Чудесное топливо будущего

Реферат по химии

Ученика 9 «А» класса

средней школы № 117

г. Н. Новгород.

Учитель Пономарева М.Ю.

1998 г.

ПЛАН

1. Проблемы получения энергии.

2. Фотон вместо бензина.

3. Использование водородно-кислотного элемента.

4. Ядерные процессы.

5. Водородные двигатели.

6. Использование традиционного топлива в новом качестве.

Сейчас на человечество надвигается энергетический кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ.

Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы.

Электроны и протоны будут превращаться в носители света – фотоны. При этом не образуется никаких осколков деления; вместо радиоактивных отходов мы получим энергию в чистом виде. На земле наступит экологический рай…

Самый наглядный пример превращения элементарных частиц в фотоны с выделением энергии – это шаровая молния. Она может существовать несколько минут, потому что имеет источник энергии. Не будь его – шаровая молния сразу бы распалась. Но она представляет собой некий плазменный комплекс, в котором электрические и магнитные поля формируют взаимопереходящие друг в друга бегущие и стоячие волны. В результате часть свободных электронов внутри объема шаровой молнии разлагается в энергию фотонов под действием электрических полей.

Фотонная энергетика открывает перед человечеством грандиозные перспективы. А, следовательно, уголь, нефть и газ перестанут использовать как топливо. На всех машинах установят источники фотонной энергии, горючим для которых станет атмосфера или кусок любого вещества.

Вот такую идею предложил известный исследователь физических полей и строения микромира, заместитель главного инженера Таганрогского авиационного завода Владимир Машков.

Но пока эти проекты не доступны и будут использоваться только в будущем, ну а сейчас уже ни у кого не остается сомнений, что человечество стоит на пороге эры нового топлива.

А пока разрабатываются новые проекты источников энергии. Например, водородно-кислотная система, извлекающая энергию из воды путем электролиза.

Проведем несложный опыт. В закрытый сосуд с разбав­ленным раствором серной кислоты погружены два платино­вых электрода. Один из них обтекается водородом, дру­гой - кислородом. Газы поступают из помещенных под электродами трубок, которые отделены друг от друга полунепроницаемой диафрагмой. Она препятствует прямому взаимодействию топлива, то есть водорода с кислородом. На аноде (положительном полюсе) молекулы водорода (Н₂) благо­даря каталитическому действию поверхности платины дис­социируют на два атома (2Н), которые переходят в раствор в виде ионов Н⁺, оставляя свои электроны на платиновом аноде. Водородные ионы легко проходят через полунепроницаемую диафрагму в другую половину сосуда, на катоде (отрицательный полюс) кислород соединяется с ато­мами водорода или с водородными ионами и электронами, об­разуя воду. Если соединить оба полюса топливного эле­мента, то свободные электроны двинутся по нему от катода к аноду - в цепи потечет электрический ток.

_________________________________________________________

ПОТРЕБИТЕЛЬ

АНОД + - КАТОД

ЭЛЕКТРОЛИТ

Н

ДИАФРАГМА

Н₂ О₂

Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возможность реакций между атомами дейтерия (изотоп водорода).

В результате получается атомы трития и протия - изо­топы водорода. К такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким его представляла старая химия - в результате реак­ции получается недостача:

2x2.014102-1.007825-3.016049=0.00433Г

Это немалая недостача, она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реак­ция между двумя молями тяжелого водорода, то согласно уравнению Эйнштейна E= mc² можно было бы получить энер­гию:

0.00433x(3x10¹⁰)²Дж=3.9x10¹¹Дж

Это немалая энергия. В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много, ни мало 13,5 т первосортного угля.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реак­ции такую энергию можно получить при затрате всего лишь 120, 6 кг. Что же мешает получать энергию из воды?

Чтобы атомы могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнутся, то есть сблизится до расстояния, начи­ная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электрическое отталкивание - примерно 10^-14м.

Но ядра атомов защищены своими электронными оболочками. Это оболочки простираются на расстояния в десятки тысяч раз больше. А самое главное - ядра заряжены и отталки­ваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия (в джоулях) двух ядер, на расстояние 10^-14м, должна быть равна:

10^-14

если между собой сталкиваются элементы с атомными но­мерами Z₁ и Z₂ .

Можно найти и скорость, с которой должны столк­нуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция:

Z₁xZ₂

V = 5.3x10⁸x

A

У дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2, следовательно, скорость атомов должна быть: V = 3,8 x 10⁶ м/с или 3800 км/с, что в 475 раз больше 1-ой кос­мической скорости. При обычной температуре физикам из­вестна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 м /с. При комнатной температуре, равной примерно 239 К, кинетическая энер­гия молекул возрастает пропорционально термодинамиче­ской температуре, или, что то же самое, пропорцио­нально квадрату скоро­сти. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до темпе­ратуры:

3800²

Т = 293 х К = 1,2 х 10⁹ К

1,9²

Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия «нагретые» до температуры свыше миллиарда Кельвинов. Вот в этом то и заключается до­вольно серьезное затруднение для истинных героев науки - физиков.

