Лед и в пламя: «горящий» в холодной воде металл обогреет Арктику
Российские ученые предложили безопасный и экологичный метод добычи тепла и энергии в условиях Арктики. Физики выяснили, что при окислении порошка магния и алюминия в смеси ледяной воды и особого солевого раствора выделяется водород. Этот элемент можно сжигать, получая огромное количество энергии для обогрева помещений или выработки электричества.
Холодное тепло
Одна из главных проблем арктического региона — тепло- и электроснабжение. Чаще всего для добычи электроэнергии здесь используют дизельное топливо, однако это крайне негативно влияет на экологию региона.
Ученые из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН предлагают использовать в качестве арктического топлива химически активные элементы — магний и алюминий. Ранее их реакционные свойства при низких температурах практически не исследовали. Физики впервые изучили возможности окисления данных металлов в водных растворах при низких температурах, которые держатся в Арктической зоне России минимум полгода.
Чтобы вода не замерзала, в нее добавляли различные соли — хлориды натрия, калия, магния, кальция, алюминия и другие. Чем больше концентрация соли, тем меньше температура замерзания водного раствора. При химической реакции окисления магния и алюминия в таком растворе выделяется тепло и образовывается водород. При исследованиях самая низкая полученная температура водного раствора составила минус 40°C. Снижать ее больше не имело смысла, так как дальнейший процесс уменьшил бы скорость реакции окисления. Следовательно, магний стал бы отдавать энергию крайне долго.
— Металлы запасают в себе энергию, по удельным характеристикам сопоставимую с традиционным углеводородным топливом, — пояснил заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ ОИВТ РАН Михаил Власкин. — Но при сжигании металлов в атмосферу не попадают вредные выбросы и парниковые газы. Ведь продукт окисления — оксид металла, твердое вещество, которое не представляет вреда здоровью человека. Оно может быть возвращено обратно в цикл производства или использовано на месте в качестве строительного материала или в других более высокотехнологичных приложениях.
В ходе экспериментов ученые определили наиболее перспективные с точки зрения энергоэффективности композиции. Оказалось, что быстрее всего порошок магния окисляется в водных солевых растворах магния и алюминия. Ускорить реакцию помогло добавление к магнию таких металлов, как никель и галлий.
Просто добавь воды
Выделяющийся в ходе реакции водород используют для получения тепла или электроэнергии. Причем продукт сжигания водорода — вода без выделения каких-либо газов, то есть вредных выбросов в атмосферу нет.
Таким образом, для создания экологически безопасных систем тепло- и электроснабжения на севере достаточно будет порошка магния или алюминия, солевого раствора и устройства, преобразующего энергию водорода. Доставить эти материалы в отдаленные регионы проще, чем жидкое топливо.
— Это классическая химическая реакция: когда металл растворяется (реагирует с водой), выделяется водород, — напомнил заведующий лабораторией литий-ионных источников тока МФТИ Дмитрий Семененко. — Ее широко используют на практике, например в качестве способа хранения водорода для топливных элементов (устройство, вырабатывающее постоянный ток путем химической реакции, в данном случае с водородом. — «Известия»). Но для выделения водорода обычно используют сложные сплавы — чистые металлы не реагируют с водой, потому что у них есть поверхностный оксидный слой. В данном случае разработчики добились результата довольно простым способом, понизив температуру и добавив в раствор соли особого состава для ускорения реакции. В подобных условиях процесс взаимодействия магния и алюминия с водой проходит эффективно. Это сравнительно простой и дешевый способ получения водорода. Данная технология вполне может стать востребованной в удаленных регионах страны.
По словам эксперта, сейчас в Арктической зоне всё чаще используют cистемы с возобновляемыми источниками энергии. Ведь в условиях сурового севера завозное топливо часто бывает недоступно.
— Думаю, данная разработка позволяет создать недорогой и эффективный способ получения электроэнергии, — подчеркнул Дмитрий Семененко.
По словам доцента кафедры теоретических основ теплотехники им. М.П. Вукаловича НИУ «МЭИ» Кирилла Кузнецова, достоинством метода является то, что он не требует повышенных температур. Его применение может быть актуальным в холодных и труднодоступных районах России. Правда, следует учесть, что получение алюминия и магния тоже требует затрат электроэнергии. В итоге, как подчеркнул эксперт, эти затраты могут перевесить пользу от использования экологически чистого водорода. Однако работа, по его мнению, несомненно вносит вклад в развитие нового направления в энергетике.
В дальнейшем ученые планируют создать двигатель для производства электрической энергии или тяги на основе принципов окисления металла при минусовых температурах.
