Борис Ляпунов - Химия завтра
Электричество в руках химика — это мощное средство тончайшего и направленного воздействия на вещество, С его помощью можно соединять молекулы и части молекул — вести электросинтез. Мощные электрические силы «сшивают» хрупкие сложные молекулы, причем в определенных местах. Никаким другим способом не удается этого проделать. Именно электричество было одним из средств, которое заставило инертные газы соединиться с фтором и окисью фтора.
Электролизом легко наносить полимерные покрытия на металлы, ткани и те же самые пластмассы. Покрытие можно вдобавок сделать не только твердым, но, если нужно, и нерастворимым, непроницаемым или клейким.
Электроразрядная установка станет мощным химическим реактором.
Химики считают, что в периодической системе нет ни одного металла, который бы нельзя было получить электрохимическим путем. Они говорят: недалек тот день, когда электрохимия найдет способ получения железа из руды.
И электрохимия же сможет создавать сложные органические молекулы — заготовки будущих волокон. Электричество станет «сваривать» молекулы, строя из простых молекул более сложные, поможет получать очень чистые вещества.
Оно и теперь выручает там, где другим путем провести синтез невозможно. Когда же электроэнергия будет дешевле, электрохимия займет одно из первых мест в химической технологии.
С другой стороны, химия проникает в электротехнику и становится союзницей электроники. Вместе они создают новые электронные приборы — хемотроны. По существу, это крошечный химический элемент. В нем происходят обычные для электрохимии процессы, и проявляют они себя таким образом, что легко поддаются управлению.
Нужен миниатюрный электросчетчик. Для этого в ячейке между электродами ставят перегородку. Когда идет ток, на ней с одной стороны накапливается растворенное в электролите вещество. Зная, сколько его отложилось, можно определить, сколько прошло электричества. А отсюда — еще один тип запоминающего устройства для электронно-вычислительных машин.
Нужно измерить давление. В ячейке опять помещают перегородку, на этот раз с небольшим отверстием. Электролит может перетекать из одной части ячейки в другую. Чем больше давление, тем больше перетечет жидкости, тем сильнее изменится ток в цепи.
Приборы эти могут быть разных размеров. Есть счетчик, который помещается в наперстке! Самый маленький хемотрон меньше спичечной головки. Вот как миниатюрны хемотронные приборы, хотя здесь они и уступают полупроводникам.
Для их работы не нужны громоздкие источники тока. Потому-то ими интересуется в первую очередь космонавтика: на ракете каждый грамм на вес золота! Поэтому ими интересуется медицина — ей ведь тоже необходимы приборы-крошки.
Трудно предвидеть, где еще будут работать хемотронные ячейки.
Хемотронные приборы-крошки не будут бояться жары, а потому появятся на разведчиках земных недр, которые попадут в царство высоких температур; они окажутся на ракетах и межпланетных станциях, которые полетят вблизи Солнца или опустятся на «жаркие» планеты — Меркурий и Венеру.
Химия с помощью хемотроники сможет управлять своим собственным производством. И сделает она это органично, «забираясь» в самое существо происходящих превращений. Ведь работает в хемотроне ион — частица вещества, получившая заряд и нередко участвующая в реакции.
Ионы послужат сигнализаторами происходящего в химическом реакторе. Вещества как бы сами с помощью хемотрона доложат о том, что с ними делается: какова их концентрация, плотность, давление, какова скорость потоков. И все это будет «сказано» ионами, выражено электротоком, который появится в приборе и который легко уже передать в электронный автомат. Он мгновенно определит, нет ли отклонений, идет ли реакция так, как надо, и выдаст управляющую команду.
И, что очень важно, хемотрону безразлично, какие вещества находятся в реакторе — пусть даже самые ядовитые, агрессивные. Хемотрон дополнит арсенал электроники, он сделает то, что недоступно полупроводникам.
Электролит хемотрона может реагировать на свет. Не путь ли это к хемотрону-фотоэлементу?
Хемотроника — еще шаг к тому, чтобы позаимствовать полезный опыт природы, Живая клетка — это всегда химическое производство, и работающая в ней «автоматика» напоминает хемотронную систему.
ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Прямое превращение химической энергии в электричество совершается в обычных электрохимических источниках тока. Они применяются в тех случаях, когда все другие генераторы непригодны, а даже не раз летали в космос вместе с солнечными батареями.
Сейчас пришло время вернуться к старой идее, но воплотив ее по-иному. Подобных примеров можно было бы найти в технике немало. То же случилось и в электрохимии.
Гальванический элемент в прежнем его виде не может конкурировать с другими генераторами тока.
Для него нужны дорогие дефицитные цветные металлы, электролит и электроды приходится часто менять. Потому обычные батареи недолговечны и неэкономичны. На подводной лодке или на спутнике с этим приходится мириться. Но электрохимия занимает скромное место даже в «малой» энергетике, а о большой уже нечего и говорить.
Появился новый генератор тока — топливный элемент. В нем тоже есть ванна с электролитом и электроды. Только все вещества — участники реакции — непрерывно подводятся, а отходы удаляются. Объем элемента уже роли не играет, и запас исходных веществ практически неограничен, а потому неограничен и срок службы.
По-другому устроены и электроды. Теперь они не участвуют в реакции и не разрушаются, они только служат для подвода горючего и окислителя. Их делают пористыми, покрывают катализаторами и продувают через них газ либо прогоняют под давлением жидкость.
Теперь назовем действующих лиц. Газ — это водород, пли окись углерода, или природный углеводород. Можно воспользоваться продуктами перегонки угля, газами, которые сопутствуют нефти или получают из нее. Годится и жидкое углеводородное топливо.
Главным действующим лицом все же будет водород. Это его молекулы распадаются на атомы, ионизируются, идут к другому электроду, снова претерпевают ряд превращений, пока на другом электроде не появится вода. Между электродами возникает ток.
Если использовать углеродистое топливо, то тоже будут идти сложные электрохимические процессы с участием электролита, которого, правда, расходуются очень немного. Словом, здесь и открывается дорога для того, чтобы химическую энергию, скрытую в виде топлива в недрах Земли, пустить в дело, и притом куда выгоднее, чем до сих пор.
Отработавшие в элементе вещества можно восстанавливать, чтобы снова пускать в работу. Это, вероятно, удастся сделать химическим же путем, либо воспользоваться излучениями ядерного реактора, либо, наконец, энергией Солнца.
Если топливом будет служить, например, окись азота и хлор, то в топливном элементе образуется хлористый нитрозил. Под действием солнечного света он вновь распадается, обеспечивая элемент топливом.
Инженеры предполагают, что со временем, когда научатся получать дешевое электрохимическое горючее и повысят мощность топливных батарей, топливными элементами заменят бензиновый двигатель. Мечта об электромобиле станет, наконец, явью. Тогда легковые автомобили, автобусы, грузовики не будут загрязнять воздух. Автотранспорт станет бесшумным.
Топливные элементы преобразят сам автомобиль. «Химической» автомашине не понадобятся обычные системы питания топливом, смазки, зажигания. Не нужна будет н обычная коробка передач.
Более полно использовать топливо, перестать выбрасывать тепло с выхлопными газами — вот что обещает в будущем электрохимия. А затем постепенно, начав с малого — с установок на сотни и тысячи киловатт, — новые источники тока начнут завоевывать прочные позиции и в большой энергетике. И электроток, который они будут давать, обойдется намного дешевле.
Топливные элементы для большой энергетики потребуют от химии новых поисков. Надо добиться, чтобы химические реакции в них протекали как можно быстрее. Только тогда они дадут достаточную мощность. Надо избежать коррозии электродов да и самих сосудов, в которых хранится электролит, — для них придется разработать новые материалы, например керамические.
Возникла еще одна мысль: скомбинировать топливный элемент с ядерным реактором, Может быть, частицы, которые образуются при атомном распаде, смогут стать поставщиками горючего для топливного элемента, разлагая воду на водород и кислород? Ведь эти частицы способны разрушать молекулы, перегруппировывать атомы. Проблема питания новой энергоустановки была бы решена. Конечно, такая комбинация потребуется не всюду, а лишь там, где трудно добыть другое топливо.
