Текст книги "Занимательно об энергетике"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 13 страниц)

А вот и» совсем свежие (1980 г.) новости. В Харькове появилась первая «водородная колонка». Харьковчанин сел в обычное такси, проехал весь город, не догадываясь, что двигатель этой машины работает не на чистом бензине, а на его смеси с водородом. Только водород попадает не в бак, а в специальный «аккумулятор», где немедленно «связывается» металлическим порошком, который прочно удерживает газ и делает его абсолютно взрывобезопасным. Во время движения авто водород в строгой дозировке, контролируемой приборами, вместе с бензином подается в камеру сгорания двигателя. Это позволяет более чем на одну треть сократить расход бензина и резко снизить содержание вредных веществ в выхлопных газах.

Новинка разработана учеными Института проблем машиностроения Академии наук Украины и Харьковского автодорожного института.

Ну же! Казалось бы, еще один миг – и водород получит окончательную прописку в транспорте.

Что мешает тому, чтобы водород стал топливом для «безлошадных карет», заменил дорожающий бензин? Какие возражения выдвигают противники водорода?

Ну, первое: не опасно ли разъезжать на водородо-мобиле? Ведь водород взрывоопасен!

Еще со времен школьных опытов в химическом кабинете мы помним эффектные взрывы гремучего газа. Да, на всех предприятиях, где в ходу водород, обязательно встретишь надпись: «Курить воспрещается!»

Но и спички опасны, особенно при неумелом обращении. И смесь паров бензина с воздухом взрывается ничуть не хуже смеси водорода с воздухом.

А такие «взрывы» происходят в автомобиле по многу раз в секунду! Короче, признано: употребление водорода не более опасно, чем использование обычного светильного газа.

Вот более весомое возражение. Водород имеет очень низкую плотность и занимает большой объем. Для уменьшения объема его необходимо подвергнуть сжижению при очень низкой температуре (минус 252 градуса по Цельсию) и при высоком давлении. Уже одна эта операция требует большого расхода энергии. Но даже в сжиженном состоянии водород имеет плотность в три-четыре раза меньшую, чем плотность нефти. Следовательно, при их равной массе для водорода требуются куда более вместительные резервуары.

Еще одна существенная трудность: как хранить водород? Для хранения 20 килограммов жидкого водорода под давлением 200 атмосфер необходим бронированный резервуар размером с автомобиль и весящий около тонны.

Если бы водород не обладал высокой энергетической отдачей, выбор давно пал бы на синтетические виды горючего, получаемые из угля. Но, к счастью, в последние годы появились новые, очень перспективные методы хранения водорода. Так, в частности, используется размельченный, с очень высокой удельной поверхностью сплав – «металлический гидрид». Он действует как губка, поглощающая большие порции водорода. Баки, заполненные гидридом, вмещают в 40 раз больше водорода, чем баки, заполненные только газом.

Самое любопытное то, что новая технологическая схема позволяет не только хранить в твердом состоянии вещество, слишком взрывоопасное в газообразном состоянии, но и получать при переводе водорода из газообразного состояния в твердое тепловую энергию.

Принцип таков: резервуар снабжен системой трубок, внутри которых находятся очень мелкие, порядка нескольких микрон, частицы сплава титана и железа. Когда водород попадает под давлением в эти трубки, он контактирует с частицами, в результате чего происходит образование водородных соединений.

При этой химической реакции выделяется тепло, его можно использовать, например, для отопления помещений. Когда же нужно извлечь водород из резервуара, достаточно только подать тепло к водородным соединениям.

Эта часть процесса сопровождается выделением холода, который также может быть использован, например, для кондиционирования воздуха. А для высвобождения водорода достаточно через водородные соединения пропустить выхлопные газы двигателя или водяной пар, то становится понятным: такой метод хранения водородного топлива очень эффективен.

Водородные щедроты атома

Водород нужен не только автомобилю, но и самолетам. Недавно представители авиационной компании «Локхид» сделали заявление: в конце 1985 года, обещают они, четыре грузовых самолета «тристар», работающие на жидком водороде, начнут регулярные полеты.

