Водородная бомба: найден вечный источник топлива

Ученые продолжают поиски неисчерпаемых и удобных в использовании источников топлива

Очередной прорыв совершили американские исследователи из университета штата Колорадо в Боулдере, создав технологию производства водорода из воды с использованием энергии Солнца.

В затылок им дышат немецкие и голландские исследователи из Берлинского центра изучения энергии и материалов и Делфтского технического университета, которые создали систему искусственного фотосинтеза – она также, используя солнечный свет и воду, аккумулирует водород. Надо признать, что американская идея гораздо более красивая. Но вот какая из них станет частью нашей жизни, это еще вопрос.

Водород – это самый простой элемент во Вселенной. Проще его трудно что-то представить: в центре один положительно заряженный протон, вокруг которого обретается отрицательно заряженный электрон.

На водород приходится более 88% всех атомов, он главное топливо термоядерных реакций в недрах звезд. Но и химически он горит неплохо – его удельная теплота сгорания 120 МДж/кг, а, например, у бензина, керосина или природного газа всего 44–46. Тем более что при его сгорании образуется только чистая вода. Но, кроме этого, его хорошо применять в так называемых топливных элементах, где он обеспечивает прямое получение электрического тока.

В самом начале XXI века мечтали, что уже через десять лет, то есть в 2010 году, автомобили на водородных топливных элементах станут массовым явлением, однако этого не случилось. И главная проблема в том, что водород в данном случае не исходное сырье, а вещество-посредник, его надо откуда-то добыть, а потом уже использовать. Откуда добывать его на Земле, ясно, – из той же воды. Но для этого надо или пропустить через воду электрический ток, либо нагреть воду до температуры около тысячи градусов – в общем, опять же затратить энергию, которую надо откуда-то получить.

Американские ученые смогли творчески соединить старые знания и новые решения. Их идея заключается в том, чтобы собрать в одну точку солнечную энергию, как уже делается в функционирующих солнечных станциях.

Первая коммерческая солнечная станция башенного типа близ Севильи

Зеркала смогут обеспечить в фокусе температуру вплоть до 1350 °C. При этой температуре оксиды металлов, например та же ржавчина, начинают восстанавливаться, теряя кислород, и вновь становятся металлами. Вроде бы ничего нового. Но если жадный до кислорода нагретый металл обдать разогретым водяным паром, то три атома железа сольются с четырьмя атомами воды. При этом образуется молекула Fe3O4 (оксид железа) и выделится четыре молекулы водорода (водород выделится в виде молекул, состоящих из двух атомов). Этот метод известен давным-давно: еще двести лет назад по всей Европе (и в России тоже) воздухоплавателями использовался метод получения водорода прогоном перегретого водяного пара через раскаленный железный порошок.

Полученный таким образом водород будет собран и направлен для дальнейшего использования. Цикл, по сути дела, замкнут: оксид металла восстанавливается до металла и вновь окисляется за счет энергии Солнца. Вода, которая разлагается, окисляя металл, восстанавливается, когда сгорает водород в двигателе машины. Кислород, который поглотил мотор, сжигая водород, в конечном счете компенсируется за счет того кислорода, который выделяется из окисленного паром железа.

Разумеется, использоваться может не только железо, но и другие металлы. Главное, что тепло от солнечной башни одновременно используется для двух параллельных процессов. Тем более что исследователи надеются добиться того, чтобы оба процесса проходили при одной и той же температуре, – это важно для долговечности системы. Не расходуя практически ничего, кроме солнечной энергии, система в итоге будет производить ее концентрат, ведь, по словам самих авторов этой технологии, «расщепление воды солнечной энергией является святым Граалем водородной экономики».

Система, разработанная в Берлине и Делфте, отличается от той, что предложена американцами, – она в определенной степени эмулирует фотосинтез в листьях деревьев, хотя, конечно, это несколько иной процесс, хотя авторы и называют ее «искусственным фотосинтезом».

Суть изобретения в том, что, используя обычный фотоэлемент и металлооксидный анод, они получили систему, которая в процессе своей работы генерирует электрический ток, разлагающий воду и собирающий выделившийся водород для дальнейшего использования. Система конвертирует в этот газ примерно 5 процентов солнечной энергии, а в перспективе ученые надеются повысить эффективность до 10 процентов.

Это изобретение может получить особую популярность в Германии и ряде других европейских стран, где правительство стимулирует рост солнечной энергетики, в том числе в виде малых источников. Дело в том, что новые панели можно будет интегрировать вместе с традиционными солнечными батареями. Средняя величина получаемой солнечной энергии в Германии равна 600 ваттам на квадратный метр. 100 квадратных метров предложенной системы  (по сути, это квадрат 10 на 10 метров) теоретически могут в солнечный день в виде водорода запасать за один час около 3 кВт энергии, которую можно будет опять восстановить в темное время суток или в пасмурные дни с помощью топливных элементов.

Американская система рассчитана совсем на иные масштабы использования. Для ее функционирования необходимо построить систему из сотен поворотных зеркал, установленных на площади в несколько гектаров, и построить башню высотой несколько десятков метров.

Водород, который она выработает, можно будет поставлять для зарядки автомобилей, они будут его использовать для питания двигателей внутреннего сгорания или же топливных элементов. Авторы разработки указывают, что эффективность системы будет зависеть от количества коктейля из оксидов металлов (таких как железо, кобальт, алюминий) и количества водяного пара, подаваемого в систему в единицу времени. Ну и, разумеется, от количества зеркал и ясного неба.

Разработчики не питают иллюзий, что их изобретение сможет быстро воплотиться в жизнь. Они не видят перспектив коммерциализации своего проекта – при рекордно низких ценах на природный газ (спасибо сланцевым месторождениям). До тех пор, пока в США не будут накладывать чувствительные денежные штрафы за выбросы углекислого газа в атмосферу или не подорожает нефть, перспективы у экологически чистого, практически вечного, но затратного на первом этапе топлива весьма туманны. И тем не менее надежды есть, ведь это исследование было профинансировано Национальным научным фондом и Министерством энергетики США. Значит, уже взяли на заметку.

Источник: slon.ru