Наномагнезия для стабилизации экологии

Оксид магния (магнезия) является самым высокотемпературным окислом (Т плавления 2 800º С). Более высокими температурами плавления обладают только вольфрам (3 600º С) и карбид тантала (4 200º С). Поэтому магнезию широко применяют: в металлургии (шамотными кирпичами обкладывают внутренние стены доменных печей) и в производстве магнезиальных цементов. Тонкие пленки магнезии применяют в производстве плазменных дисплеев для защиты функционального диэлектрика от ионной бомбардировки и ультрафиолетовой агрессии в плазме разряда.

Но оптически прозрачную тонкую пленку магнезии формируют очень дорогостоящими вакуумными технологиями. Одна единица технологического оборудования с производительностью 250-300 плат в сутки стоит 20 миллионов USD. Причем, качественно вакуумная тонкая пленка магнезии формируется только на плоских поверхностях с равным доступом для молекул MgO.

Нанопленка (толщина от 20 до 700 нанометров) же магнезии, формируемая на открытом воздухе, несравненно дешевле, но микропориста, вернее нанопориста, т.е. наноструктурна (наномагнезия). Она оптически прозрачна, и ее можно применять в качестве защиты от ионной бомбардировки и ультрафиолетовой агрессии в плазме разряда плазменных дисплеев. Не только можно, но и нужно, поскольку и дешевле (на 3 порядка), и эффективнее. Дело в том, что «некачественная» нанопленка наномагнезии, в отличие от качественной тонкой пленки магнезии, повышает эффективность (КПД) электросветового преобразования на 30-60%, т.е. энергопотребление плазменных дисплеев – сейчас уже приборов массового использования – снижается на 50%. При этом, качественно нанопленка наномагнезии формируется на любых искривленных поверхностях любых размеров.

Последнее обстоятельство позволило нам впервые нанести защитное покрытие магнезии на люминофор и внутренние стенки стеклянных трубок ртутных люминесцентных ламп дневного света [1]. Такая защита позволила значительно повысить светоотдачу (КПД), и невиданно увеличить срок службы.

1 – компактная люминесцентная лампа с защитой люминофора и внутренней поверхности трубок нанопленкой наномагнезии

2 – стандартная компактная люминесцентная лампа без защиты

3 - «гибридная» компактная люминесцентная лампа: темная (тусклая) трубка без защиты; светлая (яркая) с защитной нанопленкой наномагнезии

Расчеты с результатами долговременных испытаний представленных компактных люминесцентных ламп, показывают, что долговечность увеличивается в… 200 раз (!). Световой ресурс по сравнению с ртутными разрядными лампами от «General Electric», «Philips» и «Osram», признанными лучшими в мире, повышается в 40-50 раз.

Другой вид разрядных ламп – натриевые лампы низкого давления вдвое экономичнее (в два раза меньше потребляют электроэнергии для вырабатывания одного и того же количества света) ртутных люминесцентных ламп дневного света, которые в свою очередь в 5 раз экономичнее привычных накальных ламп (Лодыгина-Эдисона). Но натриевые лампы излучают монохроматический желтый свет, и не пригодны для освещения в помещениях. Их используют только для освещения улиц, проспектов, автострад. В натриево-ртутных же лампах высокого давления с более белым светом используется дорогостоящий лейкосапфир в качестве материала горелки. Они очень дорогие, и также используются в основном в уличном освещении.

Нанопленка наномагнезии позволяет производить натриево-магниевые лампы как низкого, так и высокого давления. Пары магния излучают голубой свет и в смеси с желтым светом от паров натрия дадут «более белый» свет с приемлемой цветопередачей для использования в помещениях. До сих пор это невозможно было из-за высокой агрессивности паров магния, противостоять которым не мог никакой прозрачный материал. С нанопленкой же наномагнезии на внутренней поверхности колб из не дорогостоящих обычного стекла (лампы низкого давления) и кварцевого стекла (горелки ламп высокого давления) натриево-магниевые лампы вполне работоспособны. Это может привести к полной замене экологически проблемных ртутных люминесцентных ламп на экологически чистые, к тому же экономически более выгодные (и по цене и по энергопотреблению), натриево-магниевые разрядные лампы.

