До поры до времени притворяясь простым автопроизводителем , компания из Лихтенштейна nanoFlowcell изобрела новую экологически чистую « нефть».

Широкая дверь Quant E открывает доступ и к переднему, и к заднему сиденью одновременно. Ее ширина превышает два метра.

Нунцио ла Веккия, технический директор и визионер лихтенштейнской компании nanoFlowcell, — мастер делать столь громкие заявления, что от них волосы на голове становятся дыбом. Оцените мощь посыла: «Наша методика целенаправленных исследований позволила нам прорваться сквозь барьеры, установленные квантовой химией». Или чуть точнее: «Физические и химические границы, установленные уравнением Нернста (лауреат Нобелевской премии по химии, связавший термодинамику с электрохимией. — Прим. ред.), были отодвинуты нами настолько далеко, что мы не могли поверить глазам».

Однако не спешите снисходительно улыбаться. Сначала оцените характеристики первого концептуального автомобиля Веккии, nanoFlowcell Quant e-Sportlimousine. Четыре электродвигателя выдают 925 л.с. пиковой мощности и развивают чудовищный крутящий момент 2900 Н•м — это тяга, которую невозможно реализовать даже теоретически, поэтому электронике приходится непрерывно умерять бешеный пыл моторов. Четырехместный спорткар длиной 5257 мм выстреливает до сотни за 2,8 с и разгоняется до 380 км/ч. И этот монстр уже получил от властей разрешение беспрепятственно колесить по дорогам Европы. И главное: пробег Quant e на одной зарядке (или заправке!) достигает 600 км, а чуть более близкий к жизни и к серии компактный спорткар nanoFlowcell Quantino, согласно обещаниям, будет проезжать до 1000 км без кормежки.

Самый массивный элемент конструкции Quant E — топливный бак, две емкости по 200 л каждая. Запас ионных жидкостей хранится максимально низко и близко к центру кузова — в центральном тоннеле.

На самом деле автомобили, каких свет еще не видывал, — вовсе не главное детище фирмы. Они служат лишь первыми демонстраторами технологии потоковых батарей nanoFlowcell, с помощью которых компания обещает перевернуть представления об энергетике в исторических масштабах.

Два слова о химии

Технология потоковых батарей уходит корнями в космическую отрасль: впервые подобный источник энергии был запатентован NASA в 1976 году и предназначался для обеспечения энергией космических аппаратов. Он сочетает в себе конструктивные принципы и преимущества традиционных аккумуляторов, топливных ячеек и даже двигателей внутреннего сгорания.

nanoFlowcell Quant F «Попробуйте догоните нас!» — этой фразой создатели описывают электромобиль Quant F (наследник Quant E), намекая, что его скорость — всего лишь метафора, характеризующая стремительность научных разработок специалистов nanoFlowcell. Разработки эти развивают максималку свыше 300 км/ч и разгоняются до 100 км/ч за 2,8 с при запасе хода до 800 км. Помимо невиданных динамических характеристик автомобиль может похвастаться сенсорными органами управления, спрятанными под деревянной отделкой салона, и дисплеем на центральной консоли шириной 1,25 м. Длина гиперкара — 5257 мм, колесная база — 3198 мм. Интересна и ширина дверного проема — более 2 м.

Потоковые батареи можно как перезаряжать, так и мгновенно заправлять новым электролитом, словно бензином. Они не имеют эффекта памяти и не уменьшают емкости с годами. В теории у них нет технологического предела по емкости (зависит от объема «топливных» баков) и мощности (зависит от размеров реактора). Проблема лишь в том, что до недавнего времени они были крайне неэффективны с точки зрения сочетания всех этих параметров, то есть давали небольшое напряжение и мощность при слишком больших размерах. Специалисты nanoFlowcell утверждают, что им удалось упаковать в литр электроактивной жидкости небывалое количество энергии с помощью нанотехнологий. Состав «топлива», технология его производства и конструкция энергетической ячейки, разумеется, держатся в строжайшем секрете.

nanoFlowcell Quantino Несмотря на невероятные для субкомпактного авто 22-дюймовые колеса, хетчбэк Quantino наиболее близок к серийному производству. По обещаниям nanoFlowcell, он порадует будущих владельцев 1000-км запасом хода и ценой, соответствующей его размерам. Яркая особенность Quantino — низковольтная энергетическая установка с напряжением всего 50 В. Подобные системы требуют слишком большой силы тока, чтобы развить приемлемую мощность, поэтому раньше они устанавливались только на крохотные гольф-кары. Двигатели Quantino развивают достойные 134 л.с., что демонстрирует колоссальный энергетический потенциал nanoFlowcell. Преимущество низковольтной системы — отсутствие риска искрового разряда, чреватого пожаром.

Чтобы разобраться, как работают современные потоковые батареи, стоит освежить в памяти принцип действия более простых источников энергии. Напомним, что в самом простом гальваническом элементе, например пальчиковой батарейке, анод (отрицательный электрод) и катод (положительный электрод) разделены электролитом — раствором, проводящим электрический ток за счет подвижности содержащихся в нем ионов. На поверхности анода протекает реакция окисления, в ходе которой высвобождаются положительные ионы и свободные электроны. На поверхности катода идет реакция восстановления, протекающая с поглощением свободных электронов и положительных ионов. При этом положительные ионы движутся от анода к катоду через электролит, а отрицательные — через нагрузку: электромотор, лампу или иную электрическую схему.

