Водородная энергетика

В последнее время о водородной энергетике говорят все чаще и чище и при этом имеют в виду не только управляемый термоядерный синтез. Слияние двух ядер водорода, его тяжелых изотопов — дейтерия 2Н и трития 3Н сопровождается выделением колоссальной энергии, намного большей, чем при распаде ядра урана или плутония. Научный обозреватель газеты «Нью-Йорк Таймс» Уильям Лоуренс, ставший официальным историографом американской атомной бомбы, писал в своей книге «Люди и атомы»:

«С теоретической точки зрения создание водородной бомбы не явилось секретом. Принципы ее устройства были известны задолго до создания атомной бомбы... Для ядерного синтеза водорода требуется температура в 20 миллионов градусов, в то время как самая высокая температура, которую можно было получить на земле, равнялась примерно шести тысячам градусов. У нас был громадный запас космического топлива — водорода, но, к сожалению, не было спички, чтобы зажечь его... Такую спичку скоро нашли, ею стала атомная бомба».

Потом на протяжении многих лет ученые многих стран искали пути и способы укрощения термоядерного взрыва. На этом пути есть частные победы и удачи. Одно время казалось, что еще немного, и вот-вот появится способ обуздания источника энергии, соизмеримого по мощности (и принципу действия!) с самим Солнцем. Но решение этой проблемы пока продолжает оставаться делом будущего, предметом надежд. Если мы научимся в промышленных масштабах использовать энергию управляемого термоядерного синтеза, вопрос об энергообеспечении будущих поколений навсегда будет снят с повестки дня.

Недавний энергетический кризис заставил взглянуть на водород иначе — как на обычное, химическое, но самое калорийное горючее. Теплота сгорания водорода—117 500 килоджоулей на килограмм — почти втрое больше, чем у нефти и нефтепродуктов, и примерно вчетверо больше, чем у каменного угля.

Еще Константин Эдуардович Циолковский считал водород «топливом» для двигателей будущего. На заре нашего века в работе «Исследование мировых пространств реактивными приборами» он описывал реактивный двигатель на жидком топливе (ЖРД), который получает энергию в результате окисления жидкого водорода жидким кислородом. Великий ученый оказался абсолютно прав: именно жидкий кислород стал в наши дни самым распространенным окислителем для реактивных двигателей, да и на жидкий водород все чаще обращают взоры конструкторы новой космической техники. Дальность полета ракеты с ЖРД, работающим на жидком водороде, при прочих равных условиях вдвое больше, чем ракеты с традиционным горючим. Очень важно в наши дни и то обстоятельство, что при сжигании жидкого водорода в кислороде не образуется вредных продуктов сгорания, а только вода! Правда, если водород сгорает в воздухе, то образуются и окислы азота, хотя и немного — куда меньше, чем при сжигании бензина или керосина.

Одна из главных технико-экономических характеристик любого реактивного двигателя — величина развиваемого им удельного импульса, а эта величина зависит прежде всего от используемого топлива. Не будем вдаваться в технические подробности. Заметим только, что чем больше удельный импульс, тем лучше, и что его величина зависит от развиваемой температуры горения и молекулярной массы продуктов сгорания. Чем последние легче, тем больше удельный импульс.

Сочетание керосина с жидким кислородом может дать удельный импульс в 320 единиц. Если же керосин заменить жидким водородом, величина импульса значительно возрастет и достигнет 450. Еще больший импульс получается при сочетании жидкого водорода и фтора (в качестве окислителя), но агрессивнейший фтор очень усложняет конструкцию летательного аппарата. К тому же, в результате реакции вместо инертной воды в этом случае образуется фтористый водород, разъедающий большинство металлов. Вернемся, однако, к жидкому водороду.

Достоинства этого горючего велики, но и недостатки тоже. Жидкий водород — самая легкая из жидкостей. Литр ее весит всего 70 граммов, почти в 15 раз меньше, чем литр воды. Легкое топливо легче нести на борту, но с другой стороны, для него нужны большие емкости. А емкости для жидкого водорода можно делать далеко не из всякого металла. Из обычной углеродистой стали, например, их делать нельзя. Жидкий водород диффундирует (проникает) в сталь и взаимодействует с входящим в ее состав углеродом. Происходит декарбонизация сплава и, как следствие, потеря прочности металла. Кроме того, водород способен и просачиваться через металл. К счастью, есть металлы, почти не пропускающие и не растворяющие водород. Серебро, например, его практически не растворяет.

