Вместо бензина: почему взрывоопасный водород считают топливом будущего

Вы знаете, что стрелки на часах подсвечиваются благодаря тритию или водороду-3? И именно водород начнут выделять эти водоросли, которые можно увидеть на видео, стоит закрыть их от света и замедлить фотосинтез.

Наше солнце на 74% состоит из водорода. А если в атмосфере Земли заменить водородом азот, мы сможем легко дышать этой смесью. Разве что придется быть намного осторожнее, например, со спичками.  

Водород самый горючий и летучий газ. А еще он самый распространенный элемент во Вселенной. Неудивительно, что ученые уже много лет пытаются заменить водородом нефть и метан. Но что же им мешает это сделать? Об этом рассказывает программа "Наука и техника" с Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.

Почему водород называют топливом будущего

3 сентября 2022 года. Флорида, мыс Канаверал. На стартовой площадке не просто ракета. Это космический грузовик будущего, практически орбитальная фура. Без этого тяжеловоза американская лунная программа просто набор красивых картинок из презентации. Лучшие инженеры и конструкторы 10 лет работали ради этой минуты. И вот долгожданный пуск. 

Однако взлет сверхтяжелой ракеты-носителя "Артемис-1" так и не состоялся. Компьютер отменил старт из-за резкого повышения давления в системе подачи топлива. Оказалось, что жидкий водород в баках ракеты начал испаряться. 

Постоянные утечки и возгорания – главные проблемы водородного топлива. Однако, несмотря ни на что, отказываться от водорода не собираются. Больше того, многие специалисты именно его называют топливом будущего. Неужели они правы? 

О перспективах водорода в авиации заговорили еще в середине 70-х. А 15 апреля 1988 года в воздух поднялся первый в мире самолет на водороде. Советский ТУ-155 использовал то же топливо, что и космические ракеты. Криогенный водород, охлажденный до минус 250 градусов.

"Газотурбинный двигатель был вместо керосина адаптирован на работу на жидком водороде. И это все прошло летные испытание в составе летающей лаборатории. Больше никто в мире в подобном масштабе ничего не сделал", – рассказал директор Исследовательского центра ЦИАМ Антон Варюхин.

Проблемам безопасности советские инженеры уделили особое внимание. Под экспериментальный криогенный топливный комплекс отвели специальный изолированный отсек, чтобы свести к минимуму вероятность взрыва.  Смешиваясь с воздухом, водород образует так называемый гремучий газ. Он может сдетонировать от малейшей искры. 

ТУ-155 прозвали "летающей Хиросимой". В серийное производство он так и не вышел. Но если это топливо так опасно, почему же сегодня вновь заговорили о самолетах на водороде? Да просто технология изменилась. Авиадвигатели сжиженным водородом больше никто не заправляет.

В программе показали "Сигму-4" – первый в России полностью электрический самолет. Спросите, при чем здесь водород? Все очень просто: электродвигатель работает на водородных топливных элементах. При такой схеме газ из горючего превращается в аккумулятор. Химическая реакция переводит энергию молекулы в электрическую и питает двигатель. Опасность взрыва минимальна.

"Вот здесь расположено сердце двигательной установки – водородно-топливный элемент. Именно здесь происходит преобразование водорода и кислорода, они реагируют с образованием электрического тока", – рассказал заместитель руководителя Центра компетенций НТИ ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Паевский.

Такая схема питания позволит решить главную проблему электрической авиации, которой обычно не хватает энергии, чтобы летать далеко и долго. Водородный топливный элемент на борту увеличивает дальность полета и грузоподъемность в несколько раз. Похоже, в небе летучий газ точно приживется. А станет ли водород топливом будущего на Земле? 

Как приручить водород

8 апреля 2020 года произошел взрыв на фабрике водорода в американском городе Лонг Вью. Густые клубы дыма застилают небо. Ударная волна разлетелась на несколько километров вокруг. В Норвегии такой завод взорвался на год раньше. Взлетают на воздух и заправки, и баллоны с водородом. Летучему газу на Земле явно неуютно. Почему же тогда все больше стран делают на него ставку? Это же все равно что ездить на динамите.

На самом деле водород не опасен, если его правильно использовать. 

"Водород поднимается вверх, ну, так как он самый легкий газ, со скоростью 120 метров в секунду. Поэтому создать взрывоопасную концентрацию в открытом пространстве, то есть если вот у вас произошла авария на улице, очень сложно", – рассказал заместитель руководителя Центра компетенций НТИ ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Паевский.

