Погремушка

Разворот на водород

Эксперимент по получению водорода из воды с помощью солнечной энергии (Университет Нового Южного Уэльса, Австралия). В этой технологии солнечный свет сначала преобразуется в электричество, которое уже разлагает воду на кислород и водород в присутствии катализатора (диоксида титана)

В качестве перспективного горючего водород начал рассматриваться уже в середине прошлого века, а до этого он успел поработать в дирижаблях и сварочных аппаратах, ныне же часто трудится в роли одного из самых эффективных аккумуляторов энергии. Внедрение водорода в качестве горючего долго тормозилось его взрывоопасностью, а самое главное, себестоимостью его добычи. Но скоро ситуация может резко измениться

Впервые водород в чистом виде выделил 240 лет назад английский химик Генри Кавендиш. Свойства полученного им газа были настолько удивительны, что ученый принял его за легендарный «флогистон», «теплород» — вещество, по канонам науки того времени определявшее температуру тел. Он прекрасно горел (а огонь считался почти чистым флогистоном), был необычайно легок, в 15 раз легче воздуха, хорошо впитывался металлами и так далее. Однако другой великий химик, француз Антуан-Лоран Лавуазье, уже в 1787 году доказал, что полученное Кавендишем вещество — вполне обычный, хотя и очень интересный химический элемент. Свое название водород получил оттого, что при горении давал не дым, сажу и копоть, а воду. Кстати, именно эта его особенность больше всего привлекает сегодняшних экологов и «зеленых».
Вплоть до конца XIX века получение водорода было делом достаточно хлопотным. Добывали его в мизерных количествах, растворяя обычные металлы в кислотах, а также щелочные и щелочноземельные в воде. Только после того, как электричество начали производить в промышленных масштабах, появилась возможность относительно легко добывать его тоннами с помощью электролиза. Выглядит электролитический процесс примерно так: в ванну с водой опускают два электрода, на одном — положительный потенциал, на другом — отрицательный. На плюсе в результате прохождения тока выделяется кислород, а на минусе — водород.
Наработав в достаточном количестве этот легкий газ, люди сначала приспособили его для воздушных полетов. В этом качестве первый элемент Таблицы Менделеева применяли вплоть до 1937 года, когда в воздухе сгорел крупнейший в мире, в два футбольных поля размером, заполненный водородом немецкий дирижабль «Гинденбург». Катастрофа унесла жизни 36 человек, и на таком использовании водорода был поставлен крест. С тех пор аэростаты заправляют исключительно гелием. Гелий — газ, увы, более плотный, но зато негорючий.

Погремушка

В 1944 году американские военные попытались использовать его в качестве ракетного топлива. Помешала делу высокая взрывоопасность газа: стоило совсем немного отклониться от нормальной работы двигателей или допустить малейшую протечку, и мирный водород мигом превращался в зловещий «гремучий газ». В результате ракеты не долетали до цели, взрываясь прямо на старте. По той же причине американцам не удалось в 50-е годы прошлого века построить водородный самолет, а в 70-е, во времена нефтяного кризиса, — водородный эсминец.
В этом смысле дела в СССР, основном тогдашнем конкуренте Штатов в области водородной энергетики, были более успешны. Советские ученые решили добывать из водорода энергию в виде электричества, напрямую окисляя его в водной среде, а не поджигая в смеси с кислородом. Для этого они использовали топливные элементы, в которых водород на специальной ионообменной мембране соединялся с кислородом, в результате чего получались вода и электричество. Технология оказалась настолько удобной, что сейчас без участия топливных элементов не проходит ни одна серьезная космическая экспедиция.

