Чем выше интерес к так называемой «водородной экономике» и к транспорту, сжигающему водород или использующему его в топливных элементах, тем более насущным становится вопрос — как же хранить водород. Многие эксперты полагают, что для того, чтобы транспорт на водородном топливе мог соревноваться с бензиновым в дальности поездок, водород необходимо хранить с плотностью, превышающей плотность жидкого водорода. Такие уровни компрессии чреваты проблемами с безопасностью и высокой стоимостью.

Недавно мы рассказывали о планах хранения водорода в углеродных фуллеренах, таких как «бакиболлы». А в Центре нейтронных исследований Национального института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали многообещающую новую технологию хранения водорода с использованием еще одной экзотической разновидности углеродных материалов.

NIST, Университет Мэриленда и Калифорнийский технологический институт совместно проводили исследования металлоорганических решеток (MOF). Этот тип соединений считается очень перспективным, так как может с легкостью хранить и высвобождать водород благодаря простым изменениям условий хранения. Однажды на этой основе может быть даже разработано что-то наподобие топливного насоса.

Еще одно преимущество металлоорганических решеток в том, что для высвобождения водорода они не нуждаются в высоких температурах. Другим материалам подчас требуют температуры от 100 до 500 градусов по Цельсию, прежде чем они высвободят водород.

Группа исследователей сосредоточила свои усилия на MOF-74, пористом кристаллическом порошке, разработанном в Калифорнийском университете Лос-Анджелеса. Соединение имеет любопытный вид: углерод складывается в своего рода молекулярные соломинки, по внутренним полостям которых бегают ионы цинка. Соломинки очень плотно упакованы, образуя порошкообразный материал. Благодаря уникальному устройству материала один грамм такой субстанции имеет площадь поверхности равную площади теннисного корта.

Данная структура удивительно хорошо упаковывает водород. Ученые установили, что при 77 градусах по Кельвину (–196° С) MOF-74 поглощает больше водорода, чем любой из известных на сегодня непрессованных материалов. Материал пакует водород с плотностью, превосходящей плотность твердого водорода. Чтобы придти к этому открытию ученые использовали смешанную технику нейтронного рассеивания и абсорбции газа.

Крейг Браун, ученый из Центра нейтронных исследований, сообщает, что исследователи не вполне уверены, что же помогает MOF-74 так здорово впитывать водород. По его словам, они склоняются к мнению о том, что это может происходить в результате взаимодействия водорода с ионами цинка. Браун воодушевлен перспективами MOF-74: «Когда мы начали наши эксперименты, мы поняли, что взаимодействие с металлом не только повышает температуру хранения водорода, но и увеличивает плотность до большей, чем у водорода в твердом состоянии. Это абсолютно первый случай, когда подобное было достигнуто без помощи компрессии».

Температура, необходимая для складирования в MOF-74 легко достигается с помощью дешевого жидкого азота. Это большое преимущество по сравнению с твердым азотом, нуждающимся в температурах ниже –269° С. Исследователи надеются, что дальнейшие исследования позволят им либо модифицировать материал, либо найти похожие, чтобы складирование стало возможным при еще более высокой температуре. Тогда можно будет обойтись без систем охлаждения и/или изоляции, а значит снизить производственные затраты и улучшить экономию топлива.

Гладышева Марина Алексеевна, 10А,школа №75, г. Черноголовка. Доклад на конференции "Старт в науку", МФТИ, 2004.

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяется экологической чистотой, гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием. Технологии разномасштабного производства водорода достаточно хорошо освоены и имеют практически неограниченную сырьевую базу. Однако низкая плотность газообразного водорода, низкая температура его ожижения, а также высокая взрывоопасность в сочетании с негативным воздействием на свойства конструкционных материалов, ставят на первый план проблемы разработки эффективных и безопасных систем хранения водорода - именно эти проблемы сдерживают развитие водородной энергетики и технологии в настоящее время.

В соответствии с классификацией департамента энергетики США, методы хранения водородного топлива можно разделить на 2 группы:

Первая группа включает физические методы, которые используют физические процессы (главным образом, компрессирование или ожижение) для переведения газообразного водорода в компактное состояние. Водород, хранимый с помощью физических методов, состоит из молекул Н2, слабо взаимодействующих со средой хранения. На сегодня реализованы следующие физические методы, хранения водорода:

Сжатый газообразный водород:

газовые баллоны;

стационарные массивные системы хранения, включая подземные резервуары;

хранение в трубопроводах;

стеклянные микросферы.

