Сергей Тараненко - Наполовину мертвый кот, или Чем нам грозят нанотехнологии
Но давайте вспомним, что практически любая нанотехнология — не экзотика. Она, как мы ожидаем, проникает во все аспекты нашей деятельности. И технология сверхмощных соленоидов из сверхпроводящих наноструктурных проводников здесь вовсе не исключение. Их применение планируется в обычной нам энергетике — той энергетике, которая обеспечивает электроэнергией промышленные предприятия, которая приводит поезда на железной дороге в движение, которая дает нам свет и делает возможным работу бытовых приборов. Для таких соленоидов или катушек даже специальное название уже есть — СПИН, что означает аббревиатуру от слов «сверхпроводящий индукционный накопитель». Так вот эти СПИНы — потенциальные устройства обычной силовой энергетики. Ожидается, что они будут неотъемлемой частью наших сетей электропередачи, такой же, как повышающие и понижающие трансформаторы, и будут защищать наши сети от возможных скачков напряжения, приводящих, в том числе, к таким техногенным катастрофам, как веерные отключения. Да и сами трансформаторы тоже будут сделаны из подобного материала.
Появление таких устройств — основание для дальнейшего усложнения энергетических систем. Это означает, что риск, которого мы стараемся избежать, качественно изменяется. Да, системы становятся более надежными, но последствия действительно крайне редких нарушений работы — все более тяжелыми.
Имеющие место веерные отключения электроэнергии в мегаполисах и промышленных агломерациях (вот некоторые из них: Санкт-Петербург и область — 2010 г.; Бразилия — 2009 г.; Германия, Франция, Италия и Бельгия — 2006 г., Москва, Тульская, Московская, Калужская и Рязанская области — 2005 г.) — убедительное свидетельство того, что аварийное отключение на одном участке вызывает отключение целых энергосистем.
Способность концентрировать большую энергию в малых объемах — возможность и связанный с нею риск, порождаемые нанотехнологиями. И приведенный выше пример сверхпроводящего соленоида — далеко не единственный.
Человечество связывает свои надежды на экологически чистую энергетику с успехами — действительными и желаемыми — водородной энергетики. В самом деле, с экологической точки зрения, водород — идеальное топливо. Ведь продуктом его сгорания является вода, точнее, водяной пар.
Но водород опасен. Точнее, взрывоопасен. Об этом мы уже говорили во введении. Чтобы избежать последствий данного риска, предложено использовать наноструктуры, способные впитывать водород, как губка.
В этих структурах водород хранят, в них же — каталитическим образом — сжигают, т. е. вместо открытого огня мы получили батарейку. Такие структуры способны впитать водород до плотностей лишь вдвое меньших плотности твердого тела. Это означает, что в среднем на два атома материала придется одна молекула водорода. Значит, это уже не газ. Это новая кристаллическая решетка из атомов наноструктурного материала и водорода.
Накопленная энергия (значительная потенциальная энергия горения) в таком материале превращает его в потенциальную — и надо сказать, мощную, — взрывчатку. Но это далеко не все. Водород — странное вещество. Он способен протекать сквозь стенки многих металлов. Объясняется это так. Водород хорошо растворим в ряде металлов, прежде всего таких, как никель, платина или палладий. Да и сталь не составляет исключения. (Материалы, удерживающие водород, все же есть. Таковым, например, является серебро.) Собственно наша наногубка, впитывающая водород, — это то же самое. Раньше для этих целей использовали палладий. Только в нашей наногубке можно растворить водорода намного больше. Так вот, с растворимостью водорода в металлах и связана его способность проходить через них. Ведь это одно и то же! Обычная кухонная губка пропускает воду потому, что может ее впитывать и отдавать. Такой процесс проникновения молекул одного вещества между молекулами другого называется диффузией.
Следует иметь в виду, что диффузия через углеродистый сплав (например, сталь) иногда сопровождается разрушением сплава вследствие взаимодействия водорода с углеродом. Иными словами, водород — агрессивная среда. Из школьного учебника химии мы помним, что кислота — это то, что легко образует свободный ион водорода[23] — именно он и оказывает то разрушительное действие, которое мы связываем с кислотой. А тут — как минимум атомарный водород в кристаллической решетке. Как эта среда, будучи концентрированной до плотностей, сравнимых с плотностью твердого тела, ведет себя, мы еще до конца не знаем.
