Вернётся ли водород в небо?
В материалах рубрики использованы сообщения следующих журналов: «Economist» и «New Scientist» (Великобритания), «Geo» (Германия), «American Scientist», «Discover» и «Physics Today» (США).
Первый в истории аэростат братьев Монгольфье поднялся на горячем дыме (1783 год). Но уже менее чем через три месяца другой французский изобретатель, Жак Шарль, запустил шар, наполненный водородом.
При сгорании жидкого водорода образуется в 2,8 раза больше тепла, чем при сгорании такой же массы авиационного керосина. Но для керосина требуется лишь обычный топливный бак, тогда как водород надо брать на борт либо в сильно сжатом виде (для чего нужны тяжёлые толстостенные баллоны, выдерживающие давление как минимум в 300 атмосфер), либо в виде криогенной жидкости с температурой –253°С. Авиагорючее занимает около 78% общего веса полных баков самолёта, а жидкий водород будет составлять всего 18% веса своего резервуара. Чтобы имело смысл с ним возиться, этот показатель надо довести хотя бы до 28%. Зато получать водород можно хоть в каждом аэропорту, требуется лишь вода и электричество.
Хорошо, мы запасли в том или ином виде водород и заправили им самолёт. Годится ли водород как горючее? Да, но современные турбовинтовые авиадвигатели потребуют некоторой переделки. Другой, более сложный, вариант — получать в топливных элементах электроэнергию из водорода (см. «Наука и жизнь» № 1, 2006 г., статья «Будущее принадлежит водородной энергетике»), которая будет вращать пропеллеры.
Обычно говорят об экологической безопасности водородного горючего: ведь при сжигании этого газа возникают лишь водяные пары. Но нельзя забывать, что в воздухе много азота, и сгорание водорода на воздухе даёт также окислы азота, то есть в итоге материал для кислотного дождя. Если водородная авиация станет массовой, это может вызвать проблемы.
Несколько слов о топливных элементах. В этих устройствах водород не сгорает, а окисляется в электрохимическом процессе при сравнительно низкой температуре (в некоторых конструкциях при 10—100°С, в других и до 500°С), производя электроэнергию и воду. Однако современные газотурбины дают 3,7 кВт на 1 кг своего веса, а лучшие топливные элементы — менее 2 кВт. Но прогресс заметен: 15 лет назад их рекорд составлял всего 0,3 кВт на кг. Впрочем, специалисты говорят, что вряд ли в обозримом будущем появятся большие самолёты на водородных топливных элементах.
Но инженеры европейского концерна «Эрбас» разработали на будущее три концепции гибридно-водородных авиалайнеров с вместимостью до 200 пассажиров и дальностью полёта до 3700 км (см. фото). Водород будет сжигаться в двигателях, а часть его поступит в топливные элементы, чтобы участвовать в электропитании систем самолёта. Правда, воплотить эти концепции планируется к 2035 году.
С переходом на водород как горючее будет ещё много хлопот. Авиационный керосин сравнительно безопасен, и с ним привыкли работать, а для заправки самолётов водородом придётся разработать совершенно новые системы и протоколы безопасности.
Тем временем японцы строят первое в мире судно — перевозчик жидкого водорода. Оно должно вступить в строй весной 2021 года и будет возить водород из Австралии в Японию.
Кстати, использование водорода как топлива предсказывал ещё Жюль Верн: «Я думаю, что воду когда-нибудь будут употреблять как топливо, что водород и кислород, которые входят в её состав, будут использованы вместе или поодиночке и явятся неисчерпаемым источником света и тепла, значительно более интенсивным, чем уголь. Придёт день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках» («Таинственный остров», 1874—1875 годы). Правда, в наши дни только 4% водорода добывают электролизом из воды, а в основном его получают из природного газа.
Читайте в любое время
