Массачусетские исследователи предложили свежеиспеченный схема расщепления воды - технологической основы работы топливных элементов. При всех достоинствах открытия скорой победы солнечно-водородной энергетики дожидаться не стоит
Рисунок: Константин Батынков
Изнывающее от энергетического кризиса мировое сообщество ищет новых научных героев. Буксующей важный экономике незамедлительно требуются визионеры и гуру, способные вытянуть ее из углеводородного болота и предложить красивую долгоиграющую альтернативу опостылевшим нефти, газу и прочим "грязным" ресурсам. Нынешним летом в роли одного из таких кандидатов в спасители планеты оказался америкосский химик из Массачусетского технологического института (MIT) Дэниел Носера, неутомимый исследователь технологий и методов эффективного использования солнечной энергии. Написанная им в соавторстве с молодым аспирантом Мэтью Кэнаном небольшая статья, опубликованная в последнем июльском номере авторитетного журнала Science, практически за пару-тройку дней совместными усилиями многочисленных западных СМИ стала первополосным хитом и неисчерпаемым источником для эффектных спекуляций и оптимистических сценариев скорого преображения Земли в энергетический рай.
Лабораторные эксперименты Носеры и Ко были по горячим следам провозглашены "открытием дороги для будущей водородной экономики", "важнейшим научным прорывом в использовании солнечной энергии", "первой успешной попыткой искусственной имитации фотосинтеза" (важнейшего природного процесса, благодаря которому растительные клетки накапливают солнечную энергию в виде различных углеводов), "приближением к солнечной нирване, о возможности которой мы так мечтали на протяжении многих лет". Германский химик Карстен Мейер из Университета Фридриха Александера причислил полученные американцами результаты ни хоть отбавляй ни чуть-чуть к "одним из самых важных открытий столетия в области исследований солнечной энергии", а его зачастую цитируемый английский коллега Джеймс Барбер (Имперский колледж Лондона) назвал работу Носеры и Кэнана "гигантским прыжком вперед по направлению к чистой безуглеродной энергетике будущего".
Но, пожалуй, сильнее всех прочих "зажег" обозреватель влиятельного U.S. News & World Report Джеймс Петокукис, написавший 4 августа в своей редакционной колонке, что "текущее падение цен на нефть(греч., или через турецкое neft, от персидск. нефт; восходит к аккадскому напатум — вспыхивать, воспламеняться) — горючая маслянистая жидкость, являющаяся смесью углеводородов, красно-коричневого, иногда почти чёрного цвета, хотя иногда встречается и слабо окрашенная в жёлто-зелёный цвет и даже бесцветная нефть, имеет специфический запах, распространена в осадочной оболочке Земли; одно из наиважнейших полезных ископаемых. ниже 120 долларов за баррель во многом является следствием появившихся недавно в прессе сообщений об открытии химиком MIT Дэниелом Носерой дешевого и простого способа получения водорода (выделено нами. - "Эксперт") из воды". Г-н Петокукис в этом месте погорячился как самое меньшее дважды: во-первых , он очевидно переоценил аналитическую смекалку биржевых спекулянтов, которые в своих действиях руководствуются куда больше примитивными сигналами и рефлексами, а во-вторых , идеально не разобрался с сутью научных изысканий американских ученых.
Впрочем, на фоне этих бурных восторгов не остались незамеченными и критические рецензии скептиков, в особенности бойко высказывавших свои сомнения в различных маргинальных интернет-блогах. Так, единственный из соотечественников Носеры озаглавил наш комментарий очень саркастически: "Наш ученый разделяет воду, спасает мир, становится звездой телевидения", в другом развернутом резюме отмечается, что "сделанное химиками MIT "великое открытие" не имеет реального практического выхода и ни в коей мере не будет содействовать быстрому прогрессу водородной энергетики".
Так что же на самом деле удалось сформировать Дэну Носере и Мэтью Кэнану в лаборатории MIT и так ли уж обоснованы хвалебные оценки мейнстримовского научпопа?
Кобальтовое прозрение
Носерой и его учеником была предложена новая перспективная методика водного электролиза - расщепления воды на кислород и водород при комнатной температуре, обычном атмосферном давлении, в нейтральной рН-среде и при помощи элементарного научного оборудования. Причем основным достижением американских химиков стало создание принципиально нового катализатора, существенно ускоряющего ход выделения кислорода на одном из двух электродов (аноде).
Химик из Массачусетского технологического института Дэниел Носера утверждает, что знает дорога к безуглеродной энергетике будущего
Фото: AP
Разработка эффективной технологии производства кислорода из воды - важнейшая (хотя, разумеется, и не главная) составная количество общего процесса водного электролиза. Что же касается его главной цели - водорода, тот, что выделяется на втором электроде (катоде), то, судя по комментариям самих создателей электролизера, они на данном этапе исследований вообще не ставили перед собой цели усовершенствовать технологию водородной составляющей. Аккурат в этом и содержится "второй ляпсус Петокукиса": новая методика Носеры и Кэнана нисколько не решает задачу более простого и дешевого получения из воды водорода, она сознательно заточена на простое и дешевое приобретение кислорода.
