Создание экологически чистого автомобиля

План: 

1. Проблема  создания экологически чистого автомобиля:

 

а) химия  летучих металлов; 

б) интерес  к гидридам; 

в) способность  магния запасать водород; 

г) аккумуляторы газа для автомобилей. 

2. Если разбить  молекулу…

 

3. Использованная  литература.

 

     Над созданием экологически чистого автомобиля ученые всего мира работают уже много лет. И большие надежды связывают с использованием водорода в качестве топлива.

   Доводов  в пользу этого решения немало: при сгорании в цилиндрах двигателя  автомобиля водород образует вместо бензиновой гари совершенно безвредную воду. Применение эго позволит сэкономить нефть – основное сырье химии полимеров. Что немаловажно – водород гораздо дешевле, нежели бензин, ведь получают его электролизом воды, причем она, как сказано, при сгорании образуется снова. Стоит упомянуть наконец, что в настоящее время бензин стал очень дорогим, а следовательно, менее использованным, что затрудняет работу автомобилей. В пользу создания экологически чистого автомобиля с использованием в качестве топлива водорода можно представить тот факт, что на водороде смогут работать те же самые двигатели, что работают сегодня на бензине, и переделки потребуются совсем небольшие.

   Доводы  неоспоримые. Однако, чтобы они  обрели под собою почву, необходимо  обеспечить водородному автомобилю хотя бы такой же запас хода, как и бензиновому, а также сделать так, чтобы он стал общедоступным. 

  Химическая  энергия у водорода гораздо  выше, чем у бензина. Одна его  грамм-молекула дает энергии в  6 раз больше грамм-молекулы обычного топлива. Но ведь газ не жидкость. Обычный водородный баллон, вмещая 500 литров, - а этого, замечу, хватит лишь на десяток километров, - весит пятьдесят-шестьдесят килограммов. Объем же его чуть не вдвое больше, чем у компактного бензобака. И сделать его меньше при той же емкости очень трудно. Давление внутри баллона и так уже составляет 150 атмосфер. Предлагаю вспомнить закон Бойля- Мариотта и посчитать: в баллоне вдвое меньшего объема давление такого же количества газа составит уже 300 атмосфер. Триста килограммов на каждый квадратный сантиметр поверхности!.. Ехать на автомобиле с таким топливным баком, пожалуй, не более приятно, чем на пороховой бочке.

   Однажды  при встрече инженера А.Фина  со старшим научным сотрудником  кафедры химии высоких давлений  Виктором Николаевичем Вербецким, инженер был удивлен следующим моментом: когда Вербецкий, легко взявший со стола емкость размером с сифон для газированной воды, протянул его Фину и сказал:

   - Вот  здесь пятьсот литров водорода, а давление внутри около двух атмосфер, меньше, чем в велосипедной камере.

  При взвешивании  баллона на руке, его вес оказался  не более пяти килограммов!  Так как же закон Бойля-Мариотта?!

   - Все  в соответствии с ним, - поясняет  Виктор Николаевич. – Но дело  в том…   

   Вот уже  более двух сотен лет химики знают, что некоторые металлы способны вступать с водородом в химическую реакцию. Магний,  например, при высокой температуре впитывает водород, образуя так называемый гидрид магния. Объем его при этом немного растет, а удельный вес падает.

   Это обстоятельство  в свое время едва не послужило  причиной создания новой отрасли  химии, которую можно было бы  назвать химией летучих металлов  – окрыленные первыми успехами, химики решили так насытить  металл водородом, чтобы он  стал легче воздуха.

   В свое  время эта, увы, неосуществимая  мечта нашла отражение и в  литературе. Болеслав Прус, например, в романе «Кукла» описал подобные  эксперименты знаменитого химика  Берцелиуса.

