Преимущество водорода
Топливный элемент или, по-другому, топливная ячейка вырабатывает энергию в результате соединения кислорода, который поступает из атмосферы, и водорода, получаемого из заряжаемых баллонов. Элемент имеет протонообменную мембрану, которая создает разницу потенциалов, и эта разница уже и превращается в электродвижущую силу: возникает напряжение, и мы получаем ток, который приводит автомобиль в движение. Всё, что выделяет в результате данной реакции топливный элемент, — это вода и водяной пар, поэтому в плане экологии водородное топливо — передовое решение, и оно постепенно развивается.
Даже в Красноярске уже есть несколько автомобилей на водороде, а наиболее активно это практикуют в Китае. Правда, широкого производства пока нет, потому что, как и в случае с электромобилями, для таких машин нужно оборудовать заправочные станции, развивать выработку, а это пока невыгодно. Но я думаю, что скоро водородное топливо будет использоваться повсеместно, потому что если мы будем так же загрязнять планету выхлопными газами, то долго на ней не проживем.
Есть еще один важный момент, который почему-то многие не хотят замечать: у машин на аккумуляторах, то есть у электромобилей, которые позиционируются как экологичные, есть серьезная проблема. Она заключается в сложной утилизации аккумуляторов, у которых как, например, и у батарейки в телефоне, есть определенный цикл. Отработав его, аккумулятор теряет емкость, а дальше встает вопрос, что делать, ведь содержащиеся в нём вещества трудно достать в чистом виде, так как это очень хорошо реагирующие металлы. С этой точки зрения топливный элемент экологичнее хотя бы потому, что не содержит столь активных металлов.
Эффективность кроется в системе управления
В Красноярске над моделью радиоуправляемой гоночной машинки с топливной ячейкой мы работаем командой на базе детского технопарка «Кванториум». Однако суть проекта не в создании водородного топливного элемента (его мы используем уже готовый), а в разработке блока управления им. От него напрямую зависит, насколько эффективно будет работать топливный элемент, и наша цель — добиться максимальной его производительности.
В качестве своего главного изобретения мы представляем собранный нами компьютер для управления ячейкой и всю его внутреннюю составляющую, включая три платы, каждая из которых отвечает за определенные функции. Например, две платы находятся прямо в модели автомобиля. Одна — отвечает за раскоммутацию аккумулятора, топливного элемента и моторчика и измеряет такие параметры, как напряжение и сила тока. Другая плата — с довольно мощным микроконтроллером, который обрабатывает все данные, и радиомодулями для передачи данных. К этой же плате подключен клапан продувки топливного элемента, вентиляторы и датчик давления.
Также на своей модели мы реализовали идею удаленного получения телеметрических данных и дистанционного управления топливным элементом. Во время управления машинкой мы в режиме реального времени отслеживаем с экранов различные параметры, можем включать и выключать подачу водорода или заранее понять, когда потребуется заменить батарею или баллон с газом.
И да, наша машинка имеет аккумулятор, но это издержки модельного варианта, потому что там топливный элемент не такой мощный, каким он может быть на полноценном автомобиле. Нужен он только для того, чтобы запустить систему. Мы проводили эксперимент: замыкали аккумулятор, потом убирали его, и машинка двигалась исключительно на водородном топливном элементе. А чтобы эффективно с ним работать, и нужен блок управления. Поэтому получается, что он делает топливный элемент еще более экологичным.
При этом если подключить к нашему проекту высокие технологии, можно добиться гораздо большей эффективности. Но даже сейчас, если просто масштабировать те силовые элементы, которые мы используем, с помощью нашего блока уже можно управлять полноценной машиной.
Гонки на водороде
С этим проектом мы не раз участвовали в различных конкурсах. В прошлом году это был «ПроектАШ» — конкурс разработок, связанных с экологией. Мы с командой прошли отбор и нас пригласили на финал в Москву, где мы заняли третье место. Также в 2022 году я представлял проект на международном форуме In’Hub. Для него мы делали улучшенную версию машинки, дорабатывали платформу и шасси. Этот форум запомнился размахом, масштабами и вниманием со стороны организаторов к участникам и к каждой разработке.
