Юный техник, 2007 № 12 - Журнал «Юный техник»

…Демонстрация этого устройства выглядит, как цирковой трюк. В обычную пробирку наливают обычную морскую воду, чиркают спичкой — и над пробиркой появляется голубое пламя.

Горит, конечно, не вода, а выделяющийся из нее водород. И ничего бы странного в том не было, но водород выделяется без обычного в таких случаях электрического тока и электродов. Так что же все-таки сделал изобретатель? Давайте попробуем разобраться. Тем более что радиоинженер Джон Канзиус из городка Эри в Пенсильвании честно признается, что открыл феномен совершенно случайно.

Главной целью его работы было создание особого высокочастотного генератора радиоволн, который, как надеялся изобретатель, поможет в лечении ряда раковых заболеваний. Сам Канзиус в том кровно заинтересован, поскольку в 2002 году заболел лейкемией и немало испытал, проходя курс химиотерапии.

Тогда он и задумался: нельзя ли как-то облегчить страдания людей, попавших в такую же беду? Уже через год был готов прототип аппарата разрушения раковых клеток с помощью радиоволн. Действует он так.

В больные ткани вводятся наночастицы металлов, например золота, которые свободно проходят сквозь здоровые клетки, но задерживаются в пораженных. Затем при облучении ВЧ-генератором металл разогревается и разрушает очаги болезни.

Испытания устройства Канзиуса в медицинских центрах Техасского и Питсбургского университетов дали многообещающие результаты. В настоящее время ведется тестирование метода на пациентах. Но это не все.

Во время одной из демонстраций прибора кто-то из присутствующих обратил внимание Канзиуса на то, что на дно пробирки выпадает осадок. Инженер догадался, что, вероятно, под воздействием ВЧ-излучения выделяются соли. Получалось, аппарат, возможно, пригоден для опреснения соленой воды. Инженер провел соответствующие опыты и убедился, что его догадка верна. Вот в одном из экспериментов от случайной искры вода в пробирке, находившаяся под воздействием радиоволн, вспыхнула!

Тут уж Канзиус возликовал: получалось, что он нашел простой способ получения водорода из воды.

Проблемы проблем

В самом деле, было от чего радоваться. Водород, как известно, самый распространенный элемент Солнечной системы. Одно только наше светило сжигает его около 600 млн. т в секунду! И на Земле его невообразимо много — по крайней мере, треть Мирового океана, а это порядка 100 млрд. т!

Водород прекрасно горит, его можно использовать в автомобильных моторах и авиационных турбинах практически без их переделки. А вместо выхлопа получается дистиллированная вода.

Почему же до сих пор водород не используется столь же широко, как нефтепродукты? Причин тому две. Во-первых, нужно решить проблему простого и дешевого получения водорода из той же морской воды. Во-вторых, полученный водород надо как-то хранить до его использования. Рассмотрим обе проблемы по порядку.

Получают водород чаще всего разложением воды на ее составляющие с помощью электролиза. Однако электролиз требует электричества. И если использовать ту энергию, что дают тепловые электростанции, овчинка получается не стоящей вычинки. В конце концов, какая разница, загрязняют атмосферу сами автомобили или тепловые электростанции?

Пробовали использовать для получения водорода энергию ветра. Экономист Эндрю Освальд из Уорвикского университета (Великобритания) подсчитал, что перевод всех транспортных средств на водород только в США потребует включения в работу 1 млн. ветряных электростанций; для их размещения потребуется территория размером с пол-Калифорнии. Да и ветры дуют далеко не всегда и не повсюду…

Лучше обстоит дело с солнечными батареями. Наши исследователи из МГУ, например, предлагают разместить их прямо на поверхности океана и, черпая из него воду, тут же превращать ее в водород.

Такой подход более рационален. Прикрыть солнечными батареями пустынные участки океана вполне реально. А если сделать батареи полупрозрачными, то и обитатели моря не пострадают. Более того, огромные поля солнечных батарей площадью в сотни квадратных километров не позволят и ветрам устраивать штормы нынешней силы…

Но куда девать полученный газ? Его нужно сжимать или даже сжижать и на танкерах развозить потребителям. И вот здесь начинаются проблемы.