Поживем, как говорится, увидим. Может, это просто рекламный трюк. Но вот промышленности (металлургии, скажем, водород нужен для прямого восстановления руд), особенно химической (половина производимого в мире водорода идет на выработку аммиака – основы удобрений; водород нужен и для создания высокооктанового бензина, и для гидрогенизации жиров), водород нужен во всевозрастающих дозах.

В 1970 году было произведено 1,8-107 тонн водорода!

Еще одна область, где водород может найти широкое применение, – это получение кормов для скота. Уже в прошлом столетии были открыты водородоокисляющие бактерии, биомасса которых при поглощении водорода удваивается за несколько часов. «Водородные» бактерии содержат 50—75 процентов белка. Этой биомассой можно кормить скот.

В Академии наук Молдавии создана опытно-промышленная установка для получения «водородных» бактерий. Уже подсчитано, что реактор тепловой мощностью в 2 миллиона киловатт мог бы «произвести» пищу (мясо) для миллиона жителей планеты.

Водородная энергетика очень нужна Она вступила бы в жизнь уже сегодня, если бы ученые располагали ответом на главный вопрос: как получить водород? Трудно сказать, когда водород начнут «качать», словно нефть, из недр Земли (вспомним гипотезу Ларина!). Пока же давайте обсудим возможности чисто земные, реальные, то, чем мы располагаем сейчас.

Способы получения водорода есть, их немало, но они, помимо всего прочего, должны быть экономически выгодны. Ведь, к примеру, при электролизе воды 85 процентов энергии электричества теряется напрасно и только 15 процентов материализуется в виде водорода. Поэтому подобные способы производства водорода человечеству пока еще не по карману.

Но водород очень нужен, и его получают из углеводородов нефти и газа, из угля (через кокс при температуре 1100 градусов Цельсия пропускается водяной пар) или же электролизом.

Увы, все эти операции либо дорогостоящи, либо поглощают энергии больше, чем дают. Кроме того, исключая электролиз, процессы сопровождаются тратой невосполнимой органики.

Нет! Водородная энергетика наберет силу только тогда, когда водород будут получать, во-первых, из воды (ее запасы в морях и океанах доступны и преизобильны), а, во-вторых, источник энергии будет даровым.

И тут исследователи возлагают большие надежды на атом.

Действительно, КПД атомной станции, если исходить из того, сколько энергии урана израсходовано и сколько энергии получено в виде электрического тока, составит всего 30—32 процента. Остальное уходит в бесполезное тепло. Но этот минус, оказывается, можно обратить в плюс!

Заставить тепло нарабатывать водород – вот идея' Ученые предложили уже множество схем – термохимических реакций, которые циклически повторяются, возвращаясь к исходному состоянию. (Значит, производство можно оформить в замкнутый, экологически чистый цикл!)

Грубо говоря, схема такова. В совокупность связанных меж собой химических аппаратов подаются вода и тепло от атомного реактора. Это то, что входит, выходят же по трубопроводам водород и кислород.

Сейчас в мире запатентованы уже многие десятки термохимических циклов, которые порой носят звучные имена: «Марк», «Агнесса», «Екатерина» и так далее.

Работы в этом направлении ведутся в СССР, США, Италии, Голландии, ФРГ, Англии, Японии. Уж больно заманчиво использовать бросовое тепло ядерных реакторов. Ведь КПД такой ядерно-водородной станции (ЯВС) теоретически может быть не 30 процентов, как у АЭС, а 70 и выше!

Даже с учетом собственных энергетических нужд ЯВС ее КПД будет равным 50—56 процентам. Таких показателей не имеет ни одна тепловая электрическая станция!

Не исключено сочетание ЯВС с комплексом металлургических или химических заводов. Если же образующиеся водород и кислород направлять в топливные элементы, то станция будет вырабатывать только электрический ток. Эту энергию можно направить на разложение морской воды, на извлечение из нее урана, брома, калия и других ценнейших веществ. Конечно, пока это только один из возможных проектов, базирующихся на водородной основе. Есть и другие.