   Летать  слитки магния так и не заставили.  С развитием химии высоких  давлений стало ясно, что магний может запасти всего лишь шесть процентов водорода по отношению к собственному весу. К тому же нужна температура до 400-500 градусов по Цельсию, давление в 400 атмосфер. А кроме того, насыщая магний водородом, требуется постоянно снимать с него верхний слой, быстро насыщающийся газом и не пропускающий его вглубь. То есть шаг за шагом перемалывать его в порошок. И чтобы извлечь газ из него, тоже нужна высокая температура. Интерес к гидридам стал пропадать. И снова возник он лишь в наши дни, но уже в связи с идеей «чистого» автомобиля.

   Я уже  упомянула, что магний может  запасти 6% водорода от собственного  веса. Много это или мало? Если  сравнивать с обычным баллоном, где закачивают газ в пустоту, - фантастически много. Ведь в  обыкновенном баллоне помещается в шесть раз меньше, чем в металле такого же веса! 
 

                       Из графика видно:  от начала до  конца зарядки 

                            давление не превышает  двух атмосфер. 

     Но как же быть с законом Бойля – Мариотта? Почему в металл, в плотное вещество, вмещается больше, нежели в пустоту? Дело здесь в химической сути происходящего.

   В природе  водород существует, как известно, в молекулярном виде, каждая молекула  состоит из двух атомов газа. Между молекулами есть силы отталкивания, мешающие им сблизится вплотную; собственно, с этими силами и борется компрессор, закачивая газ в баллон. Металл же, поглощая водород, разбивает его молекулы на отдельные атомы, а силы отталкивания между атомами в сотни раз меньше, чем у молекул. Потому в металле газ упакован плотнее, чем в пустоте. Это и делает эффективным использование гидридов для создания емких аккумуляторов водорода для автомобилей. 

                   Аккумулятор, построенный  по такой системе, 

                        успешно выдержавший испытания

                               на автомобиле  ЗИЛ-130.    
 
 
 

   
 

  За прошедшие годы свойство запасать водород, кроме магния, ученые обнаружили у других металлов и сплавов, поэтому специалисты кафедры химии высоких давлений Московского государственного университета, где работал В.Н .Вербецкий, в 80-х г.г. XX века начали работу со сплавами титана и железа.

   Этот  сплав способен запасать водород  даже при комнатной температуре  и легко отдает его при небольшом  подогреве. Емкость его поменьше, чем у магния, но все равно примерно в полтора раза выше, нежели у традиционного баллона.

   В первых  же опытах сплав заработал  безупречно. Однако со временем  дело пошло все хуже и хуже…

   Как сумели  установить, виноваты оказались  примеси. В обыкновенном техническом  водороде, который получают, как  сказано, электролизом воды, всегда  есть немного кислорода, влаги.  Они постепенно отравляли сплав,  лишали его активности. Это означало, что для использования аккумулятора нужно предварительно очищать газ с помощью сложных и дорогих методов.

   Решили  повысить стойкость сплава с  помощью добавок. Лучше всего  на эту роль подошел ванадий.  Это элемент как бы облагородил  сплав, повысил его стойкость  к отравляющим примесям. А когда химики провели анализ водорода на выходе аккумулятора, оказалось, что посторонних газов в нем практически нет – десятитысячные доли процента! Как это нередко бывает, получилось, что исследования в одном направлении принесли результат и для смежного – аккумулятор оказался еще и замечательным дешевым фильтром для очистки водорода.

   Тогда  и был изготовлен в лаборатории  тот самый баллон, о котором  говорилось выше, вмешавший при  малом объеме и низком давлении 500 литров газа. В МГУ после научных сообщений в 1985 году пошли письма из многих лабораторий страны с просьбами изготовить такие же или предоставить техническую документацию. Ценность аккумулятора для лабораторных исследований оказалась так велика, что его экспонировали даже на выставке «Научно-технический прогресс-85».

   Но хочу  вернуться к рассказу об аккумуляторах  газа для автомобилей.

