Pagaidām neko labāku neesam izdomājuši: vai nākotnē dzīvosim bateriju ielenkumā? 0
Juris Lorencs, “Mājas Viesis”, AS “Latvijas Mediji”
Lai iegūtu un uzglabātu dabisko avotu – saules, vēja un ūdens – enerģiju, pagaidām cilvēks nav izgudrojis neko labāku par baterijām un akumulatoriem. Tie kļūst aizvien jaudīgāki, efektīvāki, vienlaikus arī kompaktāki un lētāki. Pētījumi šajā jomā notiek arī Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtā, kur pastāv īpaša Enerģijas iegūšanas un uzkrāšanas materiālu laboratorija. To vada fizikas doktors Gints Kučinskis.
Jau labu laiku zinātnieki, vides aizsardzības organizācijas, politiķi un mediji ceļ trauksmi par klimata pārmaiņām un to postošo ietekmi uz cilvēces nākotni. Pierādīts, ka šo pārmaiņu cēlonis ir cilvēka iejaukšanās dabā un planētas klimatā. Pie vainas galvenokārt ir siltumnīcas efektu izraisošo gāzu – oglekļa dioksīda, metāna, fluoru saturošo gāzu, dažādu slāpekļa oksīdu, kā arī ūdens tvaiku – emisijas. Lielāko daļu izmešu rada fosilo kurināmo izmantošana enerģētikā un transportā, kā arī lauksaimniecība.
Klimata pārmaiņas netieši veicina arī cilvēku skaita palielināšanās un ar to saistītais preču un pakalpojumu patēriņa pieaugums, mežu izciršana, neskartas dabas teritoriju pārvēršana par lauksaimniecības zemēm, purvu nosusināšana, nekontrolēta saldūdens resursu izmantošana. Ko darīt, kā apturēt iespējamo katastrofu? Viens no ceļiem – atteikšanās no fosilā kurināmā, no oglēm, naftas un gāzes. Vēl jo vairāk tāpēc, ka modernajā pasaulē nafta un gāze kļuvusi par politisku ieroci, par šantāžas instrumentu gan pārnestā, gan tiešā nozīmē. Bet ko likt vietā? Viena no iespējām ir plašāka atjaunojamās enerģijas izmantošana. Pateicoties Daugavas spēkstaciju kaskādei, Latvijā ir viens no augstākajiem saražotās atjaunojamās enerģijas īpatsvariem Eiropā – 42%. Savukārt saule un vējš ir teju vai neizsmeļami enerģijas avoti. Jautājums ir, lūk, par ko – kā šo bagātību iegūt un uzglabāt? Par to šī saruna.
Cilvēks mērķtiecīgi izmanto enerģiju kopš brīža, kad iepazina uguni un iekurināja pirmo ugunskuru. Pagājuši gadu tūkstoši, bet malku joprojām daudzi izmanto ikdienā. Šodien esam iemācījušies iegūt enerģiju no citiem avotiem, parādījušās īpašas iekārtas enerģijas konservēšanai – baterijas un akumulatori. Cik veca ir baterija?
Pati pirmā elektriskā baterija tika izgatavota 1800. gadā, kad Itālijā Pavijas universitātes fizikas profesors Alesandro Volta izveidoja konstrukciju no vara un cinka gabaliem. Pēc tās ievietošanas traukā ar skābi sākās ķīmiska reakcija, kas ierosināja ķēdē strāvas plūsmu. Būtība baterija ir ierīce, kurā ķīmiskas reakcijas rezultātā rodas elektroenerģija. Šodien mēs ikdienā vairāk izmantojam tā saucamās akumulatoru baterijas, kuras iespējams uzlādēt atkārtoti.
