Текст книги "Занимательно об энергетике"

Автор книги: Юрий Чирков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 13 страниц)

История паровоза (нынешние дети его совсем не знают, путают с тепловозом) печальна и поучительна. Особенно в наш век всепроникающей экономии, пользы и эффективности... А мощь Тепловых электростанций или действующих во многом по тем же рецептам атомных все растет.

Тепловая мощность реакторов двух блоков крупиейшей в мире (видимо, и сегодня) АЭС «Библис» (ФРГ) составляет 7800 мегаватт, крупнейшей в нашей стране Нововоронежской АЭС – порядка 5000 мегаватт. Для реакторов РБМК, преобладающих в ядерно-энергетической программе десятой пятилетки, характерна величина от 3,2 до 6,3 тысячи мегаватт.

Гигантизм (мы убедились в этом выше) ведет к экономии, если исходить из существующих, пока еще далеких от совершенства приемов расчета экономических показателей или экономического эффекта при энергетическом производстве.

Однако в этих показателях не заложен (конечно, это очень трудно сделать!) экологический коэффициент. Строго говоря, надо было бы действовать не так. Следовало бы рассматривать современное энергетическое производство как функционирование единой и сложной эколого-экономической системы.

Надо было бы оценить рублем, скажем, тепловые сбросы. К примеру, на АЭС.

На первый взгляд проблема тепловых сбросов с АЭС внимания не заслуживает. Широкую общественность по чисто психологическим мотивам («синдром атомной бомбы») больше беспокоят проблемы радиации. Однако на деле биосфера надежно защищена от радиационного воздействия АЭС: их дозы на фоне естественного облучения, выражаясь языком Лескова, и «в мелкоскоп не увидишь».

А вот реки тепла, которые ежесекундно извергают фабрики электричества, – это уже дело более серьезное!

Для борьбы со сбросовым теплом сооружаются пруды-охладители с большой поверхностью зеркала. К примеру, только для создания пруда-охладителя станции нынешней типовой мощности 4 миллиона киловатт (типа, скажем, Ленинградской АЭС, состоящей из 4 блоков) требуется водоем с акваторией примерно 20—25 квадратных километров. При этом, как правило, используется пойма реки, то есть наиболее плодородные земли.

Если учесть, что только к началу следующего века потребуется освоить или начать осваивать под станции десятки площадок, в сумме получится территория более чем внушительная.

Но есть еще и другая сторона этой же проблемы. Уже сегодня тепловые и атомные электростанции ежегодно потребляют на охлаждение сотни кубических километров воды. Эти цифры близки к среднегодовому стоку такой крупной реки, как, скажем, Днепр.

Где взять столько воды? И какие это будет иметь экологические последствия?

Но главное все же в другом. В том, что в соответствии с законом, установленным Карно, из каждых трех калорий, полученных при сгорании топлива (или ядерного «горючего»), в дело идет только одна: две остальные безвозвратно теряются.

Факт этот ненов, известен давно. Однако прежде, когда энергетика земля и была еще не столь могуча, когда о проблемах экологии никто не подозревал, а топлива было вдоволь, с этим мирились как с неизбежным злом.

Но теперь при наступившем энергетическом похолодании, когда экономить стало дешевле, чем строить новые электростанции, вряд ли человечество будет долго терпеть подобное положение вещей.

Вот и напрашивается гипотеза: не «вымрут» ли скоро гиганты теплоэнергетики, как некогда вымерли динозавры? Слишком уж прямолинейно, негибко происходит их приспособление к быстро изменяющемуся энергетическому климату!

Динозавры исчезли 70 миллионов лет назад. Сначала погибли растительноядные формы (пищи стало мало для столь крупных тел), а потом и динозавры-хищники.

Воображение рисует пустынный берег моря. Вечер. Закат солнца. К прибрежным скалам вышел и застыл уродливый неуклюжий великан.

Длинные черные тени побежали по земле. Тревожно-красными стали камни на берегу лагуны. Красные лучи отразились в глазах великана. Ожили, задвигались огромные, как ветви мертвого дерева, лапы. Резкий тоскливый клекот одиноко полетел над водой и смолк в тишине прозрачного вечера.

