Топливо из воды и алюминия

Рассуждения о новых видах топлива вести очень интересно, тем более что сейчас мы оказались фактически на топливном перекрестке: всем ясно, что от нефтепродуктов надо отказываться и переходить на что-то другое, менее вредное для людей и окружающей их среды, при этом возобновляемое. Поскольку нет единого мнения о том, что же будет главным энергоносителем в XXI веке, с этого перекрестка расходится несколько тропинок. Какую из них выбрать? Казалось бы, всем хорош водород, но вот как его хранить? А если получать на борту автомобиля, то из чего? Авторы предыдущей статьи считают, что из соединений азота. Похожий нетривиальный способ предлагает Джерри Вудалл, профессор из американского университета Пэрдью (США). По его мнению, в качестве источника водорода нужно взять воду. А разлагать ее с помощью алюминия. «Как же так, ведь любому старшекласснику известно, что алюминий с водой не взаимодействует, потому что его поверхность защищает чехол из прочнейшего оксида?» — спросит читатель. А дело тут в одной хитрости, о которой автор рассказал на Второй конференции по нанотехнологиям в энергетике, прошедшей в начале сентября 2007 года в калифорнийской Санта-Кларе.

Профессор Джерри Вудалл

История эта началась в 1967 году, когда Джерри Вудалл, будучи сотрудником компании «IBM», обнаружил, что если налить на жидкую смесь алюминия с галлием воду, то из нее самопроизвольно выделяется водород. Видимо, его опыты были связаны с быстрой закалкой сплавов — это направление стало бурно развиваться в конце 80-х годов XX века. Тогда металловеды открыли, что, быстро охладив расплав определенного состава, можно получить металлы с необычной — аморфной или квазикристаллической — структурой. А самая быстрая закалка получается именно в воде.

Как бы то ни было, тогда особого внимания на способность алюминия с галлием вытеснять водород из воды не обратили, сосредоточившись на свойствах полупроводников с галлием. Теперь же, когда разговоры о водородной энергетике стали общим местом не только на научных конференциях, но и в повседневной жизни, возникло решение вернуться к давней находке.

Естественно, жидкий металл для генератора водорода не годится. Поэтому ученые попытались для начала получить алюминий-галиевый сплав в твердом виде. Это не очень легко сделать, потому что алюминий и галлий слишком сильно друг с другом различаются и при охлаждении предпочитают разбежаться в разные части слитка. Поэтому опять пришлось применять быстрое охлаждение капель расплава. Поначалу хорошо получались застывшие капельки, на две трети состоявшие из галлия. Они отлично разлагали воду, но для коммерческого применения явно не годились — все-таки галлий редкий и дорогой металл. Однако мало-помалу содержание галлия удалось довести до приемлемых 20%.

Частицы этого состава вполне стабильны в сухом воздухе, а с водой реагируют вполне охотно. В результате процесса остается оксид алюминия и галлий. Их можно разделить, отправив первый в переработку, а второй — обратно в процесс. Это очень важно, поскольку галлий стоит дорого. В то же время для разложения воды не нужен сверхчистый галлий, применяемый в микроэлектронике. А грязный галлий гораздо дешевле.

Итак, согласно идее профессора Вудалла, в бак машины заливают воду, засыпают в контейнер алюминий-галлиевый порошок, и можно отправляться в дорогу. А сколько надо воды и алюминия, чтобы проехать мало-мальское расстояние? Возьмем, например, автомобиль BMW «Hydrogen 7». Его двигатель внутреннего сгорания с одинаковой легкостью работает и на бензине, и на водороде. По состоянию на ноябрь 2006 года в его баке помещалось 8 кг водорода, на котором он мог проехать 200 км. Или, для ровного счета, 250 км на 10 кг водорода. При реакции на каждые два атома алюминия надо затратить три атома кислорода. При этом освободится шесть атомов водорода, а разложится три молекулы воды. Поскольку вес водорода составляет 1/9 часть веса воды, 10 кг водорода получится из 90 литров воды. А на ее разложение будет затрачено 90 кг алюминия. То есть в контейнер следует положить 108 кг алюминий-галлиевого порошка. Не очень мало, но не чрезвычайно много. Потом надо алюминиевый оксид переработать. По оценкам профессора Вудалла, сейчас переработка одного килограмма обходится в 0,44$. То есть чтобы получившиеся за 250-километровую поездку 170 кг оксида превратить обратно в 90 кг чистого алюминия, надо затратить 39,6$. Такая поездка обойдется в 990 нынешних рублей. Тот же автомобиль при работе на бензиновом двигателе расходует примерно 15 л бензина на 100 км пути, или 37,5 л на 250 км. При цене на бензин около 20 рублей за литр получается 750 рублей, что не так уж сильно отличается от алюминий-водяного автомобиля. А вот если бы на автомобиле стоял не двигатель внутреннего сгорания, а топливный элемент с кпд 50%, тогда те же 250 км обошлись бы в 14$, или 350 рублей.

«Я не сомневаюсь, что уже в ближайшие три-четыре года на полях для гольфа появятся автомобили с алюминий-галлиевыми генераторами водорода. В них надо будет заливать чистую воду, а на извлекаемом из нее водороде станет работать либо электрический двигатель, либо двигатель внутреннего сгорания. Что же касается более мощных автомобилей, то, поскольку они потребляют много топлива, нужно будет строить заводы по восстановлению алюминия», — говорит профессор Вудалл.