Viens no to veidiem ir litija jonu baterijas, kas darbina mobilos telefonus, datorus, fotoaparātus, cilvēka ķermenī iebūvētos kardiostimulatorus un elektriskos auto. Pirmo litija jonu bateriju 1991. gadā laida pārdošanā korporācija SONY. Par nopelniem šo bateriju attīstībā trim zinātniekiem – amerikānim Džonam Gudinafam, britam Stenlijam Vaitingemam un japānim Akira Josino – tika piešķirta 2019. gada Nobela prēmija ķīmijā. Litija jonu baterijas nemitīgi uzlabo, un šajā darbā ieguldījumu sniedz arī mūsu laboratorija.
Kāpēc tieši litija jonu baterijas ir tik svarīgas?
Tāpēc ka patlaban tās spēj piedāvāt pašu augstāko enerģijas blīvumu, rēķinot uz masas vienību. Tas dod iespēju izgatavot aizvien vieglākas un kompaktākas iekārtas – sākot ar viedtālruņiem un beidzot ar automašīnām. Būtībā baterija ir “pieradināta” ķīmiska reakcija, kas ģenerē strāvu. Litija jonu baterijā to rada litija joni, kas pārvietojas starp abiem elektrodiem – anodu un katodu.
Turklāt litija jonu baterijas ir uzlādējamas un līdz ar to daudzkārt izmantojamas. Pats litijs ir viegls, mīksts, sudrabots sārmu metāls, kas gan brīvā veidā dabā nav sastopams. Diemžēl, salīdzinot ar citiem bateriju veidiem, litija jonu baterijas ir samērā dārgas. Daļēji tas skaidrojams ar to, ka rūpnieciskos apjomos litijs tiek iegūts vien dažās vietās pasaulē, pirmām kārtām Bolīvijā, Argentīnā un Čīlē. Atradnes parasti atrodas tuksnešos, bet litija izdalīšanai no iežiem nepieciešams liels daudzums ūdens, kas vēl vairāk sadārdzina ieguves izmaksas. Tāpat dārgi ir arī citi baterijās izmantotie pārejas metāli, īpaši kobalts un niķelis.
Ko dara jūsu vadītā Enerģijas iegūšanas un uzkrāšanas materiālu laboratorija?
Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts šobrīd ir viena no vislabāk aprīkotajām un arī rosīgākajām bateriju materiālu pētniecības iestādēm Baltijas valstīs. Mēs izstrādājam jaunus materiālus litija jonu un nātrija jonu baterijām. Sintezējam tos, analizējam sastāvu un tīrību, nosakām elektroķīmiskās īpašības. Viens no projektiem, kas tiks realizēts sadarbībā ar kompānijām “VARTA” un “Customcells”, kā arī ar vairākiem Eiropā atpazīstamiem pētniecības institūtiem, saistīts ar videi draudzīgāku bateriju elektrodu izgatavošanu. Attīstām metodes, kā labāk prognozēt litija jonu bateriju novecošanos. Daļēji šis process atkarīgs no temperatūras. Karstumā un lielā aukstumā bateriju mūžs saīsinās.
Kāpēc mana fotoaparāta akumulators ziemā izlādējas ātrāk nekā vasarā?
Baterijās notiek ķīmiska reakcija, kurā liela loma ir jonu pārnesei. Bet tā savukārt ir atkarīga no temperatūras. Aukstumā reakcija notiek lēnāk, tāpēc baterijas jauda dramatiski samazinās. Īpaši zemās temperatūrās baterija var pat pārstāt darboties.
Diemžēl baterijas ir kaitīgas videi un cilvēka veselībai. Turklāt dažās no tām tiek izmatoti īpaši toksiski materiāli, svins vai kadmijs.
Baterijas nekādā gadījumā nevajadzētu izmest apkārtējā vidē un pat ne parastā atkritumu tvertnē. Veikalos un daudzās sabiedriskās vietās šim mērķim ir novietoti īpaši konteineri. Pati vienkāršākā bateriju pārstrādes tehnoloģija ir to samalšana. No iegūtās masas ar fizikālām un ķīmiskām metodēm tiek izdalītas vērtīgās komponentes. Zinātnieki strādā pie tā, lai vairāk nekā 90% no bateriju sastāvdaļām varētu izmantot atkārtoti.