Жидкий водород: стационарные и транспортные криогенные контейнеры.

В химических методах хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Данные методы характеризуются сильным взаимодействием молекулярного либо атомарного водорода с материалом среды хранения. Данная группа методов главным образом включает следующие:

Адсорбционный:

цеолиты и родственные соединения;

активированный уголь;

углеводородные наноматериалы.

Абсорбция в объёме материала (металлогидриды)

Химическое взаимодействие:

алонаты;

фуллерены и органические гидриды;

аммиак;

губчатое железо;

водореагирующие сплавы на основе алюминия и кремния.

Хранение газообразного водорода не является более сложной проблемой, чем хранение природного газа. На практике для этого применяют газгольдеры, естественные подземные резервуары (водоносные породы, выработанные месторождения нефти и газа), хранилища, созданные подземными атомными взрывами. Доказана принципиальная возможность хранения газообразного водорода в соляных кавернах, создаваемых путём растворения соли водой через боровые скважины.

Для хранения газообразного водорода при давлении до 100 Мпа используют сварные сосуды с двух- или многослойными стенками. Внутренняя стенка такого сосуда выполнена из аустенитной нержавеющей стали или другого материала, совместимого с водородом в условиях высокого давления, внешние слои – из высокопрочных сталей. Для этих целей применяют и бесшовные толстостенные сосуды из низкоуглеродистых сталей, расчитанных на давление до 40 – 70 Мпа.

Широкое распространение получило хранение газообразного водорода в газгольдерах с водяным бассейном (мокрые газгольдеры), поршневых газгольдерах постоянного давления (сухие газгольдеры), газгольдерах постоянного объёма (ёмкости высокого давления). Для хранения малых количеств водорода используют баллоны.

Следует иметь в виду, что мокрые, а также сухие (поршневые) газгольдеры сварной конструкции не обладают достаточной герметичностью. Согласно техническим условиям допускается утечка водорода при нормальной эксплуатации мокрых газгольдеров вместимостью до 3000 м3 – около 1,65%, а вместимостью от 3000 м3 и более - около 1,1% в сутки (считая на номинальный объём газгольдера).

Одним из наиболее перспективных способов хранения больших количеств водорода является хранение его в водоносных горизонтах. Годовые потери составляют при таком способе хранения 1 – 3%. Эту величину потерь подтверждает опыт хранения природного газа.

Газообразный водород возможно хранить и перевозить в стальных сосудах под давлением до 20 Мпа. Такие ёмкости можно подвозить к месту потребления на автомобильных или железнодорожных платформах, как в стандартной таре, так и в специально сконструированных контейнерах.

Для хранения и перевозки небольших количеств сжатого водорода при температурах от –50 до +60 0С используют стальные бесшовные баллоны малой ёмкости до 12 дм3 и средней ёмкости 20 – 50 дм3 с рабочим давлением до 20 Мпа. Корпус вентиля изготавливают из латуни. Баллоны окрашивают в тёмно-зелёный цвет, они имеют красного цвета надпись “Водород”.

Баллоны для хранения водорода достаточно просты и компактны. Однако для хранения 2 кг Н2 требуются болоны массой 33 кг. Прогресс в материаловедении даёт возможность снизить массу материала баллона до 20 кг на 1 кг водорода, а в дальнейшем возможно снижение до 8 – 10 кг. Пока масса водорода при хранении его в баллонах составляет примерно 2 – 3% от массы самого баллона.

Большие количества водорода можно хранить в крупных газгольдерах под давлением. Газгольдеры обычно изготовляют из углеродистой стали. Рабочее давление в них обычно не превышает 10 Мпа. Вследствие малой плотности газообразного водорода хранить его в таких ёмкостях выгодно лишь в сравнительно небольших количествах. Повышение же давление сверх указанного, например, до сотен мега Паскаль, во-первых, вызывает трудности, связанные с водородной коррозией углеродистых сталей, и, во-вторых, приводит к существенному удорожанию подобных ёмкостей.

Для хранения очень больших количеств водорода экономически эффективным является способ хранения истощённых газовых и водоносных пластах. В США насчитывается более 300 подземных хранилищ газа.

Газообразный водород в очень больших количествах хранится в соляных кавернах глубиной 365 м при давлении водорода 5 Мпа, в пористых водонаполненных структурах вмещающих до 20·106 м3 водорода.

