ДЕМОКРАТИЧНА УКРАЇНА НАУКА
ДРУГЕ ДИХАННЯ ВИНАХОДУ МІСТЕРА ГРОУВА

Саме автомобільний транспорт у великих містах за екологічними збитками утримує лідерство у всіх видах негативних впливів на навколишнє середовище: забруднення атмосферного повітря — до 80 відсотків, вплив на клімат — 68 відсотків. Так, за оцінками експертів, із негативними чинниками навколишнього середовища центральних районів Києва пов’язано 30–35 відсотків випадків захворювань. Екологічні умови скорочують тривалість життя жителів великих міст на вісім— десять років. Крім сполук важких металів, до числа шкідливих чинників належать також і оксиди азоту та вуглецю, що викидаються у величезній кількості в атмосферу. До того ж, діоксид вуглецю сприяє розвиткові згубного «парникового» ефекту на планеті. На початку поточного року автомобільний парк України перевищив вісім мільйонів автомобілів, а 70 відсотків цієї техніки становлять зношені автомобілі з терміном експлуатації понад вісім років. За оцінками фахівців, на тонну витраченого палива викиди токсичних компонентів у відпрацьованих газах автомобілів перевищують 40 кг оксидів вуглецю, 30 кг рідких вуглеводнів, 30 кг оксидів азоту, до 20 кг твердих часток сажі й канцерогенних поліциклічних сполук. Тож виключити потрапляння до атмосфери шкідливих речовин під час використання автомобілів і покликаний винахід Вільяма Гроува.
У чому сутність цього унікального винаходу? Певно, кожному школяреві відомо, що при пропусканні струму через звичайну воду, остання розкладається на її складові компоненти: водень і кисень. Допитливий розум молодого аматора з’ясував, що під час відключення електролізного апарата процес начебто йде у зворотному напрямку. Це спостереження породило основу майбутнього винаходу — паливної комірки.
Сучасні послідовники містера Гроува так побудували новий двигун. До спеціальної камери, що містить два електроди (анод і катод), зі спеціального резервуара подають відновник — водень, що виступає як паливо. За окиснювач використовується атмосферний кисень. Електролітом є полімерна речовина з іонною провідністю, так звані іонні полімерні мембрани. Реакція «зворотного» електролізу обов’язково відбувається у присутності каталізатора — платини або паладію, іноді й золота. Взаємодія іонів на електродах при замиканні ланцюга через електродвигун забезпечує його роботу за рахунок проходження в ланцюзі електричного струму. В цьому полягає головний екологічний виграш: у атмосферу викидається лише водяна пара замість величезної кількості вуглекислого газу та інших токсичних речовин.

І ми не ликом шиті
На перший погляд, унікальна простота ідеї не викликає сумніву в її практичній реалізації. Однак за економічною ефективністю паливні комірки за масового застосування сильно програють «класичним» — бензиновим або дизельним двигунам. Винятком є галузі, на які уряди розвинутих держав не шкодують коштів — космонавтика, підводний флот тощо. Бум навколо паливних комірок виник за часів активного освоєння космосу. В 1960-ті роки були створені системи паливних комірок потужністю до 1 кВт для американських програм «Джеміні» та «Аполлон», у 1980-ті — 10-кіловатні для кораблів «Шаттла» і радянського «Бурана». Крім того, нині розробляються портативні джерела електроенергії на основі паливних комірок (потужність — менш як 100 Вт) для персональних комп’ютерів, стільникових телефонів, фотоапаратів тощо. Як паливо-відновник у них найчастіше використовується метиловий спирт, із якого одержують водень.
В Україні паливні комірки пов’язують з іменем професора О. Давтяна (1911–1990) — автора першої монографії про паливно-комірчане перетворення хімічної енергії в електричну (1946 р.). Цей науковий напрям Оганес Карапетович започаткував у Одеському університеті ще в 1953 році. Там було засновано проблемну наукову лабораторію, де створено серію генераторів для потреб флоту й космічної галузі. Разом із Черкаським ВО «Ротор» було розпочато дослідження щодо створення гібридного автомобіля. В 1980-х роках перспективні роботи зупинили.
У нашому відділі гомогенного каталізу Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України розроблено стабільно діючий лабораторний зразок паливної комірки з використанням сірководню як палива, окисника — кисню повітря, електроліту — морської води та кластерів металів — каталізатора. Виходячи з одержаних експериментальних даних, сподіваємось, що паливні комірки цього типу дадуть змогу використовувати сірководень, який міститься у відходах хімічної й нафтохімічної промисловості. За останні роки розроблено також діючі зразки низькотемпературних паливних комірок із використанням як палива іншої воденьвмісної сировини, скажімо глюкози, продуктів бактеріального бродіння крохмалю, меляси або водних розчинів біомаси. Деякі з цих розробок захищено міжнародними та вітчизняними патентами. Маємо також модель низькотемпературної паливної комірки на основі водних розчинів глюкози, мурашиної кислоти і певних бактерій, що відкриває нові можливості в створенні біопаливних комірок для потреб водневої енергетики.

