Долгосрочные перспективы ресурсного обеспечения технически развитой цивилизации

[AlexAV]

И шо, биоактивная молекула такой формы, сохранит своё жизнелюбие, вытянутая в ниточку?

Так ведь информация о форме в явном виде нигде не хранится. Она получается сама, путём самосборки.

[AlexAV]

Фотособирающие центры  рассеивают кучу энергии фотонов высокой  энергии дабы довести длину волны поглащаемого фотона до 850 нм

Это проблема почти любой системы преобразования энергии света. В этом смысле у кремневых солнечных батарей всё ничуть не лучше, там в никуда уходят вся энергия фотона превышающая ширину запрещённой зоны кремния (1.11 эВ, что эквивалентно 1117 нм). Т.е. в сущности происходит тоже самое - энергия любого поглощённого фотона опускается до энергии возбуждения в материале имеющей фиксированное значение. Вот только значение этой энергии для фотосинтезирующей системы растения ближе к оптимуму для солнечного спектра по сравнению с кремнием (вот в арсениде галлия заметно ближе, во многом за счёт чего и обеспечивается высокий КПД солнечных элементов на его основе, кстати его запрещённая зона 1.42 эВ эквивалентна 873 нм, что очень близко к энергии возбуждения в фотохимической системе растений, вот только растения обходятся без редкого галлия ).

В какой-то мере она преодолевается только в многокаскадных солнечных элементах (за счёт того, что фотоны в каждой спектральной области поглощаются разными полупроводниками с шириной запрещённой области максимально близкой к энергии поглощаемых фотонов). Правда всё что тут делается - практически исключительно основано на III-V полупроводниках очень  интересного состава (практически всегда включающих индий, без него получить полупроводник с требуемой запрещённой зоной не получается, т.е. тут важным элементом является возможность достаточно точно регулировать ширину запрещённой зоны в системах Ga-In-As и Ga-In-P за счёт изменения соотношения Ga/In, причём других хороших полупроводников имеющих такую же возможность кажется вообще неизвестно), что делает всё это малоприменимым на практике (хотя бы по причине, что индия на планете в нужных количествах нет).

[AlexAV]

Комментарий модератора раздела

Вопросы интерпретации квантовой механики лучше обсуждать в других темах. Здесь это всё же оффтопик.

Кроме того, настоятельно прошу всех соблюдать нормы ведения дискуссии и обсуждать высказанные идеи, а не личность оппонента.

[AlexAV]

Обьяснения почему последнее время IQ снизился.

Есть подозрения, что не только это.

https://elementy.ru/novosti_nauki/432918/Geny_sposobstvuyushchie_polucheniyu_khoroshego_obrazovaniya_otseivayutsya_otborom

[AlexAV]

Второе прочтение идеи алмазной батареи.

Радиоизотопный источник на основе бетавольтаического эффекта. По сути близкий родственник этого: https://misis.ru/university/news/science/2020-08/6898/ . Только в изделии МИСиС используется никель-63 в качестве источника бета-частиц и кремний в качестве полупроводникового материала осуществляющего преобразование, а тут же предлагается углерод-14 в качестве источника и алмаз в качестве полупроводника.

Алмаз в качестве полупроводникового материала для бетавольтаического источника - вариант интересный, по сравнению с кремнием он куда меньше подвержен деградации под действием высокоэнергетических частиц.

А вот выбор С-14 в качестве источника не очень понятен. Изотоп довольно малодоступный, выделять его из облучённого материала сложно, требуется его относительно много (из-за слишком большого периода полураспада) и к тому же весьма радиотоксичный. Так себе выбор. Возможно для источников питания каких-то сверхдлительных космических миссий может быть интересен, а для большинства задач брать изотопы с периодом полураспада более 100 лет для радиоизотопных источников питания не очень целесообразно. 

[AlexAV]

не знают куда девать после декомиссии блоки графита РБМК и аналогов ... идея продать отходы - прямо таки гениальная,

Так С-14 в том графите 25-100 Ки/т, не более. Это достаточно много чтобы превратить этот графит в опасный радиоактивный отход, но вот выделять чистый С-14 оттуда - задача не очень простая.  Можно наверное перевести в CF4 и крутить в центрифугах, но работы обогащения потребуется очень много и стоимость продукта будет очень не маленькой.

