Vis platesnis superjonikų pasaulis

Gerai pamiršta sena

Faktiškai seniai pamiršti dalykai atgimė kaip labai didelė naujovė. Apie jonų pernašą žinojo jau Faradėjus. Jis pats šį reiškinį ir stebėjo kietose sidabro druskose. Ir pačią sąvoką – jonas – įvedė būtent Faradėjus. Graikiškai, nors ir lotyniškais rašmenimis būtų iōn. Reiškia einantį, keliaujantį, migruojantį. Kalbant apie jonų pernašą juk taip pat sakoma, kad jonai migruoja, t. y. juda jonas, kurio masė maždaug 10 tūkst. kartų didesnė už elektrono masę.

Kodėl šiuo atveju atkreiptinas dėmesys į pernešamą masę? Argi ne krūvio pernešimas svarbu elektriniuose reiškiniuose? Jono krūvis toks pat kaip ir elektrono, nors šio masė 10 tūkst. kartų mažesnė už jono masę.

Tai svarbu kalbant apie taikomąjį reiškinio aspektą. Jonų pernašoje dalyvauja katijonai ir anijonai, didelės masės krūvininkai. Kietuosiuose elektrolituose, kurie dar vadinami superjoniniais junginiais, šis reiškinys pritaikomas akumuliatoriuose. Būtent apie tai ir buvo daugiausia kalbama šiame 8-ąjame simpoziume Vilniuje.

Akumuliatoriai su kietaisiais elektrolitais

Akumuliatorius charakterizuojamas trimis svarbiausiais parametrais. Pirmasis – savitoji energinė talpa. Tai vienas svarbesnių rodiklių. Akumuliatoriaus savitoji energinė talpa – 400 Ah/kg (ampervalandžių kilogramui masės). Palyginkite su rūgštiniais automobiliuose naudojamais akumuliatoriais: 55 Ah talpos akumuliatorius sveria apie 13 kg. Vadinasi 1 kg masės tenka maždaug 4 Ah; jų savitoji energinė talpa 100 kartų nusileidžia kietųjų elektrolitų akumuliatoriams.

Antras parametras nusako, kiek laiko akumuliatorius gali likti įkrautas. Pasirodo, kietųjų elektrolitų akumuliatorių laikant normaliomis sąlygomis 20 metų, jo savitoji energinė talpa sumažės tik apie 12 procentų. Trečias labai svarbus parametras – akumuliatoriaus įkrovimo-iškrovimo ciklų skaičius. Kietųjų elektrolitų akumuliatoriams šis parametras – 10 tūkst. kartų.

Didžiulis šių akumuliatorių privalumas tas, kad jie sukurti kietojo kūno pagrindu. Kitas kietųjų elektrolitų panaudojimo atvejis – kuro elementai (gardelės). Šiai sričiai simpoziume taip pat buvo skiriama daug pranešimų.

Prieš keletą metų esame apie tas kuro gardeles nemažai kalbėję. Kodėl taip žavimasi būtent šia tema?

Pirmiausia todėl, kad tai alternatyvios energijos šaltinis. Visai nepriklausomai nuo to, ar tavo gyvenamo krašto žemės gelmėse slypi naftos ir dujų atsargų, visi turi pakankamai šio praktiškai neišsenkamo energijos šaltinio, nes tai vandenilis ir deguonis. Pavyzdžiui, deguonis gali būti gaunamas iš oro, vandenilis – iš vandens; pastarojo taip pat yra metano dujose, kurias nesunku pasigaminti.

Bene paprasčiausia cheminė reakcija gamtoje yra deguonies su vandeniliu: oksiduojantis vandeniliui susidaro vandens molekulė, o kartu išsilaisvina du elektronai. Kuro gardelėse sudarytos tokios sąlygos, kad tie elektronai negali nutekėti per kietojo elektrolito vidaus varžą, nes ji be galo didelė. Kuro gardelėse naudojami kietieji elektrolitai dažniausiai yra deguonies vakansijų laidininkai. Medžiagoje yra vietos, į kurias gali judėti deguonies anijonai. Jie juda deguonies vakansijomis vandenilio link, reaguoja su juo, reakcijoje gaunamas vanduo. Reakcija vyksta aukštoje temperatūroje, vanduo išgaruoja, o garas naudojamas kad ir pastatams šildyti.

Ir kokios galios kuro gardeles pavyksta pagaminti?

