Главная  Энциклопедия Купите нанотрубки и постройте космический лифт!
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
"Купите нанотрубки и постройте космический лифт!"Бюллетень Перст, выпуски 11 и 12 за 2004 год
С.Корецкая
Часть 1NASA реанимировало свой амбициозный проект создания космического лифта для доставки пассажиров и грузов на космические станции. А поводом для этого послужили успехи в технологии изготовления прочных канатов из углеродных нанотрубных композитов - канат из них удержит космический лифт. Композиты на основе нанотрубок в 2 раза легче алюминия, в 100 раз прочнее стали, имеют электрическую проводимость лучше меди и теплопроводность лучше алмаза, они биосовместимы и эластичны. Композиты на основе нанотрубок в 7 раз более прочные, чем композиты на основе углеродных нановолокон. Как сообщает сайт консалтинговой фирмы Cientifica [1], более 100 компаний в мире занято производством нанотрубок и нановолокон, так что общий объем их производства уже приближается к 250 тоннам в год. Производство одностенных углеродных нанотрубок (рус. - ОСНТ, анг. - SWNT) составляет 9 тонн в год с возможностью увеличения до 27 и 100 тонн к 2005 и 2007 году, соответственно, а многостенных (рус. - МСНТ, анг. - MWNT) - 32 тонны в год с увеличением по крайней мере до 268 тонн к 2007 году. Производители в Японии, Корее, Китае и Франции анонсировали запуск производства нанотрубок в промышленных масштабах в ближайшие 3 года. Суммарный рынок нанотрубок оценивается сегодня в 12 млн. долл. и может вырасти к 2005 году до 700 млн. долл. Для каких целей развивается такое большое производство? Первое место по потреблению займут, как ожидается, легкие и прочные композитные материалы для автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленности. Дополнительный рынок обеспечат нанотрубки и композиты на их основе в качестве аккумуляторов водорода; материалов, поглощающих излучение радиолокаторов; заготовок для компакт-дисков; электромагнитных экранов для электронных систем; сверхемкостей в электрических батареях; химических и биологических датчиков; эмиттеров электронов для плоских экранов дисплеев, осветительных ламп и рентгеновских трубок; наноэлектронных интегральных схем; кантилеверов атомно-силовых микроскопов; материалов для спортивного снаряжения (теннисные ракетки, корпуса яхт, рыболовные снасти); технического текстиля.
Рис. Динамика производства углеродных нановолокон и нанотрубок [1]. Проводящий нанотрубный композит, покрывающий корпус автомобиля, позволит исключить необходимость предварительной грунтовки при электростатической распылительной окраске. К тому же, улучшится надежность окраски, снизится воздействие на окружающую среду летучих органических растворителей, используемых в традиционной окраске. Проводящий полимер в системе подачи топлива исключит риск повреждений, вызванных искрой от накапливаемых статических зарядов. Ограничения в продвижении нанотрубок на рынок связаны с основной проблемой - стоимость нанотрубок выше, чем золота. Попытки выяснить стоимость нанотрубок через Интернет выводят, например, на бельгийскую фирму Nanocyl S.A. [5], предлагающую весь возможный ассортимент нанотрубок различного диаметра - прямых и геликоидальных, неочищенных и в разной степени очищенных, многостенных, одностенных и с двумя стенками (см. таблицу 1) и американскую фирму MicrotechNano [6] (см. таблицу 2).
Таблица 1. Стоимость нанотрубок различного типа от ф. Nanocyl S.A. (полный список - на сайте фирмы [5])
Таблица 2. Стоимость нанотрубок от американской компании MicrotechNano.