Подозреваю, что  получать С-14 облучением какого-нибудь нитрида в реакторе будет дешевле, чем отделять ничтожную примесь С-14 из груды графита. Но и так смысла особо не видно, есть более подходящие для этих задач изотопы.

[AlexAV]

Если облучать
в реакторе, к примеру, 5-аминотетразол, CH2N5 - пятичленный гетероцикл, четыре атома азота в цикле, и ещё один - в аминогруппе, образовавшийся С14 нетрудно отделить обычными химическими методами. 

При поглощение нейтрона импульса образующегося ядра будет достаточно чтобы порвать химическую связь в молекуле (даже в реакторе на тепловых нейтронах значительная часть нейтронов в спектре имеет энергию >100 эВ, что сообщит образующемуся при поглощение ядру достаточную кинетическую энергию для разрушения молекулы), плюс будет идти разрушение молекул органического вещества в результате упругого рассеяния нейтронов на ядрах молекулы и под воздействием гамма-излучение. В результате получится какая-то смола непонятного состава, содержащая как исходный углерод органического вещества, так и образующийся С-14. И выделить из неё С-14 чисто химически никак не получится. Т.е. опять же потребуется изотопное обогащение, будет оставаться куча радиоактивных отходов и т.д. В общем так себе удовольствие.

Если и получать С-14 облучением мишени в реакторе, то лучше уж брать какой-нибудь нитрид. Скажем стержни из нитрида циркония. Нитрид циркония - весьма устойчивое и жаростойкое соединение, циркониевая матрица будет хорошо удерживать образующийся углерод (карбид циркония - тоже достаточно устойчивое соединение), цирконий имеет малое по сравнению с азотом сечение захвата нейтронов, ну и т.к. исходная мишень углерода не содержит, то накапливающийся в мишени углерод будет представлять собой практически чистый С-14, т.е. продукт не будет нуждаться в дополнительном обогащение.

P.S. Спектр нейтронов в типичном водо-водяном реакторе:

[AlexAV]

А карбид и нитрид циркония как разделять?

Гидролизом водяным паром. При температуре 800 - 1000 градусов и тот и другой реагирует с водой по схеме:

ZrN + 2H2O = ZrO2 + NH3 + 1/2H2
ZrC + 2H2O = ZrO2 + CH4

Разделить же аммиак, метан, водород и оставшийся водяной пар уже не представляет особой технической сложности.

Возможно вместо воды будет целесообразным использование безводного HCl. Так как хлорид циркония достаточно летуч (сублимирует при температуре  331 градус), то уже при температуре градусов 500 реакция циркония, нитрида циркония и карбида циркония с хлороводородом будет идти практически количественно с образованием хлорида циркония, аммиака, метана и водорода, которые затем легко разделить.

тогда уж, лучше облучать нитрид лития-7, а потом гидролизовать водой, С14 останется в виде

С точки зрения безопасности матрица должная быть в условиях реактора достаточно химически устойчива и при типичных температурах в реакторе не реагировать с теплоносителем. Разгерметизация ТВЭЛов - не такое уж редкое событие и состав матрицы должен подбираться так чтобы даже в этом случае из элементов, где идёт наработка изотопа, выход активности в теплоноситель был минимален. Это делает использование металлов дающих нитриды и карбиды легко подверженные гидролизу при температуре ниже 350 градусов - нежелательным.

[AlexAV]

Ещё обнадёживающая новость с техническими подробностями:
https://old.elementy.ru/novosti_nauki/433692/Stabilizirovannye_perovskitnye_solnechnye_moduli_sokhranyayut_effektivnost_posle_2000_chasov_raboty
Интересно было бы прочитать комментарий @AlexAV на эту тему.

Честно говоря особого прорыва не вижу. С точки зрения перспектив широкого практического применения тут видно четыре момента.