Самый главный, наверное, минус жидкого водорода — это его температурные характеристики. Очень узок интервал жидкого состояния этого вещества — всего 4 градуса, а температура, при которой водород становится жидкостью, очень низка — минус 253 °С... Жидкий водород и получать и хранить сложно. Хранилища и емкости нужно окружить надежной теплоизоляцией, а далеко не все изоляционные материалы работоспособны при столь низких температурах. Выход, правда, уже найден (как найдены и материалы для самих емкостей). В качестве теплоизолятора обычно применяют пенополиуретан. Безвоздушная рубашка тоже хорошо предохраняет от потерь водорода. Вспомните лабораторный сосуд Дьюара для жидких газов! Из такого сосуда за сутки испаряется всего лишь 2% водорода, а это не так уж много.

Еще об одной опасности жидкого водорода полезно лишний раз напомнить — о его взрывоопасности. Смеси водорода с воздухом в широком диапазоне концентраций — от 5 до 95% — способны взорваться от малейшей искры.

И все-таки, несмотря на все недостатки и ограничения, жидкий водород становится крупнотоннажным промышленным продуктом. Известно, что еще в 1957 г. был построен первый в США завод по производству вещества со странной формулой LH2, т.е. жидкого водорода (L — от латинского liquidum — жидкость).

В наши дни жидкий водород получают во все возрастающи количествах. Это горючее работало в последних ступенях ракет-носителей «Сатурн-5», доставлявших на Луну американских астронавтов. Полагают, что на жидком водороде будут работать реактивные аппараты многократного использования, которые в печати называют космическими челноками или орбитальными самолетами.

Не только в космосе может оказаться полезным жидкий водород. Когда следишь за сообщениями периодической печати по той или иной научно-технической проблеме, нередко приходится удивляться скоротечности времени и быстроте свершений. В качестве примера этому можно привести краткий рассказ с выдержками из двух недавних публикаций.

Появилась заметка «Автомобиль подъехал к водородной колонке...», которая начиналась словами:

«Что ж, возможно, такое будет; очень уж настойчиво обсуждается в последнее время вопрос: а нельзя ли перевести двигатели на водородное топливо?». Дальше сообщались уже известные читателю этой книги достоинства жидкого водорода, а также обсуждались трудности, связанные с его использованием. Заканчивалась заметка так: «Во всяком случае, водородные колонки виднеются лишь в далекой перспективе».

Прошло всего два года, и 6 апреля 1975 г. корреспондент ТАСС прислал из Вашингтона сообщение под заголовком «Автомобиль на сжиженном водороде». Суть сообщения в следующем.

Энергетический кризис заставил ускорить поиски новых возможных горючих для автомобилей. Сотрудники Калифорнийского университета создали по заказу почтового ведомства США «водородный» грузовичок, внешне неотличимый от обычных. К водородной колонке он, правда, не подъезжает: съемный 190-литровый баллон со сжиженным водородом укреплен за сиденьем водителя. В специальном испарителе водород переходит в газообразное состояние и в карбюраторе несколько измененной конструкции смешивается с воздухом и водой. Эту смесь и сжигают в камерах сгорания. Продукты сгорания приводят в действие двигатель.

Как главный недостаток жидкого водорода корреспондент отмечал его высокую стоимость. Однако в других сообщениях примерно того же времени говорилось, что в середине 70-х годов производство (без хранения) жидкого водорода обходилось лишь в 2 — 3 раза дороже, чем производство керосина.

Можно полагать, что с ростом производства водорода его стоимость будет падать.

Не надо думать, что автомобиль на водороде такая уж новинка. Известно, что в дни ленинградской блокады, когда горючее было почти так же необходимо и почти так же труднодоступно, как хлеб, лейтенант ленинградских войск противовоздушной обороны Борис Шелищ сделал приспособление, позволявшее сжигать в двигателе автомобиля отработавшую водород-воздушную смесь из аэростатов. В дни блокады на этой смеси работали 600 грузовиков, переоборудованных по методу Шелища. Нынешние попытки использовать водород в качестве горючего для автомобилей не более чем очередной виток спирали научно-технической эволюции.

