10/07/2017
Как томский ученый соединил водородную энергетику и антивещество
63 Интервью Аналитика Томск Портал «Научная Россия» продолжает знакомить читателей с рабочими буднями и научными достижениями студентов и ученых Томского политехнического университета.
На этот раз наш путь лежит на кафедру общей физики, Лидер которой наглядно доказал: антиматерия может не только разрушать, но и созидать. Я не случайно назвал заведующего кафедрой Лидером с большой буквы. Он и правда Лидер: Андрей Маркович Лидер, кандидат физико-математических наук. Возглавляемому им небольшому коллективу удалось сделать то, о чем мечтают многие ученые: соединить несоединимое. В данном случае это оказались водородная энергетика и антивещество.
— Андрей Маркович, об использовании водорода в качестве топлива говорят уже больше двух веков. Первый работающий на нем двигатель еще в начале XIX в. построил Франсуа де Риваз. Странно, что мы до сих пор не ездим на этом экологически чистом топливе.
— Уже ездим, но пока еще очень мало. Хотя действительно. сама по себе идея использовать водород как удобный энергоноситель очень стара. Но каждый раз что-то мешает ее реализовать — либо дешевая нефть, либо неудачи в науке. Все в мире развивается волнами, и водородная энергетика не исключение: удача — провал, энтузиазм — разочарование.
На первом этапе мы твердо верили, что скоро наступит не просто светлое, а ослепительное будущее: управляемый термояд вот-вот обеспечит нас почти бесплатной электроэнергией, а на основе водорода удастся построить очень чистую и дешевую транспортную инфраструктуру. Вера эта довольно быстро разбилась о камни реальности. Оказалось. что до управляемого термояда мы дорастем еще не скоро, да и с водородом все обстоит далеко не так просто, как казалось.
— Тем не менее глобальное потепление, масштабное загрязнение окружающей среды и постепенный отказ от традиционной энергетики в пользу безуглеродных технологий побуждают ученых искать новые, чистые виды топлива для наших автомобилей.
— Совершенно верно, и одним из таких видов топлива может стать водород. Работы в этой области поддерживаются не только активистами-«зелеными», но и серьезными учеными и, что очень важно, крупными бизнесменами, которые понимают, что вложившись в перспективную отрасль на начальном этапе, они могут в недалеком будущем получить очень серьезный выигрыш. А раз возникает такой запрос со стороны общества и бизнеса, ученые пытаются разрешить научные и инженерные проблемы, внедрить в повседневную жизнь новый энергоноситель.
— Так что же нам мешает? Мы не можем производить водород в нужных масштабах?
— Как раз можем. Основная проблема — чисто психологическая. Люди просто боятся водорода.
— Разумеется. Взрывается…
— Взрывы бензобаков происходят каждый день, но общество уверено, что водород гораздо более опасная субстанция, поэтому использовать его не стоит.
Действительно, водород взрывается практически в любых соотношениях с воздухом. Это крайне активный газ. Кроме того, он взаимодействует со многими материалами, существенно изменяя их свойства.
— Тогда, может, и правда обойдемся без водорода? Тем более у нас уже есть неплохие электромобили.
— У электромобилей при всех неоспоримых достоинствах есть серьезный недостаток — медленная зарядка. Если заряжать аккумулятор можно было бы с той же скоростью, с какой бензин заливается в бензобак, то, конечно, не имело бы смысла рассматривать вариант водородного топлива. С водородом таких проблем не возникает. Но дабы действительно обезопасить себя от взрывов, требуется соблюдение крайне жестких мер безопасности. Прежде всего, надо решить главный вопрос: как хранить водород на борту автомобиля, в чем?
— В газовых баллонах. Разве есть варианты?
— Насколько удобно будет возить с собой водородные баллоны? На сколько километров нам хватит «полной заправки»? И в каком виде в таких баллонах будет находиться топливо?
— Лучший вариант — в сжиженном.
— Но тогда его необходимо охлаждать до экстремальных температур: ниже минус 252° С. Очевидно, что в автомобиле такую охлаждающую систему не поставишь. Если же заправлять баллоны сжиженным водородом, какие бы системы теплозащиты мы ни ставили, газ будет испаряться. Следовательно, нужен аварийный клапан, через который газ будет стравливаться. Это, в свою очередь, значит, что стоит вам оставить машину на некоторое время — и вы рискуете очень скоро остаться без горючего. Плюс если водород стравливается, то надо, чтобы он это делал безопасно, чтобы он сразу улетал, не скапливался в окружающей среде, чтобы нечаянный окурок или искра не превратили место стоянки машины в эпицентр техногенной катастрофы. Либо его надо сжигать, а это не очень удобно и неэкономно.
— А если просто заправлять сжатым водородом?
