Donalds Sadovejs: Iztrūkstošais posms ceļā uz atjaunīgo enerģiju

Ziniet, elektrība šīs zāles apgaismojumam tika saražota tikai pirms dažiem mirkļiem. Jo pašreizējā situācija ir tāda, ka elektrības patēriņam ir jābūt nepārtrauktā līdzsvarā, ar elektrības apgādi. Ja tajā laika sprīdī, kurā es uznācu uz šīs skatuves, daži desmiti megavatu vēja enerģijas pārstātu ieplūst tīklā, tad radusies starpība būtu nekavējoties jākompensē no citiem ģeneratoriem. Bet ogļu stacijas un atomstacijas nespēj reaģēt pietiekami ātri. Milzīgs akumulators gan spētu. Ar milzīgu akumulatoru, mēs varētu atrisināt nepastāvības problēmas, kas kavē saules un vēja enerģijas jaudu ieguldījumu kopējā tīklā tā, kā to šobrīd dara ogles, gāze vai kodolenerģija.

Redziet, šajā gadījumā akumulators paver tādu iespēju. Ar tā palīdzību mēs varētu izmantot saules enerģiju arī tad, kad saule nespīd. Tas visu mainītu, jo tad atjaunīgie energoresursi kā saules un vēja enerģija, iznāktu no nomales, uz centrālo skatuvi. Šodien es jums pastāstīšu par šādu ierīci. To sauc par šķidro metālu akumulatoru. Tas ir jauns enerģijas uzkrāšanas veids, ko es izgudroju MTI, kopā ar studentu un doktorantu komandu.

Šī gada TED konferences tēma ir „Pilns spektrs”. Oksfordas angļu valodas vārdnīca definē spektru kā „Visa viļņu garuma elektromagnētisko starojumu, sākot no visgarākajiem radioviļņiem, līdz pat visīsākajiem gamma viļņiem, no kā redzamās gaismas apgabals ir tikai neliela daļa.” Tādēļ, es šeit esmu, lai pastāstītu ne tikai to, kā mana komanda MTI atrada risinājumu vienai no pasaules lielajām problēmām. Es izmantošu pilnu spektru un pastāstīšu jums kā šīs tehnoloģijas attīstības procesā, mēs guvām vairākas neparastas atziņas, kas var kalpot kā mācība inovācijām, un idejām, kuras ir vērts izplatīt. Ziniet, ja mēs gribam izkustināt mūsu valsti no pašreizējās enerģētikas situācijas, mēs nevaram to paveikt tikai taupot, mēs nevaram to paveikt tikai urbjot naftu, mēs nevaram to paveikt karojot. Mēs varam to paveikt vecajā labajā amerikāņu veidā, mēs varam to paveikt izgudrojot, strādājot plecu pie pleca.

(Aplausi)

Ķersimies klāt. Bateriju izgudroja aptuveni pirms 200 gadiem. To paveica kāds profesors, Alesandro Volta, Padujas Universitātē, Itālijā. Viņa izgudrojums radīja jaunu zinātnes nozari, elektroķīmiju, un jaunas tehnoloģijas, piemēram, elektrogalvanizāciju. Ko pamanīja mazāk: Voltas baterijas izgudrošana pirmo reizi nodemonstrēja arī profesoru noderīgumu. (Smiekli) Līdz Voltam neviens nevarēja iedomāties, ka no profesoriem būtu praktisks labums.

Lūk, pirmā bateriņa, stabiņš ar cinka un sudraba monētām, ar starplikām no salsūdenī mērcēta kartona. Šis ir sākuma punkts akumulatoru dizainam: divi elektrodi, šajā gadījumā dažādi metāli, un elektrolīts, šajā gadījumā ūdenī izšķīdināts sāls. Tik vienkārša ir zinātne. Protams, es izlaidu dažas detaļas.

Es jums parādīju, ka ar akumulatoriem saistītā zinātne ir vienkārša, un vajadzība pēc elektrotīkla līmeņa akumulācijas jaudām ir pārliecinoša. Taču lieta tāda, ka šobrīd vienkārši nav akumulatoru tehnoloģijas, kas atbilstu elektrotīkla līmeņa tehniskajām prasībām, teiksim, neparasti augstai jaudai, ilgam kalpošanas mūžam un īpaši zemām izmaksām. Mums ir jāaplūko problēma citādāk. Mums ir jādomā lielā mērogā, mums ir jādomā zemu izmaksu griezumā.

Tāpēc atmetīsim to pieeju, vispirms meklējot kolosālāko ķīmisku savienojumu, un tad cerot, ka izdosies samazināt vienas vienības cenu, ražojot produktu lielos apjomos. Tā vietā izgudrosim tā, lai piemērotos esošajām cenām elektrības tirgū. Tas nozīmē, ka atsevišķas periodiskās tabulas daļas jau neapšaubāmi atkrīt. Šim akumulatoram ir jābūt veidotam no elementiem, kuru uz Zemes ir daudz. Es saku, ja gribat uztaisīt kaut ko tik lēti kā dubļi, tad taisiet to no dubļiem. (Smiekli) Priekšroku dodot dubļiem, kas ir vietējās izcelsmes. Šī akumulatora ražošanas tehnoloģijai ir jābūt vienkāršai, lai to var darīt fabrikās, kas nemaksā veselu bagātību.

