Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Накопление и хранение электроэнергии является одной из важнейших задач. Поскольку ветряные генераторы и солнечные батареи вырабатывают электроэнергию неравномерно, то необходимо иметь возможность в фазе ее избыточного производства эти излишки сохранять для дальнейшего использования.

Как же поставлять электрическую энергию по требованию? Именно это и делают батарейки, которые хранят энергию в химической форме (илл. 7). Когда батарейка разряжается, в ней между различными компонентами происходят химические реакции. Эти так называемые окислительно-восстановительные реакции происходят путем обмена электронами между входящими в состав батарейки химическими соединениями. По мере их расходования батарейка садится. Топливный элемент по своему принципу действия практически не отличается от батарейки: в нем также протекает окислительно-восстановительная реакция. Теоретически он не садится, так как реагенты, которые питают его, постоянно восполняются. На практике срок службы топливного элемента, хотя он и длительный, все же также ограничен.

Водород представляется хорошим энергоносителем. Как получить его по низкой цене и экологичным способом? Одной из идей было воспользоваться ветряными турбинами или солнечными батареями, изменяющаяся со временем производительность которых приводит к необходимости накапливать, а затем отдавать выработанную энергию. Например, во время пиков производства энергии можно было бы путем электролиза разлагать воду на водород и кислород, которые уже можно хранить для дальнейшего использования. Иными словами, для хранения энергии можно осуществлять процесс, противоположный происходящему в водородном топливном элементе.

Однако хранение водорода сопряжено с трудностями. В чистом виде он взрывоопасен! Кроме того, резервуар для водорода в газообразном состоянии должен быть очень велик, а хранить его в жидком состоянии можно только в условиях высокого давления и низких температур…

Небольшая компания McPhy, работающая на юго-востоке Франции, предлагает инновационное решение: связывать водород металлом! Генеральный директор утверждает, что его вдохновило пророчество ученого Сайреса Смита, героя жюль-верновского «Таинственного острова»: «Что же будут сжигать вместо угля?» – спрашивают его. «Воду, – отвечает Смит. – Но воду, разложенную на свои составные элементы при помощи электричества», а именно на водород и кислород. Потому что вода, заключает он, – «уголь будущего», уголь, сжигание которого не выпускает парниковые газы…

Например, водородный топливный элемент состоит из двух отсеков, разделенных пористой мембраной (илл. 8). В одном из отсеков молекула газообразного водорода H 2 отдает два электрона с образованием двух ионов H +; эта реакция требует присутствия катализатора. Ионы H +проникают через мембрану, которая при этом должна обладать замечательным свойством пропускать ионы, но не электроны. Остающимся по другую стороны мембраны электронам ничего не остается, кроме как устремиться в электрическую цепь, тем самым создавая электрический ток, который и питает, к примеру, двигатель. Пройдя по цепи, на другой стороне мембраны, электроны вновь соединяются с ионами H +, а также с содержащим кислород потоком воздуха. В результате образуется вода. Уравнение соответствующей химической реакции 2H 2 + O 2 → 2H 2 O (из двух молекул водорода и одной кислорода образуется две молекулы воды). В таком топливном элементе химическая энергия превращается в электрическую энергию с хорошим КПД, однако все же единице не равным. Часть энергии, выделяемой во время химической реакции, теряется в виде выделяемого тепла.

8. Принцип действия топливного элемента, реагентами которого являются молекулы водорода и кислорода. Единственным продуктом реакции топливного элемента является вода

Замечательно, что единственным продуктом реакции водородного топливного элемента является вода! Поэтому автомобиль, электрический двигатель которого питает такой топливный элемент, при движении не загрязняет окружающую среду, он передвигается с собственным водородным баком, который следует регулярно пополнять. Однако с экологической точки зрения в общем балансе должно учитываться и производство водорода. А водород – не то топливо, которое легко получать и хранить (см. главу 13, врезку «Вода – уголь будущего?»). Кроме того, необходимый для работы топливного элемента катализатор, чаще всего платина, стоит недешево. Текущие исследования направлены на устранение этих двух недостатков.

В заключение укажем, что представленная в этой главе информация фрагментарна. Читатель может дополнить ее чтением специализированной литературы (см. «Библиографию»).

9. В «водородном» автомобиле электрический двигатель питается от топливного элемента, который потребляет хранящийся в резервуарах водород

«Теперь – пируем!» – призывал древнеримский поэт Гораций в I веке до нашей эры. Он был мудрее, чем его предшественник Алкей, чья лира семью веками ранее восхваляла радость опьянения: «До забвения пей со мной» [13] «Другу Меланиппу». Пер. Я. Голосовкера. . Прежде чем рассмотреть физические свойства алкогольных напитков, кратко вспомним историю виноградарства и виноделия.

По легенде, вино появилось при дворе персидского царя за несколько тысячелетий до нашей эры. Одна разочарованная жизнью дама решила покончить с собой. По совету жреца она выпила странную жидкость, образовывающуюся на дне больших бочек, в которых хранили виноград. Однако в результате ее депрессия вдруг отступила, а мрачные мысли уступили место радости! Выявленные таким образом достоинства этого напитка побудили царя, в свою очередь, попробовать его, а затем и начать пить вино регулярно. Это случайное открытие получило известность, а впоследствии виноградарство и потребление вина приобрели множество последователей во всем мире. Древние греки воспевали вино, поклоняясь богу Дионису, которого позже в древнеримской мифологии заменил Бахус (или Либер) (илл. 1). Они знали, что вино обладает целебными свойствами как при непосредственном употреблении, так и в качестве антисептика при врачевании ран. Христиане тоже наделили вино важной ролью, поместив его в центр религиозного таинства.