Безмембранный топливный элемент
Каждый, кто решил купить себе компьютер, первым делом начинает сравнивать параметры разных моделей – тактовую частоту процессора, объём оперативной памяти, ёмкость жёсткого диска и так далее. Если же речь идёт о лэптопе или о ноутбуке, то есть о компьютерах портативных, то едва ли не на первое место выходит совсем другой параметр: да нет, даже не масса, а продолжительность работы от одной зарядки аккумулятора. Потому что какой прок от самого что ни на есть распрекрасного компьютера, если уже через два часа автономной работы он испускает дух, а электророзетки поблизости нет и не предвидится! Впрочем, даже самые лучшие на сегодняшний день аккумуляторы не способны обеспечить продолжительность работы лэптопа, превышающую 5 часов. Конечно, и они продолжают совершенствоваться, да и энергопотребление самих компьютеров снижается, но всё же надежды на подлинный прорыв в этой области инженеры связывают с автономными источниками питания, основанными на совершенно иной технологии, – топливными элементами.
Топливный элемент, или, как его иногда называют, топливная ячейка, является, по сути дела, ключевым компонентом электрохимического генератора, то есть обеспечивает прямое преобразование химической энергии в электрическую. Как и прочие источники тока, топливные элементы состоят из анода, катода и электролита между ними. Химическая энергия выделяется в процессе окислительно-восстановительной реакции, которая поддерживается за счёт подачи топлива и окислителя. На практике речь идёт о реакции образования воды из водорода и кислорода. Звучит просто, однако техническая реализация идеи потребовала преодоления целого ряда сложностей. Прежде всего, оказалось непрактичным и неэкономичным использование в качестве топлива непосредственно водорода, поэтому его заменили метиловым спиртом – метанолом. В результате так называемого процесса риформинга метанол при температуре в 280 градусов выделяет водород, который затем поступает на анод. Функцию электролита в такой конструкции выполняет тончайшая твёрдополимерная ионообменная мембрана с нанесённым на неё слоем платинового катализатора. Она обладает уникальным свойством: пропускает протоны, то есть ядра атомов водорода, но задерживает электроны. Атомы водорода, теряя электроны, продираются сквозь мембрану, и вступают в реакцию с кислородом воздуха на катоде, образуя воду. В обычных условиях такая реакция, как известно, носит взрывной характер, но в топливном элементе она протекает «мирно» благодаря тому, что идёт не во всём его объёме, а лишь на поверхности мембраны с катализатором. Выделяемое при этом тепло поддерживает процесс риформинга. А электроны, отобранные мембраной у атомов водорода, текут от анода к катоду по внешней цепи, образуя тот самый электрический ток, который необходим для питания портативного прибора. Такая схема стала уже почти классической, но теперь американские инженеры намерены внести в неё существенные, возможно даже, решающие коррективы. Пол Кенис (Paul Kenis), профессор Иллинойского университета в городе Урбана-Шампейн, поясняет:
В моём топливном элементе нет никакой мембраны. Это безмембранная система.
Такая безмембранная конструкция сулит, по меньшей мере, одно очень важное преимущество: она позволит создать высокоэффективный топливный элемент на базе щелочной среды, которая обладает гораздо лучшими электрохимическими свойствами, недаром она доминирует в производстве одноразовых батарей. Но как же функционирует топливный элемент без мембраны? Как осуществляется разделение реагентов в условиях отсутствия перегородки?
В качестве примера можно для наглядности взять двухцветную зубную пасту «AquaFresh»: когда выдавливаешь её из тюбика, полоски разного цвета не смешиваются, разделяющая их граница сохраняется. Аналогично ведут себя и жидкости в пространстве, измеряемом микрометрами
Обычно, когда два потока сливаются, они тотчас перемешиваются. Это хорошо заметно, например, там, где одна река впадает в другую, особенно, если их воды имеют разные оттенки. Быстрое перемешивание объясняется образованием завихрений – в гидродинамике такие потоки называются турбулентными. Совсем иначе ведут себя, сливаясь, микропотоки, – говорит Пол Кенис:
Поток, содержащий топливо, и поток, содержащий окислитель, мы сводим вместе в капилляре – узкой трубочке внутренним диаметром менее одного миллиметра. И в этой трубочке обе жидкости послушно текут рядом, соприкасаясь, но не смешиваясь.
