Водень із води
Експеримент з отримання водню з води за допомогою сонячної енергії (Університет Нового Південного Уельсу, Австралія). У цій технології сонячне світло спочатку перетвориться в електрику, яке вже розкладає воду на кисень і водень в присутності каталізатора (діоксиду титану)
Як перспективний пального водень почав розглядатися вже в середині минулого століття, а до цього він встиг попрацювати в дирижаблях і зварювальних апаратах, нині ж часто працює в ролі одного з найефективніших акумуляторів енергії. Впровадження водню в якості пального довго гальмувалося його вибухонебезпечність, а найголовніше, собівартістю його видобутку. Але скоро ситуація може різко змінитися
Вперше водень в чистому вигляді виділив 240 років тому англійський хімік Генрі Кавендіш. Властивості отриманого ним газу були настільки дивні, що вчений прийняв його за легендарний «флогістон», «теплород» - речовина, за канонами науки того часу визначало температуру тел. Він прекрасно горів (а вогонь вважався майже чистим флогистоном), був надзвичайно легкий, в 15 разів легший за повітря, добре вбирався металами і так далі. Однак інший великий хімік, француз Антуан-Лоран Лавуазьє, вже в 1787 році довів, що отримане Кавендишем речовина - цілком звичайний, хоча і дуже цікавий хімічний елемент. Свою назву водень отримав від того, що при горінні давайте не дим, сажу і кіптяву, а воду. До речі, саме ця його особливість найбільше приваблює сьогоднішніх екологів і «зелених».
Аж до кінця XIX століття отримання водню було справою досить важким. Добували його в мізерних кількостях, розчиняючи звичайні метали в кислотах, а також лужні і лужноземельні в воді. Тільки після того, як електрику почали виробляти в промислових масштабах, з'явилася можливість відносно легко видобувати його тоннами за допомогою електролізу. Виглядає електролітичний процес приблизно так: в ванну з водою опускають два електроди, на одному - позитивний потенціал, на іншому - негативний. На плюсі в результаті проходження струму виділяється кисень, а на мінусі - водень.
Напрацювавши в достатній кількості цей легкий газ, люди спочатку пристосували його для повітряних польотів. На цій посаді перший елемент Таблиці Менделєєва застосовували аж до 1937 року, коли в повітрі згорів найбільший в світі, в два футбольних поля розміром, заповнений воднем німецький дирижабль «Гінденбург». Катастрофа забрала життя 36 осіб, і на такому використанні водню був поставлений хрест. З тих пір аеростати заправляють виключно гелієм. Гелій - газ, на жаль, більш щільний, але зате негорючий.
брязкальце
У 1944 році американські військові спробували використовувати його в якості ракетного палива. На заваді стала справі висока вибухонебезпечність газу: варто було зовсім небагато відхилитися від нормальної роботи двигунів або допустити найменшу протікання, і мирний водень миттю перетворювався в зловісний «гримучий газ». В результаті ракети не долітали до мети, вибухаючи прямо на старті. З тієї ж причини американцям не вдалося в 50-і роки минулого століття побудувати водневий літак, а в 70-е, за часів нафтової кризи, - водневий есмінець.
У цьому сенсі справи в СРСР, переважно тодішньому конкурента Штатів в області водневої енергетики, були більш успішні. Радянські вчені вирішили добувати з водню енергію у вигляді електрики, безпосередньо окисляя його у водному середовищі, а не підпалюючи в суміші з киснем. Для цього вони використовували паливні елементи, в яких водень на спеціальній ионообменной мембрані з'єднувався з киснем, в результаті чого виходили вода і електрика. Технологія виявилася настільки зручною, що зараз без участі паливних елементів не проходить жодна серйозна космічна експедиція.
Двигуни-універсали
Трохи пізніше вчені все ж придумали, як використовувати водень як саме пального і при цьому не вибухнути. У газ стали додавати спеціальні присадки-інгібітори (хімічні «гальма»). Наприклад, пропілен. Всього один відсоток цього дешевого газу - і водень з грізної зброї перетворюється в безпечний газ. В результаті вже в 1979 році компанія BMW випустила перший автомобіль, цілком успішно їздив на водні, при цьому не вибухають і випускав з вихлопної труби водяна пара. В епоху посилення боротьби з шкідливими вихлопами машина була сприйнята як виклик консервативному автомобільному ринку. Слідом за BMW в екологічну сторону потягнулися й інші виробники. До кінця століття кожна поважаюча себе автокомпанія мала в запаснику хоча б один концепт-кар, який працює на водневому паливі.
Баварські автомобілебудівники в рамках програми CleanEnergy ( «чиста енергія») пристосували під їзду на Н2 кілька «сімок» і MINI Cooper. Обладнана 4-літровим двигуном воднева «сімка» розвиває потужність в 184 кінських сили і проходить на одній заправці (170 Літтров рідкого водню «під зав'язку») 300 км. Mazda «підсадила» на водень свій знаменитий спорт-кар RX-8. В такому екологічно чистому варіанті він називається Mazda RX-8 HRE (Hydrogen Rotary Engine). Всі ці машини можуть їздити і на водні, і на бензині.