Диаметр углеродных нанотрубок, нм/Стоимость в $ за грамм
Бельгийская фирма Nanocyl зарегистрирована группой ученых University of Namur в 2002 году и является одной из первых в Европе, активных в области производства нанотрубок, как материала, имеющего большой коммерческий потенциал. В настоящее время все производство сосредоточено в университетской лаборатории и потребляется исследовательскими отделами частных промышленных партнеров. Nanocyl также консультирует промышленные фирмы по перспективным областям применения нанотрубок. Британская ф. Thomas Swan & Co Ltd. [4], сотрудничая с Cambridge University, развернула производство очищенных одностенных нанотрубок по CVD технологии. Swan выпускает композитный материал под фирменной маркой ELICARB™, предназначенный, в частности, для покрытия корпусов автомобилей. Cухой порошок из нанотрубок (средний диаметр меньше 2 нм, длина - мкм, чистота 70%) поставляется в упаковках по 1, 5 и 10 грамм, а по специальному требованию - в упаковках по 100 грамм и даже 1 кг. В Китае зарегистрирована фирма Shenzhen Nanotech Port Co., Ltd. (NTP) на базе нанотехнологических разработок Китайской академии наук [2]. Имея права на независимую интеллектуальную собственность в области нанотехнологий, NTP первой в Китае реализует промышленную технологию производства углеродных нанотрубок, нановолокон и нанографитовых кристаллов. Сегодняшние возможности фирмы - 10 тонн нанотрубок в год, но потенциально фирма может расширить производство для удовлетворения любых запросов. В Японии [3] разрабатывает технологию и производит нанотрубки Mitsui and Co., имеющая свой исследовательский институт Carbon Nanotube Research Institute (CNRI). Mitsui планирует довести производство нанотрубок до 120 тонн в 2004 году. Цель - снизить стоимость УНТ до 300 долл./кг, а в дальнейшем до 100 долл./кг. Однако, S.Iijima, первооткрыватель нанотрубок и руководитель нанотехнологических исследований ф. NEC, скептически высказывается по поводу заявленных планов Mitsui. Согласно Iijima, другие компании в Японии также работают над промышленным производством нанотрубок, но "мягко говоря, мы все еще не достигли стадии разработок, достаточной для массового производства и рынка". Однако, еще до того, как потребительский рынок нанотрубок разовьется, Mitsui будет обеспечивать ими возможных потребителей в Японии, чтобы найти уникальные ниши для использования этих прекрасных материалов. "Первый шаг - поставлять нанотрубные материалы некрупным производителям, способным найти для них приложения" - сказал Shuji Tsuruoka, директор CNRI. Наряду с этим Mitsui ведет переговоры с правительственной организацией Tokyo Metropolitan Government о необходимости создания фирм в Японии с целью освоения различных применений нанотрубок в рамках грантов инновационных программ. Это - классический случай, когда "рука руку моет" - я изготовлю материал, а вы оплатите его покупку для разработки изделий из него. Несколько автомобильных фирм Японии уже разработали основы промышленных применений нанотрубных материалов Mitsui. Из-за отсутствия формальных соглашений с этими фирмами Mitsui не имеет права разглашать информацию о них. В беседах представителя Mitsui с представителями промышленности Японии были предложены оригинальные идеи по возможным применениям, например, используя высокую электропроводность нанотрубок, изготавливать легкие высоковольтные линии электропередач. В России MedChemLabs Inc. (MCL), основной поставщик химических соединений для ВТСП, в 2001 создала отдел NanoCarbLab (NCL) для разработок технологий массового производства и поставок нанотрубных материалов высокой степени очистки. Сегодняшний технологический (дуговой метод) и производственный уровень NCL позволяет синтезировать до 3 граммов одностенных нанотрубок (чистотой от 40 до 90%) в день. С условиями поставок и ценами (они - гибкие, по утверждению сайта фирмы) можно ознакомиться, обратившись на фирму через ее сайт [7]. Но, как сообщает сайт [8], в России можно попробовать получить нанотрубки бесплатно, если обратиться на кафедру нанотехнологии и наноматериалов РХТУ им. Д.И. Менделеева. Здесь под руководством профессора Эдуарда Ракова сконструировали и опробовали установку, в которой из обычного городского газа можно получать углеродные нанотрубки в непрерывном процессе производительностью 10г/ч. В обмен производители хотят только знать, зачем нанотрубки понадобились и что получилось в результате. http://www.cientifica.com/html/docs/Nanotubes%202004_ExSum.pdf http://www.nanospace.org/new_page_64.htm http://www.findarticles.com/cf_dls/m0NTN/ 45/108722552/p1/article.jhtml http://www.inauka.ru/technology/article35619.html
Часть 2Космический лифт (элеватор) - любимое детище NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) - скрученный из углеродных нанотрубок канат длиной 100 тыс. км [1]. Ширина каната около 1м при толщине в бумажный лист. Элеватор физически связан с поверхностью Земли (на морской платформе в районе экватора) и космической станцией на геостационарной орбите или другим космическим объектом (например, Луной). Он может использоваться для доставки на космическую станцию космонавтов и различных грузов. По оценкам, транспортировка грузов в Космос с использованием элеватора не будет превышать 100 долл. за кг (на Шаттле - от 10 тыс. до 40 тыс. долл. за кг). NIAC выделяет 500 тыс. долл. компании HighLift Systems, Inc. для разработки концепции элеватора. Технология углеродных нанотрубок быстро развивается и зарегистрировано много фирм, работающих над этой технологией, так что найдется достаточно производителей, чтобы изготовить канат длиной 100 тыс. км. На создание элеватора потребуется 10 млрд. долл. Финансовая поддержка проекта может придти, например, от компаний, заинтересованных в