольший толчок к развитию в связи с приближающейся нанотехнической революцией.

Начало применения нанотехнологий можно считать с работ греческого философа Демокрита. Он впервые использовал слово “атом” для описания самой малой частицы вещества.

Многие источники, в первую очередь англоязычные, первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нанотехнологией, связывают с известным выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» (англ. «There’s Plenty of Roo at the Bottom»), сделанным им в 1959 году в Калифорнийском технологическом институте на ежегодной встрече Американского физического общества. Ричард Фейнман предположил, что возможно механически перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Впервые термин "нанотехнология" употребил Норио Танигучи в 1974 г. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров.

В 1980-х годах этот термин использовал Эрик К. Дрекслер, особенно в своей книге "Машины созидания: грядёт эра нанотехнологии", которая вышла в 1986 г.

Технологии определяют качество жизни каждого из нас и мощь государства, в котором мы живем.

Промышленная революция, начавшись в текстильной промышленности, подтолкнула развитие технологий железнодорожного сообщения.

В дальнейшем рост перевозок различных товаров стал невозможен без новых технологий автомобилестроения.

Таким образом, каждая новая технология вызывает рождение и развитие смежных технологий.

Настоящий период времени, в котором мы живём, называют научно-технической революцией или информационной. Начало информационной революции совпало с развитием компьютерных технологий, без которых жизнь современного общества уже не представляется .

Развитие компьютерных технологий всегда было связано с миниатюризацией элементов электронных схем. В настоящее время размер одного логического элемента (транзистора) компьютерной схемы составляет около 10-7 м, и учёные полагают, что дальнейшая миниатюризация элементов компьютера возможна только тогда, когда будут разработаны специальные технологии, получившие название «нанотехнологии».

В переводе с греческого слово «нано» означает карлик, гном. Нанометр очень мал. Нанометр во столько же раз меньше одного метра, во сколько толщина пальца меньше диаметра Земли. На рисунке слева направо в порядке роста размеров показаны самые разные объекты – от атома до Солнечной системы. Человек уже научился извлекать выгоду из объектов самых разных размеров. Мы можем расщеплять ядра атомов, добывая атомную энергию. Проводя химические реакции, мы получаем новые молекулы и вещества, обладающие уникальными свойствами. С помощью специальных инструментов человек научился создавать объекты – от булавочной головки до огромнейших сооружений, которые видны даже из космоса.

Но если посмотреть на рисунок внимательно, то можно заметить, что существует довольно большой диапазон (в логарифмическом масштабе), куда долгое время не ступала нога учёных – между сотней нанометров и 0,1 нм. С объектами, имеющими размер от 0,1 нм до 100 нм, и предстоит работать нанотехнологиям. И есть все основания считать, что можно заставить наномир работать на нас.

Нанотехнологии используют самые последние достижения химии, физики, биологии

В результате работы над проектом нам удалось выяснить, что повышение эффективности использования ресурсов планеты и их сбережение посредством нанотехнологий включают в себя:

- использование возобновляемых источников (солнечные батареи, термоэлектрические приборы, топливные элементы);

- хранение энергии (перезаряжаемые батареи и суперконденсаторы, водородные баки);

- уменьшение потребления материалов (например, создание более легких и/или прочных конструкционных материалов или увеличение их активности);

- использование альтернативных (более распространенных) материалов (например, замена редкоземельных элементов на наноструктурированные оксиды металлов при катализе).

Наиболее развитыми нанотехнологическими проектами в сфере энергетики являются: хранение, преобразование, улучшения в производстве (уменьшение потребления материалов, а также длительности процессов), энергосбережение (например, за счет разработки новых методов термоизоляции), использование возобновляемых источников энергии.

Применение нанотехнологий в преобразователях энергии

Сегмент области рынка

Нанопродукты

Солнечная термальная энергия

- напористые аэрогели в качестве покрытия коллекторов солнечной энергии.

Солнечные батареи

- солнечные батареи на основе на основе органических красителей;

- фотовольтаические элементы на основе квантовых точек, соединенных между собой углеродными нанотрубками;

- гибкие солнечные батареи на основе нанокомпозиционных материалов, состоящих из неорганических наностержней, внедренных в пленку органического полупроводника.

Топливные элементы

Катализаторы, состоящие из металлических частиц размером 1- 5 нм в углеродной матрице

Солнечная термальная энергия.

Это тепловая энергия солнца, используемая как таковая или для перевода ее в электрическую энергию. Широко используется в настоящее время в странах и регионах с теплым жарким климатом (США, Австрия, Австралия, Африка, южная Европа). Различают низко-, средне- и высокотемпературные тепловые коллекторы, собирающие тепловые лучи солнца.

Низкотемпературные чаще всего используют для нагрева бассейнов, среднетемпературные для обогрева жилых и промышленных зданий, высокотемпературные используют в качестве зеркал и линз для концентрации солнечных лучей, способных нагревать теплоноситель до 300°С для промышленных целей.