В узкой трубочке просто слишком мало места для образования сколько-нибудь значительных завихрений. Поэтому здесь наблюдается ламинарное течение – две жидкости текут параллельно так, словно отделены друг от друга невидимой перегородкой. Лишь на границе двух потоков, там, где они соприкасаются, происходит обмен ионами и электронами и образуется электрический ток. Понятно, что такое объяснение устройства, предложенного американским инженером, – довольно грубое упрощение, масса технических деталей осталась «за кадром». Но в принципе схема работает, и работает стабильно, – утверждает Пол Кенис, – теперь всё дело за эффективным инженерным воплощением идеи. Автор разработки уверен, что уже через 2-3 года его детище появится на рынке. Впрочем, некоторые вопросы напрашиваются уже сейчас. Например, такой: если топливный элемент новой конструкции случайно упадёт на пол – не приведёт ли такая встряска к тому, что обе жидкости основательно перемешаются? И что тогда будет? Пол Кенис усмехается:
Это хороший вопрос. Так вот, мы провели в университетской лаборатории такой эксперимент: положили наш безмембранный топливный элемент на стол и попросили студентов что есть силы стучать кулаками по столу. Вызванная этим вибрация передалась прибору и привела к тому, что потоки жидкостей начали как бы вилять, колебаться. Однако ламинарное течение действует как своего рода амортизатор, так что топливный элемент очень быстро вернулся в исходное состояние.
Ну что же, раз так... Лично мне всё же изжить сомнения до конца не удалось. Тем более, что этот вопрос напрямую связан с безопасностью конструкции. Впрочем, с проблемами обеспечения безопасности и связанными с ней разного рода ограничениями будущим пользователям предстоит столкнуться так или иначе. Например, пока неясно, что делать обладателю лэптопа с топливным элементом, если он захочет взять с собой на борт авиалайнера запас метанола. Ведь это не что иное как горючая смесь, а провоз в самолёте огнеопасных жидкостей – по крайне мере, сегодня, – категорически запрещён.
Следует отметить, что топливные элементы используются не только в качестве автономного источника тока для портативных приборов, но и в так называемой большой энергетике. Понятно, впрочем, что покрыть потребности человечества в электроэнергии они не в состоянии. Между тем, учёные и инженеры по-прежнему настойчиво ищут альтернативу сегодняшней энергетике, в немалой степени основанной на сжигании ископаемого топлива. Важную роль в решении проблемы специалисты отводят использованию солнечной энергии – как-никак, Солнце является для нас крупнейшим энергоресурсом. Проблема лишь в том, как использовать энергию светила наиболее эффективно. Одна из идей сводится к размещению в космосе солнечных батарей, которые переправляли бы добытую энергию на Землю посредством микроволнового излучения. Звучит, следует признать, довольно фантастически. Теперь специалисты из японского космического агентства JAXA совместно с европейскими и американскими коллегами намерены опытным путём выяснить, насколько эта идея реализуема на практике. Ответ на этот вопрос призван дать международный космический эксперимент под названием «Solar Power Satellite», подготовка к проведению которого идёт сегодня полным ходом. Активным участником проекта являются австрийские роботостроители. Разработанным в Венском техническом университете минироботам предстоит выполнить в космосе монтажные работы – собрать на околоземной орбите солнечные батареи. Прошедшие недавно в Японии испытания показали, что минироботы готовы к выполнению своей непростой миссии – по крайней мере, это касается одной из двух моделей, предложенных австрийскими инженерами. Испытания проводились на Земле – вернее, в воздухе, в условиях искусственной невесомости, создаваемой специально оборудованными самолётами во время так называемых параболических полётов. Достигнув высоты в 8 тысяч метров, такой авиалайнер переходит в крутое пике. Практически свободное падение до высоты в 2 тысячи метров длится примерно 20 секунд, и за это время минироботы и их разработчик должны решить весьма сложные, хотя и очень разные задачи. Для Бернарда Путца (Bernhard Putz), научного сотрудника Венского технического университета, задача состоит в том, чтобы справиться с чувством тошноты, а для минироботов – в том, чтобы проползти, не сорвавшись, по свободно висящей в салоне верёвочной сетке. Модель под названием «Roby-Insect», то есть «Робот-насекомое», справилась со своей задачей блестяще. О том, как Бернард Путц справился со своей, он предпочитает не распространяться, а про своё детище говорит:
Трудность состоит в том, что эта сеть не очень стабильна, то есть она постоянно находится в движении, вибрирует, раскачивается. Несмотря на это, робот должен не только крепко держаться за сеть, но и быстро по ней перемещаться. Это самое сложное.