Согласно прогнозам американских ученых по мере истощения запасов природного топлива человечество вступит в атомно-электрохимическую эру. Гигантские атомные электростанции на берегах океана будут давать электроэнергию Она пойдет на разложение морской воды на водород и кислород. (Электролизом! Этот процесс совершенствуется с каждым годом, становится все более эффективным и дешевым.)

Топливо будущего – водород будет пересылаться по трубам к местам потребления, заменяя природный газ и нефть.

Другой вариант той же картины – разложение воды за счет солнечной энергии, ведущей все к той же водородной энергетике.

Вот проект, детальные расчеты для которого сделаны в ФРГ. Солнечное тепло нагревает черные пластины до 120 градусов. Термоэлементы генерируют ток, используя перепад температур между этими пластинами и морской водой.

Электроэнергия идет на электролиз воды, дающий водород. Подобная электрохимическая гелиостанция площадью в 920 квадратных километров, расположенная на широте Гибралтара, обеспечила бы почти все потребности ФРГ в электроэнергии.

Энергетические поля

Везде, где можно, планета подставляет солнцу комочки, пластинки или пласты зеленого пигмента растений. Этот краситель (хлорофилл) жадно поглощает свет, давая начало все еще таинственному процессу – фотосинтезу.

Самое удивительное для нас тут то, что в каждом крохотном растеньице солнечные лучи разлагают воду на водород и кислород. Кислород очищает атмосферу, а водород в темновых процессах (уже без участия света) в недрах зеленого листа, соединившись с углекислым газом воздуха, превращается в углеводы, то есть то, что позднее может стать углем или нефтью – источниками химической энергии.

Отчего же не воспользоваться подсказкой природы? Как, следуя примеру растений, повенчать водородную энергетику с даровой энергией солнца?

Очевидно, необходим новый взгляд на вещи. Иная точка зрения. Ее в последние годы неустанно пропагандирует академик Н. Семенов.

Каждая клетка, по его мнению, представляет миниатюрный химико-энергетический завод со множеством специальных «цехов». Природа устроила его с таким совершенством, к которому мы на наших заводах еще только стремимся. И на первый взгляд кажется, что использовать такой сложный механизм нереально.

Но вот тут-то и кроется ошибка. Дело в том, что в живом организме все взаимосвязано. И каждый элемент в той же клетке действует, так сказать, с оглядкой (обратные связи) на другие «узлы».

Но если мы захотим вне организма осуществить какую-либо одну функцию, например, получить определенное вещество, которое синтезируется в организме, то задача может значительно упроститься.

Не копируя природу, но используя некоторые ее принципы, человек сможет со временем в гораздо более простом виде реализовать любой химический процесс, идущий в живых системах. И тогда химическая технология претерпит подлинную революцию.

Этот новый подход к вещам академик Н. Семенов назвал химической бионикой. Одна из первоочередных ее задач – фоторазложение воды в целях получения ценнейшего топлива – водорода. И сделать это хотелось бы методами, схожими с теми, которыми пользуются растения. Ибо природа решает свои задачи с удивительным изяществом.

Процесс фотосинтеза успешно идет в хлоропластах – крохотных, микронных размеров, органеллах, нафаршированных хлорофиллом и расположенных в каждой клетке листьев растений.

Сложны процессы фотосинтеза. В растениях роль активного центра катализатора выделения кислорода, вероятно, играют ионы марганца, образующие четырехъядерный кластер. Он и служит своеобразным «переключающим» устройством между одноэлектронным актом разделения зарядов в хлорофилле, происходящим под действием света, и четырехэлектронным процессом образования кислорода из воды. В этом один из ключевых пунктов проблемы. Сейчас ученые во многих странах пытаются искусственно воспроизвести эту реакцию. Возможно, вместо марганца придется употребить железо или рутений.