Уникальные свойства нанопленки наномагнезии могут найти целый ряд других эффективных применений: 1) солнечные элементы; 2) плазмотроны; 3) физико-энергетические установки (атомные и ядерные реакторы); 4) космические приборы, аппараты и сооружения (станции); 5) лакокрасочные покрытия; 6) противонагревные покрытия на окна, стены и крыши в жаркие сезоны; 7) защита от ультрафиолета под расширяющимися озоновыми дырами; 8) предотвращение потепления климата.

1. В последнее время значительный прогресс получили солнечные элементы из сложных полупроводниковых соединений, КПД которых превосходит теоретический КПД простых кремниевых солнечных элементов (до 23%). Последнее достижение – солнечный элемент на основе GaP, GaAs и InGaAsN представляет четырехслойной пирог: верхний состоит из сплава индий-фосфид галлия, второй – из арсенида галлия, третий – из 2% азота с «индием в арсениде галлия» и четвертый – германиевый. Каждый слой поглощает (и преобразовывает в электричество) свет определенного диапазона длин волн. Первый поглощает зеленый и желтый, второй – от зеленого до глубокого красного, третий поглощает между глубоким красным и инфракрасным, и четвертый – от инфракрасного и дальше. В настоящее время наибольший КПД 4-слойных солнечных элементов составляет 40,7%.

Итак, к настоящему времени достигнут КПД в 40,7%. Но это пока опытные образцы специальных солнечных элементов. Распространение получают пока только кремниевые солнечные элементы, у которых реальный КПД лежит в диапазоне 12-18%.

Низкий КПД кремниевого солнечного элемента обусловлен тем, что он работает в узком диапазоне спектра солнечного излучения, в области оранжево-красного света. Остальная часть спектра не участвует в выработке электричества, а вызывает только нежелательный нагрев прибора.

В новейших солнечных элементах повышение КПД достигается за счет расширения спектра «действенного» солнечного излучения путем усложнения конструкции до 4-слойного пирога. Но и при этом, как упоминалось выше, вовлекаются в действие только зеленые, желтые, оранжевые, красные и инфракрасные лучи солнечного света. Остальная же часть богатого солнечного спектра, от ультрафиолетового до зеленого, включающего фиолетовый, синий и голубой, полностью исключена из «полезного» фотоэлектрического преобразования.

Что касается ультрафиолетовой части спектра солнечного излучения, то нанопленка наномагнезии позволяет повысить КПД солнечного элемента за счет преобразования ультрафиолетовых лучей в видимое излучение оранжво-красного диапазона для случая кремниевых солнечных элементов. С помощью дополнительного слоя нанопленки наномагнезии можно добиться повышения КПД на 5-7%.

Если бы удалось задействовать в фотоэлектрическом преобразовании кремниевых солнечных элементов фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый и инфракрасный части солнечного спектра, то реальный КПД можно было бы поднять еще на 15-20%. Тогда эффективность преобразования Солнечной энергии достигнет 32-50%. И «чистая» Солнечная энергетика станет вполне конкурентоспособной нынешней «черной» угле-, углеводородной энергетике.

2. Плазменная технология все шире вовлекается в различные области производственной деятельности человечества, от наноэлектроники до сельского хозяйства (плазменное протравливание некоторых элитных семян). Агрессивная плазма во всевозможных плазмотронах выводит из строя многие их детали, узлы, особенно электроды. Обычно электроды анодируют оксидом алюминия. Но он не выдерживает длительной ионной бомбардировки, что заставляет периодически «переанодировать».

