Копилка для будущего

Разработка, которая была признана изобретением года и получила первую премию на конкурсе научно-технических разработок молодых ученых в рамках международного дискуссионного мероприятия "Science - Society - Personality" ("Наука - общество - личность"), никому не нужна?

"Куртки лучше не снимайте, здесь холодно", - говорит Владимир, заваривая чай.

Бросается в глаза старый монитор на полстола, много разной аппаратуры вокруг…

Я пришел сюда, в лабораторию Института металлофизики им. Г.Курдюмова НАН Украины, чтобы поговорить с кандидатом технических наук Владимиром Дехтяренко о водороде, над технологиями хранения которого он работает. Водород, как известно, называют топливом будущего. Во многих странах мира исследования по водородной энергетике являются приоритетными направлениями развития науки. Водородные технологии призваны снизить зависимость от традиционных энергоносителей - нефти, газа и угля. От сжигания водорода не остается вредных продуктов сгорания, потому данный вид топлива безопасен для окружающей среды.

Беседуем за чашкой горячего чая.

- Я учился в КПИ, - рассказывает Владимир. - В 2006-м закончил магистратуру и был переведен на инженерную должность в Институт металлофизики. Здесь поступил в аспирантуру, в 2012-м защитил кандидатскую диссертацию.

- Почему заинтересовались именно водородом?

- Водородная тематика всегда актуальна. Все обогревают жилье и пользуются преимущественно газом - метаном и пропаном. Ездим на бензине. Это все невозобновляемые источники энергии. К тому же, при их сгорании загрязняется атмосфера.

А когда мы сжигаем водород, образовывается обычная вода. Для получения самого водорода можно воду разложить разными методами. Чаще всего это - электролиз.

- Но такой метод недешевый.

- Конечно, все новые методы недешевые. Однако добывать метан из-под двух-трех километров почвы, а затем его транспортировать - тоже недешево.

Так вот, разложив воду, получаем кислород и водород. В конце концов, можем в бак автомобиля заливать просто воду. В Японии уже создан автомобиль, работающий на воде. Но эта вода очень чистая, без каких-либо примесей. Пока она стоит 10 центов за один литр.

- А если замкнуть цикл, и воду, которая выходит, подавать снова в мотор?

- Она будет уже не такая чистая (ведь у нас воздух тоже с примесями), и двигатель быстро выйдет из строя. Но это нынешние двигатели. Возможно, со временем удастся приспособить их к воде любого качества.

- Перспектива привлекательная, но сколько можно на этой воде проехать?

- Все зависит от бака, который вам поставят. Сейчас заправиться такой водой можно только в Японии. Но то, что сегодня существует машина на воде, - уже большое достижение.

- Ведь есть машины на чистом водороде…

- Да, первые были на водороде, но комбинированные. Сначала - комбинировались бензин и водород. Последний служил в качестве добавки, чтобы уменьшить затраты бензина. Сегодня много машин ездит и на чистом водороде - преимущественно в США, Японии, есть и в Европе.

- Инфраструктура дорогая?

- Да. Впрочем, здесь еще дают о себе знать и стереотипы. Люди привыкли к мысли, что водород слишком взрывоопасен. И к тому же второе поколение автомобилей было тоже комбинированным: у них на дне лежали водородные аккумуляторы, а под задним сидением пассажиров был еще газовый баллон, которого все боялись.

- Зачем такая система?

- Водородный аккумулятор (над ним и работаю) - это в основном металл или композит, где водород содержится внутри материала.

Если его начать подогревать - будет выделяться водород. Однако есть такое понятие как диффузия. Скорость выделения водорода и его количество достаточные, чтобы машина преодолевала около 80 км/ч. Чтобы двигаться быстрее, и был поставлен баллон (из него водород подавать намного проще). Увеличили и пробег авто - до 650 км. Но такой баллон - это, в сущности, взрывчатка. Именно поэтому и принялись за усовершенствование технологии аккумуляторов. Кроме того, что это значительно безопаснее, в таких материалах - металлах - можно запасти водорода в разы больше, чем просто в баллонах!