Получается, страшен не водород, а его высокая концентрация? Но как нам застраховаться от взрывов? Оригинальное решение предложили конструкторы водоробусов, которые сейчас проходят тестовые испытания в Москве. Топливный бак расположили на крыше. Теперь никакая утечка не страшна.

"И при какой-то утечке водорода сразу информация поступает на панель приборов и блокируется зажигание", – объяснил инженер Александр Иванов.

По статистике, транспортная отрасль производит 17% всех парниковых газов. Казалось бы, водород – решение проблемы. На выхлопе только кислород и вода. Но действительно ли такое топливо безвредно? Оказывается, только на первый взгляд. При производстве водорода образуется не меньше углекислого газа, чем при сжигании бензина и дизеля.

"При производстве водорода применяют получение водорода из природного газа. При добыче природного газа попутным газом является СО2, который является газом парниковым и очень сильно влияет на изменение климата. И сейчас вот водорода, полученного таким путем, на рынке 96 процентов", – сообщила член общественного совета Минприроды Елена Есина.

Так стоит ли менять традиционное топливо на водород, который к тому же вдвое дороже? Специалисты уверяют: все дело в спросе. Топливо подешевеет, когда вырастут объемы производства и потребления. Пока машины на водороде скорее диковинка, чем средство передвижения.   

В мае 2021 года в России показали единственный в мире водородомобиль представительского класса. В 2025 году его планируют запустить в серию. Разработчики уверены: в будущем их детищу придется соперничать не с бензиновыми машинами, а с электрокарами на стандартных аккумуляторах. И преимущества водородного автомобиля очевидны. 

"Электромобили самой лучшей категории сейчас электромобилей позволяют обеспечить там 400–450 километров. Поэтому вот для этого, для этих задач как раз разрабатываются водородные автомобили, которые смогут уже обеспечить пробег 600–700 километров на одной зарядке", – заявил к.т.н., исполнительный директор по информационным и интеллектуальным системам ФГУП "НАМИ" Денис Ендачев.

Да и сама зарядка займет 2–3 минуты. Обычный электромобиль придется оставить у розетки на всю ночь. Вот только где заправлять водородные машины? Во всем мире для них всего 140 заправок.  В Москве первая заработала на территории Института проблем химической физики РАН. Пока в порядке эксперимента. 

"Мы заправляем газом. С точки зрения пользователя принципиальных отличий нету. У заправочной станции есть точно такой же пистолет, который пользователь вставляет в заправочную горловину и в течение пяти минут заправляет свое транспортное средство и спокойно едет", – сказал и.о. руководителя Центра Компетенций НТИ ФИЦ ПХФ и МХ РАН Алексей Левченко. 

Процесс, знакомый каждому автомобилисту, только пистолет во время заправки герметично зафиксирован в баке. Давление в шланге не больше, чем в автомобильной шине. Внутри водород. Казалось бы, риски сведены к минимуму. Но вопросам безопасности здесь уделяют не меньше внимания, чем на космодромах. 

Человечество почти приучило водород. Но его летучесть и горючесть никто не отменял. Любая утечка – и при малейшей искре вспыхнет и автомобиль, и заправка. А можно ли сделать летучий газ абсолютно безобидным? Немецкие исследователи представили специальную пасту на основе магния, которая буквально впитывает в себя водород. 

"Их можно брать голыми руками, это безопасно. Но если мы опустим картридж в воду, то он сразу пойдет реакция и мы получим водород. Такая пластина может вместить 20 литров водорода. Но магний также высвободит из воды молекулы газа, и всего мы получим целых 40 литров водорода", – сказал представитель компании-разработчика Ryoden Trading Company Такеши Накамуро.

Такой картридж с магниевой пастой можно перезаряжать сколько угодно. По сути это водородная батарейка. Когда технология пойдет в серию, про взрывоопасные баллоны можно будет просто забыть, а водород разом лишится своих недостатков. Одни преимущества: компактный, весит мало. Настоящее топливо будущего. И никаких проблем с добычей. Это самый распространенный элемент во Вселенной. А значит, на водородном топливе человечество сможет и до Сириуса долететь. 

О самых невероятных достижениях прогресса, открытиях ученых, инновациях, способных изменить будущее человечества, смотрите в программе "Наука и техника" с ведущим Михаилом Борзенковым на РЕН ТВ.