От квантов до батарейки: как нобелевские лауреаты создали современную энергетику
На днях мировое научное сообщество с замиранием сердца услышало имена Нобелевских лауреатов 2022 года. «Моя энергия» вспоминает ученых, удостоенных престижной награды за открытия, которые сформировали сегодняшнюю энергетику и навсегда изменили нашу жизнь.
Планк. Открытие квантовой энергии
14 декабря 1900 года Макс Планк во время прогулки с сыном рассказал ему, что совершил открытие, сопоставимое с тем, что сделал Исаак Ньютон. В этот же день Планк на заседании немецкого Физического сообщества презентовал формулу излучения абсолютно черного тела.
В физике таковым называют тело, которое поглощает все попадающее на него излучение. Однако до открытия Планка ни одна из теорий не объясняла получаемые результаты по излучению абсолютно черного тела. Планк вывел формулу, которая помогла правильно рассчитать кривые излучения. Он предположил, что атомы отдают энергию не единым потоком (в этом были уверены его коллеги), а только небольшими и неделимыми порциями, которые физик окрестил «квантами». Ученый предложил использовать физическую постоянную для описания закона распределения энергии в спектре абсолютно черного тела. Эту главную константу квантовой теории назвали в честь ученого — постоянной Планка. Она определяет взаимосвязь величины энергии кванта электромагнитного излучения и его частоты.
Открытие Планка перевернуло физику и породило новую, квантовую теорию, которая не противоречила классической физике. Сам ученый, будучи увлекшимся математикой гуманитарием, потом вспоминал, что цели «сломать систему» у него не было: он лишь хотел подробнее исследовать излучение абсолютно черного тела.
Благодаря квантовой физике исследователи смогли лучше понять историю Вселенной, по-новому посмотреть на периодическую таблицу химических элементов Менделеева, объяснить строение материи на микроуровне. В 1918 году Планк был удостоен Нобелевской премии по физике. Без открытия немецкого ученого мы не могли бы пользоваться электроникой, включая микроволновки, индукционные плиты и смартфоны.
Беккерель и супруги Кюри. Открытие радиоактивности
В 1896 году французский физик Антуан Беккерель открыл радиоактивность. Исследователь изучал флуоресценцию урановой смолки и случайно обнаружил, что даже когда естественный свет не падает на урановый препарат в обертке из бумаги, тот все равно дает некое излучение. Сначала Беккерель считал, что это рентгеновские лучи.
Его исследования продолжили супруги Кюри. Отдельное внимание заслуживает фигура Марии Склодовской-Кюри, которая стала первой женщиной, получившей Нобелевскую премию. Ее путь к награде был полон испытаний и борьбы. Гимназистке-отличнице родом из Польши (тогда Польша входила в состав Российской империи) даже пришлось работать гувернанткой, чтобы накопить на учебу в Париже. В 1891 году она поступила в Сорбонну, где защитила степени магистра физики и математики.
Супруг Марии бросил изучать магнетизм, чтобы помочь жене с исследованиями и договорился с Австрийской академией наук о том, что Австрия бесплатно предоставила образцы отвалов из урановых шахт в Чехии. Мария и Пьер провели титаническую работу, изучив несколько тонн урановой руды. Им удалось открыть новые, неизвестные до сих пор науке химические элементы с более радиоактивными свойствами, чем уран. Супруги Кюри назвали новые элементы, которые затем пополнят таблицу Менделеева, полонием (в честь родины Марии) и радием.
Мария могла бы остаться за кулисами Нобелевской премии: в исходной номинации фигурировали только Пьер Кюри и Анри Беккерель. Но ее супруг рьяно настаивал, что заслуга Марии в открытие радиоактивности ничуть не меньше его собственной. В 1903 году Мария Кюри стала первой женщиной-лауреатом и оставалась единственной до 1935 года, когда Нобелевской премии была удостоена её дочь Ирен.
Все трое — Антуан Беккерель и супруги Кюри — первые французы, ставшие нобелевскими лауреатами в области физики.
Они стали основоположниками ядерной физики. Без их открытий не было бы атомных электростанций, а значит, надежной и недорогой электроэнергии.
Гуденаф. Уиттингем. Йосина. Отцы литий-ионной батарейки
Отец химии твердого тела и индустрии литий-ионных аккумуляторов — так говорят о Джоне Гуденафе, американском ученом, без которого мы не смогли бы заряжать гаджеты, быть на связи с родными или читать этот текст.
Будучи по образованию математиком, Гуденаф почти четверть века посвятил изучению оксидов переходных металлов, разработке магнитных материалов для ранних устройств компьютерной памяти в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института. Однако когда американские ВВС сократили поддержку проектов, которые интересовали Джона, он решил уехать за океан, в Оксфорд. Там, став главой лаборатории неорганической химии, он и сделал свое великое открытие.
Удивительно, но батареи в то время никого особо не интересовали. Бал правили свинцово-кислотные аккумуляторы, ныне используемые для запуска бензиновых и дизельных автомобилей. Аккумуляторы были надежными, но очень громоздкими и тяжелыми.
В Оксфорде ученый встречает своего давнего коллегу — Стэнли Уиттингема — британского химика и материаловеда из Бингемтонского университета (США).
Вместе они работают над твердотельными электролитами. Уиттингему удается придумать первый перезаряжаемый литиевый аккумулятор. В его устройстве ионы лития текли от анода через жидкость к катоду из дисульфида, где они встраивались в листы, а затем снова текли назад, к литиевому аноду. Так батарея заряжалась и разряжалась. Она вышла легкой и работала при комнатной температуре. Но оказалась несовершенной: когда ионы лития возвращались к литиевому аноду, металл накапливался в виде тонких игольчатых структур, известных как дендриты. Они могут протянуться от одного электрода к другому, замкнуть батарею, и она взорвется.
Тут Гуденаф и внес свою лепту в создание батарей. В Оксфорде он изучал магнитные свойства оксидов металлов, в частности кобальта, и заметил, что структура оксидов кобальта похожа на структуру дисульфида титана, которую группа Стэнли Уиттингема использовала в своих катодах. В 1980 году 58-летний ученый предложил использовать твердотельные материалы, а именно кобальтат лития, в качестве материала для катода в батарейках.
Так он снискал славу автора «перезаряжаемого мира» и основателя батарейной индустрии. Он оказался прав: батарея с кобальтом не просто работала, но давала более высокое напряжение, чем батарея Уиттингема, то есть лучше накапливала энергию.
Но это была лишь часть работы. Вторую половину головоломки собрали примерно в тот же период ученые Самар Басу и Ёсино Акира. Их работа показала, что ионы лития могут встраиваться в другой слоистый материал — графит. В 1985 году Акира изготовил прототип литий-ионного аккумулятора и запатентовал его.
В результате Гуденаф совместил все находки воедино и создал мощную батарею с оксидом лития-кобальта в качестве катода и с графитом в качестве анода. Она работала примерно на 4 вольта (в то время как батарея Уиттингема только на 2,4 вольта). И была безопаснее, так как в ней отсутствовал металлический литий.
Тут в игру вступила корпорация Sony — в компании смекнули, что новая батарея способна изменить мир, а также оценили финансовую выгоду от проекта. С 1991 года компания начинает продавать портативную электронику с новыми аккумуляторами.
Однако миру потребовалось еще три десятка лет, чтобы признать заслуги ученых перед человечеством. В 2019 году Джон Гуденаф, Стэнли Уиттингем и Акира Ёсина стали лауреатами Нобелевской премии по химии за участие в разработке литий-ионных аккумуляторов. Гуденафу на момент присуждения премии было 97 лет.