Клетка, полная водорода
Наверное, все еще помнят эксперименты с водородом на уроках физики или химии. С тех пор многие мечтали о водородной технологии как о неиссякаемом и чистом источнике энергии. Корейско-канадская исследовательская группа приблизилась к этой мечте.
Я испытал это дважды за один день. На уроке химии сверхосторожная учительница сначала надела защитные очки, закрывавшие половину лица, и потребовала предельного внимания, когда осторожно приблизила пробирку, в которой в результате электрохимического процесса образовался газ, к бунзеновской горелке: "Пух!", сделал это. Едва заметно. После этого в расписании была физика - и экспериментальная установка показалась нам чем-то знакомой. Однако без защитной одежды барабанщик начал свои уроки. Почти мимоходом, совершенно случайно, он взял одну из пробирок и поднес ее к огню. "Уммм!!", и он привлек всеобщее внимание.
Возможно, так или иначе это произошло во многих школах. Что зацепило, так это то, что водород, образующийся при электролизе воды, содержит огромное количество энергии и очень взрывоопасен. Это дает крылья фантазии: если бы из простой воды можно было получить такую огромную силу, то все энергетические проблемы были бы решены в одно мгновение. Ведь воды - по крайней мере, соленой - в избытке.
В то же время это будет означать независимость от ископаемого топлива и его поставщиков. И мы могли бы успокоить свою совесть, потому что больше не будем загрязнять атмосферу углекислым газом, образующимся при сжигании нефти или природного газа. Например, если во всех автомобилях есть топливные элементы, которые наполняются водородом, единственным отработанным продуктом будет чистая вода: выхлопные газы, которые можно пить - почти как в кокейне..
Но не все так просто. Чтобы получить взрывоопасный газ, его необходимо сначала сгенерировать. А электролиз - расщепление воды на два ее компонента, кислород и водород, с помощью электричества - в первую очередь требует энергии. В идеальном случае имеет место игра с нулевой суммой: энергия, необходимая для производства топлива, восстанавливается при последующем сгорании.
Поскольку идеалы существуют только в сказках - в реальных процессах всегда происходят потери - надо искать источники, которые легче выделяют свой водород.
Метан и другие углеводороды - но только потому, что природа проделала работу по их созданию для нас несколько миллионов лет назад. Суть еще и в том, что наиболее продуктивными источниками углеводородов являются залежи природного газа и нефти. Осталась бы мировая зависимость от нескольких производителей.
Бывает еще хуже: после того, как водород получен, возникает вопрос, как он будет храниться и распределяться. Поскольку этот двухатомный газ сжижается только при очень низких температурах и высоких давлениях, вряд ли в обозримом будущем он будет доступен на заправочной станции, тем более, что для сжижения заранее потребляется электроэнергия. Да и на газовом баллоне машина далеко не уедет.
В результате тысячи исследователей по всему миру интенсивно ищут подходящие хранилища для чрезвычайно летучего газа. То же самое сделала корейско-канадская группа под руководством Хуэна Ли из Корейского передового института науки и технологий в Тэджоне и Джона Рипмистера из Института молекулярных наук Стейси.
За образец они взяли природную структуру: так называемые клатраты со дна моря - пористые, хрупкие вещества, которые выживают только под высоким давлением и задерживают газы или другие химические соединения в микроскопических полостях.
Самый известный представитель - гидрат метана: Странные глыбы, похожие на грязный лед, но пылающие огнем. Материал образовался на дне океана и впитал метан, как губка. Газ выходит в воздух и может быть сожжен.
Геологи подозревают, что его огромное количество содержится в океанах, а также в вечномерзлых грунтах Сибири и Канады. Но эти сокровища нелегко спасти.
В таком клатрате можно хранить водород вместо метана, который можно использовать в качестве топлива для транспортных средств. Единственная проблема заключается в том, что материал формируется только под высоким давлением. Если менее продуктивный гидрат метана образуется на глубине воды добрых 500 метров, то для исследуемого учеными соединения включения воды и чистого водорода требуется не менее 2000 бар. Это соответствует давлению воздуха в 2000 раз или условиям давления на глубине воды 20 000 метров.
Чтобы танки или другие суда могли выдерживать такие высокие нагрузки, они должны быть очень прочными. Но это ничто для автомобильной промышленности, которая хочет сделать свои автомобили все более и более эффективными и экономичными за счет снижения веса, за исключением так называемых веселых автомобилей.
Корейская исследовательская группа обнаружила, что давление, необходимое для стабильности исследуемого соединения включения, может быть снижено до хороших 120 бар, если использовать жидкий тетрагидрофуран с запахом ацетона (ТГФ; C4). H8O) вступает в игру. Хотя ТГФ вытесняет часть водорода из клатрата, клатрат по-прежнему способен хранить до четырех процентов своего веса в водороде.
Это вполне сравнимо с другими системами, которые в настоящее время тестируются в качестве памяти, но этого недостаточно для автомобильной промышленности. Кроме того, этот нестабильный твердый резервуар все еще должен быть охлажден до температуры около точки замерзания.
Но у хранилища Ли и Рипмистера есть несколько других преимуществ: Исходные материалы - вода и тетрагидрофуран - дешевы и практически безвредны. А может быть, удастся сохранить еще больше газа, если вместо тетрагидрофурана использовать другой стабилизатор. Но это должны показать дальнейшие исследования.