Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
С помощью этого процесса можно легко получать очень чистый водород, и для этого не требуется создавать сложные системы очистки, необходимые в случае получения газа из ископаемых. Однако проблема в том, что для электролиза нужно электричество, а если мы будем брать его на электростанции на угле – мы вернемся на те же рельсы… Мы можем получать электричество и из возобновляемых источников, например солнечной энергии. Почему же не использовать солнечные батареи для получения необходимой энергии? Здесь мы выдвигаемся на самые передовые рубежи химии, поэтому пока трудно дать определенный ответ на этот вопрос, но пока энергетическая эффективность процесса электролиза слишком низка, что в настоящее время было бы намного проще и существенно дешевле использовать электроэнергию напрямую, вместо того чтобы получать водород, транспортировать его, подвергаясь риску, и сжигать в топливном элементе, чей КПД колеблется между 50 и 60 % (в то время как электрический двигатель имеет КПД 90 %).
Именно поэтому в последние годы многие химики работают над исследованиями новых технологий использования катализаторов для расщепления воды. В качестве источника энергии они рассматривают солнечный свет, причем без превращения его в электроэнергию. Как вы уже знаете, катализаторы ускоряют уже идущие спонтанные реакции, поэтому нужно найти катализатор, который смог бы разорвать чрезвычайно стабильные связи между кислородом и водородом в молекуле воды. Новая стратегия, называемая water splitting (расщепление воды), опирается на идею о существовании веществ, позволяющих вырабатывать водород с помощью солнечной энергии, превращаемой непосредственно в химическую. Достаточно растворить катализатор в воде и выставить раствор на солнышко, а потом наблюдать выделение водорода и кислорода. Исследования уже достигли некоторого прогресса, однако, к сожалению, эта технология пока дает столь низкую эффективность, что, похоже, вряд ли обладает серьезным промышленным будущим.
Что готовит нам будущее?
Этот раздел книги вышел длинным и сложным, однако мы затронули сложную тему, тему энергии – наиболее важную для нашего будущего и для нашей повседневной жизни. Я подозреваю, что некоторые из вас почувствуют разочарование, потому что мы пришли к концу дискуссии без единственного правильного решения, которое бы развеяло все сомнения. Но как мы уже говорили в конце первой главы, к сожалению, именно так и работает наука: решение любой задачи содержит новую задачу, в ответе на вопрос содержится новый вопрос, и появление твердого ответа в виде закона, высеченного в граните, предваряется десятилетиями, а иногда и столетиями исследований и поисков. В этом маленьком экзерсисе мы обратились к основам термодинамики и уже увидели, как ее принципы, выраженные весьма простым образом, могут помочь лучше понять технологии вокруг нас. И вместе мы приблизились к горизонтам химии, за которыми нас ждут сомнения и неизвестность.
Что нас ждет в ближайшие годы? Несомненно, это будет будущее без нефти, хотите вы того или нет. Чем же мы ее заменим? Мое личное мнение, что, несмотря на все проблемы и препятствия, которые нам придется решить и преодолеть, будущее за электричеством. Уже сегодня мы совершили очень важные шаги вперед по сравнению с прошлым – с точки зрения производства, способов и времени зарядки, – и я верю, что не за горами тот день, когда электромобили потеснят традиционные машины и по количеству, и по стоимости. Технологии могут предоставить также возможность удалять из атмосферы CO2 и превращать его в топливо, метанол или иные органические молекулы, как правило с помощью реакции с газообразным водородом в присутствии соответствующего катализатора. Мы уже вспоминали о синтетическом топливе, и я верю, что это вполне может быть интересной стратегией получения жидкого топлива для ситуаций, когда электроэнергия недоступна. Этот тип технологий, основанный на рециркуляции отходов, изучается уже многие годы, разные крупные энергетические организации инвестируют в исследования серьезные капиталы – например, итальянская нефтегазовая компания ENI. Однако я лично думаю, что таким образом не получится произвести достаточно жидкого топлива, чтобы сохранить современную систему, но это, несомненно, многообещающий способ производства небольшого количества углеводородов для разных нужд в будущем, в котором превалирующая роль перейдет, несомненно, к электричеству. Я думаю, например, об авиации, для которой нужны большие мощности, но при этом влияние каждого лишнего на производительность делают электродвигатель очень далекой мечтой.
Очевидно, что уровень нулевого воздействия на окружающую среду может быть достигнут только тогда, когда у нас будет в избытке чистой энергии, которую можно будет использовать непосредственно или «консервировать» в виде химической энергии в синтетическом топливе. Благодаря возобновляемым источникам, таким как солнце, ветер или гидроэнергетика, заметное количество энергии мы уже получаем с минимальным ущербом для природы. Представьте себе, что с апреля 2019 года электрическая энергия из возобновляемых источников в США уже, впервые в истории, обошла по объемам полученную из углеводородов[35].
Проблемой возобновляемых источников является их низкая надежность, но тут в игру вступает другая огромная терра инкогнита нашей эпохи: ядерный синтез. Ядерные реакции высвобождают энергию, заключенную в ядре атома, где ее существенно больше, чем в химических связях, но ее и труднее использовать. Современные электростанции основаны на процессе деления ядра, в ходе которого распадаются атомы тяжелых радиоактивных элементов. Этот процесс имеет два важных недостатка: при нем образуются опасные радиоактивные отходы, которые очень трудно утилизировать, и сам процесс имеет тенденцию выходить из-под контроля, порождая чудовищные катастрофы. Процесс же ядерного синтеза постоянно происходит в недрах звезд и представляет собой слияние двух легких элементов, таких как водород, в более тяжелый элемент, например гелий. В противоположность процессу распада, синтез не производит никаких радиоактивных отходов, но обладает огромным недостатком – он происходит только при очень высоких температурах, в миллионы градусов, и поэтому создать использующую его установку – весьма трудная и серьезная технологическая задача. Хотя сегодня у нас еще нет технологий, предоставлявших бы доступ к этому поразительному источнику энергии, я полагаю, что в более или менее отдаленном будущем ядерный синтез позволит нам получать надежно и безопасно значительные количества энергии без вреда для окружающей среды.
Скрестим же пальцы!
Лекция 4
В зеркале
Химия красоты
Существует распространенное мнение, что наука –
