Научно-образовательный центр альтернативной энергетики и нанотехнологий при КБТУ. Что и зачем там делают?

НОЦ АЭиН при КБТУ специализируется на производстве солнечных батарей, ветрогенераторов и новых материалов. Корреспонденту informburo.kz удалось там побывать – рассказываем о главных достижениях казахстанской науки в сфере зелёных технологий.

Лаборатория нанотехнологий в Алматы работает с 2011 года, а в 2018 году была преобразована в научно-образовательный центр. Всё это время учреждение возглавляет профессор Каир Нусупов. В 80 годы Каир Хамзаевич руководил лабораторией в институте физики высоких энергий в Алматы. Тогда учёные трудились на советский военно-промышленный комплекс.

После распада СССР профессор Нусупов десять лет проработал в США в крупных компаниях типа IBM и Intel. Там же в 2002 году учёный запатентовал идею применения ускорителя тяжёлых ионов для создания полупроводниковых пластин и синтеза новых материалов.

В Казахстан Каир Хамзаевич вернулся в 2007 году, после обращения Нурсултана Назарбаева к казахстанским учёным за рубежом. Елбасы призвал соотечественников вернуться на родину, пообещав им достойные условия труда.

Советское наследие и нанотехнологии

Согласно стратегии "Казахстан 2050", доля возобновляемых источников энергии в стране должна вырасти до 3% к 2020 году и до 10% к 2030. В Казахстане есть солнечные и ветряные электростанции, но они работают на зарубежном оборудовании. Первое отечественное предприятие по производству солнечных панелей Astana solar, запущенное в 2012 году, выставлено на продажу.

"На создание нашей лаборатории понадобилось около четырёх лет и полтора миллиона долларов в то время, как в Astana solar было вложено 52 миллиарда тенге (35 миллионов долларов), – рассказывает профессор Каир Нусупов, – "Там якобы использовали французские технологии. В действительности они были китайскими. Я много раз писал в министерство образования и президентский совет, что там используются технологии вчерашнего дня, но меня слушать не стали. Мы производим солнечные панели с нуля. Технологический процесс проходит 30 операций. Из них почти 20 совпадают с операциями для создания детекторов ядерного излучения”.

В годы перестройки лаборатория, которой руководил Каир Хамзаевич, работала над созданием детекторов ядерного излучения – устройств для регистрации ядерных взрывов в любой точке планеты. Детекторы вели наблюдение с военных спутников и не только определяли место и мощность взрывной волны, но и дальность полёта снаряда. Устройство фиксировало фотоны, электроны, протоны и тяжёлые ионы.

Из-за нехватки кислорода все детекторы, включая американские, работали в космосе не дольше семи тысяч часов. Детекторы, собранные в Алматы, исправно отработали в открытом космосе 20 тысяч часов (больше двух лет). Потом сигнал от детекторов пропал, но не удалось установить причину – отказали работать детекторы или сопутствующее оборудование.

Детекторы параллельно разрабатывали десять научных институтов, но руководство выбрало прототип алматинских учёных во главе с профессором Нусуповым. В производстве детекторов они первые в СССР использовали сильноточный ускоритель тяжёлых ионов на низких энергиях. С его помощью решаются научные и прикладные задачи в современной ядерной физике. Также ускоритель позволяет выращивать любые виды плёнок в виде монокристаллов для наноэлектроники, в том числе для солнечных батарей.

Ускоритель пропускает через себя большие токи ионов из всей периодической таблицы Менделеева. Он не только ускоряет, но и затормаживает ионы, создавая pn – переход – движущую силу в детекторах или солнечных батареях, подобно двигателю в автомобиле.

Ранее профессор Нусупов писал диссертацию в московском физическом институте имени Лебедева, откуда вышли 10 советских нобелевских лауреатов. Там учёному удалось запустить неисправный ускоритель и узнать принцип его работы. В последствие это помогло Каиру Нусупову в Казахстане перевести ускоритель для производства атомной бомбы на низкие энергии и создать с его помощью детектор ядерных частиц.

Как изготавливают солнечные панели?

На основе солнечных панелей в лаборатории делают и мобильные электростанции и повербанки. Центр произвёл 112 солнечных модулей для ПИТ Алатау и обеспечил электроэнергией морскую академию при КБТУ. По словам учёных, избытков хватило на городскую электросеть. Также солнечные панели на крыше университета полностью обеспечивают большой круглый зал, где в 1991 году Нурсултан Назарбаев подписал конституционный закон “ О государственной независимости Республики Казахстан”. Ещё 30 солнечных модулей центр поставил в Политехнический институт.