Во всей красе машинка показала себя на конкурсе «Первый элемент», где мы смогли занять первое место. Он проходит в формате гонок, суть которых в том, что команды должны проехать как можно большее расстояние с ограниченными энергетическими ресурсами. Эти условия мотивируют нас на то, чтобы наша модель и наш блок управления работали максимально эффективно, в том числе с точки зрения расходования энергии.
Дети плюс экология
Параллельно мы работаем над проектом обучения детей экономии электричества. Мы создали макет с двумя игровыми зонами: в основе одной — источники электроэнергии, в основе другой, которая интереснее и разнообразнее, — потребители. И чтобы использовать все возможности для игры, сначала ребенок должен «заработать» электроэнергию.
Таким образом мы помогаем решить проблему расходования ресурсов правильным с точки зрения педагогики способом, когда ребенок благодаря игре понимает, что электричество — это не магия и его нужно экономить и уметь правильно распределять.
На примере этой разработки мы увидели, что дети плюс экология — это классно и людей это интересует. Поэтому сейчас мы начали работать над еще одним проектом для детской аудитории. Таким образом мы решили посмотреть на проблему в корне, потому что когда человечество говорит об экологии, оно чаще всего задумывается о том, как исправлять уже совершенные ошибки. Но ведь намного лучше их не допускать и прививать правильные идеи с детства.
Где чистая вода в Красноярске?
В моей практике также есть собственный исследовательский проект: с помощью люминесцентных бактерий я определил, в каких районах города водопроводная вода наиболее пригодна для питья.
В ходе исследования я помещал бактерии в пробы воды, строго соблюдая пропорции и создавая для них одинаковые условия питания. Питаясь, бактерии начинают активно работать, двигаться и, соответственно, светиться. Далее я проводил замер интенсивности их свечения в каждой пробе с помощью специального прибора — люминометра «Люмишот», разработанного в Красноярске учеными СФУ. Значения я сравнивал с образцом, полученным таким же образом из пробы безопасной для употребления кипяченой воды, и чем выше была разница этих результатов, тем менее пригодной считалась вода.
Самые плохие показатели там, где старше система водоснабжения — в центральной части Красноярска и на правобережье. А вот Советский район, Покровка, Железнодорожный район и часть Октябрьского — показали хорошие результаты.
Но если бы я проверял воду на абсолютную чистоту и взял бы в качестве образца дистиллят, то итоги исследования были бы другие. Однако дистиллированная вода, та что только H2O без каких-либо примесей, — это вода не для бытовых задач и тем более не для питья, а для химических процессов или различных видов промышленности.
С этим исследованием я успешно выступил на конференции молодых ученых «Проспект Свободный» в направлении биофизика, а также занял второе место в конкурсе Фонда Осаму Шимомуры — японского ученого, лауреата Нобелевской премии по химии за открытие и использование зеленого флуоресцентного белка.
Уметь пользоваться знаниями
В общей сложности я уже шесть лет погружаюсь в изобретательство, исследовательскую и проектную деятельность. Сначала пришел учиться в «Кванториум», наблюдал за людьми, которые здесь что-то создавали, ездили на конкурсы, и мне хотелось так же. Я стал нарабатывать так называемые софт-скиллс и пришел к командной работе над проектами постепенно, но уже имея знания и понимание, как правильно себя презентовать и выстраивать коммуникацию. Ведь изобретательство — это не только про умение творить, но и про умение продвигать свои идеи в массы.
Что-то создавать собственными руками — это не менее интересно, поскольку любая проектная деятельность развивает мышление и изворотливость ума. Ты учишься решать поставленные задачи не ради того, чтобы просто получить результат, а чтобы найти максимально классное решение.
Какой бы проект ты не делал, на каждом этапе ты чему-то обучаешься, и это может пригодиться абсолютно в любой момент и в любой ситуации. Например, если развивать инженерный тип мышления, ты элементарно понимаешь, как починить дома розетку. Главное же в том, что через изобретательство ты не просто получаешь новые знания, а учишься ими пользоваться.
Кристина Иванова специально для Newslab,
фото: личный архив героя материала