Никто не откликнулся, никто не пришел. Только маленькие проворные зверьки вылезли из-под камня и забегали в поисках добычи. Им не было дела до одинокого ящера, который каждый день приходил сюда на закате и безнадежно ждал ответа на свой призыв. Они привыкли к нему, как привыкли к шершавым камням и запаху водорослей.

Великан тоже не замечал малышей. Где ему было догадаться, что его время уже прошло и что у ног его бегают прапрадедушки слонов, носорогов и китов, которые со временем на долгие тысячи лет станут хозяевами Земли?...

Динозавры энергетики. Кто придет им на смену?

И есть ли она? Тепловоз и электровозы заменили паровоз, а кто заменит ТЭС? Есть ли более соответствующие новому энергетическому климату устройства, сжигающие

топливо более эффективно? Да, есть! Вот один из достойных претендентов. Имя ему – топливный элемент. Эти устройства умеют преобразовывать химическую энергию органического топлива непосредственно в электрический ток. Они неподвластны ограничению Карно. Их КПД может приближаться к 100 процентам.

Заслоненные могучими телами ТЭС и ГРЭС, их величием и авторитетом, они пока мало кому известны, еще не пользуются должным почетом.

Но это, несомненно, явление временное: скоро придет и их черед. Тем более что созданы эти устройства не вчера и уже успели пройти долгий путь совершенствования. Они вполне могут стать конкурентами энергетики традиционной.

ГЛАВА 5
«ХОЛОДНОЕ» ГОРЕНИЕ

Бесконечные явления, которые представляются нам в настоящее время новыми, были предметом размышлений и опытов прежних исследователей, и, с другой стороны, в старой литературе заключены бесконечные наблюдения и мысли, которые могут воскреснуть к новой жизни...

В. Оствальд (1896 г.)

Однажды Фарадей читал лекцию об электромагнитной индукции. Когда он кончил, присутствующий на лекции будущий премьер-министр Англии Гладстон спросил ученого:

– Скажите, сэр, какую практическую пользу может принести ваше открытие?

– Этого я и сам еще не знаю, – ответил Фарадей. – Но не сомневаюсь, что еще при моей жизни вы обложите его налогом...

Увы! Не всякое значительное научное открытие оказывается таким везучим: на явлении электромагнитной индукции покоится теперь вся электротехника и многое иное, что прочно вошло в бытие современного человека.

В этом смысле топливный элемент (а именно о нем сейчас пойдет рассказ) можно смело сравнить с миной замедленного действия. «Взрыв» состоялся лишь спустя полтора столетия после открытия. Только тогда (в наши дни) достоинства топливного элемента заговорили о себе в полный голос.

Что «горит» в топливном элементе

Гров (1811—1896), английский электрохимик, адвокат по профессии (закончил Оксфорд в 1835 г.), слабый здоровьем, он не желал заниматься адвокатской практикой: предпочел тишину кабинета и занятия джентльмена-экспериментатора. Изобретенный им в 1839 году «элемент Грова» сделал его членом Лондонского королевского общества. Гров был ярым сторонником закона сохранения энергии (видимо, поэтому в справочниках он всюду значится как английский физик), профессорствовал в лондонском институте. В зрелые годы здоровье Грова окрепло настолько, что он вернулся к адвокатской деятельности. В 1871 году был назначен судьей, а год спустя возведен в рыцарское достоинство (knight, род личного дворянства с титулом «сэр»).

Сейчас, когда наука требует долгого обучения, дорогостоящего оборудования, коллективных усилий и многого иного, нам трудно себе это представить: профессиональный юрист, успешно (в часы досуга!) подвизавшийся на ученом поприще. И даже внесший значительный вклад в исследования.

Да, днем заседания в суде, дела клиентов. А по вечерам, сбросив судейскую мантию, Уильям Роберт Гров отдавал свой досуг любимой науке – электрохимии.

И занятия эти шли столь успешно, что сейчас, собственно, помнят не юриста Грова, а Грова-электрохимика.

В 1839 году в январском номере «Философского журнала» Гров описал опыт: стрелка гальванометра отклонялась, когда его соединяли с двумя платиновыми полосками, полупогруженными в сосуд с разбавленной серной кислотой; одна полоска обдувалась водородом, другая – кислородом. Так был создан первый топливный элемент – водородно-кислородный.

Открытие было сделано, по-видимому, случайно. Ведь первоначальной целью Грова было произвести разложение воды (точнее, раствора серной кислоты) на водород и кислород.