«Водень — паливо майбутнього»
Це не лише звучить на словах. На розробку транспортних засобів на водневих елементах уряд США виділив 1,7 млрд і 1,2 млрд доларів — на виробництво водню з вугілля. До цього слід додати близько мільярда щороку, що надходять від комерційних фірм. До 2020-го звичайний житель США матиме змогу придбати автомобіль на водневому паливі за тією самою ціною, що і на бензині. Країни Євросоюзу запланували витратити на дослідження та розробки в галузі водневої енергетики 5 млрд дол., Японія — 4 млрд. доларів. Дослідженнями з водневої енергетики займаються також у Австралії, Індії, Канаді, Китаї, Росії. В Україні чимало академічних і галузевих інститутів у 1960–1980-х роках успішно працювали в цій галузі. Тепер Президією НАН України започатковано цільову комплексну програму досліджень «Фундаментальні проблеми водневої енергетики». В центрі уваги фахівців різних наукових напрямів — пріоритетні процеси й технології отримання водню, нові матеріали для його збереження, накопичення, транспортування та енергетичного використання. Проте ключовою умовою для переходу до водневої енергетики є пошук і створення надійних, економічно доцільних паливних комірок. З їхнім використанням можуть працювати мобільні телефони, комп’ютери, автомобілі, електростанції, що постачають електрикою міста й селища.
Нині вартість закордонного експериментального легкового автомобіля з паливними комірками становить 100–200 тис. дол. США. Якщо в найближчому майбутньому вдасться наблизити вартість таких автомобілів до бензинових, то це стане реальною альтернативою традиційним паливам у країнах, що імпортують нафту.

Геніальний конструктор — природа
Тож укотре людина повторює створений природою пристрій для одержання енергії?! Пригадаймо: вчені з’ясували, що біологічну воднево-кисневу паливну комірку «вмонтовано» чи не в кожну живу клітину. Джерелом водню в організмі слугує їжа — жири, білки та вуглеводи. У шлунку, кишківнику, клітинах вона насамкінець розкладається до мономерів, які, у свою чергу, після багатьох хімічних перетворень дають водень, приєднаний до молекули-носія, приміром, входить до складу молекули глюкози. Кисень з повітря потрапляє в кров через легені, з’єднується з гемоглобіном і розноситься по всіх тканинах. Процес сполучення водню з киснем становить основу біоенергетики організму. Тут у м’яких умовах (помірна температура, нормальний тиск, водне середовище) хімічна енергія з високим коефіцієнтом корисної дії перетворюється в теплову, механічну (рух м’язів), електричну (електричний скат), світлову (комахи, які випромінюють світло). Всі процеси в природі вельми раціональні, тому кроки з реального використання паливних комірок вселяють надію на енергетичне майбутнє.

Григорій КОВТУН, член-кореспондент НАН України

також у паперовій версії читайте:

• КІНЕЦЬ ПІДРОБЛЕННЮ ЛІКІВ?
• ЕКСПРЕС-ДІАГНОСТУВАННЯ «ПТАШИНОГО ГРИПУ»
• ЯЙЦЕКЛІТИНИ З ПРОБІРКИ
• КОСМОНАВТ — СИН АСТРОНАВТА
• ГРАВІТАЦІЯ ПОСИЛЮЄ АГРЕСИВНІСТЬ БАКТЕРІЙ

назад »»»