Дополнительный материал к главе 11

Применение водорода

Герой одного из романов Жюля Верна, Сайрус Смит, говорил: «...наступит день, и вода заменит топливо; водород и кислород, из которых она состоит, будут применяться и раздельно: они окажутся таким неисчерпаемым и таким мощным источником тепла и света, что углю до них далеко». Что вы думаете по поводу этого высказывания?

Первый полёт на воздушном шаре, заполненном газообразным водородом, совершил в 1783 г. французский учёный Жан Шарль. После этого лёгкий (в 14,5 раза легче воздуха) газ использовали для наполнения шаров, метеорологических зондов, стратостатов. В конце XIX в. немецкий конструктор Ф. Цеппелин создал гигантские управляемые дирижабли, наполнявшиеся водородом. Во время блокады Ленинграда в период Великой Отечественной войны для противовоздушной обороны города служили аэростаты, которые поднимались в небо на 3—4 тыс. м, а грязный, «отработавший своё» в аэростатах водород в тот период использовали в качестве горючего для автомобилей.

К сожалению, водород не только лёгок, но и горюч. Его мгновенная воспламеняемость от случайных и трудноустранимых причин (например, грозовых разрядов, искр, возникающих в результате трения) резко ограничивает возможности его применения. И тем не менее перспективы использования газа в качестве экологически чистого топлива учёные всесторонне изучают.

15 апреля 1988 г. самолёт ТУ-155 совершил первый экспериментальный полёт, в котором в качестве топлива служил жидкий водород. Его применение сопряжено с многочисленными сложностями: водород имеет очень низкую температуру кипения (-253 °С), для сохранения его в жидком состоянии необходима высокоэффективная теплоизоляция и система поддержания повышенного давления (вспомните о высокой способности газа к диффузии). Объём топлива, требуемого для полёта, очень велик. Кроме того, водород дорог.

С другой стороны, водородное топливо обладает чрезвычайно ценными качествами: его теплотворная способность в три раза выше, чем у керосина; при сгорании образуется только вода, безвредная для окружающей среды, т. е. водород является экологически чистым топливом. Поэтому учёные усиленно разрабатывают технологии его использования.

Одной из наиболее замечательных областей применения жидкого водорода является использование его в качестве ракетного топлива. Например, ракета «Энергия», выведшая 15 ноября 1988 г. на орбиту корабль многоразового действия «Буран», содержала 2 тыс. т топлива, в том числе жидкий кислород и жидкий водород. (Суммарная мощность двигателей «Энергии» составляет около 2/3 мощности Единой энергетической системы бывшего Советского Союза, объединявшей около тысячи электростанций.) Для заправки ракет криогенным (т. е. имеющим очень низкую температуру) топливом на космодромах сооружают особые шаровые хранилища для жидких газов (водорода, азота, кислорода), оснащённые электронно-вакуумной изоляцией.

В нашей стране и за рубежом неоднократно создавались экспериментальные конструкции автомобилей, способных работать на перспективном водородном топливе, некоторые из них получили внедрение в практику.

Технические сложности, препятствующие замене нефтепродуктов водородом, побудили учёных искать другие подходы к его использованию. Оказалось, что даже небольшая добавка водорода к бензину (5—10% по массе) активизирует процесс сгорания топлива, расход топлива сокращается, и коэффициент полезного действия (КПД) двигателя возрастает. Хранить водород в этом случае удаётся в виде соединений (гидридов) в особой установке, размещаемой в экспериментальных автомобилях.

Задание. С помощью компьютера подготовьте презентацию из 6—7 слайдов «Применение водорода».