Тот факт, что процесс может идти и в обратную сторону и что при этом образуется электрический ток, то было для Грова явлением побочным. И сообщение об этом было помещено в постскриптуме к статье, как бы между прочим. Не сразу ученый и его современники осознали, что з науке произошло событие значительное.

Электрохимические элементы (батареи), генерирующие ток, были известны и до этого. Но в них «сжигались» довольно дорогие металлы: цинк, свинец, никель. Насколько дешевле было бы электрохимически жечь водород, лучше натуральный газ, еще лучше уголь. Так же, как издревле привык человек жечь хворост и дрова.

А ведь именно эту возможность, казалось бы, и предоставлял элемент, предложенный Гровом. В нем топливо (водород) сжигалось (соединялось с кислородом) до конечного продукта – воды. И – что самое удивительное – человек впервые получил при сжигании обычного топлива не тепло, а сразу электрический ток. Однако опыты Грова не произвели тогда на ученых большого впечатления: слишком ничтожны были снимаемые с элемента токи. Элемент выглядел лабораторным курьезом, не более. Любопытно, занимательно, но практического применения не имеет!

А теперь о том, что, собственно, и как горит в топливном элементе.

...Яростное пламя клокочет в топке гигантского – высотой с десятиэтажный дом – парового котла электростанции. А что такое пламя? В чем физическая сущность процесса горения?

Топливо (дрова в костре, разведенном туристами, уголь, газ, нефть) состоит в основном из углерода. При горении его атомы теряют электроны. Атомы кислорода (окислитель, необходимая компонента процесса горения), наоборот, приобретают их. Так в процессе окисления атомы углерода и кислорода соединяются в продукты горения – молекулы углекислого газа.

Все эти процессы, изложенные очень упрощенно, идут весьма энергично: атомы и молекулы веществ, участвующих в горении, приобретают большие скорости, а это означает сильное повышение их температуры. Они начинают испускать свет, а это и есть пламя.

Обмен электронов при горении происходит хаотически, неупорядоченно. Вся химическая энергия системы переходит в неполноценную (в смысле эффективности дальнейших преобразований) тепловую энергию. Все это очень похоже на явление «короткого замыкания», когда электрическая энергия преобразуется в тепловую. Провод при этом плавится.

Горение – обмен электронов между атомами. А ведь электрический ток – тоже движение электронов, только упорядоченное! И вот возникает еретическая мысль: а нельзя ли так организовать горение, чтобы сразу получать электрический ток? Добиться управления движением электронов. Не дозволять электрически заряженным ионам в хаосе столкновений растрачивать свою электрическую энергию, не дать ей превращаться в тепло. Итак, возможно ли «холодное» горение? Организованное и упорядоченное? Оказывается, да

Вспомним опыт Грова. Он сжигал водород (топливо вовсе не обязано быть только углеродом, как и окислитель – кислородом) в кислороде: Этот процесс известен нам еще со школьной скамьи. Смесь двух объемов водорода и одного объема кислорода называется гремучим газом. При поджигании огнем или искрой эта смесь взрывается.

Пока это обычное горение водорода. Продуктом является вода. Химик запишет эту реакцию так:

2Н2 + О2 = 2Н2О + тепло.(1)

Две молекулы водорода, соединившись с молекулой кислорода, образовали две молекулы воды. Перед нами пример химической реакции, которая сопровождается выделением тепла. (Химическая энергия превращается в тепловую, и ее можно при желании преобразовать в ток, правда, с существенными потерями.)

Но можно ли повернуть дело так, чтобы в ходе реакции генерировалось электричество – электроны (их будем обозначать символом е-)? Можно ли, скажем, обеспечить протекание такого процесса:

2Н2 +4ОН–>4Н2О+4е-. (2)

Да, отвечает наука. Для этого надо свести вместе три фазы: газ водород, источник ионов ОН– – электролит (раствор щелочи в воде) и кусок металла, который и примет образующиеся в реакции (2) электроны. (Процесс (2) и ему подобные, идущие в месте стыка трех фаз, на так называемой «трехфазной границе», изучает особая наука – электрохимия.)

Так получать электроны громоздко, неуклюже? Возможно. Однако, чтобы получить желаемое – электрический ток, схему приходится усложнить еще больше. Ведь чтобы реакция (2) шла долго, к границе раздела металл (в электрохимии его называют «электродом») – электролит – газ необходимо непрерывно подводить ионы и отводить электроны. Значит, требуется и второй электрод. Нужна замкнутая цепь.