— Для того чтобы получить сколько-нибудь нормальный пробег при разумных размерах баллонов, необходимо сжатие водорода до 700 атм. Но что будет, если произойдет авария автомобиля с таким баллоном?
— Взрыв.
— Именно.
— И где выход?
— Выход найден давно. В создании материалов — накопителей водорода. Есть материалы, которые способны впитывать и отдавать огромные объемы этого газа.
— То есть это что-то вроде губки, впитывающей и отдающей воду?
— Нагляднее будет пример с шампанским. Возьмите охлажденную бутылку игристого вина. Емкость ее — 0.7 л. а углекислоты из нее выходит при нормальном давлении и нормальной температуре в шесть раз больше по объему. Конечно. это очень грубая аналогия, в реальности все сложнее, но факт остается фактом: в приложении к транспортным средствам хранение водорода в твердых накопителях считается наиболее перспективным и безопасным методом.
— Раз это твердое тело с водородом, рискну предположить, что накопители делаются на основе металлогидридов?
— Совершенно не обязательно. Это могут быть и сложные органические соединения, углеродные материалы. Национальные стандарты США и Японии, наиболее продвинутых стран в области водородной энергетики, требуют, чтобы накопление водорода в материалах-накопителях составляло не менее 5-7% массы. К этому стремятся все исследователи, проводя изыскания в области накопления водорода в твердом теле.
— А сколько удалось достигнуть?
— Если не принимать в расчет экзотические дорогие варианты, 4-4.5%. Но прогресс идет, поиски подходящего материала происходят в разных направлениях. Основные требования: материалы должны быть безопасными, дешевыми, доступными, легкими для утилизации либо для повторного использования. Эти проблемы пытаются решить все, в том числе и мы. Следующая задача — низкая стоимость хранения и обеспечение не менее 300 км пробега на одной заправке. Главное, чтобы автомобиль ехал далеко, а сам материал был легким, и чтобы машину можно было легко дозаправить, а топливо — долго хранить и использовать. Такое вот соотношение взаимоисключающих параметров. Должно быть доступное сырье, а с точки зрения физики-химии необходимо обеспечить легкий и быстрый процесс «заправки» водородом и не менее легкий процесс его «отдачи». Есть материалы-кандидаты, которые показывают достаточную «водородную емкость», но они весьма проблемны с точки зрения физико-химических свойств. Поэтому их пытаются модифицировать, разрабатывают новые технологии производства, чтобы соответствовать всем этим противоречивым требованиям.
Антиматериальная заинтересованность
— Все это прекрасно, но при чем здесь античастицы? Вы же обещали рассказать про антивещество, и я ожидал увидеть у вас на столе какую-нибудь хитрую электро-магнитно-плазменно-вакуумную пробирку-ловушку с веществом, миллиграмм которого своей аннигиляцией может уничтожить город…
— Антиматерия у нас есть. Правда, не милли- и даже не микрограммы.
— Нано?
— Тут о весовых категориях говорить сложно. Речь идет о потоке античастиц, позитронов. Их еще иногда называют антиэлектронами.
— Но они же у вас при взаимодействии с обычной материей моментально аннигилируют?
— Аннигилируют. Вот только эту аннигиляцию мы используем не для разрушения. Разрушение, конечно, идет, как без него, но его результаты помогают нам создать новый продукт. Те самые твердые накопители водорода, о которых мы говорили.
— Каким образом?
— Это очень просто и чрезвычайно сложно. Для того чтобы создать не просто эффективный накопитель, но стабильный эффективный накопитель, нам необходимо заглянуть вовнутрь и сказать, что в нем происходит, когда мы на него воздействуем. Когда мы внедряем туда водород и когда его извлекаем. Мы ведь хотим повторять этот цикл сотни и тысячи раз.
Все понимают, что любой накопитель, от обычного бензобака до электроаккумулятора, если он быстро изнашивается, непригоден. Траты на его производство, установку, демонтаж и утилизацию перекладываются на конечного пользователя.
— Ну да, я не хотел бы получить автомобильный аккумулятор, который выходил бы из строя не после 10 тыс., а после десяти перезарядок…
— Никто бы не хотел. Поэтому ученым и инженерам надо знать, что происходит с материалом в процессе накопления энергоносителя и его отдачи, сорбции и десорбции. Только в этом случае специалисты смогут найти пути для того, чтобы нарастить эти параметры до максимума.
— Без этого ученые будут действовать вслепую, почти наугад.
— Один из таких методов — это как раз и есть электрон-позитронная аннигиляция. Мы облучаем исследуемый объект, в данном случае материал-накопитель. потоком позитронов и исследуем последствия аннигиляции позитронов и электронов вещества, из которого сделан накопитель. Таким образом, мы изучаем, как устроена структура этого материала и что происходит с ней при воздействии внешних факторов: температуры, давления водорода и т.д.