Patlaban Eiropā norit diskusija par tā saucamās bateriju pases izveidi. Dažu bateriju sastāvs joprojām ir komercnoslēpums, kas sarežģī to atkārtotu pārstrādi. Būtu vēlams, lai uz katras baterijas atrastos īpašs svītru kods, kas informētu par tajā izmantotajiem materiāliem un tehnoloģijām.
Parādās ziņas par pirmajiem grafēna bateriju prototipiem. Tā kā grafēns nav nekas cits kā tīrs ogleklis, tad šādas baterijas jau būtu pavisam nekaitīgas.
Kad mēs rakstām ar parasto zīmuli, no grafīta stienīša atdalās plānas plēksnītes un paliek uz papīra. Šādus grafīta zīmuļus cilvēks lieto jau simtiem gadu. 2004. gadā divi britu fiziķi – Andrejs Geims un Konstantīns Novosjolovs no Mančestras universitātes – ieguva superplānas, tikai vienu atomu kārtiņu biezas grafīta struktūras, faktiski divdimensionālus kristālus.
Jaunā materiāla, ko nosauca par grafēnu, fizikālās īpašības bija tik neparastas un daudzsološas, ka jau 2010. gadā tā atklājējiem piešķīra Nobela prēmiju fizikā. Grafēnam ir laba elektrovadītspēja un, salīdzinot ar tā masu, izteikti liela virsma. Tas paver iespēju izmantot grafēnu elektriskajās baterijās. Noteikti par grafēnu mēs turpmāk dzirdēsim aizvien biežāk, lai gan ar tā praktisku pielietošanu saistās daudzi izaicinājumi. Paralēli tiek attīstīti arī citi bateriju materiāli. Perspektīvs ir grafīta–silīcija maisījums, ko jau pielieto daudzās komerciālās baterijās.
Tomēr vismaz pagaidām bateriju attīstībā vērojams samērā lēns progress…
Skatoties, ar ko salīdzina. Mikroprocesoru iespējas divu gadu laikā gandrīz dubultojas, kas nozīmē eksponenciālu skaitļošanas tehnikas attīstību. Vēl uzskatāmāk tas redzams atmiņas nesējos. Pirms gadiem trīsdesmit cilvēki lietoja disketes, kurās ietilpa 1,44 megabaiti informācijas. Šodien katrā elektronikas veikalā var nopirkt 500 gigabaitu ietilpīgas atmiņas kartes. Starpība – 3470 reizes.
Viena niecīgu izmēru atmiņas karte satur tikpat lielu informācijas daudzumu kā prāva kaste ar disketēm. Savukārt elektrisko bateriju jomā vērojama pakāpeniska attīstība. Dažkārt tā notiek straujāk, kā tas bija vērojams pēc litija jonu bateriju izgudrošanas. Tomēr jāņem vērā, ka baterija savā būtībā ir mehāniska konstrukcija, kurā notiek ķīmiskas reakcijas. Tajā ir korpuss, anods, katods, elektrolīts, strāvas kolektori.
Progress gan ir nenoliedzams. Ja mēs salīdzinām 1990. gadu sākumu ar šodienu, tad ar vienādu svaru bateriju energoietilpība ir pieaugusi teju četras reizes. Ievērojami pieaugusi to ilgmūžība, iespējamais uzlādes ciklu skaits. Te gan ir daži ierobežojumi – pati vieglākā baterija vienlaikus nevar lepoties ar ilgu mūžu vai augstu jaudu.
Kā rīkoties ikdienā? Gaidīt, kad mobilās ierīces baterija izlādējas pilnīgi un tikai tad lādēt par jaunu? Esmu ievērojis, ka daži cilvēki portatīvo datoru pastāvīgi tur pieslēgtu pie tīkla.