Нанопленка наномагнезии несравненно более устойчива по отношению к агрессивной плазме, и ее использование не только для защиты электродов, но и всей внутренней поверхности плазмотронов значительно увеличит срок службы этих дорогостоящих устройств.

3. Не только промышленные (атомные реакторы), но и исследовательские физико-энергетические устройства (МГД-генераторы, ядерные реакторы) имеют дело с высокоэнергетичными излучениями, которые разрушают детали, узлы и стенки в рабочих объемах. Возможность нанесения наномагнезиального нанопокрытия на любые поверхности любых размеров позволяет защитить их от агрессивного облучения. Увеличение долговечности и межремонтного периода этих дорогостоящих устройств значительно сократит эксплуатационные расходы.

4. Космос – естественная среда осуществления четвертого агрегатного (плазменного) состояния вещества. Все дорогостоящие (плюс стоимость вывода на соответствующие орбиты) приборы, аппараты, сооружения (станции) подвергаются агрессивному воздействию различных облучений (элементарных частиц, ионов, электромагнитных излучений…), и долговечность их ограничена. Станцию «Мир» пришлось контролируемо затопить в океане из-за разрастания течей.

Покрытие космических изделий и конструкций нанопленочной наномагнезией перед выводом на орбиту позволяет значительно продлить их срок службы, что очень важно с точки зрения сокращения громадных космических расходов.

5. Годовой тоннаж мирового производства лакокрасочных материалов (ЛКМ) составляет ~ 30 миллионов тонн. Почти 6 кг ЛКМ на душу населения Земли ежегодно. Как видно, объем мирового производства ЛКМ очень велик, уступает по тоннажу, пожалуй, только пищевым продуктам, нефтепродуктам, металлам, цементу. Более того, потребление и, соответственно, производство ЛКМ нарастает из года в год.

Многие объекты, особенно находящиеся (эксплуатирующиеся) под открытым небом, периодически "переодевают", иногда ежегодно. Из множества эксплуатационных характеристик лакокрасочных покрытий важную роль отводят декоративности, особенно, цвету. И белые, и одноцветные, и разноцветные (картины, плакаты), и прозрачные лакокрасочные покрытия со временем желтеют, тускнеют, мутнеют, выцвечиваются, т.е. теряют первоначальные декоративные качества.

Значительно продлить срок "цветовой службы" лакокрасочных покрытий можно с помощью наномагнезии. Дело в том, что выцвечивание свеженанесенного лакокрасочного покрытия под открытым небом у поверхности Земли происходит в основном под воздействием ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения. Пусть обычное лакокрасочное покрытие выцвечивается на 50% от первоначального цвета в течение 5 лет. С наномагнезиальной защитой такое же выцвечивание может происходить в течение 50 и более лет. Практически цвет лакокрасочного покрытия становится вечным.

Использование лакокрасочных покрытий с защитными частицами наномагнезии сулит огромную экономию владельцам зданий, сооружений, судов, самолетов, поездов, автомобилей, машин, аппаратов, агрегатов, знаков, указателей, инструментов, особенно, эксплуатирующихся под открытым небом, поскольку не потребуется их периодическое перекрашивание.

Производители же ЛКМ смогут компенсировать потери доходов от сокращения объемов потребления их продукции производством новых, более дорогостоящих, но более долговечных (практически вечных) ЛКМ. Сокращение производства ЛКМ - важный вклад в актуальное Дело Оздоровления Планетарной Экологии, поскольку не только производство синтетических красителей и органических растворителей ЛКМ, но и операции подготовки, нанесения и сушки лакокрасочных покрытий экологически не безопасны и вредны для здоровья людей.

6. В мире лишь несколько холодных стран. Канада, США (Аляска), Дания (Гренландия), Исландия, Норвегия, Швеция, Финляндия и Россия. Остальные страны – теплые и жаркие. Даже в холодных странах в летние сезоны с жарой борются с помощью кондиционеров. Энергетические затраты на охлаждение сопоставимы с таковыми на обогрев. В будущем же, учитывая потепление климата, на охлаждение будут тратить энергии больше, чем на обогрев. И все это посредством «черной» угле-, углеводородной энергетики, рост которой, в свою очередь, усиливает потепление климата.

