Дәл керек кезінде телефоныңыздың қуаты таусылып, далада ток көзін таба алмай, «әттеген-ай» деген кездеріңіз болған шығар. Мұндайдың алдын алу үшін қалта аккумуляторын тасудан шаршаған да шығарсыз. Алдағы 10-20 жылда бұл мәселелердің шешімі табылуы мүмкін. Себебі Ғылым Faces жобасының бүгінгі кейіпкері, Назарбаев университетінің постдокторанты, химик-инженер Гүлнұр Калимулдина жүгіріп жүріп қуаттауға болатын батареялар мен қуат блогын дамытып жатыр.
Батареялар өздігінен зарядталу үшін не істеу керек? Елімізде инновацияларды қалай жасауға болады? Қазақстан үшін ғана өзекті қандай ғылыми жобалар бар? Осы және басқа да сұрақтардың жауабын біздің жаңа материалдан оқи аласыздар.
Адам қозғалысы – баламалы энергия көзі
Жаңа технологиялардың қарқынды дамуы тұтынылатын энергия мөлшерінің еселеп артуына алып келді. Ал көмір, мұнай өнімдері сияқты жанатын энергия көздерін қолдану салдарынан ауаға көптеп көмірқышқыл газы мен басқа да зиянды қосылыстар бөлінеді. Бұл бүгінде жаһандық жылыну сынды экологиялық апаттарға себепші болып отыр. Оның үстіне, жанатын энергия көздерінің қоры шектеулі, қалпына келмейді. Осы мәселелерді шешу үшін күн мен жел сияқты экологиялық таза, қалпына келетін энергия көздерін дамыту өте өзекті. Ал осындай балама энергия көзі ретінде адам қозғалысын, яғни механикалық энергияны алсақ ше? Таңертең жүгіріп жүріп шығындаған энергияны бір жерге жинап қойсақ немесе смартфонымызды зарядтауға жұмсасақ, қалай болар екен? Осы идеяны әрі қарай дамытып, адам қозғалысының энергиясын жинап, оны электр энергиясына айналдыру мүмкіндігін зерттей бастадық. Адам қозғалысымен, сыртқы ток көзінсіз, өздігінен зарядталатын батареялар жасап шығарғымыз келеді. Бұл — болашақтың технологиясы. Өзімен-өзі зарядталатын батареялар тақырыбы кімді болса да қызықтырары сөзсіз.
Батареяны қолмен басып қуаттандыру
Қысым жасап басқанда, өздігінен өте аз мөлшерде электр энергиясын өндіретін бірқатар материал тобы бар, олар пьезоэлектрлік материалдар деп аталады. Ондай материалдар шағын тактиль сенсорларда кездеседі. Біздің смартфондарда да пьезоэлектриктер қолданылады. Смартфондарымыздың экранын қолмен басқанда, сенсордың жұмысына жеткілікті электрондардың шағын ағымы түріндегі сигнал пайда болады да, қажетті әрекет жүзеге асады. Ал біз бұл пьезоэлектрлікті жаңағы өздігінен зарядталатын батареяларда қолдану мүмкіндігін зерттеп жатырмыз. Біздің топтың артықшылығы – батареялардың кез келген түрін өзіміз жасай аламыз. Пьезоэлектрлік қасиетке ие бірқатар полимер бар. Сондай полимерлерден батареяның сепараторын жасап шығарса, оны басқанда, қосымша зарядтау құралдарынсыз, ток көзіне қоспай-ақ жұмыс істей ме, жоқ па, соны тексеріп көрмекшіміз. Ол үшін поливинилиденфторид ПВДФ полимерін таңдап алдық. Бұл – аккумулятор ішіндегі электродтарды ток қабылдағыш мыс және алюминий фольгаларға жағу үшін қолданылатын желім. Бірақ ПВДФ полимерінің тек бэта деп аталатын фазасы ғана пьезоэлектрлік қасиет көрсетеді. Сол үшін біз электроспиннинг әдісімен бэта ПВДФ төсеніштерін жасап жатырмыз. Қазір әзірше одан 0,5-1 В кернеу алып, сенсор жасап шығардық. Мұндай сенсордың қолданылу аясы өте кең: микроқондырғыларда, жүрек соғысының жиілігі мен қан қысымын өлшейтін медицина құрылғыларында қолдануға болады. Бірақ біз түрлі құрылымдық манипуляция жасап, қоспалар қосып, кернеуді одан сайын арттырып, төсеніштерімізді батареяға салып, оны зарядтау мүмкіндігін тексеріп көреміз.