Дело в том, что водород очень текуч. Он способен проникать в мельчайшие отверстия, даже сквозь поры в структуре некоторых материалов. Исследователи из Калифорнийского технологического института подсчитали: если мы не уменьшим нынешний процент утечек (от 10 до 20 %), то глобальное применение водорода, кроме всего прочего, увеличит его содержание в атмосфере в 4–8 раз. И ни к чему хорошему это не приведет.

В любом случае, коренным образом придется пересматривать конструкции всех газовых баллонов и топливной аппаратуры. А это задача чуть ли не планетарного масштаба.

Хлопоты с баллонами

Экспериментальное использование водорода на авто- и авиационном транспорте уже показало: баллоны с водородом даже под давлением 200 бар слишком громоздки, для них приходится предусматривать места на крышах автобусов и специальных надстройках на фюзеляжах авиалайнеров. Более того, газовый баллон под таким давлением — это фактически бомба, при любом происшествии она может взорваться.

Потому сотрудники Технического университета в Дрездене разработали баллоны, которые способны при тех же габаритах и давлении вмещать большее количество газа. А для этого они… заполнили весь баллон особым порошком.

«Это особый высокопористый порошок, — поясняет профессор Стефан Карстен. — Поры диаметром около одного нанометра активно поглощают газ. В результате смесь в баллоне приобретает некое квазижидкое состояние, что позволяет в том же объеме разместить примерно вдвое больше газа. При этом давление в баллоне не 200, а всего 20 атмосфер».

Поглощают водород и материалы с так называемыми металлокаркасными структурами. Каждый такой молекулярный каркас из цинка и кислородосодержащих соединений металлов способен удержать до девяти молекул водорода, однако это число может быть увеличено в 4 раза, если добавить в структуру дополнительные углеродные кольца.

Еще одно преимущество: баллон низкого давления может быть той же формы, что и обычный бак. Да и вообще емкости для газа можно разместить в любом более-менее подходящем месте автомобиля.

Впрочем, это пока теория. Все заправки рассчитаны на давление газа в баллоне 200 бар. А при таком давлении металлокаркасные структуры, как ни странно, позволяют увеличить емкость баллона всего на 20 %, что не такой уж большой выигрыш. Масса же баллона с порошком на 50–80 кг больше, чем масса пустого.

Есть и еще одна проблема. Баллоны с порошком при заправке газом сильно нагреваются, и это требует специальных мер предосторожности.

Как «связать» газ?

Именно потому многие исследователи предлагают хранить водород в так называемом связанном состоянии. Наиболее перспективны для этого металлические гидриды, полагает руководитель программы по исследованию водорода из Ок-Риджской национальной лаборатории США, доктор Тимоти Армстронг. «Водород входит в гидрид металла и занимает межузлие в его кристаллической структуре», — говорит он.

Однако и здесь свои проблемы. Когда водород входит в металл, выделяется тепло и баллон сильно нагревается. Когда же нужно высвободить водород, то приходится подогревать уже сам баллон. А на это опять-таки приходится расходовать дополнительную энергию. Да и количество водорода в такой структуре не так уж велико — до 10 % от общего объема.

Поэтому специалисты стараются отыскать новые способы удержания водорода до поры до времени в некой «ловушке». Очередной шаг сделали наши специалисты из ООО «Энвайрокет». В.И. Богдан и его коллеги в 2004 году получили патент на каталитический композитный материал для хранения водорода. Более того, они нашли еще способ хранения газа на основе реакций гидрирования-дегидрирования органических соединений.

Говоря проще, вместо того, чтобы применять, скажем, гидрид магния или дорогостоящие комплексы иридия, а также платиновые катализаторы, наши специалисты предлагают использовать полимеры на основе полистирола или полиацетилена. Они образуют в смеси с водородом некий органический субстрат, который прекрасно хранится в порах, скажем, того же активированного угля. Получается эффективно и дешево.

Первые автомобили на водороде уже ездят.

Наконец, недавно группа исследователей из университета штата Миссури и их коллеги из Исследовательского центра г. Канзас придумали, как хранить газ в… кукурузных початках! Точнее, использовать сердцевины початков, которые обычно используют разве что в качестве топлива. Оказывается, если их подвергнуть обработке по специальной рецептуре, то можно опять-таки получить углеродные брикеты — аналог активированного угля — с порами-отверстиями величиной в нанометры, куда можно закачивать газ.