Мы не будем углубляться в дебри трудностей, встающих перед учеными, занимающимися химической бионикой. Трудностей, мешающих решить проблему «искусственного фотосинтеза». Но, допустим, фотолиз воды, идущий в растениях, будет успешно продублирован. Что тогда? Тогда большие пластмассовые кассеты, содержащие водный раствор исходных веществ, расположатся на огромных пространствах энергетических полей. Под действием солнечной энергии в кассетах будут образовываться богатые химической энергией продукты реакции. Эти растворы, медленно циркулируя, попадут на соответствующие подстанции, где из них будут извлекать богатые энергией конечные продукты и добавлять исходные...

Выращивание... нефти!

Фантазии Природы, ее остроумные находки, отлитые в стройный механизм фотосинтеза, поистине неисчерпаемы. Многие возможности растений только начинают становиться предметом исследований.

Растения из углекислоты, света и воды «ткут» углеводы, но отчего не углеводороды? Соединения, состоящие только из атомов углерода и водорода (об этом свидетельствует и само их название). Из углеводородов в основном соткана и нефть. И вот ученые задумались: а нельзя ли подыскать растения, так сказать, углеводородоносы?

Есть такой пример, вспомнили ученые, Гевея, знаменитый бразильский каучуконос, дерево, млечный сок которого (латекс) является готовым углеводородом.

Одно из наиболее замечательных достижений XX века – получение синтетического каучука. Впервые этот синтез был осуществлен в СССР в 1932 году по способу, разработанному академиком С. Лебедевым.

Производство синтетического каучука (его готовят из продуктов, получающихся при переработке нефти – бутадиена, изопрена, стирола) росло столь стремительно, что после окончания второй мировой войны плантации гевеи почти полностью утеряли свое значение в поставке этого ценного сырья. Но повышение цен на нефть на мировом рынке более чем в четыре раза снова заставило пересмотреть экономические показатели синтетического каучука. Преимущества вдруг обратились в недостатки: ведь на производство одной тонны этого продукта в среднем расходуется три с половиной тонны нефти!

Другая проблема – ужесточение законодательства об охране окружающей среды: высокие затраты на очистные сооружения делают синтетический каучук еще дороже. И конкуренция между натуральным и синтетическим каучуком вновь резко обострилась. Так, американские шинные компании «Гудьир» и «Файрстон» начали в спешном порядке расширять плантации каучуконосов в Либерии и странах Латинской Америки. (Кстати, основной экспортер природного каучука сейчас не Бразилия, а Малайзия – свыше 40 процентов мирового производства – и Индонезия.)

Если можно выращивать каучук, так сказать, «живую резину», то, взглянув на дело глазами профана, уместно поставить и такой вопрос: а нельзя ли выращивать и нефть или какие-то вещества типа нефти или бензина, которые бы стали такими же естественными продуктами фотосинтеза, как глюкоза, жиры и белки?

В самом деле: ведь умеют же растения вырабатывать углеводороды, и высокого качества! В латексе гевеи углеводородные цепочки более длинные, чем в нефти, беда только в том, что они на две трети разбавлены водой.

Итак, почему бы не подыскать растения, непосредственно производящие нефтепродукты? Фантазии? Ан нет! Мысль о растущей нефти выдвинул не профан, а видный ученый, специалист по фотосинтезу, неутомимый пропагандист его возможностей – американский ученый М. Кальвин.

Вдохновленный этой новой идеей, Кальвин, что называется, засучил рукава и принялся за дело. В серии многочисленных опытов он доказал, что густой белый сок, выделяемый рядом тропических деревьев, представляет собой, по существу, легкий углеводород, из которого можно получать жидкую нефть, если удалить воду из эмульсии. Этот сок может стать превосходным сырьем для изготовления высококачественного бензина.

А добывают сок просто из надрезов на коре деревьев. При этом древесина, естественно, не повреждается и может при необходимости быть использована в строительстве или для производства бумаги. Где же растут эти чудо-деревья? Во многих областях земного шара: в Бразилии, Индонезии, Африке.

