Многоликий водород

Мы подняли лишь краешек занавеса сцен на которой действует один из интереснейших элементов нашей Вселенной – многоликий водород. Вплоть до XX в. Все были убеждены, что за «горючим воздухом» Кавендиша, гидрогениумом Лавуазье скрывается элемент, рождающий при своём соединении с кислородом обычную воду.

Но в XX в. Водород приобрёл многоликость. В природе были открыты три различных водорода, три его изотопа, которые были названы в соответствии со сложностью своих ядер. Самый лёгкий – протий. Водород в обычной воде в основном состоит из протия. Но в воде есть и более тяжёлый водород – дейтерий. На каждые 6700 атомов протия приходится один атом дейтерия.

Существует и сверхтяжёлый водород – тритий. Тритий радиоактивен. Он непрерывно образуется в стратосфере под действием космического излучения. Есть предположения, что это не предел для существования новых, ещё более тяжёлых изотопов водорода, которые должны быть радиоактивны.

Дейтерий – исходный элемент для энергии будущего. Впервые существование тяжёлого водорода – дейтерия было доказано в 1932 году. Несмотря на относительно малое содержание дейтерия в обычной воде, общее количество дейтерия на Земле очень велико. По подсчётам академика И. В. Курчатова, 1 литр обычной воды по энергии содержащегося в нём дейтерия эквивалентен примерно 400 л нефти, поэтому дейтерия кат топлива будущего хватит на сотни миллионов лет. (Вспомните ещё раз героя Жуля Верна).

Количество трития на Земле исчезающее мало. Его меньше 1 кг, но, несмотря на это, его можно обнаружить в каждой капле воды. А его значение в будущей энергетике, возможно, ещё более велико, чем дейтерия. Он неустойчив, период его полураспада – 12, 262 года.

Водород (протий), дейтерий и тритий образуют двухатомные молекулы. Молекулы с одинаковыми атомами Н2, D2, Т2 существуют в двух ядерно-изомерных формах, орто- и пара-форме. Эта изомерия является исходной причиной различия магнитных, спектральных и термических свойств обеих модификаций.

Мой рассказ о водороде и водородной технологии был бы неполным, если бы мы не указали на ещё один лик водорода – атомарный водород, победное шествие которого в технике предстоит. Дело в том, что атомарный водород более перспективное горючее, чем протий.

Р. Вуд в 1922 г. установил, что при пропускании тихих электрических разрядов через водород, находящийся под давлением в нескольких десятых долей миллиметра ртутного столба, можно получить атомарный водород. При 1700оС количество диссоциированного водорода (Н2 – 2Н) составляет доли процента, а при 4700оС оно доходит до 95%. Атомарный водород уже при комнатной температуре восстанавливает оксиды металлов, соединяется с кислородом, серой. Но главное, в чём заключается его ценность и что обеспечивает его будущее, - это огромная энергия, которая выделяется при рекомбинации атомов водорода в молекулу. Эта теплота используется при автогенной сварке особо тугоплавких металлов, например тантала с вольфрамом. Температура при такой сварке достигает 4000оС.

Высокая теплота рекомбинации атомов водорода в молекулу открывает возможность использовать атомарный водород в качестве особо высокого по калорийности топлива. Но атомарный водород очень неустойчив, он существует в течении десятых долей секунды, затем превращается в молекулярный водород. Создание условий, при которых можно было бы хранить атомарный водород, - задача ещё не решённая.

И наконец, ещё один лик водорода – протон (ядро атома водорода), широко используемый в современной науке для осуществления ядерных реакций.

Многолик водород, он широко и глубоко вторгается в современные энергетику транспорт, химическую технологию.

Сколько получают водорода и для каких целей?

Водород получают в газообразном виде и, если для использования необходим жидкий водород, его подвергают глубокому охлаждению и ожижению.

Производство молекулярного водорода в 1985 году достигло примерно 57 млн. тонн (без СССР), а в 1990 году уже 95. Если вспомнить, что водород это газ, который в 14,5 раза легче воздуха, то станет ясно, какой это громадный объем.

Где же в настоящее время используется такая масса водорода? Во-первых, в азотной промышленности, для получения синтетического аммиака. Во-вторых, для получения метанола из СО и Н2, Значительное количество водорода используется в нефтехимической промышленности для очистки нефти от сернистых соединений, для гидрирования тяжелых нефтяных фракций и повышения выхода легких фракций, в ряде нефтехимических синтезов, для гидрирования жиров, в металлургии для восстановления руд черных и цветных металлов, жидкий водород необходим в авиации и космонавтике, в ряде производств. В будущем потребление водорода будет расти более высокими темпами. Возникнет промышленность синтетического жидкого и газообразного топлива на базе твердых горючих ископаемых (гидрирование и гидрогазификация твердых топлив).

Мы, здесь не раскрываем широкое использование водорода в промышленности (водородная сварка и резка металлов, микроэлектроника и т. д.), в сельском хозяйстве. Особо стоит вопрос об использовании изотопов водорода в атомной и термоядерной энергетике.

Вот пример, который будет характеризовать одного из будущих потребителей водорода.

Дом на водороде. Как это мыслится? В настоящее время для обеспечения всех городских удобств к городскому дому должны быть подключены коммуникации для бытового газа, источники электропитания, источники бытового теплоснабжения. Все это очень дорого и сложно. Нельзя ли упростить эту схему? Современная техника дает на это однозначный ответ – можно. Для этого к дому должна быть подведена лишь одна трасса – трубопровод для водорода.

Использование водорода для бытовых целей в значительной степени технически подготовлено. Известны и испытаны различные типы керамических горелок. Регулируя подачу газа в горелку, в которую вмонтирована каталитическая пластина, можно менять в широких пределах температуру нагрева при приготовлении пищи. Водород легко и полностью сгорает при низких температурах на поверхности катализаторов. При этих температурах полностью исключается образование оксидов азота. Единственным продуктом сгорания на кухне будет водяной пар.

Низкотемпературное сжигание водорода обеспечивает его использование в низкотемпературных каталитических калориферах для бытового отопления. Форма обогревателя конструируется в зависимости от целей обогрева. Например, стены квартиры могут использоваться как поверхность нагрева.

Освещение в доме на водороде может обеспечиваться специальными светильниками, в которых на внутреннюю сторону трубки наносится фосфор точно так же. Как в люминесцентных лампах. Когда водород в присутствии регулируемого количества воздуха вступает в контакт с фосфором, последний люминесцирует, освещая квартиру, но сама лампа не нагревается. Холодильники и кондиционеры в таком доме могут работать с помощью адсорбционных рефрижераторов с использованием каталитической водородной горелки в качестве источника энергии. К такому дому не надо подводить электроэнергию для других электробытовых приборов (пылесосов, телевизоров, вентиляторов и т.д.), так как электроэнергия может вырабатываться в самом доме на основе водородного топливного элемента.