Tātad, pirms gadiem sešiem, es sāku domāt par šo jautājumu. Lai paskatītos uz to no svaiga skatpunkta, es meklēju iedvesmu ārpus enerģijas uzglabāšanas jomas. Es aplūkoju tehnoloģiju, kas nedz uzglabā, nedz ražo elektrību, bet gan elektrību milzīgos apjomos patērē. Es runāju par alumīnija ražošanu. Procesu izgudroja 1886.gadā pāris 22 gadnieku. Hols ASV un Herols Francijā. Dažu gadu laikā, kopš viņu izgudrojuma, alumīnijs pārtapa no dārgmetāla, kas bija sudraba cenā, par parastu, plaši izmantotu materiālu.

Te jūs redzat modernu alumīnija ražotni. Tā ir kādus 15m plata un stiepjas pusjūdzes augstumā. Rinda pēc rindas ar šūnām, kas iekšēji atgādina Volta bateriju, bet ar trim būtiskām atšķirībām. Voltas baterija darbojas istabas temperatūrā. Tajā ietilpst cieta materiāla elektrodi un elektrolīts, kas ir ūdens un sāls šķīdums. Hola-Herola šūna strādā augstā temperatūrā, temperatūrā, kas ir pietiekami augsta, lai alumīnijs būtu šķidrs. Elektrolīts nav vis ūdens un sāls šķīdums, bet gan izkausēts sāls. Tā ir šī šķidrā metāla, šķidrā sāls un augstās temperatūras kombinācija, kas pieļauj augstas strāvas plūsmu caur to. Šobrīd mēs varam saražot metālu no rūdas par mazāk kā 50 centiem mārciņā. Tas ir ekonomisks brīnums, ko radījusi mūsdienu elektrometalurģija.

Tieši tas piesaistīja un noturēja manu uzmanību līdz tam, ka es kļuvu apsēsts ar domu par tāda akumulatora izgudrošanu, kas spētu gūt labumu no šīs gigantiskās apjoma ekonomijas. Es to izdarīju. Es izgudroju pilnībā šķidru akumulatoru: abi elektrodi no šķidriem metāliem un elektrolīts no izkausēta sāls. Es jums parādīšu kā. Es liku zema blīvuma šķidro metālu augšpusē, augsta blīvuma šķidro metālu apakšpusē, un šķidro sāli pa vidu.

Un nu, kā lai izvēlas metālus? Šāds uzdevums man vienmēr sākas te, ar periodisko tabulu, ko radījis vēl kāds profesors, Dmitrijs Mendeļejevs. Viss, ko mēs pazīstam, ir veidots kombinācijā no šeit redzamajiem elementiem. Tostarp mūsu pašu ķermeņi. Es atceros to brīdi, kad kādudien meklēju metālu pāri, kas atbilstu nosacījumiem: pieejami lielos apjomos, ar krasi atšķirīgu blīvumu un augstu savstarpējo reaģētspēju. Es sajutu atklājuma saviļņojumu, kad sapratu, ka esmu nonācis pie atbildes. Magnijs augšējam slānim un antimons apakšējam slānim. Ziniet, man jums jāpasaka, viens no lielākajiem labumiem, strādājot par profesoru: krāsainie krītiņi.

(Smiekli)

Tātad, lai rastos strāva, magnijs atdod divus elektronus kļūstot par magnija jonu, kas tad migrē caur elektrolītu, piesaista divus antimona elektronus, un sajaucas ar to, veidojot sakausējumu. Elektroni dodas pastrādāt reālajā pasaulē, darbinot mūsu ierīces. Lai uzlādētu akumulatoru, mēs pievienojam elektrības ražotāju. Piemēram, vēja ģeneratoru parku. Un palaižam strāvu pretējā virzienā. Tas piespiež magniju atdalīties un atgriezties augšējā elektrodā, tā atjaunojot sākotnējo akumulatora sastāvu. Strāva, kas plūst caur elektrodiem, rada pietiekamu siltumu, lai to noturētu vajadzīgajā temperatūrā.

Tas ir diezgan kolosāli, vismaz teorijā. Taču vai tas tiešām strādā? Ko darīt tālāk? Dodamies uz laboratoriju. Vai es pieņēmu darbā pieredzējušus speciālistus? Nē, es pieņēmu darbā studentu un viņu apmācīju, apmācīju, kā domāt par jautājumu, kā saredzēt to no manas perspektīvas, un tad palaidu savā vaļā. Šis ir tas students, Deivids Bredvels. Izskatās, ka šajā fotogrāfijā, viņš prāto, vai tas jelkad vispār strādās. Es Deividam tolaik nepateicu, ka man pašam nebija pārliecības, ka tas strādās.