Вплоть до недавнего времени в качестве основного катализатора водного электролиза учеными использовалась очень дорогостоящая платина. Текущие биржевые цены на платину достигли заоблачных высот - без малого 2000 долларов за тройскую унцию, и, как нетрудно догадаться, ее дальнейшее активное употребление в этом процессе стало коммерчески неоправданным. На протяжении довольно длительного времени ученые-химики ломали голову над проблемой поиска более дешевой альтернативы этому металлу. В качестве одной из них рассматривался никель или более того нержавеющая сталь с высоким содержанием никеля (опыты с использованием никеля как катализатора продолжаются и сегодня).
Носера и его команда пошли по другому пути. Изобретенный ими альтернативный катализатор отчасти был найден самым распространенным посреди ученых-экспериментаторов методом, по-простому - методом научного тыка: Носера долгое миг экспериментировал с редкими металлами родием и иридием, получал на их основе что надо работающие катализаторы, но с коммерческой точки зрения дальнейшее употребление этих экзотических металлов (как и платины) было не излишне оправданным. В Периодической таблице элементов Менделеева родий и иридий стоят в одном столбце, то есть являются металлами со схожими свойствами, а ещё одной строчкой выше в том же столбце представлен кобальт, куда более доступный металл. Как раз кобальт стал тем элементом, применение которого позволило в итоге Носере обрести рецепт каталитической смеси.
Впрочем, для нужного эффекта кроме кобальта в растворе потребовалось наличие и других химических компонентов, в частности фосфата калия и, предположительно, "еще чего-то".
Судя по всему, точный состав катализатора держится Носерой и его коллегами в секрете. По крайней мере крайне показательно, что в описаниях различными западными СМИ содержимого "мензурки Носеры" на практике нельзя отыскать 100−процентного совпадения использованных учеными химических компонентов и соединений. И, что кроме того покуда вызывает полностью обоснованный скепсис, до сих пор невыясненным остается определенный агрегат протекания химических реакций в новом электролизере.
До фотосинтеза далеко
В описании авторов анод, сделанный из оксидов индия и олова, и платиновый катод помещались в раствор, содержащий ионы кобальта и соли фосфора. Под воздействием напряжения ионы кобальта и фосфат образовывали тонкую пленку на аноде: ионы CO2+ теряли электроны с образованием CO3+, который выпадал в осадок с фосфат-анионами. Вслед за тем дальнейшего окисления до ионов CO4+ пленочка катализатора отрывала электроны от воды, в результате чего образовывались атомы кислорода и протоны (H+). Дальше атомы кислорода собирались на поверхности пленки, и пузырьки кислородного газа поднимались вверх, а кобальт с анода восстанавливался до CO2+ и переходил в раствор, регенерируя катализатор. Параллельно протоны из раствора переносились фосфат-анионами к обычному платиновому катоду, на котором они присоединяли электроны с образованием молекулярного водорода.
Как полагает Дэн Носера, использование платиновых электродов для получения водорода в то время как еще совершенно технологически оправданно, тогда как для кислородной генерации они куда менее эффективны, так как "потребляют чрезмерно полно лишней энергии". Впрочем, по мнению Носеры, в недалеком будущем и на втором электроде (катоде) вместо платины будет применен прочий катализатор.
У предложенной Носерой и его коллегами электролитической схемы есть немаловажное достоинство - способность анодной пленки к регенерации (после отключения тока она заново растворяется в жидкости с образованием ионов Co2+), чего, скажем, нет даже у природного механизма разделения воды в растениях: "пептидное подразделение" листьев растений, отвечающее за получение кислорода, каждые тридцать минут вынуждено всецело обновляться.
В то же пора нередко используемое как самим Носерой, так и многими комментаторами его опытов соотнесение разработанного нового каталитического процесса с процессом природного фотосинтеза чуть-чуть ли следует признать корректным. На самом деле, в случае с природным фотосинтезом все работает намного сложнее. В частности, помимо светлого фотосинтеза существует еще и предваряющая его фаза темного фотосинтеза, помимо сходной начальной фазы, на которой растениями также вырабатывается кислород и водород; в дальнейшем полученный водород (кстати, водород в твердой фазе, а не в газообразной, как в технологии искусственного электролиза), комбинируясь с СО2, образует в листьях различные углеводные производные (сахара, крахмалы) и т. д. Иными словами, храбрые претензии Носеры на искусственное воссоздание процесса природного фотосинтеза при помощи простенького лабораторного электролизера пока не выдерживают серьезной критики.