Опыт продолжительного хранения (более 10 лет) в подземных газохранилищах газа с содержанием 50 % водорода показал полную возможность его хранения без заметных утечек. Слои глины, пропитанные водой, могут обеспечивать герметичное хранение ввиду слабого растворения водорода в воде.

Хранение жидкого водорода

Среди многих уникальных свойств водорода, которые важно учитывать при его хранении в жидком виде, одно является особенно важным. Водород в жидком состоянии находится в узком интервале температур: от точки кипения 20К до точки замерзания 17К, когда он переходит в твёрдое состояние. Если температура поднимается выше точки кипения, водород мгновенно переходит из жидкого состояния в газообразное.

Чтобы не допустить местных перегревов, сосуды, которые заполняют жидким водородом, следует предварительно охладить до температуры, близкой к точки кипения водорода, только после этого можно заполнять их жидким водородом. Для этого через систему пропускают охлаждающий газ, что связано с большими расходами водорода на захолаживание ёмкости.

Переход водорода из жидкого состояния в газообразное связан с неизбежными потерями от испарения. Стоимость и энергосодержание испаряющегося газа значительны. Поэтому организация использования этого газа с точки зрения экономики и техники безопасности необходимы. По условиям безопасной эксплуатации криогенного сосуда необходимо, чтобы после достижения максимального рабочего давления в ёмкости газовое пространство составляло не менее 5 %.

К резервуарам для хранения жидкого водорода предъявляют ряд требований:

конструкция резервуара должна обеспечивать прочность и надёжность в работе, длительную безопасную эксплуатацию;

расход жидкого водорода на предварительное охлаждение хранилища перед его заполнением жидким водородом должен быть минимальным;

резервуар для хранения должен быть снабжён средствами для быстрого заполнения жидким водородом и быстрой выдачи хранимого продукта.

Главная часть криогенной системы хранения водорода – теплоизолированные сосуды, масса которых примерно в 4 – 5 раз меньше на 1 кг хранимого водорода, чем при баллонном хранении под высоким давлением. В криогенных системах хранения жидкого водорода на 1 кг водорода приходится 6 – 8 кг массы криогенного сосуда, а по объёмным характеристикам криогенные сосуды соответствуют хранению газообразного водорода под давлением 40 Мпа.

Жидкий водород в больших количествах хранят в специальных хранилищах объёмом до 5 тыс. м3. Крупное шарообразное хранилище для жидкого водорода объёмом 2850 м3 имеет внутренний диаметр алюминиевой сферы 17,4 м3.

Хранение и транспортирование водорода в химически связанном состоянии

Преимущества хранения и транспортирование водорода в форме аммиака, метанола, этанола на дальние расстояния состоят в высокой плотности объёмного содержания водорода. Однако в этих формах хранения водорода среда хранения используется однократно. Температура сжижения аммиака 239,76 К, критическая температура 405 К, так что при нормальной температуре аммиак сжижается при давлении 1,0 Мпа и его можно транспортировать по трубам и хранить в жидком виде. Основные соотношения приведены ниже:

1 м3 Н2 (г) » 0,66 м3 NH3 »0?75 дм3 Н2 (ж);

1 т NH3 »1975 м3 Н2 + 658 м3 N2 – 3263 МДж;

2NH3?N2 + 3Н2 – 92 кДж.

В диссоциаторах для разложения аммиака (крекерах), которое протекает при температурах примерно порядка 1173 – 1073 К и атмосферном давлении, используется отработанный железный катализатор для синтеза аммиака. Для получения одного кг водорода затрачивается 5,65 кг аммиака. Что касается затрат тепла на диссоциацию аммиака при использовании этого тепла со стороны, то теплота сгорания полученного водорода может до 20% превосходить теплоту сгорания использованного в процессе разложения аммиака. Если же для процесса диссоциации используется водород, полученный в процессе, то КПД такого процесса (отношение теплоты полученного газа к теплоте сгорания затраченного аммиака) не превышает 60 – 70%.

Водород из метанола может быть получен по двум схемам: либо методом каталитического разложения:

СН3ОН ? СО+2Н2 – 90 кДж

с последующей каталитической конверсией СО, либо каталитической паровой конверсии в одну стадию:

Н2О+СН3ОН?СО2+3Н2 – 49 кДж.

Обычно для процесса используют цинк-хромовый катализатор синтеза метанола. Процесс протекает при 573 – 673 К. Метанол можно использовать как горючее для процессов конверсии. В этом случае КПД процесса получения водорода составляет 65 – 70% (отношение теплоты полученного водорода к теплоте сгорания затраченного метанола); если теплота для процесса получения водорода подводится извне, теплота сгорания водорода, полученного методом каталитического разложения, на 22%, а водорода, полученного методом паровой конверсии, на 15% превосходят теплоту сгорания затраченного метанола.