Чтобы меньше тратить энергии на кондиционирование, необходим принципиально иной способ охлаждения. Нагрев помещения в основном идет через обращенные на южную (северную в Южном полушарии) сторону окна, которые становятся все шире (иногда на всю стену).

Если на стекла нанести наночастицы наномагнезии в водостойкой оболочке, то они будут, во-первых, отражать солнечное излучение, а во вторых, преобразовывать ультрафиолетовые лучи не в тепло (в стекле), а в «холодный» видимый свет. Очевидно, нагрев помещения значительно снизится. Более того, наномагнезией можно покрыть и наружные стены, и крыши домов, зданий и сооружений.

На зимний сезон наномагнезиальные покрытия окон, наружных стен и крыш можно удалять растворителем водостойкой оболочки (наномагнезия выветрится или превратится в гидроксид магния, легко смываемый водой/дождевыми каплями). Экономическая и экологическая выгода для потребителя такого способа охлаждения помещений в жаркие сезоны не вызывает никаких сомнений (сокращение расходов на электроэнергию, соответственно, выбросов «черной» энергетики).

7. Какие бы причины возникновения озоновых дыр ни были, важно то, что де-факто озоновые дыры прогрессируют, т.е. их становится все больше и шире. А это – нарастание ультрафиолетовой угрозы всему живому на Земле, в том числе и человечеству. Ультрафиолетовая угроза – глобальная угроза. Как уберечься от этой глобальной угрозы?

Возможны два решения: глобальное и локальное (индивидуальное). Для обоих решений необходим «агент» (препарат, материал) и способ «активации агента». «Агент» должен обладать следующими свойствами:

- эффективно утилизировать ультрафиолетовые лучи, превращать их в нечто полезное, или, по меньшей мере – в безвредное для жизни;

- не порождать каких-либо опасных последствий применения;

Такими свойствами обладает наномагнезия, которая эффективно поглощает ультрафиолетовые лучи и преобразовывает их в видимый свет. Магнезия при взаимодействии с молекулами воды и углекислым газом постепенно переходит в гидроксид магния, карбонат магния и другие соли магния, совершенно безвредные, более того, полезные для жизнедеятельности всех структур и организмов.

Глобальное решение состоит в том, чтобы распылять частицы наномагнезии в атмосфере. Эти частицы в атмосфере будут отражать солнечную радиацию – главную причину потепления климата, и преобразовывать ультрафиолетовые лучи в видимые. Распылять можно через трубы. Труб на свете, как известно, очень много: трубы электростанций; трубы заводов и фабрик; трубы судов, автомобилей, самолетов; печные трубы. Не дорогостоящие «боковые» устройства к трубам позволят выдувать в атмосферу наночастицы наномагнезии. В экстренных случаях можно выстреливать в небо по технологии салютов и фейерверков.

Локальное (индивидуальное) решение состоит в применении жидкостных покрытий, содержащих наночастицы наномагнезии. Это могут быть неводные золи для растений и животных, которые можно разбрызгивать всеми известными способами и устройствами, например пульверизаторами, садовыми распылителями, тракторами, самолетами. Для человека годны всевозможные мази, крема, лосьоны, которые «замешиваются» на неводных пленкообразователях и наночастицах наномагнезии. Конечно, эти препараты должны легко смываться водой. Причем, препараты эти не обязательно только антизагарные. Прозрачные наночастицы наномагнезии не испортят никакую парфюмерию. Озоновые дыры бывают не только в теплые и жаркие сезоны, но и зимой. Поэтому содержание наномагнезии в широком ассортименте парфюмерной продукции гарантированно защитит человечество, особенно женщин, от ультрафиолетовой угрозы.