В целом над технологией сорбции водорода металлами работы продолжаются более 100 лет. Постоянно открывают новые материалы, которые лучше поглощают и отдают водород. Развитые страны ставят новую планку для характеристик таких материалов. Например, они должны поглощать водород при комнатной температуре, а отдавать - при +100°C и т.п.

- А как реагирует металл на постоянное накачивание и выкачивание водорода?

- Он деградирует, но при условии, что водород довольно чистый, металл выдерживает 5 тыс. циклов… Мы дошли до третьего поколения автомобилей, которые оснащены оборудованием, разделяющим воду на кислород и водород. За счет этого машина стала более дорогой. В Японии цена такого авто - 60 тыс. долл. Но государство компенсирует 15 тыс. за сохранение окружающей среды. Впрочем, ездить на такой машине можно в радиусе 200 км от заправки. Поэтому пока, при отсутствии инфраструктуры, считать это массовым продуктом нельзя.

- Водород - возобновляемый ресурс. Какие еще преимущества у него есть?

- Поскольку водород можно получать из воды, а у нас на планете ее очень много, то запасов водорода хватит на тысячи лет. Он не токсичен, в отличие от бензина. У водорода ниже вероятность самовозгорания, - он загорается при температуре почти +500°C, а скорость распространения пламени в воздухе - самая высокая, т.е. он быстро горит.

- Вы работаете над хранением водорода. Расскажите об этом подробнее.

- Этот газ можно сохранять в трех состояниях: жидком (охлажденный до -250°C). Но охлаждать его очень дорого, и он испаряется. Можно держать водород в баллонах, но количество его будет небольшим. В металле же можно удерживать в пять раз больше этого газа.

Материалов, поглощающих водород, очень много. Начинали исследования по титану. Он легкий и сорбирует много. Но от него пришлось отказаться, поскольку титан поглощает водород медленно и при весьма высокой температуре (+300°C), а отдает его при температуре +600°C.

Потом принялись за магний. Он более легкий и берет большую массу водорода. Но он еще хуже поглощает и отдает газ. Поэтому начали искать новые материалы. Так пришли к интерметаллическим соединениям (химические соединения между металлами, которые образовываются в результате взаимодействия компонентов при сплавлении, конденсации из пара, а также при реакциях в твердом состоянии вследствие взаимной диффузии. - В.М.). Они имеют значительно большую водородную емкость, сорбируют газ при комнатной температуре без дополнительных обработок. Поэтому можно выплавить интерметаллид, заложить его в замкнутый объем, откачать воздух, напустить водород, 10 минут - и получаем водород внутри материала.

Первым таким материалом был лантан-никель-5 (LaNi₅). Он хороший, но лантан - это редкоземельный материал и очень дорогой. Затем были эксперименты с другими соединениями. Только в 1970-х появилось соединение титан-марганец-2. С этим материалом стали работать многие страны: США, Германия, Япония. И начали его усовершенствование.

Это и было начало моей работы. Мы исследовали соединение титан-марганец-цирконий. За счет циркония пустоты в решетке металла становятся большими и могут накопить больше водорода. Но марганец не является гидридообразующим и необходим только для того, чтобы создать это интерметаллическое соединение. Поскольку он не поглощает водород - емкость падает. А если его заменять на гидридообразующий элемент, емкость сразу увеличивается. Так мы добавили ванадий. Но здесь важно не переборщить, потому что если ввести его слишком много, это уже будет совершенно другой материал, с другими свойствами.

- Если эти технологии уже настолько совершенные, почему машины на водороде не стали массовыми, а в мире альтернативой бензиновым авто чаще всего служат электрокары?

- Думаю, сейчас электрика и водород одинаковыми темпами становятся на службу отрасли. Но вы видели в Украине где-то заправки с водородом? А электрические уже есть. Поэтому когда появится достаточно заправок…

- А когда это, по вашему мнению, произойдет?