Среднетемпературные коллекторы используют для обогрева, охлаждения и вентиляции в «умных» современных домах. Этот источник энергии имеет высокий КПД до 60–70 % и выигрывает у других источников энергии по себестоимости.

Фотовольтаика.

Мировой рынок устройств использования солнечной энергии быстро развивается.

Этот очень бурный рост характерен для стран с развитой экономикой (Япония, Германия, США). Эксперты ожидают, что в течение 2–3-х десятилетий фотовольтаика обеспечит 20–30% от всей мировой потребности в энергетике. Однако, в настоящее время энергия, вырабатываемая с помощью продукции фотовольтаики неконкурентна по цене (~ в 3 раза дороже) с энергией, полученной на электростанциях (дорогой материал, низкий КПД и т.д.). Эти проблемы фотовольтаики решаются за счет использования нанотехнологий (полимерная, тонкопленочная, на основе фотоактивных красителей в фотовольтаике).

Фотовольтаика находит применение в портативной электронике, для контроля движения транспорта, в телекоммуникационных системах, в производстве нового поколения электродов. Среднесрочный прогноз по фотовольтаике на основе нового поколения полимеров – 10% от всей фотовольтаики.

Топливные элементы.

С помощью топливных элементов с высокой эффективностью преобразуют химическую энергию непосредственно в электрическую. Для работы топливных элементов в качестве химического сырья используют чистый водород, а также природный газ, метанол, бензол или биогаз, которые служат источником водорода. Топливные элементы это своеобразное электрохимическое устройство, в котором вещества («сырье») для электрохимических реакций, в результате которой возникает электрический ток, подаются в устройства извне (в отличие от батареек, аккумуляторов, и конденсаторов, где все реагенты находятся внутри этих устройств).

В топливных элементах обычно используются катализаторы, состоящие из металлических наночастиц размером 1–5 нм в углеродной матрице.

Область использования топливных элементов – мобильные устройства, электромобили, тепло- и электроснабжение домов, локальные маленькие электростанции, двигатели на яхтах, приватные информационные системы.

Термоэлектричество.

Термоэлектричество – это прямое преобразование тепловой энергии в электрическую (можно направить трансформацию энергии в обратную сторону, то есть электрическим током нагревать или охлаждать систему).

Нанотехнологии в термоэлектричестве используются для производства полупроводников с оптимальным пограничным слоем. Термоэлектрические устройства используют в современных автомобилях, где образующиеся при сжигании топлива в двигателе продукты утилизируются для производства электричества, которым питают всю бортовую аппаратуру или используют физиологическое тепло тела человека для питания различных гаджетов, вмонтированных в текстиль умной одежды. Еще одна область использования термоэлектричества – в портативных холодильниках.

Применение нанотехнологий в накопителях энергии

Сегмент области рынка

Нанопродукты

Перезаряжаемые батареи

- нанокристаллические материалы и нанотрубки, значительно увеличивающие плотность энергии, время жизни и плотность зарядки – перезарядки. Нанотрубки заменяют также обычные графитовые и литий - графитовые электроды.

Суперконденсаторы

- пористые углеродные электроды в качестве «пластин» конденсатора. Сверхмалые нанопоры обеспечивают высокую удельную поверхность порядка 1000м2/г

Не менее перспективным направлением применения нанотехнологий в энергетике является создание суперконденсаторов, обладающих высокой

электрической емкостью. Суперконденсаторы способны заряжаться в мгновение ока и хранить большое количество энергии.

Энергосбережение энергии

Термоизоляция

- напористые аэрогели;

- аэрохромные покрытия, состоящие из тонкого слоя оксида индия и олова в качестве электродов, используемые для уменьшения теплопотерь.

Более эффективное освещение

- нанофосфор, использующий яркий «дневной» свет после облучения УФ - излучением

Двигатели внутреннего сгорания

Увеличение КПД двигателей с помощью нанопористых катализаторов или наночастиц, улучшающих конверсию.

Хранение тепла играет большую роль при обогреве и охлаждении зданий и человека с помощью «умной» одежды. И в том и другом случае используют традиционные изоляционные материалы – микропористые и новое поколение

нанопористых

(цеолиты) материалов, изменяющих фазовое состояние в зависимости от температуры. Последние обратимо абсорбируют тепло при фазовом переходе высвобождения тепла в окружающую среду.

Терм

о

-

(тепло-) изоляция за счет использования

нанопористых

материалов и

нанокомпозитов

для контроля за

свето

- и

теплопотоками

за счет умных стекол, тепловых рефлекторов. 80% изоляционных материалов используют в частных домах (2006 год – в Европе производство теплоизоляционных материалов оценивалось в 3 миллиарда DS).

Использование различных видов светодиодов для освещения (мировой рынок в 2010 году – 83 миллиарда DS, с годовым ростом ~15–20%). В будущем использование в передних фарах автомобилей, дисплеях компьютеров и ТВ. Огромная экономия (десятки процентов) за счет использования диодов в рекламе

В своей исследовательской работе мы рассмотрели и вопросы хранения энергии.

