Щасливий шанс для соціально-економічного порятунку України (про перовськіт і 3D-принтери)

Усе викладене нами нижче безпосередньо стосується нескінченно актуальної теми порятунку Вітчизни. Ще рік тому ми змушені були б назвати статтю інакше, наприклад, «Про теоретичні можливості нової стратегії розвитку України», а в її тексті висловлювати лише надії та побажання на рівні гарних мрій про майбутнє.

Нині все інакше: для України й справді існує цілковито несподівана можливість відштовхнутися від дна прірви, в яку ми падали всі роки відновленої незалежності, й дістатися омріяного добробуту та безпеки власними зусиллями й без принизливого звернення до благодійників.

Проблема початку виходу України з економічного занепаду, що триває вже понад 20 років, не раз розглядалася багатьма науковцями, складала зміст великих праць нашого Національного інституту стратегічних досліджень (НІСД) та інших установ, висловлювалася в державних проектах розвитку на кількарічні періоди тощо. Та ніхто з них жодного разу не використовував терміни «ноотехнології», «7­й технологічний уклад», «перовськіт», «3D­принтери» й інші найновіші, що вже формують те майбутнє, про яке й не здогадувалися співробітники НІСД.

Мета статті – повідомити народним депутатам України, Кабінету Міністрів, усім читачам часопису «Віче» про унікально сприятливі обставини для поступу України, що склалися після наукових і технологічних досягнень останніх місяців, довести, що успіх цілком можливий за рахунок власних інтелектуальних і матеріальних ресурсів без цілковито безперспективного для нас змагання за місце й заробітки на світовому ринку.

На нашу думку, після науково­технологічних зрушень останніх кількох місяців для України відкрився цілком оригінальний шлях до енергетичної незалежності та високого добробуту всього населення, що буде орієнтований на внутрішнє споживання й самозабезпечення.

Перовськітні плівкові фотоелементи

Перше з цих технологічних зрушень – виявлення в 2013 році можливості заміни жорстких, масивних і дорогих кремнієвих фотоелементів на незрівнянно дешевші плівкові джерела фотоструму, виготовлені з доволі поширеного у природі перовськіту. На момент написання статті швейцарські перовськітні фотоелементи коштували в 35 разів дешевше від тих кремнієвих пристроїв, які закріплювалися на дахах німецьких будинків десять років тому (200 $/кВт проти 7000 $/кВт).

Зазвичай його хімічну формулу записують так: CaTiO3. Усі три елементи, що формують перовськіт, належать до найпоширеніших на Землі, тому віднайти його порівняно легко не тільки на Уралі (місце відкриття ще в ХІХ ст.) чи Хібінах (де його легко добувати разом із апатитами), а й в Україні.

Проблем з отриманням необхідної кількості природного перовськіту не буде не тільки через його поширеність. Виявляється, що його потрібно дуже мало, адже перші виготовлені плівкові перовськітні фотоелементи в сотні разів тонші від кремнієвих. Це означає, що для створення фотоелемента площею один квадратний кілометр і максимальною потужністю приблизно
100 000 кВт досить лише однієї третини кубічного метра перовськіту (в підрахунках використано вже досягнуті у Швейцарії та інших державах Заходу кількісні показники плівок).

Продовжимо наші підрахунки для того випадку, коли українці вирішать забезпечити кожну з наших приблизно 20 млн. родин середньою «перовськітною» електропотужністю 10 кВт. Якби сонце освітлювало необхідні фотоелементи безперервно та ефективно, то для отримання потрібних 200 млн. кВт вистачило б усього 660 кубічних метрів перовськіту – вражаюче мала кількість, для перевезення якої досить потяга з кількох вагонів.

Насправді ж усього потрібно буде більше, адже приблизно половину доби триває ніч, та й удень сонце зазвичай вкривають хмари, а нерідко панує мряка. На відміну від кремнієвих перовськітні фотоелементи не потребують прямих і концентрованих сонячних променів – вони дають струм і в хмарну погоду, але не максимальний, а менший. Досить імовірно, що ефективна тривалість роботи плівок становитиме всього 4 години за добу, тому всі важливі показники слід помножити на шість: загальну площу фотоелементів необхідно збільшити з 2000 км2 аж до 12 000 км2, обсяг потрібного перовськіту – майже до 4 000 м3 тощо.