1 litro talpos (1 dcm3) kuro gardelių modulis generuoja apie 1 kW galią. Buityje naudojame apie 10 kW galios elektros, vadinasi, pakaktų kompaktiško apie 10 kg sveriančio aparato – būtų mažytė autonominė elektrinė. Vietos užimtų truputį daugiau kaip portfelis.

O kiek kainuotų tokios elektrinės įsigijimas ir įrengimas?

Amerikiečiai apskaičiavo įrengimo kainą: 1 kW kaina apie 2,5 tūkst. JAV dolerių. Vadinasi, tokia namų elektrinė kainuotų 25 tūkst. dolerių. Didelis privalumas – kuro gardelių ilgaamžiškumas. Viena gardelė gali veikti apie 5 tūkst. valandų.

Tai per kiek laiko atsipirktų tokia namų elektrinė?

Naudojamas labai pigus kuras – metanas. Nepamirškime, kad tai labai intensyviai tyrinėjama sritis, ir tai daro būtent tie patys tyrinėtojai, kurie buvo suvažiavę į Vilnių. Kai kur tos kuro elementų pagrindu sukurtos jėgainės jau dirba. Šveicarijoje tokios autonomiškos jėgainės gana plačiai naudojamos Alpėse, taip pat JAV vietovėse, kurios toli nuo civilizacijos. Šalyse, kur liūtys nusiaubia antžeminius elektros pastatus, nutraukia elektros laidus, geriausia būti apsirūpinusiam alternatyvios energijos šaltiniu. Tereikėtų metano dujų.

Tai kas šiandien svarbu sistemų su sparčiąja jonų pernaša specialistams? Ką nagrinėjo savo pranešimuose šios srities žinovai Vilniuje?

Kol kas brangios medžiagos, kurių reikia tokių jėgainių kūrimui. Tai gali būti įvairaus pavidalo medžiagos: keramika, storieji sluoksniai, dažniausiai polikristaliniai. Tačiau jau pradedamos taikyti ir organinės medžiagos – kai reikia labai mažų dydžių, plonų dangų. Tarkime, kad ir ta pati aptariama kuro gardelė – tai 100 mikronų storio keramika. Tyrinėtojai savo pastangas telkia į tų naujų medžiagų ir junginių paieškas.

Kaip taikomi superjonikai

Superjonikai kone plačiausiai šiuo metu naudojami deguonies jutikliuose. Mūsų pagaminti deguonies jutikliai naudojami šilumos tinkluose. Jeigu deguonis iki galo nesureaguoja su kuru, tai į aplinką išmetama daug teršalų. Tenka reguliuoti kuro ir deguonies mišinio purkštukus.

Panašiai lengvuosiuose automobiliuose naudojami vadinamieji lambda jutikliai, kurie reguliuoja degalų įpurškimą. Kuo mažiau deguonies išmetamose dujose, tuo geriau sudega degalų ir deguonies mišinys, tuo našiau veikia variklis. Naudojami ir CO2 bei CO dujų jutikliai. Mes taip pat mokame gaminti šiuos jutiklius. CO aptikti naudojami kietieji elektrolitai, kuriuose pagrindiniai krūvininkai yra deguonies vakansijos. CO2 dujoms aptikti taikomi ličio arba natrio superjonikai. Tai gana jautrūs jutikliai. Jie gali būti taikomi visur, kur yra gyvybė. Žmogus iš atmosferos įkvepia 0,03 proc. CO2, o iškvepia, jei organizmas normaliai funkcionuoja, 4 proc. šių dujų. Jeigu blogai funkcionuoja atitinkami organai, bus nuokrypis. Pasaulyje pagal iškvėptą anglies dvideginį net diagnozuojami organizmo sutrikimai.

Gal pagal iškvėptų dujų sudėtį būtų galima nustatyti organizmo ar atskirų organų būklę?

Manau, kad taip, nors nesu medikas, tad į svetimos kompetencijos sritį nenorėčiau brautis.

Taigi pasaulyje kietakūniai elementai taikomi gana plačiai, o Lietuvoje kol kas tenkinamasi O2, CO ir CO2 jutikliais?

Savo laboratorijoje mokame pagaminti nemažai gerų dalykų, tačiau juos įdiegti Lietuvos sąlygomis labai sunku ar net neįmanoma.

Superjonikai daug kur naudojami gaminant deguonies langus. Įrenginys veikia kaip deguonies siurblys. Jeigu uždaroje patalpoje dirba daug žmonių, pavyzdžiui, technologiniuose švaros kambariuose, iškvėpiant vis daugiau anglies dvideginio patalpoje pradeda stigti deguonies, o langų atidaryti negalima. Tokiais atvejais langai gaminami iš plono superjoniko; patalpoje sumažėjus deguonies įjungiamas srovės šaltinis, kuris iš lauko oro į patalpą traukia deguonį.