Батареяны жүгіріп жүріп қуаттандыру
Мектепте физика сабағында эбонит таяқшалары туралы естіген боларсыздар. Эбонит таяқшаларын жүнге үйкесе, беті электрленіп, өзіне қағаз қиындылары сияқты ұсақ заттарды тарта бастайды. Сол сияқты синтетикалық матадан тігілген киімді киіп-шешкенде денемізді «ток соғып», шашымыз жан-жаққа жалбырай бастайды. Осындай жанасу не үйкелу нәтижесінде электростатикалық ток бөлетін материалдар трибоэлектрлік деп аталады. Олардың кернеуі өте жоғары, киловольтқа дейін барады, бірақ ток күші тым төмен болғандықтан, адамға еш зияны жоқ. Трибоэлектрлік энергияны жинап, түрлі қондырғыны зарядтауға қолдануға болатынын алғаш рет 2012 жылы Джорджиа Технологиялық институтында профессор Вангтың тобы көрсетті. Олар электр тогының трибоэлектрлік наногенераторларын жасап шығарды. Содан бері бұл салаға деген қызығушылық жылдан-жылға артып келеді. Біздің топ трибоэлектриктер көмегімен өздігінен зарядталатын иілгіш батареялар дамытып жатыр. Ондай құрылғыларды келешекте медицинада, денеге киілетін электроникада, смарт униформаларда қолданып, сынап көруге болады. Егер жұмыс істесе, болашақта трибоэлектрлік матадан жасалған киімді киіп алып, жүгіріп жүріп батареяларымызды зарядтасақ болады.
Қуат өндіретін киім қандай болады?
Трибоэлектрлік материалдар оң және теріс бола алады. Синтетикалық полимерлер теріс болса, жүн, жібек, ағаш, қағаз сияқты табиғи арзан материалдар – оң. Оң және теріс материалдардың жанасуы нәтижесінде трибоэлектрлік эффект байқалады. Яғни екі материалдың үйкелуінен не жанасуынан арасында электр өрісі пайда болады. Сол өрісті жинау үшін мыс сымдарын қолдануға болады. Мыс сымдарына жиналған электр тоғын электр тізбегі арқылы өткізіп, батареяға жеткізуіміз керек. Осы мақсатта түрлі материалды салыстырып, потенциалдар айырымы ең үлкен болатын жұпты анықтауымыз керек. Ол үшін біз қазір түрлі трибоэлектрлік наногенераторлардан тоқыма жасаймыз: кәдімгі жүнді қолданып, оның сыртын түрлі полимермен қаптаймыз. Жүн тоқыма мен қаптаманың арасындағы жанасу-бөліну әсерін бақылап жатырмыз. Мұндағы басты мәселе — электр тізбегін жасау. Трибоэлектрлік материалдардан ауыспалы ток бөлінеді, оны түзеткіш диодтар қосылған электр тізбегі арқылы өткізіп, батареяға тұрақты ток түрінде жеткізуіміз керек. Қазіргі кезең ол трибоэлектрлік материалдарды батареялармен интеграция жасау мүмкіндігін, концепцияны тексеру. Бұл — пәнаралық жоба, сол үшін түрлі саланың мамандары, механика, электр және химия инженериясы саласынан зерттеушілер бірігіп жұмыс істейді. Батаея жинайтын арнайы мамандар да бар.
Инновациялық идеяны өндіріске енгізуге не кедергі?