К сказанному следует добавить, что при создании энерго-технологичекой схемы с использованием отходящего тепла и применения водорода, полученного из метанола, аммиака или этанола, можно получить КПД процесса более высокий, чем при использовании указанных продуктов как синтетических жидких горючих. Так, при прямом сжигании метанола и газотурбинной установке КПД составляет 35%, при проведении же за счёт тепла отходящих газов испарения и каталитической конверсии метанола и сжигания смеси СО+Н2 КПД возрастает до 41,30%, а при проведении паровой конверсии и сжигания полученного водорода – до 41,9%.

Гидридная система хранения водорода

В случае хранения водорода в гидридной форме отпадает необходимость в громоздких и тяжёлых баллонах, требуемых при хранении газообразного водорода в сжатом виде, или сложных в изготовлении и дорогих сосудов для хранения жидкого водорода. При хранении водорода в виде гидридов объём системы уменьшается примерно в 3 раза по сравнению с объёмом хранения в баллонах. Упрощается транспортирование водорода. Отпадают расходы на конверсию и сжижение водорода.

Водород из гидридов металлов можно получить по двум реакциям: гидролиза и диссоциации.

Методом гидролиза можно получать вдвое больше водорода, чем его находится в гидриде. Однако этот процесс практически необратим. Метод получения водорода термической диссоциацией гидрида даёт возможность создать аккумуляторы водорода, для которых незначительное изменение температуры и давления в системе вызывает существенное изменение равновесия реакции образования гидрида.

Стационарные устройства для хранения водорода в форме гидридов не имеет строгих ограничений по массе и объёму, поэтому лимитирующим фактором выбора того или иного гидрида буде, по всей вероятности, его стоимость. Для некоторых направлений использования может оказаться полезным гидрид ванадия, поскольку он хорошо диссоциирует при температуре, близкой в 270 К. Гидрид магния является относительно недорогим, но имеет сравнительно высокую температуру диссоциации 560 – 570 К и высокую теплоту образования. Железо-титановый сплав сравнительно недорог, а гидрид его диссоциирует при температурах 320 – 370 К с низкой теплотой образования. Использование гидридов имеет значительные преимущества в отношении техники безопасности. Повреждённый сосуд с гидридом водорода представляет значительно меньшую опасность, чем повреждённый жидководородный танк или сосуд высокого давления, заполненный водородом.

В настоящий момент в Институте проблем химической физики РАН в Черноголовке ведутся работы по созданию аккумуляторов водорода на основе гидридов металла.

Список используемой литературы:

1. Справочник. “Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение”. Москва “Химия” - 1989 г.

2. “Обзор методов хранения водорода”. Институт проблем материаловедения НАН Украины. http://shp.by.ru/sci/fullerene/rorums/ichms/2003/

Об экологически чистых автомобилях заговорили еще в семидесятых годах. Но тернистый путь от идеи к реальному прототипу начался гораздо позже и продолжается до сих пор. АВТОВАЗ, будучи крупнейшим отечественным автопроизводителем, не остается в стороне от мировых тенденций. В этом году на пятый Московском международном автосалоне ВАЗ представил принципиально новую разработку электромобиля на топливных элементах, концепт, затрагивающий не внешнюю сторону, а меняющий саму суть автомобиля в будущем.

Подробнее о вазовской новинке "Лада-Антэл" рассказывает советник вице-президента по техническому развитию Георгий Мирзоев, который является руководителем этого проекта.

- Георгий Константинович, в чем заключается принципиальная новизна "Лада-Антэл", каковы принципы работы используемых топливных элементов?

- На автомобиле находятся баллоны с водородом и кислородом. В специальном электрохимическом генераторе между водородом и кислородом происходит химическая реакция при температуре около 100 градусов, в результате чего производится электричество, а в качестве "выхлопа" образуется вода. Вот основной принцип энергоустановки. Водород, определяющий пробег автомобиля, находится под давлением 290 атмосфер, и машина может пройти 250 километров. Весь этот комплекс установлен на электромобиль, созданный на базе ВАЗ-2131 несколько лет назад.

