6037
24 февраля 2021
Аяулым Белгибаева, химик, иллюстрация Айдара Ергали

Гульнур Калимулдина, химик-инженер: «Мы хотим разработать самозаряжающиеся батарейки»

Как небольшую пробежку превратить в энергию для смартфона

Гульнур Калимулдина, химик-инженер: «Мы хотим разработать самозаряжающиеся батарейки»

Батарейка смартфона разрядилась в самый неподходящий момент. Где на улице найти розетку? Можно брать с собой дополнительные аккумуляторы, но ведь и они могут разрядиться. А что, если бы можно было сделать небольшую пробежку и собрать расходуемую энергию в батарею? В ближайшие 10-20 лет это может стать возможным. Героиня проекта Gylym Faces, постдокторант Назарбаев Университета и химик-инженер Гульнур Калимулдина разрабатывает самозаряжающиеся батарейки и блок питания, который можно зарядить своим движением.

Как превратить механическую энергию в электричество? Зачем Казахстану инновации? Какие исследовательские проекты актуальны только для нашей страны? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете в нашем новом материале.

Движение человека в качестве альтернативного источника энергии

Быстрое развитие новых технологий привело к увеличению потребления энергии. Использование горючих источников энергии, таких как уголь и нефтепродукты, приводит к выбросу в воздух большого количества углекислого газа и других вредных соединений. Это причина экологических катастроф, таких как глобальное потепление. Кроме того, запасы горючих источников энергии ограничены и не возобновляются. Для решения этих проблем важно развивать экологически чистые возобновляемые источники энергии, такие как энергия солнца и ветра.

А как насчет движения человека, то есть, механической энергии, можно ли его использовать в качестве альтернативного источника энергии? Что, если мы соберем всю энергию, потраченную на утреннюю пробежку, и используем её для зарядки наших смартфонов? Развивая эту идею, мы начали изучать возможность сбора энергии движения человека и преобразования её в электричество. Мы хотим разработать самозаряжающиеся батарейки, питаемые движением человека без какого-либо дополнительного внешнего источника энергии. Это — технология будущего.

Зарядка батареек нажатием

Существует ряд материалов, которые при нажатии под давлением сами по себе производят небольшое количество электричества. Такие материалы называются пьезоэлектрическими, они используются в небольших тактильных сенсорах. В ваших смартфонах тоже есть пьезоэлектрики. Когда вы нажимаете на экран смартфона, появляется сигнал в виде небольшого потока электронов, достаточного для работы сенсора, и вы даёте устройству задачи на выполнение каких-то действий. Мы же изучаем возможность использования этих пьезоэлектриков в самозаряжающихся батарейках: чтобы нажатие можно было преобразовать в энергию и собрать в батарею. Преимущество нашей команды в том, что мы сами можем собрать батарейки любого типа — от микро до больших призматических.

Существует ряд полимеров с пьезоэлектрическими свойствами. Мы хотим сделать из таких полимеров сепаратор, разделяющий катод и анод в батарейке, и посмотреть, будет ли батарейка заряжаться при нажатии, без подключения каких-либо дополнительных зарядных устройств. Для этого мы выбрали полимер поливинилиденфторид ПВДФ. Он обычно служит клеем, с помощью которого мы наносим катод и анод на алюминиевую и медную фольгу. Однако ПВДФ производит энергию при нажатии не всегда, а только в определённой фазе. Метод электроспиннинга этого полимера в волокнистые прослойки позволяет получить как раз такую фазу. Пока мы получили из этих прослоек напряжение в 0,5-1 В и сделали сенсор. Такие сенсоры имеют широкий спектр применения: их можно использовать в медицинском микрооборудовании для измерения частоты сердцебиения и артериального давления. Но мы проводим дополнительные эксперименты: пробуем менять структуру или добавлять что-то ещё, чтобы увеличить напряжение и использовать такие прослойки в батарейках.

Зарядка батареек пробежкой

Возможно, вы помните эбонитовые палочки на уроках физики в школе. При трении эбонитовой палочки о шерсть её поверхность электризуется и начинает притягивать к себе мелкие предметы — например, обрывки бумаги. Точно так же, когда мы снимаем одежду из синтетических тканей, наше тело «бьёт током», а волосы поднимаются и торчат в разные стороны. Материалы, которые генерируют электростатический ток в результате такого контакта или трения, называются трибоэлектрическими. У них очень высокое напряжение, вплоть до киловольт, но из-за того, что сила тока слишком мала, они не представляют опасности для человека. В 2012 году команда профессора Ванга из Технологического института Джорджии впервые продемонстрировала, что трибоэлектрическая энергия может быть собрана и использована для зарядки различных устройств. Они разработали трибоэлектрические наногенераторы электричества. С тех пор с каждым годом интерес к этой сфере растет. Наша команда разрабатывает трибоэлектрические наногенераторы для самозаряжающихся гибких батарей. Такие устройства можно испытать в медицине, носимой электронике и смарт-униформе. Если сработает, в будущем мы сможем носить одежду из трибоэлектрической ткани и заряжать батарейки во время пробежки.

