Асанали Султанов, руководитель Лаборатории альтернативной энергетики и нанотехнологий (ЛАЭиН)

В последнее десятилетие современный мир переживает фундаментальные изменения в подходах к производству, распределению и потреблению энергии. Рост интереса к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) уже давно вышел за рамки экологической повестки. Более того, сегодня развитие ВИЭ - это стратегическая необходимость для устойчивого развития экономики.

Более того, согласно прогнозам IRENA, в рамках сценария глобального энергетического перехода, ориентированного на климатическую устойчивость, к 2050 году общее число рабочих мест в секторе возобновляемых источников энергии может достичь 42 миллионов.

Казахстан, занимая 9-е место в мире по площади и обладая внушительным потенциалом солнечной и ветровой генерации, а также других «зеленых» источников энергии, стремится к снижению углеродного следа, энергетической независимости и созданию конкурентоспособной «зеленой» промышленности. Тем не менее ни одна из этих задач не может быть реализована без системной подготовки квалифицированных кадров нового поколения.

Казахстанско-Британский технический университет (КБТУ) как ведущий инженерно-технический вуз страны последовательно выстраивает научно-образовательную систему, направленную на подготовку специалистов в области ВИЭ. Важную роль в этом процессе играет Школа материаловедения и «зеленых» технологий (ШМиЗТ), являющаяся научной и экспериментальной базой для студентов бакалавриата, магистратуры и PhD докторантуры.

ШМиЗТ была создана 1 августа 2022 года в Казахстанско-Британском техническом университете на базе научно-образовательных центров «Альтернативной энергетики и нанотехнологий» и «Материаловедения и проблем коррозии». В настоящее время при выполнении своих задач ШМиЗТ широко использует научный потенциал Лаборатории альтернативной энергетики и нанотехнологий (ЛАЭиН) и Лаборатории перспективных материалов и технологий (ЛПМиТ). Основной фокус школы - это подготовка специалистов, способных решать современные задачи в области нанотехнологий, материаловедения и возобновляемой энергетики.

Учебные курсы, преподаваемые в ШМиЗТ, ориентированы на междисциплинарный подход. Программы бакалавриата, магистратуры и PhD включают как инженерно-физические основы, так и современные цифровые инструменты моделирования, анализа и оптимизации. Большое внимание уделяется вопросам устойчивого развития, жизненного цикла энергетических систем, а также политике в области декарбонизации.

Главная особенность ШМиЗТ - это обучение через исследование. Уже с первых курсов студенты под руководством профессоров и преподавателей участвуют в реальных научных проектах, проводят лабораторные эксперименты, участвуют в подготовке статей и докладов. Каждый учебный год завершается защитой проектных работ, связанных с энергетическими установками, материалами для ВИЭ или экологическими технологиями. ШМиЗТ поддерживает тесные связи с промышленными партнерами и международными университетами, что позволяет учащимся проходить стажировки за рубежом, участвовать в совместных исследовательских инициативах и быть частью глобального научного сообщества.

Формирование инженерного мышления будущего требует особой образовательной среды. В ШМиЗТ активно используются современные лаборатории и экспериментальные установки, обеспечивающие непрерывную связь между теорией и практикой. Здесь рождается не только новое знание, но и умение применять его в условиях реального мира.

Одним из ключевых звеньев системы «обучение через исследование» является Лаборатория альтернативной энергетики и нанотехнологий. Она была создана в Казахстанско-Британском техническом университете 2 мая 2011 года под руководством профессора К. X. Нусупова как исследовательская платформа для реализации передовых разработок в области солнечной и ветровой энергетики, а также функциональных наноматериалов. Сегодня лаборатория служит не только научной базой, но и настоящей школой инженерной практики.

Исследования в лаборатории охватывают широкий спектр направлений - от разработки уникальных ветряных установок до создания многофункциональных нанопокрытий.

Одним из основных направлений деятельности лаборатории является разработка солнечных элементов с различной архитектурой и их последующей сборкой в солнечные панели. В лаборатории имеется полный цикл оборудования для производства кремниевых солнечных панелей. Более того, в последние годы сотрудники лаборатории совместно с исследователями из Назарбаев Университета начали активно работать над созданием тандемных солнечных элементов типа Si/перовскит - одного из самых перспективных направлений современной фотогальваники. Это сотрудничество между КБТУ и Назарбаев университетом способствует интеграции научных исследований и инновационных технологий, а также усиливает межвузовские связи в области развития солнечной энергетики в Казахстане.

Принцип работы тандемных солнечных элементов основан на последовательном соединении двух фоточувствительных слоев, каждый из которых эффективно поглощает свет в определенной части спектра. В классической кремниевой солнечной батарее значительная доля высокоэнергетических (синих и ультрафиолетовых) фотонов теряется в виде тепла, поскольку кремний эффективно работает преимущественно в ближней инфракрасной и видимой части спектра. Перовскиты же, благодаря возможности точной настройки ширины запрещенной зоны, способны эффективно улавливать более коротковолновое (высокоэнергетическое) излучение.

Следовательно, в тандемной архитектуре верхний слой из перовскита поглощает высокоэнергетические фотоны, а нижний слой из кристаллического кремния - низкоэнергетические, проходящие сквозь верхнюю ячейку. Это позволяет существенно повысить квантовую эффективность и максимально использовать солнечный спектр, достигая потенциальной эффективности преобразования свыше 35%, что превышает теоретический предел традиционных кремниевых элементов (~29-30%). Решению этих и других задач посвящена диссертация PhD руководителя лаборатории А. Т. Султанова, а также ряд магистерских диссертаций и дипломных работ молодых ученых и студентов.

Таким образом, преподаватели, высококвалифицированные специалисты и студенты совместно участвуют в разработке и совершенствовании самых передовых технологий в области фотогальваники. Тем не менее деятельность лаборатории не ограничивается исключительно теоретическими или экспериментальными исследованиями. Одним из приоритетов является практико-ориентированное обучение студентов, включающее участие в обслуживании и мониторинге действующих солнечных электростанций. Это позволяет молодым специалистам не только закрепить полученные знания на практике, но и получить ценный опыт работы с реальными объектами энергетической инфраструктуры.

Таким образом, Лаборатория альтернативной энергетики и нанотехнологий представляет собой уникальное научно-образовательное пространство, где инновационные разработки в области возобновляемой энергетики сочетаются с подготовкой инженерных кадров нового поколения. Благодаря тесной интеграции науки, практики и обучения лаборатория играет важную роль в развитии устойчивых энергетических технологий и формировании научного потенциала.

Переход к «зеленой» энергетике - это не только вопрос инфраструктуры, но прежде всего вопрос подготовки кадров. Именно университеты формируют интеллектуальный фундамент будущей экономики, закладывая научные и инженерные основы устойчивого развития.

Школа материаловедения и «зеленых» технологий совместно с научными лабораториями являются важнейшими элементами этой системы, объединяющими в КБТУ образование, науку и инновации. В условиях глобальных вызовов и климатической неопределенности здесь воспитываются инженеры будущего - те, которые не только знают, зачем нужна энергия человечеству, но и умеют ее создавать для всеобщего блага, используя «зеленые» технологии.