Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Некоторые химики вместо этого ищут способы непосредственного использования для синтеза топлива углекислого газа из атмосферы с помощью систем «захвата CO2». Недавно группа немецких исследователей[29] предложила оснастить обычные домашние кондиционеры устройством, которое захватывает углекислый газ и заставляет его вступить в реакцию с водородом, добытым из влажного воздуха, с помощью специального катализатора. Эта система могла бы позволить обычному дому на пять-шесть квартир добывать около 500 г углекислого газа в час. Несмотря на оригинальность идеи, даже в этом случае мы получаем лишь временную меру, не решающей проблему в целом. Предложенный цикл в качестве исходных веществ использует воду и углекислый газ, чтобы получить топливо, сжигая которое мы опять получим воду и углекислый газ. А как вы уже поняли, любой подобный цикл всегда приводит к потерям, поэтому и в этом случае нам все равно не будет хватать энергии. Даже если бы вся потребляемая энергия добывалась бы из возобновляемых источников, то это бы поправило положение, но не решило бы проблему загрязнения городов; а потери энергии были бы по-прежнему велики. Энергию надо бы использовать более экономно, например путем езды на электромобиле, как мы увидим дальше.
Другая стратегия предлагает получать топливо, используя в качестве источника углерода биомассу. Что такое биомасса? Со строго научной точки зрения это нечто иное, как совокупность всех животных и растительных организмов, присутствующих в данной среде. На практике обычно имеются в виду растительные остатки – дерево, солома и тому подобное, которые можно использовать для получения энергии разными способами (процессы, аналогичные процессу Фишера – Тропша существуют и для этих материалов), но в основном их используют, сжигая для получения тепла – в домашней печи или в котле электростанции – или сбраживая с целью образования биотоплива, например биоэтанола.
Ферментация – это метаболический процесс, с помощью которого многие микроорганизмы получают энергию из органического материала без использования кислорода. Наше тело использует сахара, белки и жиры для того, чтобы добыть энергию и синтезировать с ее помощью нужные вещества, точно так же действуют и дрожжи с бактериями; многие микроорганизмы синтезируют этанол, молочную кислоту и другие органические соединения, в зависимости от природы микроорганизма или условий, в которых он находится. Алкогольная ферментация является наиболее известным типом ферментации, это процесс, в котором сахара превращаются в этанол благодаря действиям дрожжей. Дрожжи – это особый класс микроскопических грибов, так называемых сахаромицетов, самым известным представителем которых является Saccharomyces cerevisae – пивные дрожжи. Они были известны еще египтянам и шумерам, с их помощью они производили вино и пиво. Биоэтанол на самом деле – обычный этиловый спирт, образующийся в результате ферментации сельхозпродукции, такой как сахарный тростник, свекла, кукуруза, злаки и даже солома.
Этот подход на первый взгляд может показаться обещающим, поскольку основан на цикле, кажущемся с теоретической точки зрения вполне устойчивым и возобновляемым, однако использование биотоплива достаточно дорого и с социальной, и с природозащитной точек зрения. Как мы помним из предыдущей главы, земледелие представляет собой один из видов человеческой деятельности, заметно влияющий на планету и находящийся сегодня уже на пределе возможностей. Идея использования тысяч тонн пищевых продуктов для получения топлива вместо пропитания людей, выделение с этой целью почв для выращивания монокультур, ведущее к их утрате для сельского хозяйства, никак не годится на роль долгосрочной и надежной перспективы. Даже использование ГМО и самых современных сельхозтехник не делают идею использования биодизеля для всех моторных транспортных средств менее призрачной и не устраняют возможные негативные социальные и экологические последствия.
Пора придумать что-то по-настоящему новое, полностью отличное от традиционной идеи двигателя внутреннего сгорания.
Электрический мир
Чтобы лучше понять научные принципы, которые лежат в основе автомобиля на водороде или электричестве, надо больше узнать, что такое электричество, что такое аккумулятор и как все это описывает химия.
Электрический ток представляет собой нечто иное, как поток движущихся электронов, и мы можем запросто сравнить его с течением реки. Скорость этого речного потока характеризуется силой электрического тока, физической величиной, измеряемой в амперах (А) и представляющей собой количество электронов, пробегающих за секунду через проводник. Когда говорят, что сила тока очень высокая, это означает, что за секунду сквозь проводник проносятся многочисленные электроны, как полноводная река.
Разность потенциалов (называемая также напряжением или вольтажем) измеряется в вольтах (В); ее можно сравнить с уклоном или перепадом высот на реке. Если разность потенциалов невелика, электроны будут слабее побуждаться к движению, когда напряжение возрастает, они начинают двигаться побыстрее. Легко понять, что напряжение и сила тока должны быть зависимы друг от друга: чем выше напряжение, тем быстрее мчатся электроны по проводнику. Мы все знаем, что подключение батарейки к лампочке дает совсем другой результат, чем ее присоединение к деревянной ложке. Одни вещества проводят электричество, а другие служат изоляторами и изо всех сил препятствуют движению электронов. Это похоже на плотину на реке. Когда она открыта, вода вытекает быстро и в больших количествах, даже при слабом уклоне. Но если плотина практически закрыта и позволяет вытечь только маленькому ручейку, даже если перепад высот весьма значителен, лишь небольшое количество воды попадает в русло. Если мы присоединим батарею напряжением 3 В (разность потенциалов) к медному проводу, электроны потекут свободно между полюсами батареи и сила тока будет довольно высокой (несколько ампер). Но если мы прикрепим к контактам изолятор, шерстяную нить, лишь некоторые электроны смогут способны двигаться. Величина, определяющая способность проводить электричество, называется сопротивлением (очень подходящий термин), измеряется в омах (Ом). Конечно, в реальности поведение потока зависит от множества самых разных причин, поэтому этот пример можно рассматривать, как упрощение для понимания.
Вернемся к нашей батарейке и попробуем получше понять, как она работает, это поможет осознать, сколько препятствий стоит на пути использования электрического тока в индустрии транспорта.
Батарея (аккумулятор) – это устройство, позволяющее превращать химическую энергию в электрическую. Точнее, следует отличать батарейки (они не перезаряжаются) от аккумуляторов (их можно заряжать),