Эти растения семейства молочаевых Кальвин обнаружил и у себя в Калифорнии. И сейчас он пытается заняться их разведением.

Чтобы убедить скептиков, Кальвин устроил демонстрационный пробег. Используя бензин, полученный им в лаборатории из сока бразильских деревьев, он около ста километров колесил по дорогам Америки.

Экономические расчеты, произведенные ученым, показывают, что себестоимость барреля такой нефти составляет 20 долларов при получении 10 баррелей с гектара в год. Однако если отдача с гектара возрастет до 20 или 30 баррелей в год, то себестоимость нефти снижается соответственно до 15 и даже до 10 долларов за баррель. Для сравнения: в марте 1978 года (сейчас цены еще поднялись) за один баррель нефти, ввозимой в США, платили по 15 долларов.

«За десять лет нам удалось в пять раз увеличить производство, – заявил недавно Кальвин, – и я считаю, что, когда добьемся выведения лучших сортов, половину земель штата Аризона можно будет засевать «нефтеносными» растениями. Двадцать миллионов гектаров, которые в настоящее время пустуют, могут давать столько нефти, что легко обеспечат 10 процентов потребности США в жидком топливе».

Теперь у профессора Кальвина появились и последователи, например, агроном из Франции Сан де Пер-сево. Он намеревается культивировать бразильские деревья и уже подсчитал, что каждый год с одного гектара плантации сможет получать железнодорожную цистерну жидкого топлива.

Добавим еще одну немаловажную подробность – при сгорании растительная нефть не загрязняет окружающую среду двуокисью серы или какими-либо другими токсичными компонентами.

И еще одно: из нефтяного сока уже вырабатывают смазочные материалы для моторов самолетов и точных машин, а также защитные средства против обледенения.

Проект «Фотоводород»

Предыдущий рассказ о гевее и растениях рода молочаевых, как надеется автор, укрепил веру читателя в то, что растения способны на многое. И даже на производство... водорода!

В 1942 году американский исследователь Г. Гаффрон обнаружил, что сине-зеленые водоросли (рекордсмены среди растений по длительности существования на Земле – 3 миллиарда лет!), помещенные в искусственную атмосферу из инертного газа (без углекислоты и кислорода воздуха), начинают под действием света выделять вовсе не кислород, а водород.

Как же так? Мы привыкли, что растения выделяют кислород, которым дышит все живое, а тут...

В поисках ответа на этот вопрос наука еще не пришла к единому мнению. Но, видимо, накопившиеся в результате разложения воды излишки водорода (напоминаем, что в естественных условиях этот водород соединяется с углекислотой воздуха) требуют выхода, удаления. И водоросли «извергают» их.

Водородный цех может работать не только в сине-зеленых водорослях, но и в некоторых видах фотосинтезирующих бактерий. А также в искусственных системах, содержащих выделенные из растений хлоропласты.

Ну чем не фантастика! Не надо копировать тончайшие процессы разложения воды (химическая бионика), а сразу получать уже готовый водород.

Брать от растений не только плоды или клубни, но и топливо. Однако не в виде дров, как встарь, а по-иному – остановить фотосинтез на стадии разложения воды и вывести водород из недр растений (или водорослей, или бактерий) до того, как он будет израсходован на восстановление углекислоты воздуха.

Подобные исследования были начаты во многих странах. В нашей стране возник проект «Фотоводород», объединяющий многие организации.

Его совместно осуществляют находящийся в подмосковном городе Пущино Институт фотосинтеза Академии наук СССР, химический и биологический факультеты Московского государственного университета и другие научные коллективы.

Конечная цель проекта «Фотоводород» – подобрать биологические системы, которые бы использовали солнечную энергию для извлечения из воды не только кислорода, но и водорода.

Вновь не будем углубляться в научные тонкости, а обрисуем лишь контуры. Наиболее развит аппарат фотосинтеза у высших растений. Но заставить работать высокоразвитые создания так, как это надо нам, совсем не просто. Поэтому выбрали обходный путь – модельные системы.