Будем ко второму электроду (специально подобранному) подавать кислород или воздух, чтобы там шла реакция

4е– + О2 + 2Н2О->4ОН-.(3)

Очевидно, что в сумме реакции (2) и (3) – это можно легко проверить! – дают реакцию (1). И вроде бы мы вернулись к простому горению. Однако в устройстве, которое осуществил впервые Гров – в водородно-кислородном топливном элементе (именно в нем идут процессы (2) и (3), – энергия химической реакции преобразуется уже не в тепло, которое трудно использовать, а непосредственно в энергию бегущих по проволоке электронов.

Включенная во внешнюю цепь «газового элемента Грова» лампа горит! Горение в ней поддерживают электроны, выделяющиеся на одном электроде («водородном», реакция (2): сюда подается водород) и поглощаемые на другом («кислородном», реакция (3).

Но электрохимическое горение замечательно не только тем, что может идти даже при комнатных температурах («холодное» горение). Главное его достоинство, столь важное для технических приложений, в другом: это горение очень эффективно, идет практически без потерь.

Экономная энергетика живого

Замечательный советский электрохимик академик А. Фрумкин, создавший Институт электрохимии Академии наук СССР в Москве, где проблема топливного элемента одна из ведущих, как-то беседовал с журналистами. Обсуждая недостатки традиционной тепловой энергетики, он нарисовал яркий образ:

– Представьте себе мучимого жаждой человека. Он добрался наконец до воды, зачерпнул полный стакан, но... к губам ему удается донести лишь треть!.. А ведь именно в таком положении находится человечество: из наполненного до краев кубка энергии ему удается полезно использовать лишь малую часть. Две трети добытой из-под земли тяжким трудом людей химической энергии топлива пропадает зря...

Не то «холодное» горение, оно выгодно отличается от обычного: лишено ограничений, установленных Карно, здесь КПД может даже превысить 100 процентов!

Секрет прост: энергия черпается из окружающей среды и добавляется к химической энергии сжигаемого топлива. Но это экзотика. Правило же таково, что при «холодном» горении удается почти всю химическую энергию непосредственно превратить в очень удобную для использования энергию электричества. И доказал то впервые немецкий ученый Нернст.

В 1893 году Нернст вывел теоретическую формулу (она носит его имя), определяющую величину электродвижущей силы электрохимического элемента. Внешне она кажется простой, так же, как и формула Карно. Однако простота эта обманчива.

Мы не будем ни приводить, ни обсуждать формулу Нернста. Нам важно другое: те выводы, которые ученый из нее сделал. В том же 1893 году Нернст рассчитал величину электродвижущей силы гальванического элемента и то количество электрической энергии, которое получается при электрохимическом соединении угля с кислородом. Результат был ошеломляющим. Нернст показал, что если бы удалось превратить химическую энергию угля в электричество электрохимическим путем (читай, в топливных элементах!), то максимальный теоретический КПД такого процесса составил бы 99,75 процента!

Почти сто процентов! Вот оно, первое из многих достоинств топливных элементов. В них в отличие от паровой и прочих тепловых машин энергия практически не теряется.

Любопытно, что очень схоже решила энергетическую проблему и живая природа. Здесь также, минуя малоэффективную тепловую стадию с очень высоким КПД и в поразительно мягких условиях (комнатные температуры, нормальные давления, водная среда), химическая энергия может быть преобразована в механическую энергию (мышцы, сердце, жгутики бактерий), осмотическую работу (секреция желез, всасывание в кишечнике), электричество (нервные клетки, электрические органы некоторых рыб), свет (светляки) и так далее.

Но самое удивительное то, что все эти превращения содержат в качестве обязательного звена «холодное» горение водорода с кислородом. Биохимики установили' биологический водородно-кислородный топливный элемент как бы «вмонтирован», «впечатан» в каждую живую клетку. Не вдаваясь в биохимические тонкости, укажем лишь, откуда в организме человека берется водородное топливо (окислитель же – кислород из воздуха, – попадая через трахеи и легкие, всасывается в кровь, соединяется с гемоглобином и так разносится по всем тканям).

