Как создают электропитание для беспилотников

В Институте проблем химической физики РАН существует лаборатория, сотрудники которой создают российское ноу-хау в области производства топливных элементов и делают первые шаги по организации подобного производства. Изготавливаемые здесь источники питания имеют непосредственное отношение к теме, заявленной в начале статьи – их основное применение связано с беспилотной авиацией.

В основе топливного элемента тот же принцип, что и в основе обычной батарейки – движение ионов через электролит от анода к катоду. Разница лишь в том, что в батарейке вся химическая энергия, преобразующаяся в электрическую, находится внутри корпуса, на расходуемом аноде. Топливный элемент сам по себе никакой энергии не содержит: источники энергии – топливо и окислитель поступают извне. В лаборатории ИПХФ строят водородные топливные элементы с твердым полимерным электролитом. Топливо (водород) поступает под давлением на поверхность электрода и благодаря нанесенному на электрод катализатору диссоциирует, то есть теряет электроны. Через полимерную мембрану лишившиеся электронов протоны движутся к катоду, который, как и анод, представляет собой пластину с нанесенным катализатором. «потерянные» лектроны через токосъемник уходят с анода во внешнюю цепь. На катод нагнетается воздух (содержащий окислитель в виде кислорода), в результате чего пришедшие через мембрану положительные ионы водорода восстанавливаются с помощью пришедших из цепи электронов, и соединяются с атомами кислорода, образуя воду, которая и является единственным продуктом реакции. Этот процесс можно условно назвать «холодным горением», при котором происходит непосредственное преобразование химической энергии в электрическую. Альтернативой может быть сжигание водорода с утилизацией выделяемого тепла по принципу тепловой машины Карно (например, в ракетном двигателе) . Преимущество «холодного горения» в значительно большем КПД, что и делает топливные элементы весьма перспективным источником питания.

В лаборатории ИПХФ РАН строят батареи мощностью 0,5 кВт. Они представляют собой набор пластинчатых элементов (конструктивно это похоже на автомобильный аккумулятор), каждая из которых представляет собой отдельный топливный элемент – сборку, называемую мембранно-электронный блок (МЭБ). МЭБ – это «сэндвич», имеющий в центре полимерную мембрану, обложенную с двух сторон электродными пластинами с катализатором. Внешний корпус МЭБа образуют прочные пластины, которые выполняют функции токоотвода и предотвращают истекание из элемента подаваемого под давлением водорода. Батарея также оснащена вентиляторами для подачи окислителя (кислорода воздуха) и охлаждения конструкции.

Все вроде бы не так сложно. «Но где же здесь наука?» — спрашиваем мы у руководителя лаборатории доктора химических наук Юрия Добровольского. «Наука в том, — отвечает ученый, — что практически каждый из материалов, используемых в МЭБах, представляет собой продукт высоких технологий. Мы не все еще умеем делать сами, но даже те материалы, которые приходится закупать, часто необходимо доводить до требуемых параметров. Возьмем катализатор, который мы производим здесь, в нашей лаборатории. Здесь мы имеем дело с реальной нанотехнологией. Катализатор представляет собой мелкие кластеры платины размером 1-4 нанометра. Он наносится на сажу или оксидный материал. В наших батареях для электродов используется пористая углеродная бумага – увы, но в России ее не делают. На эту бумагу катализатор наносится на специальном роботизированном станке, установленном в нашей лаборатории. В качестве ионообменной мембраны (твердого электролита) также применяется импортный материал — Nafion. Это промышленный стандарт, однако, у материала есть один важный недостаток – при температуре минус 2 градуса он утрачивает проводящие свойства. А все прекрасно знают, каково заводить автомобиль, если в аккумуляторе замерз электролит. Для БПЛА, которые мы оснащаем электропитанием, такие параметры мембраны совершенно невозможны – особенно если учесть, что температура воздуха падает на 6 градусов с каждым километром высоты. При 0 градусов на земле, на высоте 3 км уже 18-градусный мороз. Мы придумали вводить в Nafion специальные добавки, которые позволяют материалу сохранять проводящие свойства при минус 20. Работы продолжаются, и мы надеемся повысить этот порог до минус 40, а в будущем до минус 60 градусов, чтобы БПЛА на наших топливных элементах могли летать в Арктике. Внешние панели МЭБа изготавливаются из углеродной фольги "графлекс". Это материал российского производства, производимой компанией, созданной на базе Московского университета».