енергетичні консерви
Поки людина не навчився отримувати дешевий водень безпосередньо, без використання електрики, до цього газу можна ставитися лише як до акумулятора енергії - такою собі скарбничці мегаджоулей. Адже всього двадцять грам водню здатні зробити стільки ж роботи, скільки повністю заряджений автомобільний акумулятор. Однак і в цій якості у нього існує безліч конкурентів. Всю свою історію людина розробляв нові способи збору і зберігання енергії. З найпростішим видом такого накопичувача ми стикаємося щоразу, коли заводимо механічний годинник. Головне достоїнство металевої пружини - простота конструкції, проте по щільності накопиченого вона стоїть в самому кінці рейтингу енергетичних акумуляторів. Найкраща пружина не може «зберегти» більше 0,5 кДж на кілограм своєї ваги. Звичайна гумка здатна «зібрати» в 8 разів більше. Ще більш ємними є деталі, які електрики часто так і називають «ємність». Правильна назва - конденсатор. Тут вже можна з кілограма отримати 12 кДж. Слідом за конденсаторами в лінійці накопичувачів йдуть газові та гідрогазовие. Їх конструкція досить складна, використовують ці пристрої досить рідко (виняток - гідравлічні дверні доводчики). Зате електричні «піробатарейкі» з неводним електролітом (енергоємність - до 70 кДж / кг) людина використовує часто-густо. При великій температурі ємність і енерговіддачу такого джерела можна підвищити на порядок. Промисловий «гарячий електричний акумулятор» «запасає» від 400 до 700 кДж на кілограм. Однак висока, до 800 градусів, робоча температура і виділення отруйного хлору роблять його малопридатним для цивільного використання. Зате величезний термін зберігання в холодному стані і швидкий вихід на робочий режим дуже подобаються військовим, які такі батареї активно використовують в складі стоять на бойовому чергуванні ракет та іншої техніки швидкого реагування. Справжнім «королем накопичувачів» слід визнати звичайний маховик. Дзигу, яку ми знаємо з дитинства. В цьому випадку мова йде про цифри в тисячі і десятки тисяч кілоджоулів. Хороший промисловий накопичувач з вуглепластика здатний «запасати» таких кілоджоулів до 15 000. І це не межа. Насправді енергоємність такого маховика визначається тільки міцністю конструкції. Незадовго до початку Великої Вітчизняної війни на одному з наших оборонних заводів розірвало встановлений в підвалі маховик. Осколок маховика вагою приблизно 300 кг, пробивши всі стельові бетонні перекриття, полетів в небо, а впавши назад, вдруге, пробив дах - така величезна енергія була в ньому накопичена.
Так виглядає 3d орбиталь в атомі водню. Згідно з квантовою механікою у електрона немає чіткої траєкторії руху, і орбиталь - це та область простору, де його перебування найбільш ймовірно
Зараз водневе паливо зберігають трьома способами: в стислому вигляді, в зрідженому і в металогідриди. Найпростіше, звичайно, - закачати водень в бак потужним компресором. У баках тієї ж Mazda водневе паливо утримується під тиском 350 атмосфер. Але спосіб цей, будучи найдешевшим, і самий небезпечний. При такому високому тиску будь-яка слабинка в системі загрожує протіканням газу. А де протікання, там пожежа, а то і вибух.
Більш надійний і практичний спосіб - тримати водень в рідкому вигляді. Але для цього його потрібно охолодити до -253 градусів Цельсія. У BMW паливо зберігається саме в такому вигляді: тому майже половину паливної системи займає найпотужніша теплоізоляція. І все одно, варто залишити машину на стоянці, скажімо, на тиждень, і вона зустріне повернувся господаря з порожніми баками. Ніяка ізоляція не може повністю захистити систему від нагрівання. В результаті водень починає випаровуватися, тиск в баку зростає, і газ просто стравливается в атмосферу через запобіжний клапан. За технічними умовами повна заправка випаровується всього за три дні ...
Найперспективніший спосіб - зберігання в металогідридних композиціях. Водень, виявляється, дуже добре розчиняється металами, як вода всмоктується губкою. Причому він поглинається у величезних обсягах, які значно перевищують обсяги «губки». Такі «нагодовані» воднем метали називаються металогідриди. При охолодженні вони вбирають водень, при нагріванні - активно його віддають. У минулому році фахівці з американської Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії створили матеріал на основі борана аміаку, здатний вбирати і віддавати вже при 80 градусах водень зі швидкістю, в сто разів перевищує ті, що були доступні раніше. А Танер Іілдірім з американського Національного інституту стандартів і технологій разом з Салімом Сайракі з турецького університету Білкент розробили матеріал, здатний вбирати газоподібний водень у кількості до 9 000 літрів на 10-кілограмовий елемент! Це особливий кристалічний Нанокомплекс, що складається з мікроскопічних, інкрустованих зовні титаном, вуглецевих нанотрубок, кожна з яких в 5 000 разів тонші людської волосини. Виготовити такий вуглецево-титановий «накопичувач» людина вже може, але коштує він занадто дорого. Бувай. Однак зауважимо, що і персональний комп'ютер ще зовсім не так давно коштував, як хороший автомобіль.
Здавалося б, людство вже готове перестрибнути в водневу епоху. Нове паливо влаштовує і вчених, і екологів, і підприємців, і політиків, і простих людей. І перейти на нього заважає всього одна проблема. Поки що зовсім не зрозуміло, де цей водень брати.