Перепись водорода

Тренды
Москва, 19.07.2007
«Русский репортер» №9 (9)
Место водородной энергетике — в одном списке с нанотехнологиями: это вещь привлекательная, но неощутимая и малопонятная. Экологи (а вслед за ними политики) заговорили о ней совсем недавно. Между тем советской водородной программе, связанной больше с космосом, чем с экологией, скоро 50 лет

Постепенно водород вытесняет всю воду из пробирки», — рассказывает учебник химии о результатах опыта, рекомендованного семиклас­сникам. У тех же семиклассников, похоже, есть все шансы увидеть, как водород вытеснит нефть и природный газ. Но уже не из пробирки, а с мирового топливного рынка.

В этом заинтересованы многие. Климатологи из IPCC (Международная комиссия по изменению климата) считают водород сильнодействующим средством против глобального потепления — не столько лекарством, сколько способом избавиться от вредной привычки. Повсеместно используемые бензин и метан усугубляют парниковый эффект: из них получается углекислый газ, не позволяющий рассеиваться земному теплу. А перспективный водород атмосферу загрязнять не должен: при его сгорании не выделяется ничего, кроме воды.

В России об альтернативном топливе вспомнили едва ли не одновременно с Западом. Когда в 2003 году президент Буш сформулировал «Водородную топливную инициативу» («экологически мыслящим» компаниям предложили $1,2 млрд из бюджета), отечественный миллиардер Михаил Прохоров учредил в России негосударственную ассоциацию со схожими задачами.

Актуально и своевременно — если не учитывать, что советская «водородная индустрия» существовала уже 40 лет назад.

Вещество повышенной летучести

Хорошей биографией и внушительным послужным списком водород обязан разработчикам космических кораблей. Те ощутили в нем потребность и стали осваивать задолго до того, как в наш обиход вошел термин «глобальное потепление». Ракетчикам было известно, что килограмм водорода дает больше тепла, чем несколько килограммов керосина. Но из-за низкой плотности (кубометр весит меньше 100 г) самим газом заменить керосин не могли. Жидким же водород становится при сверхнизких температурах — около –250°. На этом варианте и остановились. «Ракет с водородными двигателями еще не было, когда в 60-х начали создавать инфраструктуру: хранилища, аппараты для сжижения газа и специальные заводы», — вспоминает Анатолий Домашенко, главный специалист ОАО «Криогенмаш».

  Фото: Итар-Тасс
Фото: Итар-Тасс

Совмещенные завод и институт в подмосковной Балашихе — главный центр по практическим «вопросам холода» в бывшем СССР. Возникший благодаря нобелевскому лауреату Петру Капице, он и должен был обеспечить водородом самый тенденциозный проект времен «холодной войны». Корабль «Буран» в западных справочниках рассматривается как клон американского шаттла — и, разумеется, его возможный соперник в звездных войнах.

Многоразовый корабль задумывался для вывода на орбиту «стратегических грузов». На его борту могло находиться что угодно — от мощного лазера до ядерной бомбы.

«В то время здесь работали 10 тысяч человек», — Андрей Мазин, пресс-секретарь, водит меня по гигантскому цеху «Криогенмаша», где конструируют цистерны для сжиженных газов. «Все занимались водородом?» — спрашиваю я. «Можно сказать и так: технологии для разных газов имели много общего». В цеху довольно пусто.

Водород мгновенно улетучился сквозь дыры в баллонах. У манекенов — только пулевые отверстия и ни одного ожога

Ностальгия по советским масштабам и темпам — главное ощущение, которое остается от разговоров с сотрудниками. Под портретом Ленина в своем кабинете Анатолий Домашенко рассказывает про 10 резервуаров на 1400 кубометров жидкого водорода каждый, построенных в стране, — против единственного, хотя и большего, на американском мысе Канаверал.

Разница только в том, что последний до сих пор обслуживает шаттлы — тогда как «Буранов» уже не существует. А шары-«термосы» высотой с пятиэтажный дом рассредоточены от Чирчика в Узбекистане, где водород сжижали, до казахского Байконура, где им заправляли ракеты.

Но одними ракетами дело не ограничивалось. В середине 80-х Ту-154, обычный пассажирский лайнер, попробовали переделать в «летающую лабораторию» с 20 кубометрами жидкого водорода на борту. Топлива хватало на два часа полета. Лишними в «лаборатории» оказались пассажирские кресла — прежде чем окончательно переселиться в ангар в Жуковском, Ту-155 так и не совершил ни одного «гражданского» рейса.