Система электропитания БПЛА состоит не только из батареи – это целый комплекс, включающий в себя также баллон, в котором под давлением 300 атм. содержится водород, управляющий электронный блок и... литий-ионный аккумулятор. Зачем он нужен? Дело в том, что пока на электроды не начнут подаваться газы, энергию батарея вырабатывать не будет. Следовательно, для запуска требуется энергия, чтобы открыть клапан для пропуска водорода из баллона и запустить вентиляторы. Кроме того, у батареи на МЭБах есть предел по мощности. Пока беспилотник совершает горизонтальный полет, мощности топливных элементов хватает и даже с избытком, но при взлете и резком изменении высоты нужна добавочная мощность, и ее как раз обеспечивает аккумулятор. При возвращении к горизонтальному полету аккумулятор подзаряжается от топливных элементов.

Как известно, водород взрывоопасен (при достижении определенной концентрации в воздухе), так что особые требования предъявляются к сосудам для его хранения. Утечки водорода (очень летучего газа) должны быть сведены к минимуму, плюс, если речь идет об авиации, баллон должен иметь малый вес. Стандартные металлические емкости тут явно не подходят. Оказалось, что топливный бак с оптимальными свойствами удалось найти в России – легкие и в высшей степени герметичные баллоны производит компания, выпускающая оборудование для пейнтбола и дайвинга.

В итоге получается достаточно объемистая сборка весом порядка 6 кг. Рационально ли ее использование в малых БПЛА? «Мы работаем с компаниями, выпускающими легкие беспилотные аппараты с электродвигателями, — рассказывает старший научный сотрудник лаборатории Алексей Левченко, — и знаем, что БПЛА с литий-ионной батареей сопоставимого веса (6-7 кг) может летать максимум полтора часа. С нашей установкой точно такой же аппарат находится в воздухе 6-9 часов. Единственная проблема – это большой объем системы электропитания, но мы сейчас работаем над заменой баллона химическим источником водорода, который будет в разы компактнее». Большее время нахождения в воздухе – это больший радиус действия, так что применение топливных элементов на борту значительно повышает функциональность аппарата – будь это БПЛА для мониторинга трубопроводов или военный разведчик.

Кстати, возможность военного применения означает, что технология производства топливных элементов относится к ноу-хау двойного назначения, что является лишним аргументом в пользу разработки отечественных образцов батарей. Покупать подобного рода технологии за рубежом «с нуля» и в более спокойные времена было бы непростым делом, а сейчас и вовсе может оказаться невозможным.

Производство топливных элементов в стенах ИПХФ РАН сейчас можно назвать лишь мелкосерийным – на изготовление 20 батарей уходит примерно 2-3 месяца. «При такой производительности, — говорит Юрий Добровольский, — мы сможем снабдить батареями всех, кому они сегодня нужны, где-то к 2025 году. Устройства собираются вручную сотрудниками лаборатории, причем это настолько высококвалифицированный труд, что в сборке участвуют только аспиранты и кандидаты наук. Правда, сейчас, мы сделали шаг на пути к промышленному изготовлению МЭБов, войдя в состав предприятия, создающегося на базе "Сколково"".

Кроме обеспечения электропитанием БПЛА у лаборатории есть и другие планы. Совместный проект с Объединенной авиастроительной корпорацией предполагает разработку вспомогательной силовой установки (ВСУ) на базе топливных элементов мощностью 500 кВт. Сейчас в качестве ВСУ выступают дополнительные газотурбинные двигатели, размещенные в хвосте лайнеров, однако недалек тот день, когда в западных странах могут вступить в силу нормативы, запрещающие использование двигателей на керосине при рулении. Тогда ВСУ на топливных элементах будут приводить в движение мотор-колеса со встроенными электродвигателями. Ведущие авиаконцерны мира уже ведут работы в этом направлении. Экологически чистыми ВСУ придется оснащать самолеты и российского производства.

Еще один проект – создание совместно с одной из австрийских компаний топливных элементов на природном газе. Такие батареи смогут работать в качестве электростанций в отдаленных районах, где есть газопроводы – достаточно лишь подключиться к трубе.

«К сожалению, сегодня в России не так много областей, где отечественные технологические изыскания идут в ногу со временем. Однако в сфере разработки топливных элементов мы вовсе не находимся в арьергарде, — говорит Юрий Добровольский. – Наши батареи и по массо-габаритным параметрам и по адаптации к низкотемпературным условиям превосходят иностранные аналоги. Но идти впереди всего мира – не самоцель. Главное, чтобы это перспективное направление развивалось в России, и мы могли иметь в этой сфере собственные технологии, не завися от колебаний коммерческой и политической конъюнктуры».