Arba štai elektrolizeriai. Iš vandens jais išgaunamas deguonis ir vandenilis. Įsivaizduokime ilgą vamzdį iš superjoniko, į kurį pučiami perkaitinti vandens garai (maždaug 1000 °C). Vamzdis padengtas platina, kuri nereaguoja su deguonimi. Prijungus elektros lauką, iš perkaitintų garų lengvai atsiskiria deguonis, kuris per deguonies vakansijas juda į išorę, o vandenilis surenkamas vamzdžio gale.

Yra daugybė ir kitokių superjonikų taikymo aspektų. Vienas jų – elektrochrominiai displėjai. Jų gamybai panaudotas elektrochrominis reiškinys. Jo esmė tokia. Jei turime ličio superjoniko ir volframo oksido sluoksniuotąją struktūrą, prie kurios pridėję elektrinį lauką įsitikinsime, kad litis interkoliuoja, t. y. patenka į volframo trioksidą ir ten kuria priemaišinius lygmenis. Šių lygmenų gausa „siaurina“ draustinės juostos plotį [volframo trioksido šis plotis yra apie 5 eV (elektronvoltai)]. Kitaip tariant, absorbcijos kraštas yra ultravioleto ruože. Pakankamai susiaurėjus draudžiamos zonos pločiui, keisis spalva. Mat spalva susijusi su zonos pločiu. Priklausomai nuo prigamintų priemaišinių lygmenų iš skaidraus elemento galima gauti įvairių kitų spalvų: mėlyną, žalią... Žmogaus akis mato šviesos bangos ilgius nuo 0,4–0,8 mikronų, visą optinį spektrą nuo violetinės iki raudonos. Tai štai šis efektas panaudotas gaminant elektrochrominius displėjus.

Ar ne tuos pačius rezultatus, tik lengviau pasiekiamus, galima gauti taikant įprastas puslaidininkines medžiagas?

Ten, kur taikomi superjonikai, nepanaudosi puslaidininkių. Tarkime, rūpi gauti didelio užlaikymo delsos linijas arba atminties elementus integratorius. Šiems uždaviniams spręsti ne visada pavyksta panaudoti puslaidininkines medžiagas, bet galima taikyti kietuosius elektrolitus (superjonikus).

Kitas privalumas: superjonikuose galima iššaukti netiesiškumą, gauti netiesinius elementus. Yra tam tikra technikos kryptis, kurioje naudojami elementai ar įtaisai iš superjonikų. Tai kietojo kūno jonikos funkciniai elementai. Iš puslaidininkinių medžiagų akumuliatoriaus nepagaminsi, lygiai kaip ir jonistorių (supertalpių kondensatorių).

Kokią didžiausią natūralią elektrinę talpą turime? Galime įsivaizduoti, kad tai Žemės rutulys, o jo talpa yra 0,7 F (farado). Naudojant superjonikus pavyko sukurti apie 10 cm aukščio ir maždaug 5 centų monetos skersmens cilindriuką, kurio talpa 2 tūkst. F! Tai elektrinės supertalpos. Mūsų studentai laboratorinius darbus daro su 5 F talpos jonistoriais, kurie yra 1 cm aukščio ir dviejų centų monetos skersmens cilindriukai.

Mėginu suvokti, kaip čia yra, kad mažas gali būti tūkstančius kartų talpesnis už didelį.

Superjonikai tai leidžia padaryti. Vilniaus simpoziume pirmą kartą prabilta apie nanojoniką.

Labai gerai, bet apie tai palikime kitai pokalbio daliai. Neabejoju, kad smalsesnieji skaitytojai tikrai lauks pasirodant kito „Mokslo Lietuvos“ numerio.

Bus daugiau

Kalbėjosi Gediminas Zemlickas

Simpoziumo dalyvių Vilniuje bendra nuotrauka

Simpoziumo tarptautinio mokslo komiteto nariai: prof. Ilanas Riesas (Ilan Riiess) iš Haifos universiteto Izraelyje, Tarptautinės kietojo kūno jonikos sekcijos prezidentas prof. Klausas Funke (Klaus Funke) iš Miunsterio universiteto Vokietijoje ir viduryje – simpoziumo organizacinio komiteto pirmininkas prof. Antanas Feliksas Orliukas iš Vilniaus universiteto