Taču Deivids bija jauns un gudrs, un gribēja doktora grādu, un tik turpināja taisīt. (Smiekli) Viņš turpināja taisīt pasaulē pirmo šķidro metālu akumulatoru ar šādu ķīmisko sastāvu. Balstoties uz Deivida pirmajiem daudzsološajiem rezultātiem, ko apmaksāja MTI sēklas fonds, es varēju piesaistīt būtiskāku pētniecības finansējumu no privātā sektora un federālajām programmām. Tas man ļāva paplašināt grupu līdz 20 pētniekiem, kuru vidū bija maģistranti, doktoranti un pat daži bakalauri.

Es varēju piesaistīt ļoti, ļoti labus pētniekus, cilvēkus, kuri arī bija aizrautīgi gan zinātnē, gan kalpošanā sabiedrībai, nevis skatījās uz zinātni tikai kā uz karjeras kāpnēm. Ja pajautāsit šiem cilvēkiem, kādēļ viņi strādā pie šķidro metālu akumulatora, viņu atbilde atsauksies uz Prezidenta Kenedija sacīto Raisa universitātē 1962.gadā, kur viņš teica, un es nedaudz pielabošu: „Mēs vēlamies strādāt pie elektrotīkla līmeņa uzglabāšanas jaudām ne tāpēc, ka tas būtu viegli, bet tāpēc, ka tas ir grūti.”

(Aplausi)

Lūk, šķidro metālu akumulatora attīstība. Mēs sākām ar mūsu darba zirdziņu — vienas vatstundas šūnu. Mēs to nosaucām par mēriņu. Mēs esam izmēģinājuši vairāk kā 400 tādu, uzlabojot to darba rādītājus ar dažādām vielām, ne tikai magniju un antimonu. Darba gaitā mēs palielinājām līdz 20 vatstundu šūnai. To mēs nosaucām par hokeja ripu. Tā uzrādīja tos pašus apbrīnojamos rādītājus. Tad mēs izveidojām apakštases lieluma modeli. Tam ir 200 vatstundu jauda. Tehnoloģija sevi pierādīja kā vienkārša un mērogā palielināma. Taču mēs gribējām attīstīties ātrāk. Pirms pusotra gada, mēs ar Deividu un vēl kādu pētnieku, nodibinājām uzņēmumu, lai paātrinātu attīstības tempu un pietuvotos produkta ražošanai.

Šobrīd LMBC uzņēmumā, mēs būvējam šūnas 16 collu diametrā un ar 1 kilovatstundas lielu ietilpību, 1000 reizes lielāku, kā tai pirmajai mēriņa šūnai. Šo mēs nosaucām par picu. Saredzamā attālumā mums ir 4 kilovatstundu šūna. Tā būs ar 36 collu diametru. To mēs saucam par ēdamgaldu, taču tā vēl nav pieejama pilnai apskatei. Viens no šīs tehnoloģijas attīstības variantiem ir sakraut šādus „ēdamgaldus" moduļos un moduļus apvienot lielā akumulatorā, kas ietilpst 12 pēdu lielā jūras tvertnē ko var novietot āra apstākļos. Tā plānotā ietilpība ir 2 megavatstundas, divi miljoni vatstundu. Ar šo enerģiju pietiek, lai nosegtu ikdienas elektrības vajadzības 200 Amerikas mājsaimniecībām. Te nu tas ir, elektrotīkla līmeņa akumulators: kluss, bez izmešiem, bez kustīgām daļām, attālināti vadāms, radīts atbilstoši pašreizējām cenām tirgū, bez vajadzības pēc subsīdijām.

Ko mēs no tā visa esam iemācījušies? (Aplausi) Ko mēs no tā visa esam iemācījušies? Es padalīšos ar jums ar dažām neparastām atziņām, kas slēpjas aiz acīmredzamajām lietām. Temperatūra: parastā pieeja iesaka to noteikt zemu, tuvu istabas temperatūrai, un tad ieviest kontroles sistēmu, lai to saglabātu šādā līmenī, lai novērstu ķēdes reakciju un pārkaršanu. Šķidro metālu akumulators ir radīts darbam paaugstinātā temperatūrā ar minimālu regulējumu. Mūsu akumulators tiek galā ar ļoti lieliem temperatūras pieaugumiem, kas rodas no strāvas svārstībām. Mērogs: parastā pieeja nosaka izmaksu samazināšanu ražojot lielā apjomā. Šķidro metālu akumulators ir radīts izmaksu samazināšanai, ražojot mazāku skaitu, taču lielākus. Visbeidzot, cilvēku resursi: parastā pieeja iesaka nolīgt darbā akumulatoru ekspertus, nobriedušus profesionāļus, kas var likt lietā savu plašo pieredzi un zināšanās. Lai radītu šķidro metālu akumulatoru, es nolīgu darbā studentus un doktorantus un viņus apmācīju. Veidojot akumulatoru, es tiecos palielināt elektrisko potenciālu. Mācot un vadot cilvēkus, es tiecos palielināt cilvēku potenciālu. Redziet, šķidro metālu akumulatora stāsts ir kas vairāk, kā tikai stāsts par tehnoloģijas izgudrošanu. Tas ir paraugs tam, kā pilnā spektrā radīt izgudrotājus.

(Aplausi)