развитии космического туризма. Компании по производству нанотрубок создаются группами ученых, занятых исследованиями и имеющими интеллектуальную собственность в этой области. Они, как правило, первоначально ставят мелкое производство на базе своих исследовательских лабораторий. Частная компания ApNano Materials (США) [2] основана в 2002 году сотрудниками Weizmann Institute of Science (Израиль). Цель - коммерциализация (производство и продажа) изделий на основе нового класса неорганических наноструктур, открытых группой сотрудников под руководством Prof. Reshef Tenne (www.weizmann.ac.il/materials/msg). До этого открытия существовала точка зрения, что большие сферические молекулы могут быть синтезированы только из углерода (фуллерены). Сотрудники Weizmann Institute впервые в мире синтезировали фуллереноподобные структуры из различных неорганических соединений, в том числе NbS2, MoS2 и WS2. Уникальные наносферы и нанотрубки из этих соединений являются основой для широкого спектра коммерческих продуктов, прежде всего, перспективных твердых смазок для аэрокосмической техники, продукции тяжелого машиностроения, военной техники, для полупроводникового и оптического оборудования. Торговая марка твердых смазок ApNano Materials - NanoLubTM. Eikos, Inc. (США) [3] разрабатывает технологию покрытий на основе углеродных нанотрубок для плоских экранов дисплеев, солнечных батарей, оптических окон взамен покрытий на основе оксидов индий-олова (ITO). Нанотрубные покрытия технологичны, имеют более высокую проводимость, более долговечны. В текущем году Eikos, владелец лицензии на способ изготовления высокопрозрачных углеродных нанотрубных красок (чернил) для проводящих покрытий, получила грант ($860000) от Air Force Research Laboratory на разработку прозрачных проводящих полимеров специально для военных авиационных куполов парашютов. Hyperion Catalysis International (США) [4], основанная в 1982 году для продвижения различных углеродных технологий, включилась в разработку массовой технологии производства нанотрубок сразу после их открытия в 1983 году. В настоящее время компания выпускает проводящие многостенные нанотрубки под торговой маркой FIBRIL™. Композиты полимер/нанотрубки на основе FIBRIL™ предназначены для растущего рынка применений в автомобильной и электронной промышленности, а также в качестве катализаторов в химической промышленности. FIBRIL нанотрубки синтезируются из высокочистых газообразных низкомолекулярных углеводородов в непрерывном процессе с использованием эффективных катализаторов. Внешний диаметр нанотрубок - 10нм при длине несколько десяток мкм в агломератах. В компании также разработана технология их разделения. Molecular Nanosystems, Inc. (Palo Alto, CA, США) [5] ставит целью разработку газовых, химических и биологических датчиков, кантилеверов для атомно-силовых микроскопов, электронных приборов. Компания использует технологию осаждения из газовой фазы (CVD) и имеет ряд ключевых патентов на эту технологию. Технология позволяет синтезировать как одностенные, так и многостенные нанотрубки высокой чистоты. Использование различных литографических методов формирования рисунков в буферном слое катализатора позволяет формировать слой нанотрубок практически на любых подложках в строго заданных позициях и любой ориентации (см. рисунок).
По этой технологии созданы экспериментальные образцы механических зондов, полевых эмиттеров, химических и биологических датчиков. В кооперации со Stanford University и MIT исследуется возможность использования механических нанотрубных зондов для создания запоминающих устройств терабитного диапазона. Одностенные нанотрубки (индивидуальные или в небольших сборках) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультра высокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление может изменяться на 3 порядка в течение нескольких секунд. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях. Французская компания Inanov (Париж) [6] совместно с Lab. Emission Electronics (Лион) и Inst. Materials (Нант) участвует в рамках 6 Рамочной Программы (6FP) в проекте создания гибких экранов дисплеев (NanoPage) очень большой площади с излучателем электронов на основе углеродных нанотрубок. Nanopage - гибкие, легкие, допускающие скручивание, с низкой потребляемой мощностью, относительно низкой стоимостью, при этом с высокой четкостью изображения. Каждый пиксель такого экрана представляет собой миниатюрную катодную лучевую трубку (Cathode Ray Tube) - MicroCRT (см. рис.), установленную на полимерную основу. Оценочная стоимость такого экрана очень низкая - 1200 евро/м2.
Схема MicroCRT Компания уже продемонстрировала прототипы - наноэмиттер на углеродных нанотрубках и пиксели. Мировой рынок плоских ТВ экранов, по оценкам, будет расти от 1.7млн. штук в 2002 году до 32 млн. в 2007 г. Кроме того, такие экраны могут использоваться для уличной рекламы. Схема экрана NanoPage First Nano, Inc. (США) - производитель оборудования и аппаратуры для нанотехнологических исследований. В ноябре 2001 года компания выпустила в продажу систему EasyTube™, предназначенную для синтеза нанотрубок методом CVD с использованием катализаторов. EasyTube позволяет синтезировать одностенные и многостенные нанотрубки высокого качества при разложении газообразного метана или этилена. Синтез одностенных нанотрубок осуществляется при 800-1000oС, а многостенных - при 550-750oС. Разложение метана и этилена происходит только в месте расположения катализатора, позволяя формировать рисунок расположения нанотрубок в соответствии с литографическим рисунком в слое катализатора.
http://www.hyperioncatalysis.com/technology.htm |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Главная Энциклопедия Купите нанотрубки и постройте космический лифт!
|