Что касается внешних аккумуляторов для смартфонов, они оснащены небольшими солнечными батареями на 150 ватт. В зависимости от мощности их хватает на 5-10 зарядок, но дизайн устройства пока нуждается в доработке. В пасмурный день павербанк можно зарядить от обычной розетки.

Есть и более мощные установки, например, на 3 киловатта (20 батарей). Их мощности хватит, чтобы обеспечить электричеством частный дом. Из солнечных панелей можно создавать компактные мобильные электростанции для поселений в труднодоступной местности. Устройство легко перевозить, оно поместится в багажник автомобиля.

Производство солнечных панелей требует особых условий, в первую очередь чистоты. Батарея не заработает даже из-за одной пылинки, попавшей на пластину. На первом и последующих этапах кремниевые пластины тщательно промывают сверхчистой деонизованной водой (18 Мом). Её специально создают в лаборатории в больших объёмах.

Солнечные панели – многослойные структуры. Быстро определить толщину каждой плёнки научным сотрудникам помогает спектрометр. Она может быть от нескольких до сотен нанометров в зависимости от слоя. Для более точных замеров толщины, плотности и состава с выводом данных на компьютер используются рентгеновские методы

После химических процедур кремниевая пластина превращается в зеркало с гладкой поверхностью. Её покрывают тонким защитным слоем SiO2 (оксид кремния), чтобы нейтрализовать связи на поверхности и повысить эффективность батареи.

Затем на пластину наносят слой нитридтитана, а поверх него медную контактную сетку с толщиной дорожек в 50 микрон - 'то примерно, как лезвие бритвы. Сетка собирает электрический заряд, а нитридтитановый слой препятствует проникновению меди внутрь кремния. Медь на поверхность пластин распыляет магнетронная установка.

Для создания контактной сетки используется технология фотолитографии, когда пластинку с пленками покрывают сверхчувствительным материалом – фоторезистом. В результате процесса ультрафиолетового экспонирования, ультрафиолетовые лучи попадают на поверхность фоторезиста через специальный трафарет. Облученные участки удаляются, а на фоторезисте сохраняется такой же рисунок, как на шаблоне. Оставшиеся участки пленок под фоторезистом образуют контактную систему солнечного элемента.

На одной из стадий производства кремниевые пластины проходят быстрый отжиг в печи, где за 10 секунд температура может доходить до 1000 градусов. Здесь также формируются дополнительные слои с низким электросопротивлением для работы контактной сетки.

Затем на пластины наносят антиотражающее покрытие. При попадании света на кремний 30% солнечных лучей отражается, что существенно снижает мощность батареи. Антиотражающий слой расширяет спектр поглощения фотонов, сокращая потери до 2-3 процентов.

На последнем этапе солнечные пластины спаивают в панель и покрывают специальными пленками и стеклом для защиты от грязи и пыли. Процесс напоминает ламинирование документов, только масштабнее. Металлический каркас, на котором размещена батарея, лаборатория изготавливает сама из специального алюминиевого профиля (реек), заказанного извне. Самая первая батарея была сделана с использованием обычного оконного стекла.

После ламинации батарею тестируют, измеряют ее характеристики и готовность к работе. Из группы батарей, аккумуляторов и инвертора в лаборатории собирают миниэлектростанции для обеспечения электроэнергией частного дома или крестьянского хозяйства.

Батареи для спутника и ограниченное производство

Сотрудники могут изготавливать до двух солнечных панелей в сутки, но ежемесячный объём готовой продукции у них небольшой. Перед учёными не стоит задачи промышленного производства, иначе им некогда будет заниматься исследованиями и преподавать.

Учёные регулярно публикуют статьи в научных журналах с высоким рейтингом. Например, в 2017 году в британском журнале вышло научное исследование о синтезе новых материалов, используемых как антиотражающее покрытие для солнечных панелей. Полученные данные могут пригодиться в изготовлении панелей в ближайшем будущем.

"За строительство электростанций отвечают большие заводы. Наша цель – создание новых технологий. Мы занимается мелкосерийным производством и можем, например, изготовить солнечные батареи для казахстанских спутников. Температура в космосе меняется от плюс 150 градусов днём и до минус 150 градусов ночью. Обычные солнечные батареи там работать не смогут. При сильном холоде оловянные контакты в солнечных панелях рассыпаются в порошок. Нужен другой материал. И таких задач много", – говорит замруководителя НОЦ АЭиН по науке Нуржан Бейсенханов.