Источником водорода служит пища – жиры, углеводы, белки. В желудке, кишечнике, клетках она в конечном итоге дробится до элементарных кирпичиков – так называемых жирных кислот, которые, в свою очередь, распадаются в клетке до воды, углекислого газа и атомарного водорода.

Этот-то водород, соединяясь с кислородом в процессе «холодного» горения, и составляет основу биоэнергетики организма. А образующийся в этой реакции электрон запускает все идущие в живом организме процессы.

Предвидение Оствальда

Большую роль в судьбе топливных элементов сыграл немецкий ученый Вильгельм Оствальд.

Сейчас Оствальдом интересуются в основном лишь историки науки, а ведь когда-то он был притчей во языцех, главой громадной, созданной им самим школы физикохимиков.

Оствальд сразу же раскусил, какие большие возможности для энергетики сулят топливные элементы. Одно дело, когда о неоспоримых достоинствах топливных элементов в своем учебнике «Теоретическая химия» написал молодой, еще мало кому известный Нернст, и совсем другое, если рекламированием топливных элементов занялся Вильгельм Фридрих Оствальд, всемирно известный ученый, организатор и первый президент только что созданного в Касселе Немецкого электрохимического общества.

В 1894 году на одном из первых собраний этого общества Оствальд произносит речь во славу топливных элементов. Она была затем опубликована в первом номере тоже только что основанного «Электрохимического журнала». Оствальд писал: «Я не знаю, достаточно ли ясно представляют себе, сколь несовершенен для нашего времени высоко развитой техники важнейший источник энергии, которым мы сейчас пользуемся, – паровая машина...»

Да, в то время еще господствовали пар и уголь (не нефть!), и на тепловых электростанциях КПД преобразования энергии достигал только 10 процентов.

В. Оствальд продолжал: «...Путь, которым можно решить самый важный из всех технических вопросов – вопрос получения дешевой энергии, должен быть теперь найден электрохимией. Если мы будем иметь элемент, производящий электроэнергию непосредственно из угля и кислорода воздуха в количестве, более или менее соответствующем теоретическому, то это будет техническим переворотом, превосходящим по своему значению изобретение паровой машины... Как будет устроен такой гальванический элемент, в настоящее время можно только предполагать... В таком элементе происходили бы те же самые химические процессы, что и в обычной печи: с одной стороны засыпался бы уголь, с другой – подавался кислород, а удалялся бы продукт их взаимодействия – углекислота... Однако здесь не место обсуждать возможные технические подробности, которые могли бы привести к цели, так как, прежде чем серьезно возьмутся за выполнение этой задачи, пройдет еще некоторое время. Но с тем, что здесь не идет речь о лишенной практического смысла идее ученого, я думаю, можно наверняка согласиться. Ведь практически мы имеем дело со случаем, где подобно какой-либо механической задаче можно предсказать полный успех, и техника должна только в наиболее дешевой и лучшей форме разрешить эту проблему...»

Так, почти столетие назад, Оствальд предсказал топливным элементам великое будущее.

С момента, когда Оствальд произнес свою знаменитую речь, прошло 86 лет (1980 год!). За это время преимущества топливных элементов стали еще более очевидны. Способность работать при комнатных температурах (не тысячи градусов, как, например, в МГД-генера-торах, где любой материал быстро выходит из строя), отсутствие вредных выбросов (в водородно-кислородном топливном элементе в процессе работы выделяется лишь чистейшая водица) и многое другое.

Отчего же до сих пор топливные элементы все еще не введены в широкий обиход? Причин было много.

Многие изобретатели (и до пророчества Оствальда и после него), пытаясь создать приемлемый для практического применения вариант топливного элемента, отдали этому делу многие годы своей жизни. Среди них был и наш выдающийся соотечественник П. Яблочков.

И успехи были: КПД этих устройств действительно приближался к 100 процентам.

В 1897 году Жако разработал электрическую батарею мощностью в 1,5 киловатта, которую поспешили объявить решением проблемы топливного элемента.

Устройство было таким: железный и угольный стерженьки (электроды) погружали в электролит – расплавленную (температуры 400—500 градусов Цельсия) едкую щелочь (NaOH).

Характеристики элемента Жако были прекрасны: КПД – 82 процента, плотность тока – 100 миллиампер с каждого квадратного сантиметра электродов. Этого было достаточно, чтобы демонстрировать техническую реализуемость и экономичность топливного элемента.