   Кроме  большой емкости и долговечности,  такие аккумуляторы в отличие  от лабораторных должны обладать  еще способностью отдавать большие  количества газа в короткие промежутки времени, иными словами, должны обеспечивать большой расход газа. Ведь нередко двигателю приходится работать в пиковых режимах – например, при резком трогании автомобиля с места или на подъемах. И здесь аккумулятор работал плохо. Дело в том, что, впитывая водород, металл разбухает, разрушается и довольно быстро превращается в тонкодисперсный порошок. Открытие этого явления тоже оказалось весьма ценным для промышленности. Сплавы титана широко применяют сегодня в порошковой металлургии, и получать порошок из сплава, подавая с небольшим давлением водород, гораздо удобнее, проще и дешевле, чем дробить в специальных шаровых мельницах – никакой механики, никакого износа!.. А вот для самих аккумуляторов это стало препятствием. Спокойная при малых расходам газа масса порошка при больших буквально вскипала. Выделенная частицами струя газа подхватывала их и несла с собой, закупоривая газопроводы, опустошая сам аккумулятор.

Попробовали заградительные фильтры, но они мешали аккумулятору «дышать», резко ограничив максимальный поток газа, да и к тому же быстро забивались частицами порошка.

   Как же  упаковать порошок так, чтобы  частицы не разлетались? Химики  решили связать порошок гидрида  полимером. Рассчитав соотношения  порошка и связующего полимера, отлили ровные эластичные плитки пластика. Заработали они безупречно. Но как же получилось, что связующий материал, который должен был помешать газу проникать к частицам, герметизировать их, пропускал газ лучше, чем фильтр, который пробовали установить ранее?

   Как выяснили, помогал тот эффект, который превращал  газ в порошок. Впитывая водород,  частицы порошка увеличивались  в объеме, разбухали и образовали  в полимере поры, которые объединялись  в разветвленную цепь микромагистралей  для газа. Так что после некоторой приработке аккумулятор был полностью готов к работе.

   Такие  аккумуляторы проходили испытания  в Москве на грузовых автомобилях  ЗИЛ-130. установленные на место  запасного бензобака, они подают  газ в карбюратор двигателя,  куда поступает и бензин из другого бака. Это половинчатое решение проблемы позволило снизить затраты бензина на 25 процентов и вдесятеро понизило токсичность выхлопных газов! Вот результат лишь частичной замены бензина на водород!

   Аккумуляторы  работают безотказно, единственным их недостатком оказалось то, что невозможно было определить, сколько осталось водорода. Для автомобиля, работающего на смеси водорода с бензином, это было и необязательно: когда кончался водород, машина продолжала ехать на чистом бензине. Ну а как быть, когда автомобиль перейдет на водород?

   Решением  этой задачи и занялись химики. Еще в исследованиях они заметили, что электрическое сопротивление  гидридов выше, нежели у чистого  сплава. Это обстоятельство и  решили использовать. В аккумулятор  вмонтировали специальный датчик – цилиндрик полимера с гидридом, зажатый между двух электродов. К нему подключили омметр, и теперь шкала прибора, проградуированная в единицах емкости, стала показывать запас водородного топлива. Так что прибор для водородного автомобиля был готов. А создание такого автомобиля уже получило развитие.

   Правда, вспомнив, что выше было упомянуто,  можно сказать: емкость аккумулятора  на сплаве титана с железом  недостаточно велика, чтобы обеспечить  автомобилю большой запас хода. Правильно. Поэтому химики решили вернуться к более емкому металлу – магнию. Работать с этим металлом труднее, сейчас есть ученые вооруженные соответствующей аппаратурой и опытом работы с гидридами, они-то и работают над этой проблемой. Но и разработанный такой аккумулятор…уже работает в некоторых автомобилях, мало кому доступных. Так называемый маршевый аккумулятор на магнии питает двигатель в поездке, а аккумулятор на основе титана и железа пусковой – с его помощью двигатель автомобиля запускается, и его тепло подогревает маршевый аккумулятор, чтобы извлечь из него водород.            
 

   Так выглядит упрощенная схема аккумулятора большой емкости для экологически чистого автомобиля, запас хода которому обеспечивают и     низкотемпературные и высокотемпературные гидриды.  

Использованная  литература: 

1. Научно-познавательный журнал «Юный техник» №10, 1986.