Впервые у нас в стране такой генератор был создан для космических целей, в частности для "лунной" программы и для "Бурана". Разработка энергоустановки велась совместно с Уральским электрохимическим комбинатом и Ракетно-космической корпорацией "Энергия" г. Королев. Нужно заметить, что двигатель внутреннего сгорания имеет коэффициент полезного действия около 30 процентов, а новая энергоустановка на топливных элементах - в два раза больше. То есть если перевести на любое условное топливо, то получается, что эта энергоустановка абсолютно экологически чистая и тратит в два раза меньше топлива.

- Чем можно успокоить потенциальных покупателей, ведь содержание кислорода и водорода вместе опасно?

- Не опаснее, чем содержание паров бензина с воздухом. Когда впервые появились автомобили на бензине, тоже боялись, что машины начнут взрываться. Но этого не происходит. Конечно, мы в дальнейшем будем переходить с кислорода на воздух. Здесь тоже свои трудности: кислорода в воздухе содержится всего 20 процентов, и чтобы получить такой же эффект как при чистом кислороде, нужно в пять раз больше воздуха. В таком случае потребуется ставить компрессор, который будет закачивать воздух в энергоустановку. Но даже если перейти с кислорода на воздух и оставить один чистый водород на борту автомобиля, возникает другой вопрос. Где взять водород для заправки ? По всей видимости, первое время придется устанавливать прямо на борту такой генератор, который будет вырабатывать водород из бензина.

- История электромобилей началась еще двадцать лет назад, с какими проблемами пришлось столкнуться?

- В конце семидесятых начали всерьез задумываться об экологически безопасных автомобилях - возникла идея перевести машины на электротягу. Нужны были аккумуляторные батареи, но оказалось, что мир не может создать аккумуляторы, которые могли бы иметь достаточно высокую удельную энергоемкость. А чтобы зарядить батареи, в отличие от наполнения бака бензином, необходимо несколько часов. Тогда бы приходилось заряжаться ночью, но если все бы стали заряжаться ночью, не хватило бы электростанций. Проблем была масс, и энтузиазм начал постепенно угасать. И только в девяностых годах эта идея возродилась и началась работа по топливным батареям. Теперь уже задача стояла научиться вырабатывать электричество из уже известных видов топлива.

- Какие перспективы у этого автомобиля в России?

- Показ "Лада-Антэл" на автосалоне нужен, чтобы привлечь внимание инвесторов и правительства. Ведь производство экологических автомобилей должно стать государственной политикой, а не политикой одного только Волжского автозавода. К тому же затраты очень большие - примерно 1 миллиард рублей в год в течение пяти-шести лет. "Лада-Антэл" может стать реальным, потребляющим в два раза меньше топлива, безопасным и экологически чистым автомобилем. О том, как близко водородные машины приблизились к реальной жизни, можно судить по BMW 745h. Буква h - это химический знак водорода. BMW 745h оснащается восьмицилиндровым двигателем на водороде. Как и предшественник, 745hL, он может работать как на бензине, так и на водороде. Двигатель объемом 4,4 литра развивает 135 кВт (184 л.с.), максимальная скорость равна 215 км/ч. Запаса водородного топлива хватает для преодоления 300 километров, если добавить к этому 650 километров, которые можно проехать, заправив полный бак бензина, получаем почти 1000 километров - очень приличную цифру. Компания BMW представила новый экспериментальный седан 750hL с двигателем на водородном топливе. Таким топливом (водород+кислород) обычно заправляют ракеты. Разработчиков привлекла экологичность двигателя - он выделяет только водяной пар. Машина была продемонстрирована в Лос-Анджелесе - одном из самых задымленных городов США. По мнению специалистов, удалось сделать важный шаг к переходу на "безбензиновые" двигатели. Компания BMW будет продолжать тестирование новых автомобилей в своем исследовательском центре в Калифорнии. Двигатели на водороде не только экологичны, но и очень экономичны. На модели 750hL установлен 12-цилиндровый двигатель, разгоняющий машину до 141 миль в час. Жидкий водород закачивается в специальный бак и позволяет автомобилю проехать без дозаправки около 200 миль. Между тем, некоторые эксперты скептически относятся к оснащению автомобиля таким взрывоопасным дополнением. К тому же, на сегодня нет дешевой и надежной технологии производства водорода, что повлияет на потребительскую привлекательность машины.