За условно пассажирской моделью должен был последовать проект откровенно военный — бомбардировщик Ту-2000, способный пересекать границу космоса. В безвоздушном пространстве, где нет трения, преодолевать километры за секунду было бы просто. А пока самолет разгоняется в плотных слоях атмосферы, охлаждать его мог бы все тот же жидкий водород. Осуществить замысел, однако, не сумели.

Водородобоязнь

  Фото: Любовь Кулькова для «РР»
Фото: Любовь Кулькова для «РР»

Безопасность на «Криогенмаше» — излюбленная тема. Хотя водород в смеси с воздухом известен как «гремучий газ», здесь говорят, что на практике «гремучесть» проявлялась редко. Зато ощутимо: сотрудники НИИХИММАШа, где испытывали ракетные двигатели, однажды все-таки ошиблись — и в рабочем поселке, удаленном на полтора километра от эпицент­ра взрыва, не осталось целых стекол.

Чтобы подобное не случилось в пути — жидкий водород из Узбекистана на Байконур везли цистернами по обычным дорогам несколько сотен километров —принимали довольно неожиданные меры. Например, специально искали некурящих водителей. Правда, недолго. «Это вначале. А потом они уже курили и ничего не боялись. Русские люди», — поясняет Домашенко. Лишний газ, который успевал испариться, просто сбрасывали в атмосферу — опыты показали, что на открытом пространстве взрыв почти невозможен.

«После того как мы научились с ним правильно обращаться, водород стал безопаснее бензина», — утверждает Иван Кузьменко, член правления «Криогенмаша». Но приводит пример из иностранной практики: на одной международной выставке решили расстрелять из автомата две похожие машины — с водородным и бензиновым двигателями. «Внутрь посадили манекены. Из бензиновой их вынули обгоревшими — там после первых выстрелов топливо растеклось и загорелось. А водород мгновенно улетучился сквозь дыры в баллонах. У манекенов — только пулевые отверстия и ни одного ожога».

Водород и дороги

Несмотря на то что водородомобили уже существуют, расстреливать их в естественных условиях — дело гангстеров из далекого будущего. Жидкому водороду, уверены специалисты, пока место лишь в приборах государственной важности. До сих пор его производили слишком мало: не больше 12 тыс. тонн в год в СССР (теперь намного меньше) и около 120 тыс. — в США. «Когда разрабатывали “Буран”, вопрос о цене просто не стоял. Наши цифры назвать сложно, но в США килограмм стоит $5–6».

  Фото: Любовь Кулькова для «РР»
Фото: Любовь Кулькова для «РР»

Во столько же обходится галлон бензина лондонскому автомобилисту. Но, уточняют в «Криогенмаше», сравнение некорректно: водород нужно еще доставить на заправку и залить в бак. А это куда сложнее сходных манипуляций с бензином: все должно быть сверххолодным и сверхгерметичным. «Водородопроводов» длиной в километры, по которым могло бы течь жидкое топливо, нет даже на космодромах — следовательно, должны появиться хранилища в черте города. «Заправка, а рядом “термос” на сто-двести кубометров. Представляете? А я представляю», — говорит Домашенко.

Остается альтернатива — сжатый газообразный водород. В тяжелом стальном баллоне на него приходится сотая доля веса — такова неизбежная плата за легкость обращения с газом. Газохранилища проще спрятать под землей, а газопровод может быть сколь угодно длинным. И начинаться прямо там, где водород производят. К тому же индустрия несжиженного водорода оперирует совсем другими цифрами: только на нужды химиков, например, ежегодно тратятся десятки миллионов тонн.

Из ста с небольшим водородных заправок, существующих в мире, с жидким водородом могут работать только несколько. И прежде чем заправлять машины, его все равно испаряют — у современных водородомобилей внутри обычный двигатель внутреннего сгорания, потреб­ляющий газ.

Негорючее горючее

«Настоящая водородная энергетика начнется тогда, когда водород перестанут просто сжигать», — объясняют в питерском Физико-техни­ческом институте имени Иоффе. Институт включился в водородную программу Михаила Прохорова и теперь разрабатывает, среди прочего, топливные элементы: в них вещество бесшумно окисляется, выделяя электричество вместо тепла.