Указана тут загальна площа
12 000 км2 може бути отримана не тільки суцільним горизонтальним укриттям половини території Вінниччини, а й розташуванням на покрівлях і стінах усіх житлових та інших будівель, прикріпленням полотнищ до стовпів задля поєднання отримання струму зі створенням звукової тіні від транспорту, різноманітних парканів тощо. Звісно, вертикальна орієнтація плівок зменшує їх освітленість і вироблену ними потужність, але дає змогу розташувати дуже велику кількість фотоелементів без створення значних незручностей для людей.

А скільки коштуватиме таке «одягання» будівель та закріплення великої кількості плівкових фотоелементів?

Якщо бути оптимістами й передбачити спроможність української перовськітної промисловості виготовляти вчетверо дешевші від сучасних швейцарських фотоплівки (по 50 $/кВт), то для отримання запланованих 200 млн. кВт необхідно витратити приблизно 10 млрд. доларів.

Сума значна, але в багато разів менша від вартості спорудження не тільки ядерних, а й теплових електростанцій.

До того ж у разі акуратного виготовлення фотоплівок (захисні шари мають бути по­справжньому міцними, як промислова липка стрічка) вони не потребуватимуть догляду, безперервного живлення газом чи вугіллям, нескінченних ремонтів тощо. Ліниві господарі можуть узагалі не доторкатися до них, сподіваючись, що дощі достатньо добре усуватимуть з них пил та інші непрозорі частинки. На закінчення зауважмо: розвиток наук не зупиниться на винайденні перовськітних матеріалів. Іще кращими й дешевшими виявляться органічні фотоелементи, але їх час настане пізніше.

Акумулятори

Дуже відчутний недолік будь­яких фотоелементів – змінність потужності удень і повна відсутність струму вночі. Ліквідувати цей недолік цілком спроможне людство загалом, якщо створить у південних широтах Землі навколопланетне кільце великих сонячних електричних станцій (СЕС), сполучених у цілісну мережу надпровідними кабелями. Хоча науковці створили всі передумови для початку виконання вказаного проекту, та відсутність належної єдності, конкуренція й тривіальна ворожнеча перетворюють світову Мудру мережу СЕС на привабливу мрію.

Тож українцям лишається сподіватися не так на надпровідні кабелі, як на акумулятори, котрих науковці винайшли вже багато. Тут ми вкажемо тільки ті, які можна вважати «плівковими». Наведімо невеликий текст з Інтернету: «Учені з Університету штату Арізона вважають, що плівкові літій­іонні акумулятори можуть розв’язати багато проблем сучасної мобільної електроніки... Цей літій­іонний акумулятор зовні схожий на аркуш чорного паперу, який можна складати, скручувати в трубку, бгати й т.д. Учені довели, що «паперовий» акумулятор має в 14 разів більшу об’ємну густину енергії, як звичайний літій­іонний. Але й це ще не все: новий акумулятор дешевий у виробництві, й завдяки своїй гнучкості його можна монтувати найрізноманітнішими способами…» (http://www.ecolife.ru/infos/agentstvo­ekoinnovatsijj/20454/ 1­11­2013).

Зауважмо: є й інші варіанти виготовлення ефективних акумуляторів малого об’єму та значної ємності. У разі їх масового виробництва сукупна вартість 20 млн. акумуляторів для українських родин може становити кілька мільярдів доларів США – не надто дорого для стабільного цілодобового забезпечення електричної потужності від 5 до 10 кВт.

Тут доцільно озирнутися назад і ще раз підкреслити ту обставину, що рік тому науковці лише мріяли про винайдення достатньо дешевих сонячних фотоелементів, які перемогли б кремній і зробили сонячну електрику загальнодоступною.

У майбутньому навіть найвіддаленіший від великих електростанцій хутір чи окрема хатинка можуть мати безперервне енергозабезпечення на основі поєднання плівкових перовськітних фотоелементів і сучасних акумуляторів. Вартість – приблизно тисяча американських доларів на одну родину.

3D-­принтери

Це комбіноване слово означає хитромудрий сучасний пристрій, спроможний із закладеного в нього робочого матеріалу виготовляти мільйони різної форми та призначення виробів – від ялинкових іграшок до запчастин старовинних автомобілів чи будівельних елементів омріяної Шевченком «хатинки» в садку з кількома десятками метрів різноколірних перовськітних фотоелементів.