Эта проблема стоит на всех фазах энергетики: от добычи топлива, превращения энергии, ее распространения и до использования конечным потребителем. Хранение энергии может быть необходимо в разных его формах (тепло, электричество, давление, химическая). Самую большую роль в этом ряду играет хранение тепловой энергии, используемой для обогрева зданий.

Хранение энергии на гидроэлектростанциях осуществляется в реверсивном (обратимом) режиме, при котором ГЭС имеет два бассейна (верхний и нижний, верхний может быть естественным). Нанотехнологии «участвуют» в повышении эффективности ГЭС в производстве износостойких деталей глубинных насосов и термостойких лопаток турбин с наноструктурированным покрытием из металлокерамики.

В настоящее время хранение электрической энергии в основном используется в мобильной электронике (батарейки, аккумуляторы), а в будущем планируется широкое использование в гибридных электромобилях.

К устройствам для хранения электроэнергии, особенно используемым в мобильной электроники, предъявляются следующие требования: высокая эффективность и плотность энергии, время жизни, скорость включения, термостойкость, безопасность.

Многие из этих свойств создаются с использованием нанотехнологий. Примером являются Li-ионные батареи, отличающиеся высокой энергией и ее высокой плотностью. Такие батареи могут быть использованы в электромобилях, в ветряках, как мостик между потребителем и изменяющимся режимом производства электроэнергии. В будущем планируется использование таких батарей в «умных» и децентрализованных системах хранения электричества.

Распространение энергии.

Проблема эффективности передачи энергии остро стоит при использовании традиционных линий передач, неспособных гибко адаптироваться к постоянным изменениям в подаче в них электроэнергии от её генераторов и потребления от пользователей. Для решения этих проблем адаптации и эффективности распространения энергии с использованием нанотехнологий создают наносенсоры и сверхпроводящие материалы на основе углеродных нанотрубок.

И здесь необходимо сказать о работе российских ученых в этом направлении, которые разработали технологию создания новейших суперпроводов. Суть технологии заключается в последовательной сборке биметаллических составных заготовок с их последующим деформированием. Это дает возможность внедрения в матрицу обычного медного провода ленточных ниобиевых волокон толщиной всего 6-10 нм.

В итоге получается композитный провод сечением 2 на 3 мм, в котором присутствует до 400 миллионов этих тончайших ниобиевых волокон. Полученный провод отличается аномально высокой механической прочностью, значительно более 500 МПа, и электропроводностью на уровне 65-85% от значения электропроводности чистой меди, что достигается малым расстоянием между волокнами, сопоставимым со средней длиной пробега электронов в медной матрице.

Так суперпровода, обладающие высокими механическими характеристиками, просто незаменимы для высокопольных импульсных магнитов и магнито-импульсных индукторов, для авиационной и космической техники, для флота и оборонной промышленности, а также в качестве контактных проводов высокоскоростных поездов.

Важна прочность проводов и просто в наших климатических условиях, где мокрый снег и шквалистый ветер часто приводит к обрывам ЛЭП, что чревато отключением электроэнергии в населенных пунктах, и длительными ремонтными работами. Со временем наноструктурированные провода почти наверняка помогут решить и эту проблему.

В долгосрочной перспективе для передачи энергии планируют использовать беспроводные технологии (лазер, микроволны, электромагнитный резонанс). В будущем планируется использовать солнечную энергию в космосе, преобразуя ее в электрическую и передавая на Землю с помощью лазеров и микроволновых устройств.

Из перечисленных применений нанотехнологий в энергетике фотовольтаики с нанопокрытиями, а также аэрогели уже вышли на стадию применения и коммерциализации.

Нам удалось выяснить следующие стадии развития и внедрения продуктов нанотехнологий в сфере энергетики

Доступны на рынке

Ожидают коммерциализации

В стадии развития

Существуют в виде концепции

- солнечные батареи с нанокристаллическим покрытием

- напористые аэрозоли

- наночастицы- присадки для повышения КПД топлива

- нанокатализаторы для топливных элементов

- термоэлектрические материалы для преобразования тепла

- топливные элементы и аккумуляторы на основе углеродных нанотрубок

- водородные баки на основе углеродных нанотрубок.

- наноматериалы в преобразовании энергии ветра

В своей работе я выяснил, что к 2020 г на мировом рынке нанотехнологий в сфере энергетике будет наблюдаться следующее распределение доходов по секторам отрасли:

Энергосбережение – 19%

Накопление энергии – 32%

Преобразование энергии – 49%

К 2020 году ожидается следующий прогнозируемый спрос на наноматериалы в сфере энергетики:

- Термоэлектрические наноматериалы – 11%;

- проводящие нанотрубки – 17%;

- напористые аэрогели – 19%;

- каталитические наночастицы – 29%;

- фотовольтаические тонкие пленки и покрытия – 24%;

- каталитические наночастицы – 29%.

Заключение

Нанотехнология – без сомнения самое передовое и многообещающее направление развития науки и техники на сегодняшний день. Возможности ее поражают воображение, мощь - вселяет страх. С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехгологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе будут созданы товары и продукты, применение которых позволит революцинизировать целые отрасли экономики. Мир будет просто построен заново.