Какой будет одежда-зарядка?

Трибоэлектрические материалы могут быть положительными или отрицательными. Синтетические полимеры отрицательны, в то время как естественные, более дешевые материалы — шерсть, шелк, дерево и бумага — положительны. В результате контакта положительных и отрицательных материалов наблюдается трибоэлектрический эффект. То есть за счет трения или касания между двумя материалами создается электрическое поле. Это электричество можно собрать в медные провода. Далее нужно передать собранное электричество по электрической цепи и доставить до батарейки. Для интеграции с батарейками нам нужно сравнить разные трибоэлектрические материалы и определить пару с наибольшей разностью потенциалов. Для этого мы сейчас делаем текстиль из различных трибоэлектрических наногенераторов: используем обычную шерсть и покрываем её разными полимерами. Мы наблюдаем эффект контакта-разделения шерстяной ткани с полимерной обивкой и измеряем силу образовавшегося тока. Основная задача здесь — создать электрическую схему. Трибоэлектрические материалы образуют переменный ток, который необходимо пропустить через электрическую цепь с выпрямительными диодами и подвести к батарее в виде постоянного тока. На данном этапе мы хотим проверить возможность интеграции трибоэлектрических материалов с батареями. Это междисциплинарный проект, над которым вместе работают специалисты различных областей: исследователи в области механики, электротехники и химии.

Есть инновационная идея. Что мешает внедрить это в производство?

Как только идея возникла, в первую очередь, необходимо проверить, работает ли она и может ли она быть реализована в целом. Это называется этапом проверки или доказательством концепции. Наша текущая работа состоит в том, чтобы проверить, можно ли использовать пьезоэлектрические и трибоэлектрические материалы для самозаряжающихся батарей. Если мы подключим наши новые материалы к микроаккумуляторам и они заработают, пусть и на непродолжительное время, то это уже будет хороший результат. Если батарейка работает, значит, интеграция возможна — идея реализуема. Следующий этап — использовать наши материалы для разработки обычных батарей, а не микро. Например, сейчас сила тока очень низкая, поэтому вам придется бегать целый день, чтобы зарядить обычную батарейку. Это очень неудобно и даже невозможно. Необходимо улучшить материалы, и для этого потребуются дополнительные исследования. Например, такие как химическая обработка, чтобы увеличить шероховатость поверхности материала. Потому что чем шершавее поверхность материала, тем лучше будет контакт. А по мере улучшения контакта, увеличивается и сила тока. Затем нужно обеспечить безопасность системы, избежать влияние изменения погоды. Допустим, влажность высокая — тогда контакт будет плохим, и сила тока уменьшится. Это долгая работа: на реализацию может уйти 10-20 лет, нужно провести ещё много исследований и разработок.

Инновации требуют большого финансирования и времени, но если они успешны, то способствуют развитию экономики страны

Для появления в стране инноваций нужно развивать новые идеи, которые только набирают обороты. На данном этапе это некоммерческие проекты. Для коммерциализации таких идей может потребоваться немало времени и ресурсов. Но это — нормальная мировая практика. В странах с хорошим финансированием науки много инноваций, и благодаря этому экономика развивается эффективнее. За границей коммерциализационные гранты выделяются на десятки лет. Если через десять лет не будут достигнуты хорошие результаты, то грант может быть продлен. В нашей же стране гранты выделяются всего на два-три года, а объем финансирования при этом в разы меньше. При таких условиях невозможно сделать готовый продукт. Для этого нужно огромное финансирование, которое позволит нанять десятки постдоков с гениальными идеями. Но даже в этом случае нет гарантий, что проект будет успешным. К примеру, Tesla очень много инвестирует в батареи, но за короткий срок ей не удалось разработать мощные батареи.

Дорога в науку: из Зайсана в Токио

Я из города Зайсана Восточно-Казахстанской области, но на пути к науке мне довелось пожить в разных городах страны и за рубежом. Когда мне было пять лет, мы переехали в Усть-Каменогорск, и я училась в школе №44, одной из лучших школ города. Но прежде, чем я окончила школу, нам пришлось снова переехать. Так что 11 класс я окончила в школе №38 города Астаны. В бакалавриате училась в КБТУ в Алматы на гранте по специальности «Химическая технология органических веществ», окончила с красным дипломом. Но моей мечтой было учиться за границей. Так я получила степень магистра управления инженерными проектами в Университете Манчестера по программе «Болашак».