В качестве источника энергии водород интересен не только в жидком виде. В твердом — тоже, хотя и в меньшей степени. Подавляющее большинство двигателей устроено так, что им нужно не твердое, а жидкое топливо. Конечно, твердое топливо компактней, и в этом его определенные преимущества. Впрочем, большого выигрыша в плотности твердый водород не дает: кубический сантиметр его весит 0,08 грамма, а жидкого водорода—0,07.

Есть, правда, надежды на «металлический водород» со значительно более плотной, чем у обычного твердого водорода, упаковкой атомов. Есть сообщение академика Л. Ф. Верещагина с двумя сотрудниками по Институту физики высоких давлений. Небольшое количество водорода (очевидно твердого, потому что температура опыта была всего 4,2 К, ил минус 269 °С) тонким слоем осадили на алмазную наковальни подвергли действию высокого давления. Давление, естествен но, нарастало постепенно. Когда оно достигло трех миллионов атмосфер, электропроводность твердого водорода увеличилась почти в миллион раз. Этот факт исследователи истолковали как свидетельство возможного перехода водорода из обычного состояния в металлическое: высокая электропроводность— характерное свойство металлов, водород же в обычных условиях—диэлектрик, он почти не проводит электричества. Свои диэлектрические свойства он еще раз продемонстрировал и в этом опыте: стоило снизить давление (примерно втрое) или немного повысить температуру, как тут же происходил обратный переход водорода из металлического состояния в обычное, диэлектрическое.

Исследователи надеются, что простота этого перехода не означает, однако, принципиальной невозможности существования металлического водорода при нормальных давлениях. Но для этого нужно как-то «закалить» полученный металлический водород. Как — пока не ясно.

В качестве источника энергии водород представляет интерес во всех состояниях. Большие надежды связывают и с атомарным водородом. Для получения атомарного водорода из молекулярного нужно затратить энергию. Чаще всего его получают в электрическом разряде. Обладая избытком энергии, атомы стремятся объединиться в молекулы, причем замечено: соединение их значительно быстрее происходит на поверхности металлов, нежели в самом газе. Металл при этом воспринимает выделяемую энергию и разогревается до очень высоких температур — выше 3500 °С.

Основанные на этой реакции (ее называют реакцией рекомбинации) атомно-водородные горелки уже существуют. Их используют для высокотемпературной сварки тугоплавких металлов и сплавов. Важное достоинство метода — равномерный нагрев спариваемых деталей. Даже очень тонкостенные изделия можно сваривать этим способом.

И вернемся к главному аспекту водородной энергетики термоядерному синтезу. Интересную идею высказал лет тридцать назад известный американский физик Ф. Дайсон, он подложил использовать для полета к дальним мирам энергию... неуправляемого термоядерного синтеза. Звездолет Дайсона, на вооружение которого потребовалось бы, как минимум, сто миллиардов долларов (в тысячу раз больше суммы, в которую обошлись программа «Аполлон»), в принципе довольно прост. Носовая часть корабля — жилой отсек, за ним располагаются грузы и механизмы, далее — массивная радиационная защита и хранилище, в котором помещается определенное число термоядерных бомб. Завершает конструкцию полусферический буфер, воспринимающий энергетические нагрузки.

Выйдя в далекий космос, корабль сбрасывает в забуферное пространство одну из бомб и взрывает ее. Сила взрыва — термоядерного взрыва! — толкает корабль вперед. Спустя сто секунд (меньше нельзя — буфер не успеет рассеять тепло) взрывается следующая мегатонная бомба, и так далее. Такой корабль, по расчетам Дайсона, мог бы развить скорость до 10000 километров в секунду и достигнуть иных звездных миров всего за каких-нибудь полтораста лет...

Журналист Валентин Рич, опубликовавший первую в нашей стране статью о проекте Дайсона, закончил ее несколько иронически: «...Дать возможность навестить братьев по разуму хотя бы своим внукам — тоже дело заманчивое. Не менее заманчиво, что звездолет унес бы с Земли много водородных бомб».

В начале прошлого века водород использовали в дирижаблях и воздушных шарах для полета на них. Но в связи с частыми взрывами и возгораниями от него пришлось отказаться. К счастью сейчас есть безопасный гелий, а также шары на горячем воздухе. Не так давно был запущен сервис otdoxni.com в Пензе, предоставляющий полеты на воздушных шарах для всех желающих. Теперь каждый может попробовать себя в качестве бывалого воздухоплавателя. Насладиться безмятежностью небесных просторов и получить удивительные эмоции от полета в гондоле шара.