Для початку уявіть себе у класичній сільській хаті. Придивіться пильно до грубки. Зварна панель зроблена з чавуну або цирконієвої кераміки. Приєднайте дротики від «лампочки Ілліча» до цієї зварної панелі. Розпаліть грубу. Коли чайник на ній закипить — уважно стежте за лампочкою. Якщо вона не засвітиться — ваша плита чавунна. А якщо засвітилася, не сумнівайтеся: грубка зроблена з діоксиду цирконію.
Цирконієва кераміка — єдиний поки що відомий людству матеріал, що має унікальну здатність перетворювати теплову енергію на електричну з коефіцієнтом корисної дії 60—65 відсотків.
Розведіть яскраве полум’я в топці. Потім припиніть подачу кисню — зачиніть дверцята і піддувало. У чавунній і цегляній печі полум’я відразу згасне. У цирконієвій топці бачимо... вогонь. Звідки ж кисень для нього? Виявляється, керамічний цирконій у нагрітому стані пропускає кисень крізь себе, іонізуючи його.
Саме завдяки цьому в пластині з’являється електричний струм. Викиди такої топки — вуглекислий газ і водяна пара (і тієї — мінімальна кількість, бо відсутня сильна тяга).
Що ми маємо? Електростанцію. Але на цій грубці, як і раніше, можна варити борщ та кашу. Використовуючи і тепловий, і електричний ефект, отримаємо прилад, ККД якого дорівнює 83%. Для порівняння — двигун автомобіля має ККД 30—40%. Кращі сучасні ТЕС неспроможні дати більше 40 відсотків і не зможуть змагатися з екологічною чистотою цирконієвих генераторів.
У світі вже працюють понад 150 станцій (великих і маленьких: від 2 кВт для туристів, 20 кВт для електромобілів до 600 МВт для цілих міст) за аналогічним принципом. Переважно — у США. Автономні цирконієві генератори можна встановити прямо в будинку на правах водонагрівальної скрині, замість дизеля, що димить та стугонить. Топити можна газом чи будь-яким органічним паливом, навіть кізяками.
За інформацією урядових установ США, цирконієва електрика на 20—30 відсотків дешевша від звичайної. Автономні системи для будинку, кварталу, селища дають змогу заощаджувати, насамперед, на лініях електропередач, їх мідних дротах, опорах, підсилювачах. Адже саме ці дроти становлять 15 відсотків вартості нашого електроструму.
Крім діоксиду цирконію, у розпорядженні інженерів є кілька типів електрохімічних генераторів, або, як їх ще називають, «паливних комірок» (fuel cell). Якщо нагріти фосфорну кислоту до 200 градусів, як це робить генератор, створений фірмами «Сіменс» та «Вестингауз», вона також вироблятиме струм. У Москві офіс компанії «Газпром» з 1995 року споживає електрику саме з такої фосфорної паливної комірки потужністю 250 кВт. Найбільша у світі (11 мегават) фосфорна електростанція працює в Токіо.
Інша технологія, що має коефіцієнт корисної дії вищий, ніж «паливна комірка» з фосфорною кислотою, — використовує розплави карбонатів (типу К2СО3). Утім, обидві вони пов’язані з використанням надзвичайно агресивних речовин, при зіткненні з якими всі з’єднання та деталі швидко псуються.
Французькі, американські та японські промисловці вже продали перші партії електромобілів на так званих протон-обмінних мембранах. Це третій вид паливних комірок у вигляді особливої пластмаси. Є ще один, «космічний» тип лужних генераторів під загальною назвою «технологія Алкалайн».