Так как позитроны — крайне чувствительные частицы, мы можем получить достаточно информации о тех дефектах, которые существуют в материале, и тех дефектах, которые создаются при внедрении в него водорода или при его извлечении.
Антивещества хватит на полдня
— Но где же вы эти позитроны берете?
— Позитрон в свободном виде получить крайне сложно. Тем не менее есть разные методы: какие-то дороже, какие-то дешевле, какие-то попроще, какие-то посложнее. Нам в Томском политехническом университете повезло. Благодаря тому что у нас есть собственный действующий Исследовательский ядерный реактор ИРТ-Т. мы можем синтезировать ряд изотопов, которые при радиоактивном распаде испускают позитроны. Мы выбрали один из таких, на основе меди 64Си, который легко получить и у которого срок полураспада не такой короткий.
— Сколько лет?
— О годах говорить не приходится, даже о сутках, но 12 с лишним часов есть. Этого достаточно, чтобы провести серию необходимых экспериментов. Выбранный изотоп меди обладает хорошим энергетическим спектром, который позволяет достаточно точно и подробно оценить дефекты в структуре материала, как существующие изначально, так и возникающие в процессе использования.
Он удобен и с другой точки зрения. Чаще всего другие источники позитронов представляют собой соли. Это крайне осложняет работу при высоких давлениях и температурах. А источник на основе 64Си — металл. Его можно поместить в газовый водородный реактор и не беспокоиться за его дальнейшую судьбу.
— То есть на реакторе вы облучаете медь…
— Мы берем изотоп обычной меди 63Си, несколько минут бомбардируем его на реакторе потоком нейтронов, получаем нестабильный радиоактивный изотоп 64Си, помещаем его на исследуемый материал и наблюдаем процессы взаимодействия испускаемых позитронов с материалом-накопителем, регистрируя энергию испускаемых при аннигиляции гамма-квантов. И уже по ним судим о процессах, которые протекали в момент аннигиляции. Регистрируя параметры этих процессов, мы получаем сведения о структуре исследуемого материала.
— Можно сказать, что это такой краш-тест: позитроны аннигилируют с электронами, исследователи собирают осколки, гамма-кванты, и выкладывают из них картинку. Но как она выкладывается?
— Измеряя непосредственно соотношение потоков от разных аннигилировавших электронов, мы узнаем, в каких местах произошла встреча частицы с античастицей, какое окружение могло вызвать то или иное изменение соотношения этих электронов, и можем измерить, какие дефекты находятся вблизи точки аннигиляции, их структуру. протяженность, размерность, концентрацию.
— Иными словами, мы видим внутреннюю структуру материала-накопителя?
— Да, в том месте, где произошла аннигиляция. Когда набираем достаточную статистику, уже можем судить о концентрации, соотношении этих дефектов во всем образце материала. Миллионы событий, протекающих в процессе аннигиляции, обрабатываются и дают нам информацию о том, что же находится внутри накопителя. Далее основная проблема — сохранить эти данные и обработать.
— Полагаю, объем информации велик…
— Не так велик, конечно, как на Большом адронном коллайдере, гораздо меньше. Но тоже большие данные, один эксперимент — 4-5 Тб. А таких экспериментов на образец надо сделать не меньше сотни, а то и тысячи, в зависимости от необходимой точности. Надо получить картину изменений структуры для каждой точки.
Операция модернизации
— Врачу рентгеновский снимок нужен для того, чтобы понять, как лечить болезнь или перелом. А нам что даст такой «антиматериальный» снимок? Разве мы сможем вылечить обнаруженные дефекты?
— Тут корректнее будет сравнивать не с рентгеном, а с компьютерной томографией, когда делается не один снимок до операции, а серия снимков в ее процессе. Проводя эксперименты с потоком позитронов, мы можем конструировать само вещество накопителя. Зная структуру, мы способны создать такое вещество, которое позволило бы накапливать и отдавать как можно больше водорода. Вторая задача — в процессе рабочего эксперимента разобраться с механизмами деградации материала после многих циклов накопления и отдачи водорода. Что происходит с веществом, как повлиять на эти процессы? Может, нужно вводить водород быстрее или медленнее? Или изменить сами подходы к извлечению и накоплению? Изменить структуру материала, чтобы его деградация происходила медленнее?
— Разве нельзя такую проверку провести без участия антиматерии?
— Можно, конечно, сейчас это и делается. Но занимать она будет в разы больше времени и стоить будет значительно дороже. Надо провести тысячи циклов «заправки» и «разрядки», исследовать, что произошло с материалом на разных этапах, поменять условия, состав, затем повторить эти циклы — и так много раз. А «просветив» материал позитронами, мы можем понять саму тенденцию, механизм. И это сократит время на поиск нужного материала в те же разы.