Ждем солнечную экономику
Разработанный Носерой свежий электролизер, по идее его создателя, может быть объединен в единое целое с солнечной батареей (фотогальваническим элементом) - то есть пропускаемый по электродам ток в идеале вырабатывается благодаря преобразованию солнечной энергии фотогальваническими элементами (альтернативный вариант - ветряные турбины или еще что-нибудь экологически чистое).
В свою очередность образующиеся в электролизере свободные водород и кислород могут после этого нарочно подводиться к топливному элементу, сохраняющему в ночное час наработанное электричество и обеспечивающему обратное превращение водорода и кислорода в воду. Иными словами, американский химик на базе своей разработки предлагает создание немалый замкнутой системы "солнечная энергия - фотогальванические элементы - электрический ток - водный электролиз - топливные элементы - вода". В частности, Дэн Носера серьезно надеется, что уже сквозь десять лет всякий домовладелец (по крайней мере в США) сможет применять разработанную им технологию для автономного обеспечения своего жилища энергией без подключения к энергосетям: днем посредством солнечных батарей, а ночью благодаря сохраненному топливными элементами электричеству.
Вообще же, по его мнению, в долгосрочном плане именно влага (разделяемая на водород и кислород) в сочетании с солнечным светом должна сделаться главным источником возобновляемой энергии. В одном из своих недавних беседа он представил таковый сценарий энергетического будущего мировой экономики: "В среднесрочной перспективе (в ближайшие нескольких десятилетий), безусловно, необходимо использовать все имеющиеся на ныне альтернативные энерготехнологии - биотопливо, ядерное топливо, геотермальные источники, энергию ветра и приливных волн. Но как только нам удастся спроектировать экономически результативные технологии использования солнечной энергии, по всей видимости, именно она станет основой мировой электроэнергетики. Причем я полагаю, что научная доля задачи - создание конкурентоспособных новых технологий и материалов, обеспечивающих эффективную переработку и хранение солнечной энергии, - будет решена в течение ближайших двадцати лет. Впрочем, этого, конечно, будет недостаточно: далее все упрется в вопрос, сколь резво человечество сможет осуществить масштабную перестройку экономики под солнечную энергетику. На тот самый период уйдет, скорее всего, еще лет десять-двадцать. Итого, полагаю, общественный переход на солнечную энергетику может сотвориться приблизительно посредством сорок лет".
Однако подобные оптимистические прогнозы нынче чуть ли разрешается отнести к числу мейнстримовских. Более сдержанные в своих оценках аналитики высказывают серьезные сомнения сравнительно скорого победного марша солнечно-водородной энергетики. В частности, многие из них отмечают, что переход от концентрированных и легкотранспортируемых источников топлива (прежде всего конвертированной в бензинсмесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °С. Плотность около 0,7 г/см3. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг. Горючая жидкость. и дизельное топливо нефти) к нестабильной комбинации "солнечная энергия - водород" (безопасная транспортировка последнего до сих пор вызывает технические проблемы) чреват чрезвычайно непредсказуемыми экономическими последствиями, в том числе связанными с серьезными инфраструктурными издержками.
В погоне за грантом
К сожалению, заполучить развернутые комментарии относительно перспектив использования электролизера Носеры у спешно опрошенных крупнейших российских специалистов по водородной энергетике и технологии создания топливных элементов из Института катализа СО РАН и Института теплофизики СО РАН (Новосибирск) нам не удалось - маститые эксперты затруднились одаривать какие-либо оценки, не имея перед глазами самого текста статьи Носеры и Кэнана в Science.
По словам согласившегося на невеликий комментарий научного сотрудника кафедры молекулярной физики физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова Кирилла Кучкина, "чтобы изъясняться о преимуществах или недостатках этого процесса по сравнению с уже существующими, необходимо в первую голову раскумекать его энергетический и химический баланс. Как температура и мощь тока влияют на сам процесс, как температура и давление влияют на его интенсивность, наконец, какова вообще прыть электролиза? Пока имеющейся открытой информации по этим ключевым моментам сильно мало, потому я воздержусь от каких-либо оценочных комментариев". В то же период г-н Кучкин осмотрительно предположил, что "такой методика производства электроэнергии, по-видимому , будет эффективным для распределенной генерации (то есть снабжения частных домохозяйств), но его вряд ли позволительно будет использовать для индустриальных крупнотоннажных производств".
В целом следует признать, что пока заявленные Носерой и его соратниками научные результаты, а одинаково и претензии на быструю коммерческую реализацию разработки вызывают сверх меры полно вопросов и сомнений. Причем помимо многочисленных недоговорок самих американских исследователей обращает на себя участливость и достаточно странное совпадение между официальным выходом 31 июля их статьи в Science и получением буквально через три дня нового гранта от спонсирующего исследования Национального научного фонда США (NSF) на 20 млн долларов.