Идея пайда болған соң, алдымен ол жұмыс істей ме, жалпы оны жүзеге асыру мүмкін бе, соны тексеру керек. Бұл концепцияны дәлелдеу кезеңі деп аталады. Біздің қазіргі жұмысымыз — пьезоэлектр және трибоэлектр материалдарын батареялардың өздігінен қуаттануы үшін пайдалануға болатын-болмайтынын тексеру. Бұл кезеңде жаңағы материалдарымызды микроаккумуляторларға жалғағанда, олар аз уақытқа болса да, жұмыс істеп тұрса да жақсы. Батарея жұмыс істесе, демек жалпы жалғауға болады, идеяны жүзеге асыру мүмкін деген сөз. Келесі кезең — әрі қарай дамыту, микро емес, кәдімгі батареяларды дамыту үшін қолдану. Мысалы, қазіргі жағдайда ток күші өте төмен болғандықтан, кәдімгі аккумуляторды зарядтау үшін бір күн жүгіруге тура келеді. Бұл өте қолайсыз, мүмкін де емес. Материалдарды жақсарту керек, материал бетінің кедір-бұдырлығын арттыру үшін химиялық өңдеу сияқты қосымша зерттеу жұмыстарын жүргізу керек болады. Материал беті кедір-бұдыр болған сайын, контакт жақсы болады. Ал контакт жақсарған сайын, ток күші артады. Содан соң, жүйенің қауіпсіз болуын қамтамасыз ету керек, ауа райы өзгерістерінің әсерін болдырмау керек. Мысалы, ауа ылғалдылығы жоғары болса, жанасу-бөліну нашар жүріп, ток күші де азаяды. Сондықтан бұл идеяны қолданысқа енгізу үшін 10-20 жыл керек болатын шығар, зерттеп, дамытатын тұсы әлі өте көп.
Инновациялар көп қаржы мен уақытты қажет еткенімен, сәтті болса, экономиканың дамуына септігін тигізеді
Мемлекетте инновациялар болу үшін енді дамып жатқан, жаңа, тың идеяларды өрбіткен жөн. Әлемде бірден нарыққа жол тартар өнім жасап шығару деген жоқ. Қаншама қаржы бөліп жатқан Tesla компаниясының өзі әлі нарыққа мықты батареяларды шығара алмай жатыр. Ал біздің қаржыландыру көлемімен ондай өнімді қалай жасап шығаруға болады? Оның үстіне бізде гранттар екі-үш жылға ғана беріледі. Ал шетелде ол ондаған жылдарға жетуі мүмкін. Он жылдан кейін жақсы нәтижелер алынып үлгермесе, грантты әрі қарай создыруы мүмкін. Үш жылда дайын өнім жасап шығару мүмкін емес. Ол үшін тың идеялары көп ондаған постдок жалдауға мүмкіндік беретін өте үлкен қаржыландыру керек. Онда да, жобаның сәтті боларына кепіл жоқ. Сондықтан ғылымды жақсы қаржыландыратын мемлекеттерде инновациялар көп, нәтижесінде олардың экономикасы да дамып жатыр.
Ғылымға апарар жол — Зайсаннан Токиоға
Негізі мен Шығыс Қазақстан облысының Зайсан қаласынанмын, бірақ ғылым жолында еліміздің және шетелдің түрлі қалаларында тұрып көретін мүмкіндік болды. Алғашқы көші-қоным әкемнің жұмыс бабына байланысты болды. Бес жасымда Өскеменге көшіп, уақыты келгенде қаланың ең мықты мектептерінің бірі №44 мектепте білім алдым. Мектепті бітірмей жатып тағы да көшуімізге тура келді. Сөйтіп 11-сыныпты Астанадағы №38 мектептен бітірдім. Бакалаврда Алматыдағы ҚБТУ-да «Органикалық заттардың химиялық технологиясы» мамандығында грантқа оқыдым, қызыл диплом алдым. Бірақ арманым шетелде оқу болатын. Осылайша магистратураны «Болашақ» бағдарламасымен Манчестер университетінде инженерлік жобаларды басқару бойынша оқып келдім.
Магистратурадан кейін астанаға оралып, Назарбаев университетінің инженерия мектебінде оқытушы көмекшісі болып жұмысқа орналастым. Сол жерде келешекте профессор болу үшін, негізгі жұмысымнан бөлек түрлі бағыттарды қарап, ғылыми зерттеу жұмыстарын жасап көргім келді. Өзіме бұрыннан таныс профессор Жұмабай Бекболатұлы Бәкеновтан кеңес сұрадым. Ол кісі Назарбаев университетінде литий-ион батареяларын зерттеуді енді бастап жатқан еді. Бұл еліміз үшін жаңа, ең қызықты тақырыптардың бірі болғандықтан, мен де осы бағытты таңдадым. Бар қондырғыларды қолданып, зерттеу жұмысын бастадық. Мен негізінен энергия сақтау жүйелерінің математикалық моделін жасадым. Литий-ион батареялары әртүрлі ауа температурасында қалай жұмыс істейтінін компьютерде жобалап, есептеп шығардық. Жақсы нәтижелер алып, көп нәрсе үйрендім. Десе де, әрі қарай өсіп, жақсы маман, ғалым болу үшін оқуымды жалғастыруым керектігін түсіндім.