8. С конца XX века потепление климата становится уже постоянной темой дискуссий на международных, межправительственных, правительственных уровнях. Ограничения выбросов парниковых и антиозоновых газов не приводят к заметной стабилизации экологической обстановки. Потепление климата продолжается. Чтобы избежать планетарной экологической катастрофы, нужно остановить потепление климата. Для этого требуется сбавить темпы роста промышленности, в первую очередь – энергетики. Но остановить производство и потребление «черной» энергии человечество не в состоянии. Тупик.

Есть единственный выход из тупика - охлаждать поверхность Земли и прилегающие слои атмосферы. Охлаждать путем отражения солнечной радиации - главного источника тепла у поверхности Земли. Если бы удалось отразить хотя бы небольшую долю солнечной радиации на Землю, то это, возможно, охладило бы на те самые критические 3-5ºС, на которые по прогнозам специалистов поднимется средняя температура Земли в течение ближайших 50 лет.

При условии пропорционального времени роста средней температуры за 1 год потребовалось бы снижать среднюю температуру на 0,1 С. Для этого достаточно было бы отразить приблизительно 0,1% солнечной радиации.

В настоящее время рассматриваются различные предложения по охлаждению Земли. Существуют как пространственные, так и поверхностные проекты. По одному из пространственных проектов предлагается запустить в Космос для отражения Солнечной радиации миллионы легких линз диаметром до 60 см. По другому - разместить в стратосфере малые светлые частицы серы, которые также призваны отражать Солнечную радиацию. К поверхностным проектам, которые частично уже реализуются, относятся: устройство плавучих островов белого цвета в морях; накрывание песков белым пластиком.

В пространственных проектах не предусмотрено прерывание процесса, на случай переохлаждения Земли, наступления искусственного "ледникового периода", что также катастрофично. Допустим, удалось бы разместить линзы в Космосе. А как их собирать или уничтожать при необходимости? Также и с серой. А еще: не прольются ли сернокислотные дожди? Принцип "не навреди" явно не учтен. Перечисленных основных недостатков лишено наномагнезиальное охлаждение Земли.

Суть наномагнезиального охлаждения Земли состоит в том, чтобы в ближней атмосфере Земли разместить (распылить) частицы наномагнезии. Поскольку частицы белого цвета, то они будут отражать солнечное излучение. Кроме того, эти частицы будут поглощать ультрафиолетовую составляющую солнечного излучения, и преобразовывать не в тепло, а в холодное видимое излучение.

Главные преимущества наномагнезиального охлаждения:

- соответствие принципу "не навреди";

- универсальность, т.е. и локальность, и глобальность;

- неограниченность (возобновляемость) ресурсов;

- относительная дешевизна.

В числе поверхностных способов охлаждения Земли можно рассматривать покраску белыми ЛКМ с наночастицами наномагнезии крыш зданий, домов, вилл, коттеджей, дач, верхних частей сооружений, судов, вагонов поездов, автомобилей, дорог… - всех рукотворных объектов, поверхности которых обращены к солнцу, к небу (для отражения солнечной радиации в сторону от Земли).

ЛИТЕРАТУРА

1. Мамбетерзина Г.К., Ким С.Г. Повышение долговечности и световой отдачи разрядных источников света. Светотехника, № 3, 2005, с.60-61.

2. Источники энергии. «Информационное издание», Вып. 3, Научный издательский центр «Наука и техника», Санкт-Петербург, 1997, 110 с.

3. Ким С.Г., Мамбетерзина Г.К. Альтернативная энергетика на возобновляемом источнике энергии и полупроводниковых топливных элементах. Индустрия Казахстана, №4 (48), апрель 2006, с. 39-42.

4. Коровин Н.В. Новые химические источники тока. М.: «Энергия», 1972, 184 с.

5. Популярная библиотека химических элементов. Книга первая, М.: «Наука», 1983, 576 с.