Движки-универсалы

Немного позже ученые все же придумали, как использовать водород в качестве именно горючего и при этом не взорваться. В газ стали добавлять специальные присадки-ингибиторы (химические «тормоза»). Например, пропилен. Всего один процент этого дешевого газа — и водород из грозного оружия превращается в безопасный газ. В результате уже в 1979 году компания BMW выпустила первый автомобиль, вполне успешно ездивший на водороде, при этом не взрывавшийся и выпускавший из выхлопной трубы водяной пар. В эпоху усиливающейся борьбы с вредными выхлопами машина была воспринята как вызов консервативному автомобильному рынку. Вслед за BMW в экологическую сторону потянулись и другие производители. К концу века каждая уважающая себя автокомпания имела в запаснике хотя бы один концепт-кар, работающий на водородном топливе.
Баварские автомобилестроители в рамках программы CleanEnergy («чистая энергия») приспособили под езду на Н₂ несколько «семерок» и MINI Cooper. Оборудованная 4-литровым двигателем водородная «семерка» развивает мощность в 184 лошадиные силы и проходит на одной заправке (170 литтров жидкого водорода «под завязку») 300 км. Mazda «подсадила» на водород свой знаменитый спорт-кар RX-8. В таком экологически чистом варианте он называется Mazda RX-8 HRE (Hydrogen Rotary Engine). Все эти машины могут ездить и на водороде, и на бензине.
Если BMW и Mazda пока чередуют два вида топлива, некоторые научились их совмещать. По дорогам США уже ездит множество седельных тягачей, в дизельных сердцах которых пылает соляро-водородная смесь. В результате мощность двигателя вместе с чистотой выхлопа растут, а расход топлива снижается на 10%. Оборудованную системой HFI (Hydrogen Fuel Injection — водородный топливный впрыск) машину не надо даже заправлять этим газом, достаточно залить в небольшой бачок несколько литров воды. Система сама проведет электролиз, соберет водород и направит его в камеру сгорания. Эффект заключается в том, что в смеси с водородом солярка сгорает значительно эффективнее.
Но большинство производителей пошли по пути создания электромобилей на топливных элементах. Ибо кроме «экологичности» у них есть масса других преимуществ. Например, гораздо более высокий (до нескольких раз) КПД двигателя или бесшумность.
А больше всех новым топливом заинтересовались японцы. И это понятно. Эта страна, практически лишенная хоть каких-нибудь природных запасов нефти и газа, обладает неограниченными объемами сырья для водорода (в виде океанской воды) и поистине завидной сообразительностью населения. А поэтому здесь водородные аналоги есть практически у любого вида техники — от работающего на топливных элементах локомотива до человекоподобного робота SpeecysFC. К тому же японцы вовсю ведут разработки топливных элементов для ноутбуков и мобильных телефонов. Компания NEC еще в 2001 году создала первый рабочий прототип мобильного топливного элемента PEFC. «Батарейка» выдает «на-гора» в 10 раз больше энергии, чем стандартный литиево-ионный аккумулятор. Правда, заряжается она метанолом: в специальной камере под действием катализаторов и температуры (85 градусов по Цельсию) из него извлекается водород, который и «допускается» к энергопроизводящей мембране. Такая система работы связана с тем, что хранить водород не так-то просто.

Энергетические консервы
Пока человек не научился получать дешевый водород напрямую, без использования электричества, к этому газу можно относиться лишь как к аккумулятору энергии — этакой копилке мегаджоулей. Ведь всего двадцать грамм водорода способны совершить столько же работы, сколько полностью заряженный автомобильный аккумулятор. Однако и в этом качестве у него существует множество конкурентов. Всю свою историю человек разрабатывал новые способы сбора и хранения энергии. С самым простым видом такого накопителя мы сталкиваемся всякий раз, когда заводим механические часы. Главное достоинство металлической пружины — простота конструкции, однако по плотности накопленного она стоит в самом конце рейтинга энергетических аккумуляторов. Самая лучшая пружина не может «сохранить» более 0, 5 кДж на килограмм своего веса. Обычная резинка способна «собрать» в 8 раз больше. Еще более емкими являются детали, которые электрики часто так и называют «емкость». Правильное название — конденсатор. Тут уже можно с килограмма получить 12 кДж. Следом за конденсаторами в линейке накопителей идут газовые и гидрогазовые. Их конструкция довольно сложна, используют эти устройства довольно редко (исключение — гидравлические дверные доводчики). Зато электрические «пиробатарейки» с неводным электролитом (энергоемкость — до 70 кДж/кг) человек использует сплошь и рядом. При большой температуре емкость и энергоотдачу такого источника можно повысить на порядок. Промышленный «горячий электрический аккумулятор» «запасает» от 400 до 700 кДж на килограмм. Однако высокая, до 800 градусов, рабочая температура и выделение ядовитого хлора делают его малопригодным для гражданского использования. Зато огромный срок хранения в холодном состоянии и быстрый выход на рабочий режим очень нравятся военным, которые такие батареи активно используют в составе стоящих на боевом дежурстве ракет и прочей техники быстрого реагирования. Настоящим «королем накопителей» следует признать обычный маховик. Юлу, которую мы знаем с детства. Тут уже речь идет о цифрах в тысячи и десятки тысяч килоджоулей. Хороший промышленный накопитель из углепластика способен «запасать» таких килоджоулей до 15 000. И это не предел. На самом деле энергоемкость такого маховика определяется только прочностью конструкции. Незадолго до начала Великой Отечественной войны на одном из наших оборонных заводов разорвало установленный в подвале маховик. Осколок маховика весом примерно 300 кг, пробив все потолочные бетонные перекрытия, улетел в небо, а упав обратно, во второй раз, пробил крышу — такая огромная энергия была в нем накоплена.

Так выглядит 3d орбиталь в атоме водорода. Согласно квантовой механике у электрона нет четкой траектории движения, и орбиталь — это та область пространства, где его пребывание наиболее вероятно