Весьма заманчива своей дешевизной оказалась идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в каче­стве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта горения воду.

Американские исследователи Университета штата Окла­хома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажига­ния. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота со­держится лишь в незначительных количествах.

Однако широкому применению водорода в качестве авто­мобильного топлива препятствует немало проблем, и са­мая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло кон­структоров на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно под­держивать в баллоне температуру -253⁰С. Применять со­суды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конст­рукторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испаре­ние не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном авто­мобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое реше­ние: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) ­снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.

Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя по­высился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топ­ливными системами.

По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.

Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и ис­следованию космического пространства проводила испыта­ния двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топ­ливе.

Есть еще одно важное соединение водорода - это пере­кись водорода, которая применяется для двигателей под­водных лодок, ракетных двигателей, в том числе и та­ких, которые могут поместиться в ранце за спиной чело­века.

На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-произ­водственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомо­билях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на не­сколько процентов количество этих ядов. Даже если пе­ревести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3-10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка - на бензине. Это кажется просто невероятным.

Тем не менее «Фордигаз» убедился в этом на опыте. Топливная система была установлена не на автомобиле, а на двигателе для мобильной электростанции мощностью 4 киловатта. 14 человек проходили испытания в комнате площадью 20 квадратных метров. Окна в ней были за­крыты, а выхлопная труба выходила прямо в помещение. И вот мы залили в бак бензин, включили двигатель.

Двигатель работал на полную мощность целый час, но присутствующие не испытывали особых неудобств. Только стало жарко, но воздух был совершенно чистым. А газо­анализатор «Инфолит», сделанный в Германии, показал нулевое содержание вредных веществ в выхлопных газах. Когда сняли топливную систему и двигатель стал рабо­тать в обычном режиме, дым быстро наполнил комнату. Через 4 минуты присутствующие чуть не задохнулись.

А чудо объяснялось просто. Топливная система обеспе­чивала идеальное перемешивание воздуха с бензином, в результате он сгорал полностью - из выхлопной трубы вылетали только пары воды и углекислый газ.

Сначала жидкое топливо превращается потоком воздуха в аэрозоль. Он увлажняет специальную ткань, а с нее воздух срывает уже не капельки, а отдельные молекулы бензина. В результате жидкое топливо превращается в газообразное, и в таком состоянии поступает в специ­альный смеситель. Там к горючему добавляют строго оп­ределенную порцию воздуха и хорошо их перемешивают. Особые устройства поддерживают оптимальное соотношение молекул кислорода и углеводов на протяжении всей ра­боты двигателя - в результате топливо сгорает без ос­татка.

Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания пер­вого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей про­цента.

Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект.

Расход горючего снизился 20%. Но главное - количе­ство токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.

Давно известно, что задымление атмосферы вызывает парниковый эффект, из-за которого теплеет климат, тают ледники, затопляется суша, задыхаются люди. Наибольший вклад в эти разрушения вносит углекислый газ. Поэтому стала полной неожиданностью идея, родившаяся в инсти­туте горючих ископаемых: использовать углекислый газ для борьбы с парниковым эффектом. Извлекая газ из дыма, и пропуская через воду с катализатором, можно получать нечто подобное нефти. При этом выделится много кисло­рода.

На ощупь, по цвету и запаху эта жидкость напоминала настоящую нефть. Ее создатель академик АН Белоруссии заслуженный профессор Ярослав Паушкин подтвердил сход­ство результатами ее исследований - спектрометриче­ским, рентгенографическими, хроматографифеским и другими методами.

Облучая ультрафиолетом, раствор углекислого газа в воде, ученые получали ничтожное количество простых ор­ганических веществ. А Паушкин в Институте синтезировал сложные углеводороды и в больших количествах. То есть смоделировал некий эквивалент биосинтеза, который идет в искусственных условиях.

Идею этого эксперимента подсказали ему растения. Ка­ждый знает, что под действием солнечных лучей в расте­ниях из воды и углекислого газа образуются органиче­ские вещества. Но как? Для того чтобы соединить угле­род с водородом, нужно отщепить эти элементы от моле­кул исходных веществ. Люди делают это путем разложения воды электролизом. Но растения делают это намного тоньше.

Ученый взял обыкновенную воду, размешал в ней питье­вую соду и металлический порошок, нагрел до 40⁰С. Тут вода бурно закипела и стала темнеть, превращаясь в ве­щества, подобные нефти.

Однако, это не такой способ получения органических веществ, как в растениях. В лаборатории смоделировали лишь похожую установку. Но почти такие же процессы мо­гут идти под землей, когда получается нефть.

Для опытов использовали углекислоту - «сухой лед» или питьевую соду - соединение углекислого газа. Но, по мнению Паушкина, можно разработать установку, кото­рая будет извлекать углекислый газ из дыма промышлен­ных предприятий, и тут же насыщать им воду с катализа­торами. При этом надо удалять «побочный продукт» неф­тяного производства - кислород, иначе пойдет обратная реакция.

Вот такие проекты сейчас разрабатываются, и надеюсь, за ними последует еще не один проект, еще более совершенный, чем нынешние.