Энергия сақтау жүйелері бағытындағы зерттеулерді жалғастыру үшін литий-ион батареяларының алғашқы прототипін нарыққа шығарған, технологиялары ілгері дамыған Жапония таптырмас жер болды. Сондықтан бір жылдан соң, Токио Технологиялық институтына (ТокиоТех) біріккен магистратура+PhD бағдарламасына профессор Изуми Танигучидің жетекшілігіне оқуға түстім. Ғылымға қызығушылығым Жапонияда жүргенде ашылды. Онда мүмкіндік көбірек, батареяларды зерттеу саласы өте жақсы дамыған. Өнімділігі жоғары батареялар жасап шығару үшін түрлі заттарды салыстырып, ең жақсысын таңдап алуға болады. Заттардың қасиетін тәжірибелер жасап қалауыңша өзгертіп, түрлі нәтижеге қол жеткізуге болатыны қатты қызықтырды.
Энергия сақтау жүйелерінің маңызы
Жоғарыда атап өткен күн мен жел, механикалық энергия баламалы энергия көздері болса, сол энергияны жинап, сақтайтын қосымша жүйелер, яғни энергия сақтау көздері қажет. Күн батареясы әдетте күн энергиясын электр энергиясына түрлендіретін арнайы қаптамалары бар күн панельдері мен сол энергияны жинап қоятын жүйелерден құралады. Нәтижесінде күндіз күннен жинақталған энергияны күн батқан соң да пайдалана аламыз. Осындай энергия сақтау жүйелерінің ішінде ең тиімдісі әрі жеңілі – литий-ион батареялары. Десе де, қазір нарықта бар литий-ион батареяларының қуаты ондай көлемді энергияны сақтауға жеткіліксіз. Оның үстіне, батареяларда катод ретінде қолданылатын кобальт негізіндегі қосылыстар әжептеуір қымбат. Бүгінде портативті электрониканың да қуат көзі болып табылатын бұл батареялардың қазіргі сипаттамалары көптеген жаңа технологияның дамуын тежеп тұр. Осы мәселелердің шешімі бола алады-ау деген оймен, 2013 жылы профессор Танигучидің ұсынысымен, PhD жобамның аясында мыс сульфидтерін (Cu2S, CuxS, CuS, CuS1+x) катод ретінде қолдану бағытындағы зерттеулерді бастадым. Мыс сульфидтері несімен қызықтырады десеңіз, мыс пен күкірт арзан және табиғатта кең таралған. Оның үстіне бұл қосылыстар күкірт негізінде болғанымен, электрон өткізгіштігі таза күкіртпен салыстырғанда әлдеқайда жоғары, энергия сыйымдылығы кобальт негізіндегі оксидтермен салыстырғанда төрт-бес есе жоғары және оларды синтездеу өте оңай. Бірақ бұл бағыт әлі көп зерттелмеген еді, менің мақсатым соны зерттеу болды. Оған қоса, бұған дейінгі жұмыстар нарықта бар дайын мыс сульфидін қолданған. Ал оның құрамында түрлі қоспа көп, яғни таза емес. Біздің мақсатымыз таза мыс сульфидін алу болды. Ғылыми жұмысым сәтті болды деп айта аламын. Себебі жақсы мақалалар жазылды, бірқатар жаңалық ашылды. Мысалы, алғаш рет CuS-тың литиймен әрекеттесу реакциясының механизмі толықтай зерттелді. Бұның маңызы өте зор, себебі батареялардың энергия сыйымдылығы мен қуаты ішіндегі электрод заттарының литий иондарымен реакциясы қаншалықты толық жүретініне, ал көп рет қайта зарядталу мүмкіндігі сол реакциялардың қайтымдылығына тікелей байланысты. Электрохимиялық реакциялардың қалай жүретінін дұрыс түсіну арқылы ғана біз болашақта бұл материалдардың сипаттамаларын әрі қарай жақсарта аламыз.