Із тисяч варіантів можливих описів різного типу 3D­принтерів автори оберуть тільки один – лазерний, який у поєднанні з перовськітно­акумуляторним енергокомплексом дасть кожній родині можливість майже безкоштовно, не кваплячись, спорудити не «хатинку» – цілий палац.

Робочою речовиною для перетворення шевченківської мрії про родинну хатинку українців може бути звичайний пісок, а ще краще – лес, що складається з дрібніших частинок різноманітнішого складу. Засипавши з десяток кілограмів робочої речовини в 3D­принтер, слід спочатку обрати детальну форму майбутньої частини хатинки. У найпростішому випадку це буде куб чи паралелепіпед, у найскладнішому – щось химерніше від тих «елементів», про які мріяв барселонський архітектор­новатор А. Гауді. Бажано також завчасно передбачити виступи й западини, якими всі блоки за принципом лего можна буде міцно поєднувати в цілісність.

У 3D­принтері високоефективний лазер на вуглекислому газі плавитиме робочий матеріал і поступово шарами невеликої товщини формувати обраний вами елемент із надзвичайною точністю та акуратністю. Для прискорення роботи слід обрати режим виготовлення решітчастої структури з мікроскопічними ізольованими порами, що відтворюватиме природний процес перетворення у вулканах розплавленої маси гірської породи на легку й пористу пемзу. Ваш елемент буде тим міцніший, чим менші пори. Мала густина дасть змогу з відра лесу виготовити разів у 10 більшу за об’ємом «українську цеглинку» (чи кілька меншого розміру).

Під час будівництва застосуванням арок легко уникнути потреби в балках чи інших подібних до них конструкціях. Якщо ж вони таки знадобляться, то їх можна буде виготовити з інших робочих матеріалів (як і прозоре скло найрізноманітніших кольорів та тисячі інших речей, необхідних у саморобній хатинці­ХХІ).

Звернувшись до Інтернету чи інших джерел, легко переконатися в тому, що 3D­принтери (краще б їх називати «реплікатори») існували ще з кінця ХХ сторіччя, але використовувалися рідко й коштували порівняно дорого. Та з березня 2014 року зникла дія безлічі «обмежувальних» патентів, що дало старт вільній конкуренції всіх виробників реплікаторів (3D­принтерів) світу. Той­таки Тайвань пропонує їх лише по 500 доларів США, розвинені держави – дорожче.

На момент написання статті науковці й технологи світу досягли перших значних успіхів у створенні програмного забезпечення для роботи комп’ютера в реплікаторі. Здобутки в конструюванні та виготовленні виконавських пристроїв значно менші, а в дослідженні й створенні робочих речовин – просто близькі до нуля. Неувага до цього питання пояснюється тим, що на всій планеті діяло кілька сотень 3D­принтерів порівняно примітивних конструкцій, а тому пошуки дуже ефективних і дешевих робочих речовин не були актуальними.

У майбутньому світовий ринок різноманітних реплікаторів становитиме чимало мільярдів штук. Українцям так багато не треба – вистачить мільйонів 100 для побутових потреб і мистецьких захоплень, а також меншу кількість для промисловості.

Україна цілком спроможна забезпечити себе реплікаторами з різними характеристиками, бо:

– наші програмісти вже засвідчили своє світове лідерство;

– у кількох великих містах збереглися виробництва з належними потужностями,

– інститути Національної академії наук України зможуть запропонувати такі нові робочі матеріали, що виявляться кращими й дешевшими від наноцелюлози чи інших сучасних досягнень.

У заключних висновках іще раз наголосімо, що нині, незважаючи на неймовірні політичні й економічні труднощі, стартуючи з позиції найбіднішої країни Європи з відносними прибутками на рівні держав четвертого світу, Україна може обрати шлях унікального й прискореного розвитку з вибором стратегії майже повного самозабезпечення.

Наявної наукової та технологічної компетентності для цього вистачить.

Та залишається відкритим питання мудрого державного управління (нооменеджменту) й спроможності стати світовим лідером у ноотехнологіях, нооекономіці, ноорозвитку, ноонауках, ноопедагогіці, ноофілософії тощо.

Автори: Костянтин КОРСАК, Юрій КОРСАК