Решили разрушить клетки растений, выделить хлоропласты – органеллы, в которых идет фотосинтез, в чистом виде и поместить их в специально приготовленный раствор – среду, удобную для их функционирования.

В помощь хлоропластам приданы еще два необходимых компонента: ферредоксин – «профессиональный» переносчик электронов, образующихся при поглощении хлорофиллом квантов света, и гидрогеназу – биологический катализатор, способствующий быстрейшему выделению водорода.

Первая установка такого типа была создана в 1973 году в США. Она давала 15 микролитров водорода на миллиграмм хлорофилла и работала всего четверть часа. Дело в том, что ее составляющие части – ферредоксин и гидрогеназа – оказались очень нестойкими.

Тогда за дело взялись совместно советские и английские ученые (работники Института фотосинтеза в Пущине сотрудничали с лабораторией Лондонского университета, которой руководил профессор Дэвид Холл). Их установка выделяла уже литр водорода в час на грамм хлорофилла и работала 6 часов. Ученые сумели найти правильное соотношение частей, подобрали стойкие к окислению ферменты. Но через шесть часов погибает хлоропласт!

И в естественных условиях «срок службы» хлоро-пластов и молекул хлорофилла недолог. Но живая клетка непрерывно заменяет выбывшие из строя «детали» новыми – идет непрерывная регенерация рабочих частей.

Обновляется и состав хлорофиллов. И даже хлоропластов, крошечных фабричек фотосинтеза. А в искусственной системе этого нет. Поэтому здесь задача – постараться превзойти природу, сделать хлоропласта долгожителями, которые и с возрастом не теряли бы своих рабочих качеств.

Ученые многих стран мира пытаются продлить жизнь всех трех главнейших элементов: хлоропластов, ферре-доксина и гидрогеназы. Это один путь. Но есть и другой. Можно заменить живые элементы системы их синтетическими аналогами.

Работа ведется в обоих направлениях. Химики стараются подыскать или создать подходящие аналоги, а биологи – повысить стойкость живых участников реакции.

Гидрогеназа, например, встроенная в твердую матрицу (стекло или сажа), работает со 100-процентной эффективностью. И уже не минуты, даже не часы, а год!

Кто выиграет в этом соревновании, сказать трудно. Системы могут быть и «живые», и синтетические, и комбинированные.

Будущее проблемы «Фотоводород», как и всякой фундаментальной проблемы, предсказать трудно. Но вот что пишет большой энтузиаст этого дела, один из создателей проекта «Фотоводород», декан химического факультета МГУ, член-корреспондент Академии наук СССР И. Березин:

«Представим себе, что водородные реакторы установлены где-нибудь в пустыне, где солнце светит почти весь год. Тогда за день с квадратного метра поверхности удастся добывать 9 молей водорода – 18 граммов, или 18 тонн с квадратного километра. Расчет показывает, что абсолютно все энергетические нужды нашей страны может удовлетворить урожай водорода, снимаемый с участка пустыни размером 140 X 140 километров...»

Водородные плантации– мечта, явь? Фантастика, дерзко врывающаяся в мир обыденности?

Но, право, ее здесь, может быть, не больше, чем в ныне горячо обсуждающихся проектах заселения космоса, в путях практической реализации термоядерных электростанций и во многих других еще вчера казавшихся нереальных дерзаниях.

Опыты по искусственному воспроизведению фотосинтеза с попыткой получить столь ценный для человека водород знаменательны. Ведь все мы путешествуем на огромном космическом корабле, имя которому Земля. Здесь мы уподобляемся космонавтам, живущим в замкнутом цикле воспроизводства всех необходимых веществ – кислорода, пищи, воды, энергии. Продублировав фотосинтез, поставив себе на службу водород, мы станем обладателями экологически чистой энергии. Овладев искусственным фотосинтезом и создав водородную энергетику, человек сдаст экзамен на зрелость и будет способен выйти в открытый космос, как когда-то вышли из океана и расселились на суше наши далекие биологические предки.