PhD-ды мерзімінен бұрын бітіру
Жапония мемлекеттік гранты MEXT қаржыландыратын біріккен магистратура+PhD бағдарламасы бойынша, оқу бес жылға созылады. Бірақ менің Манчестер университетінен алып қойған магистрлік дәрежем болған соң, әрі бес жыл тым ұзақ боп көрінген соң, әу бастан оқу мерзімін қысқартамын деп шештім. ТокиоТехте бұл өте сирек жағдай. Профессорға «мүмкіндік болса, қысқартқым келеді» деп айтып едім, ол «бұл мүмкін емес» деп күлді. Бірақ халықаралық журналға төртінші мақаламды жіберген соң, келіспеске амалы қалмады. Нәтижесінде екінші магистратурамды бір жарым, PhD-ды екі жарым жылда бітіріп, төрт жылда доктор дәрежесін алып шықтым.Оқу мерзімін қысқарту оңайға соққан жоқ, өте көп жұмыс істеп, жақсы нәтижелер алып, жетекшім мен сарапшыларды көндіру керек болды. Менен үш ай сайын кафедрада ғылыми жұмысымның прогресін көру үшін қысқа бақылау жұмыстарын алатын, жақсы прогресс көрсетуге тиіс едім. Менің жақсы нәтиже алуда жолым болды деп ойлаймын, нәтиже алу негізі өте қиын ғой. Бір жағынан маған «қораптан тыс» ойлау да көмектесті. Бір ғана тапсырмамен шектелмей, бірнеше жұмысты қатар істейтінмін. Мысалы, бір синтезде бірден әртүрлі үш-төрт зат жасайтынмын. Бар көңілің мен уақытыңды ғылыми жұмысыңа арнап, ең бастысы берілмеу керек.
Бала күтіміне байланысты үзіліс
PhD-дан кейін бала күтіміне байланысты бір жыл үзіліс алдым. Сол бір жылда басқалармен салыстырғанда, менің жұмыстарым, әрине, азайды, бір жылда өте көп жұмыс істеуге болар еді. Бірақ, менің ойымша, үзіліс алғаным жақсы болды. Себебі PhD-дан кейін ғылыми жұмыс жасауға ынтам мен құштарлығым болмай, ештеңе қызықтырмай, шаршаңқырап қалған едім. Негізі бәрі екі-үш ай демалыс алу керек деп кеңес береді ғой. Себебі PhD кезінде бүкіл құштарлығың мен идеяларың бір арнаға бағытталады да, зерттеу тақырыбыңнан басқа ештеңе көрмейсің. Ал үзіліс алып, демлғанда, көп затты түсіне бастайсың. Жұмысқа қайта кіріскен соң, PhD-дағыдай, одан да көп күшпен жұмыс істей бастайды екенсің. Жаңа идеялар пайда болады, жұмыс алдында жаңа дем ашылады. Бірақ енді бір жыл алмайтын шығармын, себебі бір жыл үйде баламен отырған қиындау. PhD-дан да қиын сияқты.
Елімізде рахаттанып жұмыс істеу үшін не керек?
Жапониядан кейін елге оралған соң, Назарбаев университетінде ғылымға жасалып жатқан жағдайды көріп қатты қуандым. Бұнда ғылыми жұмыспен айналысуға қажеттінің барлығы бар. Басында химиялық реактивтер жоқ боп, қиындау болғанымен, қазір бұл мәселе де шешімін тауып жатыр. Универитеттегі қаржыландыру да жақсы. Менде қазір төрт жоба бар, ол жобаларда жұмыс істейтін адамдар да бар. Бірақ, өкінішке қарай, басқа университеттерде ондай жағдай жоқ, PhD студенттерге жоба жасаудың өзі өте қиын болып жатады. Бәрі қаржыландыруға келіп тіреледі. Материалдар, қондырғылар сатып алып, зерттеушілерді жалдау үшін, жақсы ғалымдар елімізде қалу үшін қаржы керек. Гранттар көбірек бөлініп, сомасы қысқартылмауы керек. Мысалы мен жас ғалымдарға арналған грантты ұтып, өзімнің жобаларыма қажетті сезімталдығы жоғары құрал-жабдықтарды сатып алуға мүмкіндік алдым. Сондай гранттар көп болса игі еді.