- К сожалению, заинтересованность в водородной тематике идет волнами. Как только начинаются проблемы с газом или нефтью, вспоминают о водороде. Когда находят новые залежи или технологии добычи нефти/газа - все снова утихает. С водородом работают уже 100 лет, но полноценную машину, которая на нем может ехать, выпустили только несколько лет назад. Проблема в том, что нет глобального интереса. Компании "сидят" на буровых скважинах, качают полезные ископаемые, работают перерабатывающие заводы, на продаже нефтепродуктов и газа можно хорошо греть руки, - все отработано...

- Но ведь нефти/газа хватит только на несколько десятков лет.

-Об этом пишут, однако, как видим, технологии добычи постоянно совершенствуются. Раньше сланцевый газ не добывали, а пропан-бутан вообще не использовали и считали почти отходами, его просто сжигали. Последние 10-15 лет этим газом мы пользуемся. То есть прогнозы, что метана/нефти/газа нам хватит, скорее всего, на 50 лет, - больше страшилки. Тем более постоянно появляется новое оборудование по производству биогаза, биотоплива. Меня как победителя конкурса научно-технических разработок, который проводился Государственным фондом фундаментальных исследований, недавно пригласили в Германию для участия в форуме Ukrainelab. Нельзя не заметить, что Европа уже пересела на велосипеды и гироскутеры (электрический персональный транспорт. - В.М.).

- Так что, учитывая такую незаинтересованность, "водородной революции" не ждать?

- В Украине - точно нет, по крайней мере в ближайшие лет 30. Мы будем покупать газ, плакать, что он очень дорогой, но делать свое - не будем.

- То есть…

- Все, что мы сделали, лежит мертвым грузом. "Делаете? Хорошо. Пусть будет". Ко мне обратились люди с фирмы, которой нужен был водородный аккумулятор. Но мы не можем его изготовить и продать. Потому что институт - это неприбыльная организация, и условный покупатель должен брать технологию, патент и платить за него роялти. Пока мы со всем этим разбирались, фирма потеряла интерес.

- А средства на исследования где берете? Получаете ли какие-то гранты?

- Академия уже более 10 лет занимается водородом. Есть грант, который рассчитан на пять лет и распределяется на три направления: получение водорода, его хранение и использование. Люди, работающие на первом направлении, получают водород из… Да почти из всего! Лучше всего - это мул из Бортнической станции аэрации. Кроме того, биологами были разработаны специальные бактерии, которые перерабатывают отходы и выделяют газ, 70-80% которого - водород. Но по грантовой программе каждой группе в год дают около 60 тыс. грн. На зарплату остается тысяч 8.

- Вам всего 33 года… Видите какую-то положительную перспективу?

- Чувствуете, какая в комнате температура? Градусов 10-12. Если бы иностранцы приехали и посмотрели, как мы работаем, они бы не поняли, откуда берем результаты.

- А за границу, как многие другие молодые ученые, не думаете уехать?

- Моя коллега часто работает во Франции. Там в похожей лаборатории стоит печь, плавящая материал, рядом - станок, делающий шлифы (чтобы смотреть структуру), рентгеновский аппарат, который за 20 минут снимает образец и выдает результат. То есть исследователь, не выходя из комнаты, за два часа получает результаты. Приходит руководство и корректирует. Можно повторить эксперимент. Здесь же… No comments.

Поэтому молодежи в институте сейчас искать не стоит. После того, как урезали финансирование, даже те, кто был предан науке, ушли. Это и не удивительно. Если бы я работал на строительстве, зарабатывал бы вдвое больше.

Допивая холодный чай, понимаю Владимира уже без лишних вопросов. Окончательно промерзая в этой лаборатории, осознаю, что с такой государственной "поддержкой" наша наука, как вечная мерзлота, медленно, но безудержно тает.