Viens no faktoriem, kas nosaka baterijas mūžu, ir iespējamais izlādes un uzlādes ciklu skaits, kas ir ierobežots lielums. Tāpēc nebūtu lietderīgi bateriju izlādēt pilnībā. Tad jau labāk turēt ierīci pieslēgtu pie tīkla. Pats “veselīgākais” baterijas stāvoklis – ja tā ir uzlādēta robežās no 60 līdz 80%, kas vidēji būtu ap 70%.
Tagad daudz runā par ūdeņraža enerģētiku. Izklausās jau vilinoši, jo ūdeņradis ir pats izplatītākais elements Visumā, ap 75% no tā masas.
Patiesi, ūdeņradis mums ir visapkārt. Ūdens molekula sastāv no viena skābekļa un diviem ūdeņraža atomiem. Ūdeņradim ir liela siltumspēja, turklāt sadegot tas nerada kaitīgus izmešus, pārvēršas par ūdeni. Tādēļ ūdeņraža enerģētikai ir labas nākotnes izredzes. Bet ir viens “bet” – brīvā veidā ūdeņradis uz Zemes tikpat kā nav sastopams. Lai izdalītu ūdeņradi, piemēram, no ūdens, vajadzīga enerģija. Enerģijas nezūdamības likumu vēl neviens nav atcēlis.
Gadījumā ja ūdeņraža iegūšanai izmatotā enerģija tiek ņemta no fosilajām izejvielām, pamatoti rodas jautājums – kāda tam visam ir jēga? Bet kā jūs redzat enerģētikas nākotni? Vai iespējama pilnīga atteikšanās no fosilajiem enerģijas avotiem?
Tāda vismaz ir Eiropas Komisijas politiskā izšķiršanās – līdz 2050. gadam ieviest Eiropā klimatneitrālu saimniekošanu. Lielas cerības tiek saistītas ar saules un vēja enerģijas izmantošanu. Tomēr jārēķinās, ka šie enerģijas avoti nav pastāvīgi un prognozējami. Sauli var aizklāt mākoņi, vējš var arī nepūst. Vienlaikus saules bateriju efektivitāte aug, bet to izmaksas krītas. Ir redzēti aprēķini – ja apmēram 40% no Spānijas teritorijas tiktu noklāti ar saules baterijām, to saražotās enerģijas pietiktu visai Eiropai. Tas gan prasītu milzīgu izejvielu patēriņu. Tomēr jau šobrīd ir skaidrs, ka gan saules, gan vēja enerģijas izmantošana tuvākajā nākotnē pieaugs. Tas nozīmē, ka palielināsies pieprasījums pēc dažādu veidu baterijām, kurās uzkrāt un glabāt saražoto enerģiju. Tēlaini izsakoties, mēs dzīvosim bateriju ielenkumā, tās būs visur.
Dzirdēts par plāniem uzstādīt milzīgus saules bateriju parkus Sahāras tuksnesī un saražoto enerģiju pa zemūdens kabeļiem nogādāt uz Eiropu. Bet kā ir ar atomenerģiju, vai tā tiek norakstīta?
Tas būtu stabils un prognozējams enerģijas avots. Salīdzinot ar fosilo kurināmo, atomenerģija tikpat kā neietekmē planētas klimatu. Protams, pastāv bažas par atomspēkstaciju drošību, tāpat jārūpējas par kodolatkritumu uzglabāšanu. Taču tās visas ir atrisināmas problēmas. Modernie reaktori ir pietiekami droši. Patiesībā atomenerģija šodien ir politiskās izšķiršanās jautājums. Sabiedrība izvērtē riskus, visus “par” un “pret”, un tad pieņem lēmumu. Riski pastāv, bet tie ir nelieli. Vienlaikus jāsaprot, ka jebkurš objekts, kurā tiek uzkrāta enerģija, ir potenciāli bīstams. Baterijas dažkārt mēdz aizdegties, benzīna kanna, gāzes vai ūdeņraža balons var eksplodēt. Mums vienkārši jāiemācās minimizēt riskus un sadzīvot ar tiem.