Работа Жако наделала много шума. Изобретатель строит установку, в ней последовательно включенные топливные элементы приводили в действие мотор.

В том же 1897 году Жако публикует в журнале «Harper's Magazine» сенсационную статью о своих работах. Там он детально описывает проект океанского лайнера, бороздящего волны Атлантики и несущего в своем чреве-трюмах движущую его электростанцию из топливных элементов. Автор скрупулезно высчитывает выгоды такого предприятия. Насколько меньше угля потребовалось бы взять на борт такого корабля, если бы простое горение топлива заменило горение электрохимическое... Увы, этим проектам не суждено было осуществиться. Установка Жако проработала с перерывами лишь около полугода.

Поначалу столь успешный опыт был заранее обречен на неудачу: при таких высоких температурах происходило быстрое окисление угольного стерженька, получающаяся при этом углекислота карбонизировала электролит (щелочь NaOH превращалась в соль Na2СО3), делала электролит непригодным для нормального функционирования элемента.

И все же изобретатели не сдавались. В то время у топливного элемента, казалось, были реальные шансы занять свое почетное место в энергетике. Ведь в отличие от паровой машины они могли непосредственно генерировать электрический ток.

Пессимизм Баура

Вопрос стоял остро. Шла конкурентная борьба между различными способами получения столь желанного электричества. Источником энергии (тут мнения тогда не расходились) должен был быть дешевый уголь. Но извлекать из него химическую энергию можно было различными приемами.

Первый путь – о нем мы уже много говорили – это топливные элементы. Но был и второй путь, в отличие от первого окольный, многоступенчатый (он успешно практикуется и до сего дня). Это путь прямого сжигания топлива, то, что сейчас называется тепловой станцией.

Тепловые станции возникли не за один день. Это длинная цепочка процессов: сожгли уголь – нагретый пар приводит в действие лопасти паровой турбины (или толкает поршень паровой машины), а уж ее механическая энергия, в свою очередь, побуждает к работе электрический генератор. Вот этой-то последней стадии лет этак сто назад не было и в помине. И здесь-то для топливных элементов и был тот самый шанс, о котором мы упоминали выше.

Но времена менялись. Еще в 1830-х годах Фарадей показал, как можно продуцировать электричество при помощи механического движения проводника, пересекающего силовые линии магнитного поля. В таком «электрическом генераторе», или «динамо», кинетическая энергия движения превращалась в электрическую. И это могло стать хорошим дополнением к паровой машине. Дело стало за достаточно мощным магнитом, ибо чем интенсивнее силовые линии магнитного поля, тем больше возникающий в проводнике ток.

И эта техническая задача была вскоре решена.

В 1831 году Генри создал крошку электромагнит, который тем не менее мог поднять целую тонну железа!

Дальнейшие события не заставили себя долго ждать. В 1872 году немецкий электротехник Ф. фон Хефнер-Альтенек (1845—1904), ведущий конструктор и главный инженер фирмы «Сименс и Гальске», сконструировал первый эффективно действующий генератор постоянного тока. То был для сторонников, поборников электрохимического способа получения энергии Си для топливных элементов, делающих лишь первые робкие шаги) сокрушительный удар. Вскоре за ним последовал другой, не менее внушительный

Второй нокдаун топливному элементу нанесли двигатели внутреннего сгорания. Интересно поразмыслить над тем, как выглядела бы сегодня энергетика, если бы на рубеже XX века двигатели внутреннего сгорания развивались, бы не столь стремительно, как это было в действительности. Возможно, уже давно бы по дорогам планеты бегали бесшумные, экономичные, не загрязняющие атмосферу электромобили, получающие энергию от топливных элементов...

Динамомашина торжествовала. Новый способ обладал неоспоримым преимуществом: он позволил в широких масштабах начать быстрое внедрение электроэнергии в промышленность и быт. Усилия ученых и инженеров были всецело направлены на развитие этого метода. Топливными же элементами продолжали заниматься только «чудаки». Для электрохимиков эти устройства вообще превратились в нечто вроде «пугала» – столько усилий и такие скромные плоды. Но так, исподволь, трудами многих поколений скромных подвижников идеи топливного элемента, ее рядовых солдат, незаметно, по капелькам, по кирпичику закладывался фундамент последующих успехов.