— Метод родился в ТПУ?
— Да, это наше ноу-хау. Сама методика электрон-позитронной спектроскопии широко применяется в мире, но в качестве источников позитронов для нее применяются радиоактивные изотопы на основе солей натрия или титана. Их затруднительно использовать в среде водорода, да и повышенная температура плохо влияет на радиоизотопные источники. Использовать источники на основе изотопа меди в условиях высоких давлений и температур начали именно в ТПУ. Наблюдение за структурой непосредственно в процессе сорбции и десорбции — это тоже наше достижение.
— И все благодаря тому, что на вас работает Исследовательский ядерный реактор?
— Возможно использование других источников позитронов — ускорителей, как циклических, так и линейных, коллайдеров. Там тоже есть такая возможность, но это системы совершенно другого класса, которые не позволяют проводить циклы исследований. Ими можно измерить структуру, посмотреть процесс, но стоимость таких систем, их работы на несколько порядков выше, что не позволяет проводить испытания сериями из сотен и тысяч экспериментов, как это делается в нашем случае.
— И каких результатов вам уже удалось добиться?
— Пока значительными результатами похвастать не могу, но ведь мы только начали эксперименты. Я думаю, в ближайшие год или два мы сможем сказать, что происходит при длительном циклировании. А уже в дальнейших планах — создать материал, который удовлетворит как можно большее число потребителей.
— Но у нас страна углеводородная, мы кругом завязаны на нефть и газ. Кто же у нас будет финансировать исследования в альтернативной, водородной области?
— Такие исследования нужны всем. Мы же не будем отрицать, что использование углеводородного топлива загрязняет окружающую среду. Рано или поздно мы перейдем на более чистую, экологичную энергетику. Это вопрос времени — лучше рано, чем поздно. И углеводородная отрасль вряд ли сильно пострадает: природный газ — прекрасное сырье для получения водорода. Так что в России нет никаких препятствий для развития водородной энергетики. Достаточно упомянуть, что «Газпром» поддерживает Томский политехнический университет в деле разработки водородных топливных элементов.
— Но топливные элементы — конечные устройства, которые потребляют водород, вырабатывая с его помощью электричество. Причем без сжигания.
— Да, на вход элемента мы подаем водород и атмосферный кислород, а на выходе получаем электричество и водяной пар.
— Наверное, участие в таких передовых исследованиях с благородной экологической направленностью для компаний еще и социально значимо?
— Даже если мы отойдем от споров о том, стало ли глобальное потепление следствием деятельности человека или это все «игры природы», загрязнение воздуха в крупных городах автомобильными выхлопами отрицать не будет никто. Мы чувствуем это на себе. Поэтому создание более чистого транспорта, топлива или, как альтернативы, более емких и дешевых аккумуляторов просто необходимо в любом случае. Каждый из нас хотел бы иметь телефон, который можно заряжать раз или два в месяц. Или зарядить в течение минуты, просто закачав в него водород.
— С использованием вашего «антиматериального» ноу-хау через сколько лет мы будем ездить на автомобильчиках, у которых из выхлопной трубы будет вместо вредного С02 идти водяной пар?
— Это уже не фантастика. Тут дело не в ученых и конструкторах, а в общественном запросе. Скажем, если завтра запретят углеводородное топливо, то уже послезавтра все пересядут на водородные автомобили или электромобили. Потому что даже уже существующие технологии это позволяют. Вопрос в цене и готовности инфраструктуры.
— А инфраструктура, как показывает опыт, развивается моментально. Мы помним, как буквально за несколько лет всю страну опутали сотовые сети. Или как стремительно в нашу жизнь ворвался интернет.
— В Калифорнии уже развивают водородную инфраструктуру. Там продаются водородные автомобили, стоят водородные заправки, сам Шварценеггер, будучи губернатором штата, ездил на водородном джипе. Там работают муниципальные программы по замещению нынешнего общественного транспорта водородным. Думаю, в ближайшие 20 лет мы пересядем на экологически чистые автомобили.
— Водородные?
— Не обязательно. Водород — лишь один из перспективных вариантов. Я не могу утверждать, что верен только тот путь, то направление, которым занимается наша группа. Возможно, завтра будет совершен прорыв в области аккумуляторных батарей, тогда вперед вырвутся электромобили. Там ведь тоже идет активная работа: ученые исследуют возможности применения графена, суперконденсаторов и т. д. Если исследователи, занимающиеся водородной энергетикой, смогут доказать, что они работают результативнее, если этот рывок совершат они, будем ездить на водородных машинах. Все решат удобство, стоимость, надежная и разветвленная инфраструктура. Надеюсь, наша антиматерия ускорит процесс перехода на водород.
Валерий Чумаков
