Кто читал повесть Стругацких «Пикник на обочине», должен помнить «этаки» — маленькие вечные и очень емкие аккумуляторы, оставленные на Земле среди кучи прочего хлама неведомыми пришельцами. Люди приспособили их по-своему: достал из кармана, сунул в гнездо на приборной панели автомобиля — и поехал. В одном флаконе тебе аккумулятор, ключ зажигания и противоугонка. Кажется, эти «этаки» еще и размножались простым делением…

И вот на харьковском сайте Медиа-группы «Объектив» я прочел Нечто — информацию о том, что на кафедре неорганической химии национального университета им. В.Н. Каразина кто-то собирается сделать батарейку со столетним сроком службы. Я тогда сразу подумал: что если это и не то самое, то что-то очень близкое. Потому что сто лет в одной человеческой жизни — это уже вечность.
Оказалось, что «кто-то» — это кандидат химических наук, доцент Олег Николаевич Калугин.
— Вы, Олег Николаевич, — говорю я ему, — лучше сразу признавайтесь: «сто лет» — это ваше собственное художественное преувеличение или журналисты от себя приврали?
— Да смотря как на это поглядеть. Может, и не совсем преувеличение. Но давайте по порядку. Малогабаритная мобильная техника требует соответствующих ей малогабаритных мобильных источников питания — это ее большая проблема. Эти источники бывают двух типов — одноразовые неперезаряжаемые гальванические элементы и перезаряжаемые аккумуляторы. По-английски же слово battery относится и к одноразовым гальваническим элементам, и к перезаряжаемым аккумуляторам.
Ну да, я помню, как в детстве разбирал неуклюжие батарейки КБС — в них обязательно были цинковые баночки, наполненные какой-то смесью, в которую вставлен угольный электрод. А в сработанных батарейках от цинковых баночек оставались только следы — цинк уходил… Цинк уходил, и процесс этот необратимый. Поэтому среди источников первого типа ничего долговечного, а уж тем более вечного быть в принципе не может. Иное дело — аккумуляторы. Однако и здесь такого, чтобы один раз зарядили и сто лет пользуемся, конечно, нет — это преувеличение. Но сколько лет их можно перезаряжать? Их срок службы определяется периодом (временем) разрядки и числом возможных перезарядок. И здесь нет таких жестких принципиальных ограничений. Хорошие легкие аккумуляторы существовали еще в СССР, только не все об этом знали. Это литиевые либо литий-ионные аккумуляторы с неводным электролитом. Их ставили на баллистические ракеты. Ведь и на подготовке к пуску, и на пассивном участке траектории должна быть какая-то минимальная бортовая энергетика.
Кстати, в этой области Украине принадлежит вполне достойное место. Те батареи, которые ставили на баллистические ракеты, разрабатывались рядом научных групп, в том числе группой профессора В.Н. Плахотника в Днепропетровском национальном университете железнодорожного транспорта и группой под руководством член-корреспондента НАНУ В.Д. Присяжного в Межведомственном отделении электрохимической энергетики НАНУ. При этом отделении существовал даже опытный завод, который выпускал литиевые источники до развала Союза, пока наш рынок не насытила китайская продукция.
Как объясняет Олег Николаевич, срок службы аккумулятора определяется тем, насколько долговечны его электроды, частично разрушающиеся при перезарядке. Для интенсивно используемых источников практический предел — несколько лет. И тут возникает вопрос: а нельзя ли устроить электроды так, чтобы на них не шли химические реакции, и разрушающие, собственно, электродные материалы? В связи с этим и были предложены аккумуляторы совершенно нового типа.
Их идея, кстати, известна очень давно — с первых шагов в экспериментах по электричеству. Прототип — лейденская банка, то есть конденсатор, представляющий собой пару проводников, разделенных диэлектриком. Но создать конденсатор большой емкости человеческими руками — очень непростое дело, а малая емкость в качестве источника тока малопригодна. Потому что она очень быстро (за доли секунды) разряжается практически при любой разумной нагрузке. Но тут на помощь приходит человеческая смекалка и остроумное рукоделие.
— Из углерода можно сделать микропористый материал с огромной площадью поверхности пор и использовать эту поверхность в качестве обкладок, — рассказывает Калугин. — Конденсатор с такими обкладками называется суперконденсатором. Делают два электрода, а пространство между ними заполняет непроводящий пористый материал, пропитанный электролитом. Реальная конденсаторная батарея имеет емкость в тысячи, даже десятки тысяч фарад. Это огромные величины. Вот такие конденсаторы уже можно использовать в качестве источников тока. И с электродным материалом в них ровным счетом ничего не происходит. Эксперименты показали, что на сегодняшний день суперконденсатор может заряжаться-разряжаться до миллиона раз. Это на три порядка — в тысячу раз — больше, чем у нынешних аккумуляторных источников, выпускаемых промышленностью.