Типична фигура швейцарского исследователя Э. Баура, отдавшего проблеме топливного элемента 40 лет своей жизни. Баур понимал стоявшие перед ним трудности. Он писал: «Как свинцовый, так и железо– (или кадмиево-) никелевый аккумулятор потребовали долгих лет для своего оформления. Поэтому нельзя ожидать, что для создания топливных элементов потребуются незначительные усилия...»

И все же (слаб человек!) к концу своей жизни Баур приходит к пессимистическим выводам. Отдав делу 40 лет труда, он заявляет публично: использовать топливные элементы невозможно. Его горькие слова – естественное следствие объективных трудностей, мешавших осуществлению мечты о топливных элементах. Поразительно другое: тут есть и некоторая вина самого Оствальда, человека, так много сделавшего для научного рекламирования проблемы. Он ведь ратовал за топливный элемент, в котором бы происходило сжигание угля! Вдохновленные его призывом, исследователипрежде всего обратились именно к этой проблеме. Однако электрохимическое горение угля (теперь это отчетливо видно) и оказалось самым крепким орешком. Задача не решена до сих пор. Трудности таковы.

Как это ни удивительно на первый взгляд, но согласно законам термодинамики печь должна гореть тем лучше, чем она холоднее. Ибо, утверждают химики, равно весие реакции С + О2 = СО2 – сжигание углерода в кислороде – при этом сдвигается в правую сторону. Однако простой опыт – количество угля при хранении на складах явно не убывает – убеждает: при низких температурах все идет муравьиным шагом. Так и получается, что термодинамика говорит «да», а кинетика этого процесса отвечает «нет». И побеждает второе: уголь горит хорошо лишь при температурах примерно 1000 градусов (по Цельсию). Баур (и другие имярек) по рецепту Оствальда и делали ставку на уголь и высокие температуры. Но здесь их ждали неприятные сюрпризы. Высокие температуры вызывали сильную коррозию электродов и других деталей топливных элементов – элементы оказывались недолговечными. Кроме того, на искусственное поддержание таких температур тратилась львиная доля электроэнергии, снимаемой с топливного элемента. Овчинка не стоила выделки! Так и получилось, что многие исследователи и изобретатели «сломали себе шею», доверившись рекомендациям Оствальда. Но не только в этом было дело. Сейчас, оглядываясь назад, видно, что Нернст и Оствальд слишком далеко опередили свое время. Тогда не было еще ни теоретических, ни экспериментальных, ни технологических средств решения этой большой задачи. Недоставало многого – детальных знаний по катализу (они сейчас есть благодаря развитию химической промышленности), современных материалов (металлов, пластмасс), не было знания квантовой теории (ее разработка была начата Планком двумя десятилетиями позже выступления Оствальда) и так далее. Какими бы гениальными ни были изобретатели времен Оствальда, они не могли справиться с проблемой, стоящей на стыке нескольких областей знания, задачей, требующей организации совместной работы ученых разных специальностей – электрохимиков, физиков, математиков, специалистов по электронике, пластмассам, химической технологии, электротехники. Всему этому – новому стилю работы – научились позже: при работе над атомными и космическими проектами. Как бы предчувствуя все трудности, Оствальд недаром назвал проблему топливного элемента «философским камнем электрохимии».

Замкнутый круг

Но время работало на топливные элементы. Прошли 30-е годы нашего века. Техника требовала все новых и новых типов автономных электрохимических источников тока. Поэтому накануне второй мировой войны исследователи вновь обратились к простейшему топливному элементу – водородно-кислородному.

Весомую лепту в разработку и создание таких топливных элементов внесли и советские исследователи.

...Я держу в руках старый журнал «Советская наука». Март 1941 года. Этот журнал (так же, видимо, как и государственное издательство «Советская наука»), созданный в 1941-м, просуществовал лишь четыре месяца – началась война.

В мартовском номере было опубликовано постановление Совета Народных Комиссаров Союза ССР о Государственных премиях. В разделе «За выдающиеся изобретения» премии третьей степени (25 тысяч рублей) был среди прочих удостоен и П. Спиридонов, научный сотрудник физико-химического института имени Л. Я. Карпова. Награжден за изобретение нового типа элемента воздушной деполяризации – так говорилось в постановлении. Фактически же тут речь шла все о том же топливном элементе...