Как сообщается, в серийное производство машина пойдет только лет через десять, но BMW надеется запустить модели серии 7 на водородном топливе раньше. Основной задачей считается создание необходимой инфраструктуры и изобретения надежного способа хранения такого топлива "на борту". Водород можно производить из воды путем электролиза или получать его из попутного нефтяного газа. В любом случае это топливо будет стоить пока значительно больше, чем бензин. Что касается стоимости самой машины, то BMW 750 на водородном топливе сопоставима по цене с обычной версией - она стоит около $93 тысяч. Водород пытаются использовать и другие автопроизводители. General Motors применяет его в топливных элементах для выработки электричества. Honda и Toyota разработали гибридные модели, в которых водородные двигатели сочетаются с электрическими. Ford, GM и DaimlerChrysler AG планируют представить собственные версии подобных машин в 2003 году. Toyota через два года планирует начать серийное производство автомобильных двигателей на водороде. Один из таких автомобилей, который пока носит обозначение FCHV-4, уже проходит испытания на улицах Токио. Уже в 2003 году начнется продажа ограниченной партии FCHV-4 (Full Cell Hybrid Vehicle). Сколько будет стоить этот уникальный автомобиль, пока не сообщается. Известно только, что мощность мотора составляет 107 л.с., а максимальная скорость FCHV-4 равна 150 км/час.

Удельная масса водорода невелика, а вот его перспективы в автомобилестроении расцениваются как весьма солидные. Топливный кризис 70-х годов заставил многие автомобильные компании по-новому взглянуть на альтернативные виды горючего. Тогда-то и был отмечен первый всплеск интереса к водороду. А что, этот "кандидат" выглядел вполне многообещающе. Водорода на Земле — море. В прямом смысле слова, ведь его можно получать из воды… Однако вскоре кризис пошел на убыль, нефтепроводы заработали на полную мощность, а водородные проблемы были, на первый взгляд, отодвинуты в дальние углы академических лабораторий. Однако прошло двадцать лет, и теперь эти исследования, похоже, обрели второе дыхание — они оказались созвучны современным "экологическим" настроениям. Действительно: сжигаем водород — получаем воду. Как ни взгляни — вполне нейтральный и безвредный продукт.Как всегда, в новом и перспективном деле множество вариантов. Единообразие придет потом, а пока выбор довольно велик. Самое простое – вместо бензобака разместить на автомобиле баллоны со сжатым водородом. Подходящая аппаратура уже существует – ведь в мире немало автомобилей работает на сжатом газе. Правда, природном, но приспособить эти устройства относительно легко. Конечно, и сам двигатель придется переделывать, но об этом чуть позже.

Такой путь, хотя и кажется простым, все-таки маловероятен. Трудно представить водителя, который добровольно согласится возить емкости со сжатым до 200 кгс/см2 водородом, к тому же способным коварно проникать через мельчайшие неплотности топливной аппаратуры.

В чем намного превосходит природный газ, состоящий из более "тяжелых и неповоротливых" молекул и потому менее склонный к утечкам. А еще каждый, безусловно, припомнит "гремучий газ" – взрывоопасную смесь водорода с кислородом в объемном соотношении 2:1. Не более перспективным выглядит и сжиженный водород. Кому захочется иметь дело с топливом, которое нужно хранить при –253°С? И на какие технические ухищрения придется идти конструкторам, чтобы поддерживать такой холод сколько-нибудь длительное время? Итак, этот вариант пока тоже отпадает. К счастью, есть еще одна возможность – гидриды. Напомним, что атомы металлов располагаются в определенном порядке, их "построение" называют кристаллической решеткой. Так вот, некоторые металлы и сплавы способны "разместить" между своими атомами и атомы водорода. Такие "сообщества" и называют гидридами.

Не вдаваясь в подробности, заметим, что емкость подобного "хранилища" (при равном объеме устройства) впятеро выше, чем у баллона со сжатым газом, и почти вдвое – чем у дьюара со сжиженным. Исследователи настойчиво ищут наиболее походящие сплавы, но уже известно, что наилучшей основой для них является титан. Гидридные накопители штука довольно сложная, и, естественно, они не состоят из цельного куска металла, а больше напоминают губку со множеством каналов – для скорейшего поглощения и выделения водорода. Последнее происходит при нагреве гидридов, а уж источник тепла на автомобиле долго искать не нужно – скажем, для этой цели вполне подойдут горячие выхлопные газы. Еще одна важная черта гидридов – они стократ безопаснее других способов хранения водорода. Правда, для автомобильного транспорта емкость и у них маловата, а вес и сложность устройства, напротив, велики.