Қазақстандық студенттерден жақсы ғалымдар шығады
Ғалым деген — жаңа затқа, оны зерттеуге құштар адам. Ізденгісі келетін, қандай да бір жұмысты тиянақты, толығымен меңгергісі келетін кез келген адам ғалым бола алады. Тіпті мектептегі оқушылар да, студенттер де ғалым бола алады. Мысалы, мен қазір материалдардың беріктігі туралы ғылымға ұқсайтын «Құрылымдық механика» деген пәннен сабақ беремін, 160 студентім бар. Сабақ берген, студенттермен жұмыс істеген өте ұнайды. Студенттерім ғылыми жобаларымда жұмыс істейді, өте жақсы, ақылды, бір айтқаннан түсініп алады. Тақырып олар үшін жаңа болса да, көпшілігі ізденіп, тез түсініп алуға тырысады. Олар берілген тапсырманы тиянақты орындап қана қоймай, тереңірек қазып, күтпеген нәтижелер көрсетіп жатады. Ондай адамдардан жақсы ғалымдар шығады. Қазіргі жастар өте креативті, жаңа идеялары көп. Профессор Танигучидің де қазақ студенттері ең жақсы дейтіні бекер емес шығар.
Географиялық шекарасы бар ғылыми жұмыстар туралы
Шындығында Қазақстанда әлі көп нәрсені дамыту керек. Мысалы, ауыл шаруашылығын, мал бағуды алайық. Онда да көп инновация жасауға болады. Малды дронмен бағуға болады. Немесе жылқыға GPS орнатып, жоғалып кетсе, оңай тауып алуға болады. Елімізде қазір сондай технологияларды енгізіп жатыр екен. Бірақ дрондар қыста жұмыс істемейді. Себебі қыста батареяларды қайта зарядтау қиын. Қатты аязда жұмыс істейтін батареяларды жасау үшін біз алдымен оларды лабораторияда зерттеуіміз керек. Мысалы, Қазақстанға керек екен деп ешкім -40ºС-та жұмыс істейтін батареялар жасамайды. Оны өзіміз жасауымыз керек. Келесі жылы сондай жоба бастайық деп отырмыз.
Одан бөлек, қоқысты қайта өңдеуді алайық. Оны ғылыми жолмен зерттесең, ол тек Қазақстан үшін өзекті болады, ал әлемде бұл баяғыдан бар, сенің зерттеулеріңнің оларға еш керегі болмайды. Яғни бұл — шекарасы бар ғылыми жобалар. Бірақ ғалым үшін әлемдік деңгейде мойындалуы да маңызды. Мысалы, Назарбаев университетіне постдокторантураға түсіп, кейін профессор қызметіне өсу үшін ерекше, тамаша нәтижелер, импакт факторы жоғары журналдарда мақалалар, жоғары Хирш индексі (басқа ғалымдардың сол мақалаларды дәйексөз ету жиілігі), гранттар болу керек. Себебі дүние жүзінен түрлі өтініштер келіп түседі, бәсекелестік өте жоғары. Сондықтан Қазақстан үшін де, өзіңнің әлемдік деңгейдегі мансабың үшін де пайдалы жұмыстарды қатар алып жүру керек шығар.
Қазақстандық ғылым: науқас тірі ме әлде өлі ме?
Енді тіріліп келе жатыр деп ойлаймын. Бұрын болған заттар өзектілігін жоғалтып үлгерді. Адамдар соны түсініп келе жатыр. Қазір гранттарға өтініш көп беріліп, жақсы жобалар да көбейіп жатыр. Ғылымға деген көзқарас ақырын-ақырын өзгеріп, ғылымның әлемдік стандарттарына жақындап келе жатырмыз. Бұл өте жақсы. Қазір жастар арасында ғылымға қызығушылық, ғалымдардың беделі артып жатыр. PhD студенттердің саны мен бөлінетін гранттардың артуы соған дәлел.
Поддержите журналистику, которой доверяют.
