Цивилизация
Пока весь мир разрабатывает топливные элементы и говорит о водородной энергетике будущего, скептики не устают повторять, что до сих пор у человечества не существует дешевого способа получения водорода. Современным методом получения является электролиз воды, однако для его осуществления в глобальных масштабах потребуется уйма электричества.
Основные надежды человечество возлагает на проект термоядерного синтеза, который должен открыть людям неисчерпаемый источник энергии, однако прогнозировать дату вступления первого токамака в строй до сих пор никто не берется. Кроме того, ученые пытаются приспособить бактерии для выработки водорода из пищевых и промышленных отходов, а еще пытаются имитировать процесс фотосинтеза, разделяющий воду на водород и кислород в растениях. Все эти методы пока еще очень далеки от промышленной реализации.
Американские ученые, похоже, научились получать водород в больших количествах при реакции алюминия с водой.
Разработчики из Университета Пердью создали новый сплав металлов, обогащенный алюминием, который может быть весьма эффективен в процессе выработки водорода. Использование этого сплава, кроме прочего, экономически оправдано, и такой метод может уже в скором времени составить конкуренцию современным видам топлива, используемым в транспортной и энергетической индустрии.
Как говорит Джерри Вудолл, профессор университета и инициатор работ, его инновация может найти применение во всех сферах — как в мобильных устройствах для выработки энергии, так и в больших промышленных установках.
Новый сплав на 95% состоит из алюминия, а на оставшиеся 5% — из сложного сплава галлия, индия и олова. Хотя галлий и является очень редким и дорогим элементом, его количества в сплаве настолько малы, что стоимость сплава, и особенно стоимость его эксплуатации, может быть коммерчески выгодной.
При внесении этого сплава в воду алюминий вступает в реакцию окисления, в результате которой выделяется водород и тепловая энергия, а алюминий переходит в форму оксида.
2Al + 3H2O --> 3H2 + Al2O3 + Q
Из школьного курса химии каждому должно быть известно, что алюминий — чрезвычайно активный металл и легко вступает в реакцию с водой, высвобождая водород в ходе собственного окисления. Однако использование алюминия в быту, и особенно в качестве посуды для приготовления пищи, абсолютно безопасно, так как на поверхности алюминия всегда есть тончайшая, но очень прочная и инертная оксидная пленка Al2O3, из-за которой заставить алюминий вступить в реакцию с водой не так уж и легко.
Сплав индия, галлия и олова является критическим компонентом для технологии Вудолла: он препятствует образованию этой оксидной пленки и позволяет алюминию количественно вступить в реакцию с водой.
Кроме водорода ценным продуктом реакции является и тепловая энергия, которая также может быть использована. Оксид алюминия и более инертный сплав галлия, индия и олова может быть впоследствии восстановлен в ходе известного промышленного процесса, таким образом, замкнутый цикл может снизить стоимость выработки энергии, в пересчете на отечественные деньги, до менее чем 2 рублей за киловатт-час.
Заслуга химиков-технологов в том, что они не только смогли проделать титаническую работу по подбору химического состава алюминиевого сплава, но и научились контролировать его микроструктуру, которая и является ключом к функционализации материала.
Дело в том, что смесь металлов при затвердевании не формирует однородного твердого раствора из-за различий в строении кристаллических решеток металлов, кроме того, формирующийся сплав имеет довольно низкую температуру плавления. В результате конечный сплав формируется при остывании из расплава в виде смеси двух независимых фаз — алюминия и сплава галлия, индия и олова, вкрапленных в толщу материала в виде микроскопических кристаллитов.
Именно такая двухфазная композиция и определяет способность алюминия в данном сплаве вступать в реакцию с водой при нормальных условиях, а потому является критичной для всей технологии.
Кроме того, как оказалось, данный материал может быть получен в двух разных формах в зависимости от способа охлаждения расплавленной смеси металлов. Судя по всему, при быстром охлаждении (закалке) кристаллическая структура раствора не успевает перестроиться, в результате чего образец на выходе получается практически однофазным. Сплав Вудолла в такой форме не вступает в реакцию с водой до тех пор, пока не будет смочен расплавленной смесью галлия, индия и олова.
Однако обнаружив способность такого смоченного материала вступать в реакцию с водой при нормальных условиях, ученые изрядно воодушевились и спустя некоторое время обнаружили способность расплава, обогащенного алюминием, кристаллизоваться при медленном охлаждении в двухфазной форме. Такой материал способен вступать в реакцию с водой уже без участия жидкого сплава галлия, индия и олова. Как полагают ученые, определяющим фактором в препятствии для образования пленки оксида на поверхности материала является микроструктура материалов на поверхности раздела между двумя фазами, образующими материал.
В данный момент ученые озабочены технологической задачей брикетирования своего сплава для повышения удобства его использования. Так, брусочек алюминиевого сплава может быть помещен в реактор, размеры которого определяются необходимым количеством водорода, и выдать ровно столько водорода, сколько нужно в том месте и в то время, когда это необходимо. Такая технология, будучи доведенной до логического конца, снимет еще две насущные проблемы водородной энергетики (помимо собственно получения водорода из воды), а именно, хранение водорода и его транспортировку.
Сплав индия, галлия и олова является инертным компонентом и не участвует в реакции, так что после окончания реакции может быть использован заново практически без потерь.
Оксид алюминия также является очень удобной субстанцией для проведения его электрохимического восстановления в соответствии с процессом Холла-Эру, повсеместно используемого в алюминиевой промышленности в настоящее время:
2Al2O3 + 3С = 4Al + 3CO2
По словам учёных, восстановление алюминия из оксида, получающегося при производстве водорода, даже дешевле, чем его стандартное производство из бокситов, хотя полный цикл из алюминия в алюминий, разумеется, затратен — вечный двигатель учёные создавать не собирались.
В принципе, для внедрения технологии Вудолла, пока еще не описанной в научных публикациях, не требуется новых инноваций — необходимо лишь наладить инфраструктуру доставки сплава к конечному потребителю и организовать процесс его восстановления с использованием хорошо освоенных промышленностью методов получения металлического алюминия.
Алюминий является самым распространенным металлом на Земле. Кроме того, побочным продуктом разработки бокситных руд — минералов, содержащих алюминий, является как раз галлий — самый ценный компонент сплава Вудолла.
Сам ученый, награжденный в прошлом высшей наградой в области технологии в США, отмечает наряду с проблемами чисто экономического характера и необходимость проведения дополнительных экспериментов по влиянию состава и в особенности микроструктуры на поверхности раздела фаз в новом материале на его свойства. Такие работы вполне могут позволить в будущем перейти к использованию более дешевых и доступных металлов, чем галлий.