Если принять, что нынешний «химический» аккумулятор, перезаряжающийся до 1000 раз, служит три года, то «на три порядка больше» — это 3000 лет! Поистине фантастическая величина, в которую и верится-то с большим трудом. Но на ее фоне несколько сот лет уже не представляются чем-то нереальным.
То, чем занимается харьковская группа (суперконденсаторы очень интенсивно разрабатываются также научной группой профессора Ю.А. Малетина в Киеве), ее место в схеме разделения труда с коллегами из других научных групп — это, в первую очередь, объемная часть электрохимической ячейки — неводный электролит. Для того чтобы литиевая ячейка правильно функционировала, нужен электролит, удовлетворяющий массе требований — в первую очередь, по электрохимической устойчивости. Кроме того, он должен сохранять рабочие свойства в определенном интервале температур и быть высокопроводящим, то есть иметь малое внутреннее сопротивление. А дальше идут дополнительные требования. Например невысокая токсичность при утилизации, малая воспламеняемость и т. д. Это как раз то, в чем харьковчане больше всего преуспели. При этом нужно сказать, что эта часть и для литиевых источников, и для суперконденсаторов практически одинакова. А вторая (более интересная) задача связана именно с суперконденсаторами. Она инициирована общением харьковчан с коллегами-электрохимиками из Киева.
Идея заключается в следующем. Углеродные наноматериалы, которые на сегодняшний день используются — это неупорядоченные наноматериалы. Их эффективность определяется размером пор (это наноразмеры, их поперечник — 1-5 миллиардных долей метра — нанометров) и их концентрацией. Если поры меньше — в них не помещаются ионы, если больше — ионы в них не задерживаются, материал ведет себя как обычный макроматериал и эффективная поверхность получается небольшой. Материалы, применяемые сегодня, получаются обжигом всевозможных органических отходов. Это дешево, но предел по площади поверхности уже достигнут. Так вот… Некоторые читатели, наверное, слышали такие слова — углеродные нанотрубки. Методики их синтеза уже достаточно отработаны, а теоретические расчеты, выполненные два-три года назад, показывают, что, если на металлической поверхности вырастить «лес» из углеродных нанотрубок с заданным диаметром, то оказывается, что эффективная поверхность у такой системы будет ровно на порядок больше, чем у неупорядоченного наноматериала. Ну и, как следствие, емкость тоже на порядок больше. Здесь есть одна большая трудность — экспериментальным путем чрезвычайно сложно определить подвижность ионов внутри нанотрубок или, выражаясь научным языком — их коэффициенты диффузии в жидкой фазе. Это тормозит и подбор материалов, и разработку соответствующего электролита. По сути дела — это задача определения оптимального диаметра нанотрубок. Над ее решением методами компьютерного моделирования и работает харьковская группа. И то, чем она занята сейчас, — это моделирование растворов электролитов внутри нанотрубок, в частности определение коэффициентов диффузии в них для различных конкретных ситуаций. Экспериментальных данных здесь нет, и данных, альтернативных харьковским, тоже нет.
— Мы здесь пока уникальны и «впереди планеты всей», — поясняет Олег Николаевич. — Под эту программу мы имеем тему, финансируемую Министерством образования и науки, мы получили грант от украинско-американской лаборатории компьютерных ресурсов, часть которой сосредоточена в НТК «Институт монокристаллов» в группе доктора химических наук О.В. Шишкина; там мы сейчас и проводим моделирование. Мы также активно сотрудничаем с коллегами из Великобритании. Особая наша благодарность харьковскому городскому благотворительному фонду Юрия Сапронова и его руководителю, нашему выпускнику Юрию Анатольевичу Сапронову. В этом году на средства фонда была отремонтирована и оснащена современным оборудованием одна из научных лабораторий кафедры. Кроме того, некий талантливый студент, занимающийся моделированием электролитов в нанотрубках, получает стипендию фонда Сапронова. Вот, собственно говоря, и все. Я только хотел бы добавить… У меня болит душа за то, что наша абсолютно талантливая молодежь — есть у нас такая, — к сожалению, мало у нас востребована. Мои коллеги за рубежом часто мне говорят: «Олег, шли своих студентов к нам в аспирантуру». Я мог бы привести вам целый список своих бывших дипломников и аспирантов, уехавших за рубеж, защитивших диссертации и вполне успешно там работающих. Мы умеем хорошо учить. Мы знаем, как учить и чему учить. Но мы не обеспечиваем молодежи должного уровня самореализации. Молодой человек достигает какого-то уровня и хочет перейти на следующий. А его-то и нет. И здесь становится «за державу обидно».