За висновками учених та інженерів, усі ці чотири типи комірок-генераторів не можуть дати більше 45 відсотків коефіцієнта корисної дії. Крім того, складнощі у підготовці палива (всі вони дуже «вередливі» щодо нього) та надто короткий безремонтний цикл роблять їх слабкими суперниками діоксиду цирконію — твердого, надзвичайно міцного, інертного електроліту з великим власним ККД, а якщо після комірки пустити паливо через газову турбіну, а потім ще й до парогенератора, то він зростає вдвічі (80-85 відсотків). Крім того, діоксид цирконію дозволяє нагрівати себе яким завгодно паливом. Бодай сушеними кізяками!
Інтерес до паливних комірок виникнув років п’ятнадцять тому, оскільки вони практично не викидають в атмосферу вуглеводнів. За міжнародною конвенцією щодо заходів проти глобального потепління, підписаною у Кіото, держави-учасниці підтримують у себе розвиток таких екотехнологій, навіть якщо вони сьогодні не дуже рентабельні.
Американці, що зобов’язались допомагати Україні в розв’язанні чорнобильських проблем, нині зацікавлені у проекті спалювання в паливних комірках швидкоростучих рослин, зібраних на радіоактивних територіях (комірки, які розробляють для цього «Сіменс»—«Вестингауз», можуть затримати у собі радіонукліди, не випускаючи їх із димом у повітря). Цей проект вартістю 40 мільйонів доларів, крім очищення України від радіоактивного бруду, міг би стати полігоном для випробування «комірчаних» технологій.
Економісти запевняють: електрика і фосфорних, і карбонатних, і цирконієвих паливних комірок невпинно дешевшає (у перших двох видів вона трохи дорожча за традиційну), бо вчені, в тому числі й українські, активно шукають для цього нові можливості.
Доктор наук Олександр Васильєв з Інституту проблем матеріалознавства ім. І.Францевича НАНУ сьогодні лідер руху за розвиток української цирконієвої енер-гетики. Він та його колеги з Києва, Дніпропетровська, Донецька, Сум та Луганська створили низку проектів: від розвитку (на базі цирконієвого комбінату в місті Антрацит) сучасної технології одержання високоякісного порошку, придатного для застосування у нанотехнологіях (сьогодні комбінат дає порошок низького гатунку) до створення лінії виробництва справжніх конкурентоспроможних електрогенеруючих елементів із цирконію. Українські науковці, об’єднані у ТОВ «Цирконій України», могли б, відтак, запропонувати «Сіменсу» та «Вестингаузу» дешевші і якісніші, ніж є на ринку, цирконієві комірки та разом з іноземцями створити повний технологічний цикл генератора, який, звичайно, значно складніший, ніж сільська груба.
За прогнозами, перші німецько-американські цирконієві генератори з’являться у продажу через рік-два і будуть вельми дорогі. Електромобілі на 20-кіловатних протон-обмінних мембранах уже бігають шляхами Європи й Америки. Але світова індустрія чекає кардинальних змін у спрощенні технології виробництва і сервісу для електрохімічної енергетики. Зібравшись наприкінці квітня на засідання комісії Верховної Ради України з науки й освіти під головуванням Ігоря Юхновського, науковці з Інституту проблем матеріалознавства НАНУ, Інституту фізики конденсованих систем, Інституту прикладної фізики, Дніпропетровського хіміко-технологічного інституту визначились у головному: національна наука має чим здивувати фінансово благополучніших іноземних партнерів. І не тільки здивувати, а й запропонувати свіженькі ноу-хау. Якщо додати принципову можливість добувати в Україні всю необхідну сировину, то шанс стати повноправними партнерами ми, безумовно, маємо.
— У світі наростає нова енергетична революція, — сказав академік, народний депутат України І.Юхновський. — Щодо України, то скептичне ставлення до нетрадиційних джерел енергії було пов’язане з економічним ладом, який донедавна існував. Без приватної ініціативи, приватного зацікавлення ми не зможемо і зараз виробляти цирконієві генератори.
Мають бути виготовлені діючі макети установок для показу їх державним та приватним виробничим підприємствам. І я гадаю, що протягом лічених років Україна має шанс зробити істотний ривок у цирконієвій енергетиці.