Вторая трудность связана с малыми размерами робота. Это очень непростая задача, с которой специалисты в области мехатроники и робототехники сталкиваются постоянно: как сделать тот или иной узел прочным и надёжным и при этом максимально сэкономить на его массе.
Масса отправляемого в космос груза – это всегда очень щекотливая тема. Что, впрочем, понятно: доставка на орбиту одного килограмма может обойтись ни много ни мало в 20 тысяч евро. «Робот-насекомое» весит на Земле всего 350 граммов и выглядит как толстая квадратная пачка сигарет размером 9 на 9 сантиметров на тонких проволочных ногах. Этими конечностями миниробот цепляется за сеть. Именно «роботам-насекомым» и предстоит теперь принять участие в эксперименте, идея которого уходит корнями в 70-е годы, в эпоху нефтяного кризиса. Правда, тогда речь шла о развёртывании на геостационарной орбите, то есть на высоте около 36-ти тысяч километров, гигантской солнечной электростанции мощностью от 5-ти до 10-ти гигаватт. Площадь солнечных батарей должна была составлять 100 квадратных километров, их масса – 50 тысяч тонн. Была уже определена и частота микроволнового излучения, посредством которого энергию предполагалось доставлять на поверхность Земли, – 2,45 гигагерца. Бернард Путц поясняет:
В 70-е годы речь ещё шла о том, чтобы использовать антенны длиной километров в 10. Сегодняшний уровень развития техники позволяет оперировать спутниками на гораздо более низких околоземных орбитах. Соответственно уменьшились и габариты обсуждаемых конструкций. И только благодаря этому весь проект, похоже, действительно становится осуществимым.
Проведение эксперимента намечено на лето нынешнего года. Предположительно в июле небольшая японская ракета-носитель выведет на орбиту один основной и 4 дочерних спутника. Их задача состоит в том, чтобы растянуть в космосе сеть, на которой можно было бы смонтировать солнечные батареи. Бернард Путц так излагает ход предстоящего эксперимента:
Это происходит следующим образом: основной спутник строго одновременно отстреливает все четыре дочерних спутника, и те – тоже одновременно – натягивают сеть. Тут очень важны согласованность и синхронность, сеть не должна запутаться, перекрутиться или провиснуть, все передвижения спутников должны быть размеренными, плавными и точными. А как только сеть будет натянута, из основного спутника стартуют наши минироботы, которые ждали этого момента в специальном контейнере.
Оказавшись на натянутой сети, «роботы-насекомые» смогут сразу же начать экспериментальный монтаж солнечных батарей – либо подчиняясь командам с Земли, либо действуя автономно. Правда, времени на раскачку у них не будет, – подчёркивает Бернард Путц:
Согласно плану, эта операция продлится всего лишь 3 минуты. А по прошествии 3-х минут всё сооружение сгорит в плотных слоях атмосферы.
Дело в том, что эксперимент предполагается провести на околоземной орбите высотой всего лишь в 200 километров. Притяжение Земли там ещё очень велико, и это резко сокращает продолжительность баллистического существования объектов в космическом пространстве на таких орбитах. И сами спутники, и натянутая ими сеть вместе с минироботами на ней уже через несколько минут войдут в плотные слои атмосферы и прекратят своё существование. Но этого времени должно хватить, чтобы эксперимент успел дать ответы на вопросы, ради которых он, собственно, и проводится. Так например, учёные твёрдо исходят из того, что энергоотдача солнечных батарей в космосе значительно выше, чем на Земле, поскольку там солнечная энергия не поглощается и не рассеивается земной атмосферой. Однако точными цифрами они пока не располагают. Летний эксперимент призван внести ясность в этот вопрос.