В самых простых угольных батарейках цинковый стакан, который служит анодом, постепенно растворяется, отдавая ионы и электроны. В перезаряжаемых аккумуляторах процессы окисления и восстановления обратимы. К примеру, в литий-ионных элементах положительно заряженные ионы лития переходят от катода к аноду при зарядке и от анода к катоду при разрядке. Независимо от характеристик, большинство привычных нам батареек и аккумуляторов роднит замкнутая конструкция. В их закрытом корпусе содержатся и электроды, и электролит, и запас электроактивных элементов (поставщиков расходных материалов для реакций), в роли которых, как правило, выступают сами электроды. Это значит, что и мощность, и емкость батареи ограничены размерами ее корпуса.

Этого недостатка лишены потоковые батареи, в которых электролит содержит растворенные электроактивные вещества, хранится в отдельных баках и прокачивается насосами через топливную ячейку. В классической потоковой батарее redox (сокращение от reduction-oxidation, восстановление-окисление) имеется два бака: в одном хранится жидкость для окислительной реакции, в другом — для восстановительной.

Для движения автомобиля nanoFlowcell используется энергия химических связей в электроактивных жидкостях двух видов. В топливной ячейке она преобразуется в электрическую энергию, которая накапливается в суперконденсаторах. Конденсаторы могут отдавать большие порции энергии за короткое время, они обеспечивают высокую пиковую мощность силовой установки.

Топливная ячейка состоит из двух электродов, разделенных мембраной. Мембрана препятствует смешиванию жидкостей между собой, но не препятствует ионному обмену между электродами. Продукты окислительно-восстановительных реакций удаляются из ячейки вместе с протекающей жидкостью, которая по замкнутому контуру возвращается обратно в бак.

Зарядка и разрядка в потоковой батарее происходят так же, как и в любой другой: во время работы концентрация электроактивных веществ в баках падает, а во время зарядки — растет. Емкость потокового аккумулятора зависит от размеров топливных баков, поэтому потенциал данной конструкции трудно переоценить. Мало того, при необходимости быстро пополнить заряд жидкость можно просто заменить. Это так же просто и удобно, как заправить бензиновый автомобиль.

Однако мощность потоковой батареи по‑прежнему определяется размерами электродов в топливной ячейке и интенсивностью происходящих на ней реакций. Именно поэтому до недавнего времени перспективы таких источников питания в промышленности, особенно в автомобильной, были не радужными.

Разделяй и властвуй По принципу действия потоковые батареи практически не отличаются от обычных. Разница состоит лишь в том, что электроактивные вещества в них хранятся в отдельных баках и поставляются к электродам насосами.

Нанореволюция

Что стоит за витиеватыми высказываниями Нунцио ла Веккии о нанотехнологиях и квантовой химии? Очевидный путь к повышению мощности топливной ячейки — увеличение площади поверхности электрода: ведь именно на ней протекает химическая реакция и вырабатываются заветные электроны. Самый простой путь — экспериментировать с геометрической формой электродов: сворачивать их в спираль, гофрировать, придавать им самые причудливые формы, чтобы увеличить площадь поверхности, не выходя за приемлемые габариты ячейки. И конечно же, любой производитель батарей уже выжал весь потенциал геометрии досуха.

В своей цюрихской лаборатории специалисты nanoFlowcell экспериментировали не с конструкцией ячейки и не с химическим составом электродов. Объектом их изысканий была так называемая жидкость. Помимо электроактивных веществ она содержит кристаллические наночастицы, способные формировать в непосредственной близости от электродов пространственные структуры. В результате заряд формируется не только на поверхности электродов, но и в пространстве вокруг них, в самой жидкости. Пространство, в котором происходит реакция, оказывается многократно больше обычного.

При выходном напряжении 600 В и токе в 50 А аккумуляторная установка nanoFlowcell выдает 30 кВт мощности. При сопоставимой массе ее емкость в пять раз превышает емкость литий-ионных батарей. Один литр «ионной жидкости» вмещает 11 400 Вт•ч, что в 400 раз больше, чем в обычном свинцовом автомобильном аккумуляторе. Приятные бонусы — практически полное отсутствие склонности к саморазряду и гарантированный ресурс в 10 000 зарядных циклов.

Однако в обычную машину такую батарею не поставишь. Автомобили Quant E, Quant F и Quantino пришлось проектировать буквально вокруг аккумуляторной установки. Судите сами: объем топливных баков Quant E — 200 л каждый. 400 л ионной жидкости нужно разместить без ущерба для комфорта и управляемости. Потоковая батарея неустанно вырабатывает электроэнергию, которая запасается в емких суперконденсаторах. Эти устройства способны отдавать энергию очень быстро большими порциями, именно они обеспечивают столь внушительную пиковую мощность и динамические характеристики автомобиля. В них же запасается энергия торможения машины.

Когда заряд батареи подходит к концу, владелец авто направляется вовсе не к ближайшей розетке, а на заправку. Компания разработала специальный заправочный терминал высокого давления с двойными шлангами и пистолетами, который позволяет быстро заполнить баки новым комплектом ионных жидкостей.

Мировое господство

Очевидно, что конечная цель nanoFlowcell — вовсе не скромное место под солнцем на тесном конкурентном рынке автопроизводителей. Скорее, это мировое господство. Сайт компании рисует нам радужные перспективы: на волшебном двухкомпонентном топливе будут работать легковушки и грузовики, корабли и самолеты, поезда и даже домашние электроприборы. Складывается впечатление, что лихтенштейнцы нашли единственную в мире скважину с патентованной нефтью принципиально нового качества.

Пожалуй, стоит пожелать им удачи: специалисты компании заверяют, что технология производства и топливных ячеек, и самой ионной жидкости чрезвычайно дружелюбна к окружающей среде, к тому же в ней не используются драгоценные и редкоземельные металлы. Нам же, простым смертным, она обещает быстрые, удобные и экономичные автомобили в самом ближайшем (со слов Нунцио ла Веккии) будущем. nanoFlowcell