Центр выиграл трёхлетний грант на разработку солнечных батарей для спутников. Финансирование проекта начнётся в 2020 году. Что касается создания многосерийного производства, есть и другие препятствия, в частности, дефицит кадров.

"Главная проблема в Казахстане – нехватка технарей. Даже если создать большой цех, тяжело будет найти сотрудников, На технические специальности люди почти не идут. Университет планирует расширяться, строить цеха, но для этого нам нужны специалисты. С этого года мы будем обучать магистрантов, потом они пойдут в докторантуру и продолжат исследования. Надеемся, что подготовим какое-то количество своих специалистов", - отмечает заместитель руководителя НОЦ АЭиН по академическим вопросам Дина Бакранова.

Гибридный ветрогенератор для казахстанской армии

Созданием солнечных панелей лаборатория не ограничивается. В 2016 году учёные разработали мобильный ветрогенератор, вырабатывающий электроэнергию даже при слабом ветре. Спустя год первый опытный образец появился на берегу Капчагая.

Ветроустановка внешне напоминает самолётную турбину. За счёт сужения конструкции поток воздуха сжимается под давлением и набирает внутри трубы дополнительную скорость, с которой раскручивает встроенный винт. При этом воздух в установку поступает не только через основное отверстие, но и по бокам.

Пилотный образец рассчитан на 5 киловатт и может обеспечить электричеством два частных дома. Размер конструкции можно увеличить, и тогда объём производимой электроэнергии многократно возрастёт. Классические трёхлопастные ветрогенераторы обычно устанавливают вблизи водоёмов, где средняя скорость ветра не менее 5 метров в секунду. В случае отечественного прототипа, даже при скорости два метра в секунду, её увеличение в два раза повышает объём вырабатываемой энергии в восемь раз. Срок службы установки не менее 15 лет.

“В Казахстане скорость ветра на 80 процентах территории составляет от 2 до 4,5 метров в секунду. Какой бы ветрогенератор вы не поставили, он себя финансово не оправдает. Наш можно поставить в любой точке земной поверхности, и вложенные финансовые средства он оправдает. Устройство также может работать при низких температурах, потому что ему не грозит обледенение лопастей”, - отмечает создатель ветрогенератора Каир Нусупов.

Не все винтовые установки выдерживают сильный порывистый ветер. Причём поломанные куски винтов могут разлетаться со скоростью 200 километров в час, угрожая людям и домашним животным. По этой причине ветряные мельницы размещают в безлюдных местах. Винт у ветрогенератора спрятан внутри конструкции, что делает её безопасной для соседства с жилыми домами. Установка защищена от птиц, и благодаря громоотводу на верхушке в форме молнии, её не повредят.

Устройство предназначено для снабжения электричеством частных домов и может отдавать выработанную энергию в общую электросеть. Чтобы собрать или разобрать конструкцию высотой в 21 метр, достаточно трёх человек. Также ничто не мешает построить из ветрогенераторов целый парк.

Профессор Нусупов в соавторстве с коллегами запатентовал проект в Казахстане, EC и США. Конструкторы хотели представить разработку на EXPO 2017 в Астане, но не успели к тому моменту её запатентовать. Участвовать без патента учёные не захотели, опасаясь, что технологию могут скопировать за рубежом. Вскоре после получения патента с учёными связалась частная китайская компания и университет, предложив выкупить разработку. Руководство лаборатории сотрудничать с китайскими коллегами пока отказалось.

"Когда мы обратились в фонд науки за финансированием проекта, нам сказали, что в Казахстане на ветроустановки тратят большие деньги, но они не работают. Во время выступления я предлагал показать видео рабочей установки, но смотреть его отказались. Зато нашей работой заинтересовалось министерство обороны. Ветрогенератор может пригодиться военным для обеспечения электричеством передвижных военных частей, в том числе госпиталей. Финансирование проекта начнётся со следующего года", – говорит Нуржан Бейсеханов.

Ветрогенераторы для военных частей также будут оснащены солнечными панелями, что повысит их производительность. Установку также можно будет использовать для зарядки раций у пограничников. В отличие от зарубежных аналогов в батареях отсутствуют чипы, передающие производителям местонахождение устройства, а значит, его не удастся отследить в целях шпионажа и для нанесения вреда.