«После того как мы научились правильно обращаться с водородом, он стал безопаснее бензина», — утверждает Иван Кузьменко, член правления «Криогенмаша»

Пока журналистам предъявляют платиновую нанопыль — наполнитель будущих топливных элементов — вместе со сложным лазерным прибором, где ее синтезируют. Платина — популярный катализатор для десятков химических реакций, и авторы разработки честно сообщают: о том, что занимаются водородной энергетикой, они сами узнали не сразу. «Мы просто хотели выяснить, как устроены платиновые кластеры — группы из сотен или тысяч атомов металла. Это нужно, например, химикам-теорети­кам. Но если получается много наночастиц с хорошим выходом, странно их не использовать где-то еще», — комментирует Сергей Гуревич, заведующий лабораторией в ФТИ.

Вечный двигатель третьего рода

В соседнем корпусе ФТИ показывают токамак «Глобус-М» — прототип термоядерного реактора. Разговор о нем тоже начинают с «водородного» вступления — ведь именно из этого вещества получается плазма внутри токамака, разогреваемая до десятка миллионов градусов! А энергию термоядерного синтеза считают главным (а заодно и самым безвредным) среди будущих средств получения водорода.

  Фото: SPL/East News
Фото: SPL/East News

Академик Легасов, один из авторов советского «водородного проекта», описывал возможную схему так: реактор-токамак на берегу моря вырабатывает ток, который тут же разлагает воду на элементы. Дальше с водородом можно поступать как угодно — закачивать в газопровод или сразу сжижать, что тоже требует энергии. Ее остаток, в свою очередь, можно потратить на выделение сверхчистых изотопов водорода для термоядерного синтеза. Цикл замыкается, и получается что-то вроде вечного двигателя — с оговоркой, что при этом все-таки расходуется вода.

За вычетом той, которая рано или поздно вернется в атмосферу, это несколько килограммов в год. Профессор Василий Гусев поясняет: «Самому токамаку нужно совсем мало: внутри “Глобуса-М”, например, умещается меньше трех граммов плазмы. И даже в полноценном реакторе выгорать она будет довольно медленно».

Считать реактор «полноценным» физики смогут, когда он будет производить больше энергии, чем потреблять. Опытный образец, ITER, начали строить во Франции совсем недавно — закончить его надеются не раньше 2015 года. Но и он будет не мощнее среднестатистической атомной электростанции. А пока питерскому «Глобусу-М» для работы с плазмой нужно 125 «чужих» мегаватт — то есть примерно одна восьмая от мощности энергоблока Чернобыльской АЭС.

Скорее всего, именно «термоядерные» сроки определят время «ухода» нефти. А до той поры экологическая целесообразность использования водорода будет оставаться как минимум спорным вопросом. Ведь чтобы наполнить бак водородомобиля, требуется сжечь куда больше традиционного, «вредного» топлива — на электростанции или в баке водородовоза, доставившего сжиженный газ на заправку. И, похоже, чтобы выучиться произносить трудновыговариваемое слово «водородооборот», у энергетиков в запасе еще много времени.

Каким бывает водород

Газ

Первый в таблице Менделеева и самый распространенный во Вселенной элемент большинству знаком из школьной химии. Газ, состоящий из молекул H2, в 14,5 раз легче воздуха, бесцветен и не имеет запаха.

Жидкость

При –253 градусах Цельсия (и давлении в одну атмосферу) превращается в такую же бесцветную жидкость с рекордно низкой плотностью — 70 граммов на литр. Ее физики считают смесью орто— и параводорода, молекулы которых отличаются квантовым состоянием. В первом случае спины (то есть магнитные моменты) у соседних ядер направлены одинаково, во втором — противоположны друг другу. Ортоводород переходит в параводород с неизбежным разогревом — и этим заметно усложняет попытки сжижить газ. Чтобы топ­ливом можно было заправлять ракеты, газ «подталкивают» к такому превращению заранее, иначе лишняя энергия заставит жидкость испаряться уже в баке.

Твердое вещество

Если температуру понизить еще на шесть градусов (до –259° С), водород затвердевает в виде белого порошка.

Металл

При сверхвысоких давлениях (возможных, например, в недрах планет-гигантов) водород скорее всего превратится в сверхлегкий металл и начнет проводить электричество. Но пока что однозначных доказательств нет — это только гипотеза.

У партнеров

    «Русский репортер»
    №9 (9) 19 июля 2007
    Гарри Поттер
    Содержание:
    Фотография
    Вехи
    Реклама