После учебы я вернулась в столицу и устроилась ассистентом преподавателя в Инженерную школу Назарбаев Университета. Чтобы стать в будущем профессором, помимо своей основной работы, я начала интересоваться научными исследованиями. Я попросила совета у профессора Жумабая Бекболатовича Бакенова, он только открывал свои лаборатории по разработке литий-ионных батарей в Назарбаев Университете. Тогда это была одна из новых и самых интересных тем в нашей стране, поэтому я тоже выбрала это направление. Мы начали исследования, используя имеющееся оборудование. Я в основном делала математические модели систем хранения энергии. Мы смоделировали и рассчитали на компьютере, как литий-ионные аккумуляторы работают при разных температурах воздуха. Были получены хорошие результаты, и я многому научилась. Однако я поняла, что нужно расти дальше, и чтобы и стать хорошим специалистом и ученым, мне нужно продолжить образование.

Япония — страна передовых технологий, именно там был представлен первый прототип литий-ионных батарей на рынок. Поэтому Япония оказалась незаменимой для продолжения исследований в области систем хранения энергии. Итак, через год я поступила в Токийский технологический институт (ТокиоТех) на интегрированную программу магистратура + PhD под руководством профессора Изуми Танигучи. В Японии я по-настоящему заинтересовалась наукой. Там больше возможностей и очень хорошо развита область исследования батарей. Можно самой сравнить разные материалы и выбрать лучший для достижения наибольшей эффективности. Мне очень понравилось, что можно изменять свойства веществ по своему усмотрению и получать разные результаты.

Важность систем хранения энергии

Солнечная, ветряная и механическая энергии являются альтернативными источниками энергии. Но эту энергию нужно где-то собрать и хранить до её непосредственного использования. К примеру, солнечные батареи обычно состоят из солнечных панелей со специальными покрытиями, которые преобразуют солнечную энергию в электричество, и систем, которые хранят эту энергию. В результате мы можем использовать энергию, накопленную за день, даже после захода солнца. Самыми эффективными и легкими из таких систем хранения энергии являются литий-ионные батареи. Однако емкости литий-ионных батарей, доступных на рынке сегодня, недостаточно для хранения такого большого объема энергии. Кроме того, соединения на основе кобальта, используемые там в качестве катодов, довольно дорогие. Сегодняшние характеристики батарей препятствуют развитию многих новых технологий. Профессор Танигучи предложил рассмотреть возможное решение этой проблемы, и в 2013 году в рамках своей докторской диссертации я начала исследования по использованию сульфидов меди (Cu2S, CuxS, CuS, CuS1+x) в качестве катодов для литий-ионных батарей. Сульфиды меди интересны тем, что медь и сера дешевые и широко распространены в природе. Более того, хотя эти соединения основаны на сере, электронная проводимость намного выше, чем у чистой серы, а энергоемкость — в четыре-пять раз выше, чем у оксидов на основе кобальта. И ещё их очень легко синтезировать. Но это направление было ещё мало изучено, так что моей целью было изучить эти соединения. Кроме того, в предыдущих работах использовался готовый сульфид меди, доступный на рынке. Но он не чистый, в нем много разных примесей. Мы хотели получить чистый сульфид меди. Моя научная работа была успешной: мы написали серию хороших статей, сделали ряд открытий. Например, впервые детально изучили механизм реакции CuS с литием. Это важно, поскольку энергоемкость и мощность аккумуляторов напрямую связаны с полнотой реакции электродных веществ с ионами лития, а возможность многочисленной перезарядки зависит как раз от обратимости этих реакций. Только понимая, как протекают электрохимические реакции, мы сможем улучшить характеристики этих материалов в будущем.

Досрочное завершение PhD

По интегрированной программе магистратура + PhD, финансируемой грантом от правительства Японии MEXT, обучение длится пять лет. Но у меня уже была степень магистра Манчестерского университета, и казалось, что пять лет — это слишком много. Я с самого начала решила, что хочу сократить учебу. Такое в ТокиоТехе бывает очень редко. Я сказала профессору, что при возможности хочу закончить PhD досрочно, но он рассмеялся и сказал, что это невозможно. Но когда мы отправили четвертую статью в международный журнал, ему ничего не оставалось, кроме как согласиться. В результате я окончила вторую магистратуру за полтора года, PhD — за два с половиной, и получила докторскую степень за четыре года. Каждые три месяца на кафедре у меня брали короткие экзамены, чтобы оценить ход моих исследований, и я должна была показывать хорошие результаты. Думаю, мне повезло получить хорошие результаты, потому что это бывает очень сложно. С одной стороны, мне помогло нестандартное мышление. Я не ограничивалась одной задачей, а выполняла несколько работ одновременно. Например, за один синтез я могла приготовить сразу три или четыре разных вещества. Думаю, что самое главное в этой ситуации — посвятить всё свое время и силы на научную работу. И никогда не сдаваться.