1) Даже 2680 часов для солнечных батарей - это катастрофически мало. Такой срок службы может больше, чем у большинства других вариантов перовскитных солнечных элементов, но все ровно абсолютно несовместим ни с каким практическим применением. Нужно минимум в 20 - 30 раз больше.
2) Золото. Одна из важных проблем  перовскитных солнечных элементов - золотой контактный слой. Практически ни один материал кроме золота оказывается не способен работать в контакте с органическим полупроводником в фотоэлектрической системе. Однако золото - материал дорогой и дефицитный, его использование уже само по себе ограничивает перспективы крупномасштабного производства солнечных батарей этого типа. И тут авторы в своей конструкции решить эту проблему не смогли. У них также присутствует золотой контактный слой.
3) Замена TiO2 на SnO2 также выглядит мерой, которая в некоторой степени также является отходом от той идеи, которая первоначально рассматривалась как основное преимущество (по крайней мере потенциальное)  перовскитных солнечных элементов, т.е. как элементов производство которых просто и неограниченно масштабируемое в силу ухода от использования дефицитных материалов. Если оксид титана - вещество крайней доступное и с точки зрения потребностей электроники его ресурсы можно считать неограниченными, то про олово этого сказать нельзя.
4) Цезий в составе используемого перовскита. Опять же цезий - очень дефицитное сырье обеспеченность ресурсами которого едва ли выше, чем обеспеченность ресурсами золота. Его применение в солнечных элементах, которые сколько-нибудь претендуют на массовость - так себе идея.

В силу всего этого в качестве массовых солнечных батарей этот вариант едва ли может получить хоть какое-то распространение.

[AlexAV]

и процент рециклинга

При переработке старых литиевых батарей сейчас извлечение лития вообще не производится. Есть экспериментальные технологии, позволяющие извлекать где-то 70-80% лития содержащегося в старых батарей, но на практике они в промышленности не используются. Дорого.

Процент рециклинга лития соответсвенно пока неизвестен.

Известен. 0% Литий сейчас из старых аккумуляторов вообще не извлекают. Только кобальт, отчасти никель.

[AlexAV]

https://renen.ru/volkswagen-is-building-a-pilot-plant-for-li-ion-battery-recycling/

По ссылке только первичная (по сути механическая) переработка без выделения индивидуальных компонент. Из полученного "черного порошка" далее по факту выделяют только никель и кобальт.

Неужто даже в исследовательских целях не работают экспериментальные установки?

Экспериментальные есть. Но в промышленность это не идёт, так как цена извлекаемого вторичного лития по любой из предложенных сейчас технологий значительно выше цены первичного лития, извлекаемого из природных месторождений.

[AlexAV]

По ссылке на картинке изображено что литий будет выделятся.

Это из области благих пожеланий на какое-то там счастливое коммунистическое будущее. По факту там планируется только извлечение "черного порошка" и его переработка на уже имеющихся металлургических предприятиях. А литий сейчас из такого материала не извлекается ни на одном из них.

цена на литий взлетит и будет дёшево.

Если они взлетят на столько - то взлетят и цены на аккумуляторы, что прямым и неблагоприятным образом скажется на возможности их использования в электромобилях. Вот такой тут замкнутый круг получается.

[AlexAV]

Пока цены на аккумуляторы быстро падает,

Она не может упасть ниже стоимости материалов нужных для его изготовления.

Ну а далее нужно учитывать, что изготовление литиевых элементов требует приблизительно 1 кг карбоната лития на 1 кВтч ёмкости (LiTiO - чуть побольше, для элементов с кобальт-содержащими катодами несколько меньше, но в целом порядок цифр такой). Это определяет максимальную цену на карбонат лития при котором вообще можно вести речь об электромобилях как 100 - 200 $/кг, не более. Так что тут есть потолок цен на сырьё выше которой использование литиевых аккумуляторов в транспорте и большой энергетике становится экономически бессмысленным.

А вот потолка роста цен на литий по мере исчерпания его месторождений нет.

а пиком для лития будет цена его извлечения из старых аккумуляторов.

Нет. Технологический коэффициент извлечения лития из старых аккумуляторов (для имеющихся опытно-промышленных технологий) это что-то около 70%-80%. Т.е. после каждого цикла  минимум 20%-30% лития будет неизбежно теряться (даже если технология извлечения лития будет внедрена на практике и даже если будут перерабатываться все вышедшие из строя аккумуляторы на планете). Учитывая, что реально будет перерабатываться не более 60% - 80% аккумуляторов в мире (если смотреть на практику по другим типам в целом по планете), более реалистичная доля вторичного лития (с учётом невозможности собрать все старые аккумуляторы и с учётом технологических потерь) будет не более 40% - 60%. Т.е. в любом случае по крайней мере приблизительно половину лития придётся возмещать из природных источников. И цена на литий будет определяться именно ценой извлечения лития из них. А тут потолка для роста практически нет. По мере истощения богатых месторождений она может расти и до 1000$/кг карбоната лития и более (потолок - себестоимость извлечения лития из морской воды, но там она реально составляет несколько тысяч  $ за кг карбоната лития).