Резонно задать вопрос: если хранение вызывает такие трудности, нельзя ли получать водород непосредственно на автомобиле? Оказывается, можно. Самым перспективным считается способ, при котором сырьем служит метанол, или, по старой российской классификации, метиловый спирт – "младший братец" известного всем этилового. Родственничек-то, правда, с характером – ядовит, но это если его пить, а вообще-то он применяется довольно широко – даже входит в состав большинства автомобильных жидкостей для мытья стекол. Итак, бак автомобиля – по сути, вполне обычный – наполняют легкой жидкостью с резким спиртовым запахом. Отсюда она попадает в реактор (не пугайтесь, не ядерный, а химический), испаряется и в присутствии катализатора реагирует с водяным паром, выделяя водород и двуокись углерода. Топливо получено, осталось его использовать. Кстати, можно провести реакцию другим способом, тогда вторым из продуктов окажется не СО2, а СО (тот самый, с которым борются экологи); смесь последнего с водородом получила название синтез-газ. Поскольку Н2 и СО горючи, их можно вместе непосредственно сжигать в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания. Подобные эксперименты проводились во множестве лабораторий, в том числе и у нас в НАМИ.

ЖЕЧЬ ИЛИ НЕ ЖЕЧЬ?

Более чем столетняя традиция транспортных средств с моторами внутреннего сгорания практически однозначно решает этот вопрос в пользу первого варианта. Такой путь сулит определенные выгоды – повышается эффективный КПД двигателя, единственным прямым продуктом реакции является водяной пар, и даже оксидов азота (они образуются при высокой температуре из кислорода и азота воздуха) выбрасывается в атмосферу в 4–5 раз меньше (данные НАМИ), чем при езде на бензине.

Определенную опасность представляют вспышки "гремучего газа" в коллекторе в момент открытия впускного клапана. Чтобы избежать этого, инженеры в 70-е годы предполагали подавать водород непосредственно в камеру сгорания. На чертежах тех лет нетрудно заметить дополнительный канал в головке блока цилиндров и маленький клапан, управляющий поступлением водорода. Позднее выяснилось, что проблему можно решить по-другому – скажем, впрыскивать в рабочую смесь воду или обеспечить рециркуляцию отработавших газов (тоже, по сути, водяного пара). К преимуществам водорода как моторного топлива следует отнести его высокую детонационную стойкость, что позволяет заметно увеличить степень сжатия и давление наддува. Эти меры поднимут эффективную мощность двигателя (при "бензиновых" степенях сжатия из-за меньшего коэффициента наполнения мощность двигателя на водороде оказывается схема реактора.

Проводились эксперименты и по использованию водорода в... дизеле. Правда, в газодизельном цикле небольшая порция жидкого топлива подавалась в цилиндр, чтобы инициировать начало горения. Дизелю водород тоже пошел бы на пользу – с ним выбросы сажи и твердых частиц сводятся почти к нулю. На первый взгляд, добавить к тому, что сказано, вроде бы нечего, если не погружаться в рассуждения о том, что лучше сжигать: чистый водород, синтез-газ или их всевозможные смеси с бензином, метанолом, соляркой... Но, оказывается, не все специалисты мыслят столь прямолинейно. Некоторые, раз ступив на путь исследований в области химии водорода, уже и слышать не хотят о двигателях внутреннего сгорания. И вот, благодаря усилиям конструкторов на сцене появляется новое удивительное устройство, позволяющее при реакции водорода с кислородом получить электрическую энергию непосредственно!