Перерыв по уходу за ребенком

После получения докторской степени я взяла годовой перерыв по уходу за ребенком. В тот год, конечно, у меня уменьшился объем научной работы. За год можно было бы много чего сделать, но я думаю, что перерыв пошел мне на пользу. Потому что после PhD у меня уже не было интереса к научной работе, я устала. На самом деле все советуют взять отпуск на два-три месяца после PhD, ведь во время докторантуры все ваши увлечения и идеи сфокусированы только на одном, и вы не видите ничего, кроме своей темы исследования. А после перерыва и отдыха, приходит осознание того, что делать дальше, появляются новые идеи, открывается новое дыхание. Но в следующий раз я, наверное, не буду брать целый год. Сидеть дома с ребёнком целый год, — кажется, даже сложнее, чем PhD.

Что нужно ученым, чтобы работать в нашей стране с удовольствием?

Когда я вернулась из Японии, то была приятно удивлена условиями, созданными для науки в Назарбаев Университете. Здесь есть всё необходимое для научной работы. Поначалу не было химических реактивов, но сейчас и эта проблема решается. Финансирование в университете тоже хорошее. Сейчас у меня есть четыре проекта, есть люди, которые над ними работают. Но, к сожалению, в других университетах этого нет, и даже PhD студентам бывает очень сложно реализовывать свои научные проекты. Все сводится к финансированию. Нужны деньги, чтобы покупать материалы, оборудование, нанимать исследователей и хороших ученых, чтобы они остались в стране. Грантов нужно выделять больше, а запрашиваемые суммы не срезать. Например, я выиграла грант для молодых ученых и имею возможность приобрести высокочувствительное оборудование для своих проектов. Было бы хорошо, если бы таких грантов было больше.

Казахстанские студенты становятся хорошими учеными

Ученый — человек, стремящийся узнать что-то новое, делать открытия. Ученым может стать кто угодно, если он достаточно любознателен. Это могут быть даже школьники и студенты. Например, сейчас я преподаю предмет под названием «Структурная механика», который похож на науку о сопротивлении материалов, и у меня 160 студентов. Мне нравится преподавать и работать со студентами. Мои студенты работают над исследовательскими проектами, они очень умные и всё быстро схватывают. Даже если тема для них новая, они сделают всё, чтобы самим понять и освоить её как можно быстрее. Они не ограничиваются поставленной им задачей, но копают глубже и предоставляют неожиданные результаты. Из таких людей получаются хорошие ученые. Сегодняшняя молодежь очень креативна, у нее много новых идей. Неслучайно профессор Танигучи говорит, что казахстанские студенты — лучшие.

О научных работах с географическими границами

В Казахстане нужно ещё много чего развивать. Взять хотя бы сельское хозяйство и животноводство. Здесь тоже можно внести много нового. Можно пасти скот с помощью дронов или можно установить GPS на лошадей и легко найти их, если они потеряются. Такие технологии уже внедряются в нашей стране. Но дроны зимой у нас не работают, это связано с тем, что зимой трудно перезарядить батарейки.

Но никто не будет разрабатывать батарейки, работающие при -40°C, только потому, что они нужны Казахстану. Мы должны сделать это сами.

Планируем запустить такой проект в следующем году.

Еще можно поработать над утилизацией мусора. Если изучать её с научной точки зрения, то это будет актуально только для Казахстана — в мире она существует давно, им наши исследования не нужны. То есть это научные проекты с географическими границами. Они важны для нас, но также важно, чтобы ученый получил признание на мировом уровне. Например, чтобы поступить на постдокторантуру Назарбаев Университета и затем стать профессором, вам нужны исключительные, выдающиеся результаты, статьи в журналах с высоким импакт-фактором, высокий индекс Хирша (частота цитирования научных работ другими учеными), гранты. Из-за множества заявок конкуренция очень высокая. Поэтому необходимо развивать полезные проекты как для Казахстана, так и для своей карьеры на мировом уровне.

Казахстанская наука: пациент скорее жив или мертв?

Думаю, что оживает. Отношение к науке постепенно меняется, и мы приближаемся к мировым стандартам науки. Сейчас много заявок на гранты и много хороших проектов. Молодежь больше интересуется наукой, и престиж ученых тоже растет. Увеличение количества докторантов и различных грантов — тому подтверждение.