Из-за наличия потерь никакой рециклин не позволяет отказаться от добычи сырья из природных источников. А себестоимость этой добычи для всех редких элементов (включая литий) по мере исчерпания хороших месторождений растёт, причём потолок роста тут по большей части вообще отсутствует (точнее он столь высок, что не совместим с большинством технологических применений соответствующих элементов).

[AlexAV]

Но состав материалов нужных для его изготовления и количество их может менятся.

Да не особо. Новых электрохимических систем, перспективных для использование в высокоёмких аккумуляторах, сейчас уже практически не открывается, область почти полностью исчерпана, открыто практически всё, что существует в природе. Так что, что-то радикально новое тут скорее всего не появится вообще больше никогда.

Количество, кстати тоже меняться не может. Эти самые 1 кг карбоната лития на 1 кВтч ёмкости является практически не снижаемой (её можно снижать только повышая напряжение на ячейки, но бесконечно это делать нельзя, т.к. оно ограничено электрохимическим окном электролита, которое ограничено достаточно фундаментальными ограничениями, выше 3.8 - 4 вольт оно не может быть практически принципиально, и этот предел уже достигнут).

Абсолютный теоретический минимум - 360 г (карбоната лития)/кВтч. Меньше точно нельзя, никакими ухищрениями, это просто физически запрещено (для этого какая-то другая таблица Менделеева потребовалась бы или другая Вселенная с другим значением постоянной Фарадея). Реальная цифра раза в два больше (опять же, это определяется не несовершенством технологии, а химией самой электрохимической системы, даже в полностью разряженном катоде доля содержание лития не равно нулю, и это не дефект технологии, который можно исправить, а свойство самого материала, которое не может быть изменено). Для LiTiO и LiTiO она ещё больше, так как там среднее напряжение заметно ниже указанной верхней границы электрохимического окна (для элементов с кобальт-содержащими катодами оно близко к нему и 600-700 г (карбоната лития)/кВтч, что близко к пределу устанавливаемым электрохимией и фазовой диаграммой смешанных оксидов лития-никеля-кобальта).

Так что тут никаких путей для существенного улучшения нет и быть не может.

Есть путём переработки

На самом деле тут есть большие проблемы. Гидрометаллургические методы полное извлечение лития из отработанных аккумуляторов вообще невозможно. Проблема в графитовом аноде из которого литий полностью не переходит в раствор практически никогда (часть атомов лития оказывается связана с дефектами решётки и теряет подвижность практически полностью). А пирометаллургические методы здесь не только дорогие но и чудовищно экологически вредные (в состав электролитов входят фтор-содержащие соединения откуда фтор попадает и в перерабатываемую массу и, при пирометаллургической переработке, в дымовые газы, в общем ничего хорошего).
 
Реально процентов 80% извлечения лития - технологический потолок.

и замены литий на другие материалы.

В той таблице Менделеева, которая существует в нашей Вселенной, адекватной замены литию для высокоёмких аккумуляторов не существует. Натрий имеет большой ионный радиус, что не позволяет обеспечить достаточную долговечность электродных материалов (из-за сильного изменения их объёма в циклах заряда и разряда), по крайней мере более-менее доступных, может быть какая-то экзотика и найдётся когда-нибудь, но для неё точно будут требоваться элементы ещё более редкие, чем литий. Всё более-менее дешёвое и доступное уже перепробовали и ничего не нашли. Для магния вообще хороших электродных материалов неизвестно, ни одного, ни для катода, ни для анода. А больше и ничего в нашей таблице  Менделеева подходящего и нет.

Так что литий тут абсолютно безальтернативен.

[AlexAV]

Уже предложены методы извлечения лития из морской воды. Так что цены взлетят только до стоимости его извлечения из морской воды.