Многие, вероятно, помнят школьные опыты по электролизу: в воду опускают два электрода, подводят определенное напряжение, и на одном из них начинает выделяться водород, а на другом – кислород. Здесь же все происходит с точностью до наоборот. Водород в чем-то сродни металлам, и его атом легко теряет свой единственный электрон. В устройстве, получившем название водородный топливный элемент, реакция водорода с кислородом происходит в несколько стадий. Сперва водород вынужден пройти через ионообменную мембрану, которая свободно пропускает лишь протоны – лишенные электрона атомы водорода (Н+), а вовсе не его молекулы Н2. Электроны при этом остаются на отрицательном электроде (он же – платиновый катализатор). Пройдя через мембрану, водород вновь получает свой электрон – в момент реакции с кислородом воздуха, на положительном (и тоже платиновом) электроде. Электроны же вынуждены идти "кружным путем", через электрическую цепь, производя при этом полезную работу. Ну вот, осталось подключить электродвигатель, блок управления и... батарею аккумуляторов. Последняя, естественно, меньше, чем в электромобилях, и служит для приведения всего устройства в рабочее состояние, а также сглаживает пиковые нагрузки на топливный элемент и сохраняет энергию при торможении. Опытные экземпляры транспортных средств с такой чудовищной по сложности силовой установкой уже бегают по полигонам многих зарубежных автомобильных концернов, а "Тойота" даже представила свою модель FCEV (электромобиль с топливными элементами) на Токийском автосалоне в конце прошлого года. Занимаются этой тематикой и "Мерседес", и американцы, но наиболее активны японцы. По правде говоря, пока сложность и стоимость таких автомобилей многократно превосходят их эффективность, но, как знать, в будущем ситуация может измениться. Говорят, что в Японии регулярно проводят конкурсы на транспортное средство с наиболее сложными преобразованиями энергии. Несколько лет назад в таком соревновании победил некий энтузиаст, придумавший... велосипед. Вращение педалей этого замысловатого устройства приводило к трению двух брусочков, которые, нагреваясь, кипятили воду. Небольшая паровая машина вращала генератор, а колеса приводились в действие электромотором. Что самое удивительное, этот велосипед был способен двигаться (правда, чрезвычайно неспешно)! Жюри такая конструкция показалась просто уникальной.

я честно скажу - даже не сомневаюсь что с водородом научаться справляться - найдут сверхпрочные и сверхлегкие материалы для баков, мофы - и тд.

собсно, вот ты пишешь, что мофы не то и не тк - так все же - сколько в моф можно впихнуть уже сейчас водорода?

а еще и водород явно более энергоотдачливый чем бензин

ты не учел главного - ДВС кпд дают маленький а топливные элемнты - высокий

а топливный - нет, правда насчет перспектив - я бы не сильно губу раскатывал, топливный элемент - старше дизеля

может как раз поможет вам разобраться с тем, над чем вы тут сражаетесь?????

то есть вывод я делаю общий такой - чтобы не заморачиваться с неущекственными по сути вещами типа водорода и тд - лучше просто ограничится топливом и аллес.

ты пост выше прочитай и то что Каури выложила - внимательно я же говорил что можно придумать что не будь. законы физики нельзя отменить, но можно - обойти

еще раз - это не диссертация. это фантастика.

крупнейших в открытом космосе залежей РЗМ

Предлагаю сверхтяжелые радиоактивные элементы с "Острова стабильности".

Насчет перса, раньше чем через месяц, не смогу.

хм седня попыталась придумать перса, но вдруг напала депрессуха (и кот плюс напал и пытался низменно воспользоваться моими частями тела) завтра сворганю получше образчик ковбойского мира)))))

главное - уникальная структура залежей

никак не меньше самых мощных наших современных самолетов.

лады, то есть понял так, что тема интересна?

С моей точки зрения, наличие сверхтяжей делает месторождение уникальным.

Это челноки, поверхность-орбита. На роль звездолетов они не тянут. Грузоподъемность чуть более ста тонн...

Давно подбираюсь к теме космоса. Так что мой герой, кто-то из космонавтов.

Трансурановые элементы (заурановые элементы) — радиоактивные химические элементы, расположенные вслед за ураном в периодической системе Д. И. Менделеева. Порядковые номера ≥ 93. Большинство известных сейчас заурановых элементов (93—104) принадлежит к числу актинидов. Все изотопы их имеют период полураспада, значительно меньший, чем возраст Земли. Поэтому Трансурановые элементы отсутствуют в природе и получаются искусственно посредством различных ядерных реакций. Первый из трансурановых элементов нептуний Np (п. н. 93) был получен в 1940 г. бомбардировкой урана нейтронами. За ним последовало открытие плутония (Pu, п. н. 94), америция (Am, п. н. 95) и кюрия (Cm, п. н. 96), берклия (Bk, п. н. 97), калифорния (Cf, п. н. 98), эйнштейния (Es, п. н. 99), фермия (Fm, п. н. 100), менделеевия (Md, п. н. 101), нобелия (No, п. н. 102), лоуренсия (Lr, п. н. 103) и курчатовия (п. н. 104). Несмотря на то что большинство трансурановых элементов может быть получено лишь в микрограммовых количествах, сейчас более или менее полно изучены их химические свойства. Кристаллографические исследования, изучение спектров поглощения растворов солей, магнитных свойств ионов и других свойств Трансурановых элементов показало, что они — аналоги лантанидов. Поэтому трансурановые элементы называют актинидами (а также Th, Pa и U). Из всех Трансурановых элементов наибольшее применение нашел 239Pu как ядерное горючее.