Vai tuvākajā nākotnē iespējama kāda revolūcija enerģētikā?
Joprojām pastāv cerības, ka zinātniekiem un inženieriem izdosies atrisināt vadāmās kodolsintēzes problēmu. Tas nozīmētu, ka uz Zemes iedegtos kaut kas līdzīgs mazai, miniatūrai Saulei, kas tiktu iegrožota spēcīgā magnētiskā laukā. Šādas iekārtas būtu teju vai neierobežoti enerģijas avoti.
Vai mūsu dzīves kvalitāte ir tieši proporcionāla enerģijas patēriņam? 20. gadsimta lozungs bija – vairāk, augstāk, ātrāk. Varbūt ir pienācis laiks apstāties?
Tas jau notiek. 70. gados cilvēki tika baidīti, ka tūlīt beigsies nafta un gāze, ka enerģētiku sagaida milzīgas problēmas. Un sāka taupīt. Radās jaunas tehnoloģijas – māju siltināšana, pakešu logi, siltumsūkņi, taupīgās spuldzes, ekonomiski motori. Daudzi eiropieši atteicās no auto un pārsēdās uz velosipēdiem. Internets deva iespēju samazināt papīra patēriņu. Lai piedalītos sapulcē, vairs nav jādodas uz biroju, apspriedi var sarīkot tiešsaistē. Individuāli mēs tērējam mazāk enerģijas, bet dzīves kvalitāte nav samazinājusies, tā pat ir augstāka.
Pēdējā laikā man nācies saskarties ar milzīgu tehnoloģisku analfabētismu, ar tā saucamajiem zaļajiem mītiem. Cilvēks padzird vārdu “ūdeņradis” un priecīgs stāsta, ka beidzot atrasts neizsmeļams enerģijas avots. Rodas jautājums – kāpēc Latvijā jaunieši nevēlas studēt eksaktās zinātnes? Un kāpēc tu izvēlējies studēt fiziku?
Man gribējās darīt kaut ko lietderīgu. Cilvēces vēsture liecina, ka zinātnes un tehnoloģiju attīstība padara dzīvi ērtāku, drošāku, labāku. Turklāt fizika man likās interesanta. Joprojām motivē apziņa, ka arī mans darbs kaut nedaudz virza uz priekšu kopējo cilvēces progresu. Globālajā zinātnē atklājumi un idejas lēnām kristalizējas, mijiedarbojas savā starpā, palīdz un pastiprina viena otru. Visbeidzot kāda no tām nonāk līdz industrijai un veikalu plauktiem. Bet eksakto zinātņu studijās ar talantu vien nepietiek. Mana personīgā pieredze liecina, ka tās prasa īpašu piepūli. Ilgu un sistemātisku darbu, spēju koncentrēties. Jālasa grāmatas un zinātniskās publikācijas, jācenšas saprast un izprast lietu būtību, jārisina uzdevumi. Ne visiem tas šķiet interesanti. Un, atklāti sakot, ne visiem tas ir pa spēkam.
Uzziņa
Fizikas doktors Gints Kučinskis (dz. 1988. g.) ir LU Cietvielu fizikas institūta Enerģijas iegūšanas un uzkrāšanas materiālu laboratorijas vadītājs. Pēc Valmieras Valsts ģimnāzijas beigšanas studējis fiziku LU Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultātē. Papildinājies Vīnes universitātē Austrijā, vairākus gadus strādājis Maksa Planka institūtā Vācijā. Viņa zinātnisko interešu lokā ir materiāli litija un nātrija jonu baterijām.