Там затраты ресурсов столь значительные, что ценам этого лития заведомо больше 1000 $/кг карбоната. Для аккумуляторов мобильных телефонов такой литий может быть и подойдёт, но для электромобилей и большой энергетики - точно нет.

https://www.sciencemag.org/news/2020/07/seawater-could-provide-nearly-unlimited-amounts-critical-battery-material

Описанное там к промышленному производству лития вообще отношения не имеет. Очень сложный электрод, где накопление лития идёт только в верхнем слое покрытия, причём с ничтожным ресурсом самого электрода. Они пишут о 10 циклах. Так можно получить несколько граммов в лаборатории, но для промышленного производства это абсолютно не годится.

[AlexAV]

ак я понял они его радикально переделали в Тесле

Это полнейший бред. Переделать его нельзя. Интеркалаты лития в графите (сейчас абсолютно безальтернативный анодный материал) имеют те свойства, которые имеют. И изменить их нельзя. Ну разве что Тесла придумала какую-то альтернативную таблицу Менделеева или альтернативную химию, одна проблема - в нашей Вселенной она работать не будет.

[AlexAV]

Если литий всё время работы машины находится внутри аккумулятора, кроме аварий когда целостность аккумулятора нарушается.

Часть лития там связана с углеродной матрицей откуда он плохо и не полностью извлекается любыми гидрометалургическими методами. Углеродный материал, конечно, можно сжечь и далее литий извлекать из золы, но образующиеся при этом дымовые газы будут содержать компоненты, представляющие экологическую опасность (речь прежде всего о фтор-содержащих соединениях). В общем тоже так себе путь. Поэтому на практике тут маловероятно, что этот остаток лития, который из углеродной матрицы не удаётся выщелачивать реактивами в водных растворах, вообще будут пытаться извлекать (сейчас это не предлагается делать даже на уровне лабораторных экспериментов).

Вторая проблема состоит в том, что 100% аккумуляторов никогда собрать не удастся. Тут можно посмотреть на другой аккумуляторный металл - свинец. Несмотря на то, что в силу его токсичности, свинец стараются возвращать в обращение в максимальной возможной степени. И не смотря на то, что переработка свинцовых аккумуляторов технологически проста и свинец при этом (в отличие от лития) может быть извлечён практически полностью, реальный успех тут выглядит довольно умеренными. Доля вторичного свинца в общем балансе всего чуть более 50%:

И это даже для металла, где его извлечение из вторичных источников дешево, эффективно и может быть осуществлено с технологической точки зрения практически полностью. Причём тут есть внеэкономические стимулы делать это в максимальной степени (токсичность свинца). Исходя из этого представляется, что реальный рециклинг лития (даже если его вообще будут осуществлять) едва ли даст более 50% возврата лития. Нет абсолютно никаких оснований считать, что этот процесс может быть эффективнее, чем для свинца (а вот факторов, которые его могут сделать менее эффективным - хватает).

[AlexAV]

кремний имеет неприятную привычку расширяться, когда он загружается литием. Это приводит к структурным сбоям в кремнии, снижению производительности с течением времени и потенциально опасным сбоям контейнера ячеек .

Идеи использовать кремний в аноде - уже лет двадцать. В общем ничего нового. Проблема в низком ресурсе таких анодов из-за сильного изменения плотности в циклах заряда-разряда. В общем тут слабо верится в перспективы всего этого.

А что касается извлечения - литий из кремний-полимерного анода извлекать не сильно легче, чем из графитового. Кремний, особенно его частицы заключённые в полимерную матрицу, тоже весьма инертен. Сильно лучше от этого (даже если заработает вообще, в том смысле, что ресурс будет сколько-нибудь приемлемым) в плане извлечения лития не станет.

[AlexAV]

емпература плавления графита 3845—3890 °C, у лития намного меньше. Ничего не стоит нагреть аккумулятор до таких температур с помощью каких нибудь лазеров, и расслоить разные химические элементы за счет разной плотности, как в доменной печи.

Они же химически связаны. Нагревом их разделить невозможно. С тем же успехом можно пытаться получить металлический натрий нагревом поваренной соли.

[AlexAV]

когда в случае 100%-рециклинга лития Грета Тунберг будет как раз счастлива 

Так она первая же с плакатами "Закройте это" будет вокруг такого завода скакать. Там в составе дымовых газов будут и такие соединения как CF4.