Не знаем и того, как такой материал, такая среда поведут себя при контакте с другими средами и веществами, с другими агентами — даже такими, контакт которых с водородом нами не предполагался. А если предположить массовый характер использования водородной энергетики — в автомобилях и других машинах, на судах, на самолетах и ракетах, в домашних роботах-андроидах и приборах, в компьютерах и средствах электронной коммуникации, — такие контакты неизбежны. С мыльной пеной детских «пузырей», со спиртом, содержащимся в алкогольных напитках, — словом, со всем тем, что окружает нас в быту. С разнообразными фармакологическими соединениями в медицинском учреждении, с веществами на производстве и в химической лаборатории, в мобильных лабораториях криминалиста и специалиста по контролю за окружающей средой — со всем тем, что мы используем в своей производственной деятельности. Кроме того, с кислотными дождями, не ко времени выпавшими, с песком, принесенным самумом, и снегом сибирской вьюги, с нещадно палящим солнцем посреди азиатской степи — со всем тем, что от нас не зависит и нас не спрашивает.
Водородная энергетика дает прекрасный пример и того, что в новом деле, в новых технологиях мы можем пропустить важное, не только неизвестное нам, но и хорошо известное, а это риск не менее важный, чем риск нового.
Все мы знаем перекись водорода, вернее, слабенький водный раствор перекиси водорода. Так вот, хорошо известно, что концентрированные водные растворы перекиси водорода взрывоопасны. А кто сказал, что при горении водорода — ведь водородная энергетика предполагает сжигание водорода — никогда не может сложиться условий, при которых образуется не окисел водорода (вода), а его перекись? И наши выхлопы, которые мы считали экологически чистыми, вдруг окажутся вовсе не такими безобидными. И даже если образовавшиеся капельки сконденсированного пара содержат недостаточно перекиси водорода, чтобы быть взрывоопасными, нельзя забывать и про то, что концентрированные растворы перекиси при попадании на кожу, слизистые оболочки и в дыхательные пути вызывают ожоги.
Как известно, бензиновый двигатель может быть в разной степени экологически опасным (или безопасным). То же может быть справедливо и для водородного двигателя. Пожухлая листва городских деревьев не исключена и на фоне лозунгов об экологичности.
Нанотехнологии делают водородную энергетику возможной. Но вот возможные негативные последствия такой энергетики могут быть с нанотехнологиями прямо не связаны.
Из чего производят водород, требующийся в промышленных количествах? Ответ прост — из воды. Транспортировать водород по причинам, только что нами названным, трудно. Транспортировать водородные «аккумуляторы» не эффективно. Значит, придется транспортировать воду, что делает актуальным строительство трубопроводов, или пользоваться местными источниками.
То, что вода — ценнейший ресурс, мы уже понимаем, но, видимо, не до конца. Говоря о водородной энергетике и роли в ней воды, ни в коем случае нельзя забывать о так много и настойчиво обсуждаемом сегодня сланцевом газе.
Добывать сланцевый газ можно только там, где есть вода, — рядом с реками и озерами. Ее закачивают в скважину, чтобы использовать технологию гидровзрыва. Создание одной скважины требует до 4000 тонн воды.
США объявили, что к 2015–2020 гг. выйдут на уровень добычи 60 миллиардов кубометров (в так называемых условных газовых единицах) такого газа, что составит 10 % от объемов традиционной добычи газа в России. По экспертной оценке, это обеспечит годовую потребность в объеме 2,4 миллиарда тонн воды, что составляет четверть годового расхода воды реки Потомак или 55 % от индивидуального годового потребления воды всем населением США (из расчета 40 литров воды в день на одного человека в среднем).
Экологические последствия расхода такого объема воды сложно достоверно оценить. Аналогии, связанные с ирригацией (Сырдарья и Амударья и бассейн Арала, обмелевшая река Хуанхэ в Китае), заставляют крайне серьезно отнестись к данной проблеме.
Какие основания у нас есть, чтобы считать, что проблема воды для водородной энергетики будет решена иначе, чем это сегодня уже происходит при добыче сланцевого газа? Правильно — никаких!
