В условиях разразившегося в последние годы энергетического кризиса, а также активизировавшейся борьбы за уменьшение выбросов СО2 в атмосферу, ряд стран начали вести активные поиски нового экологически чистого топлива. И в этом контексте в последнее время стало появляться все большее число изысканий, где предметом исследований стал металлический порошок.
Так, исследователи из Лувенского католического университета (UCLouvain – расположен в Лувен-ла-Нев в Валонии, в 30 км к юго-востоку от Брюсселя) исследуют возможность использования железного порошка в качестве топлива. Железо - самый распространенный металл на Земле, не выделяющий при горении углекислый газ. “Поскольку в железе нет углерода, у нас нет выделяемого CO2», - объясняет Закари Брюйр, исследователь UCLouvain. При сгорании железного порошка выделяется энергия, содержащаяся в руде, и тепло, которое может приводить в действие турбины, вырабатывать электроэнергию. Когда железо сгорает, оно превращается в оксид железа, другими словами - в ржавчину. Затем, используя имеющиеся уже технологии, эту ржавчину можно превратить обратно в железный порошок. Потенциально бесконечный цикл. “Кажется, что каждый раз мы извлекаем один и тот же порошок, потому что каждый раз, когда мы его сжигаем, он восстанавливается в виде оксида железа, но это то, что все еще изучается», - уточняет исследователь Лорин Чойз.
Сегодня имеется ряд технологий по использованию экологически чистой энергии. В частности, накапливанию солнечной энергии, или энергии ветров. Водород также обладает очень хорошими свойствами, но имеет тот недостаток, что его трудно хранить и транспортировать. С железом все наоборот: «его можно легко хранить в течение более длительного периода времени, а также очень легко транспортировать“, - уточняет Закари Брюйр.
Испытания железного порошка в качестве источника энергии на промышленном уровне уже проводят в Нидерландах. Голландские исследователи из Технологического университета Эйндховена еще в октябре 2020 года установили первый демонстрационный промышленный нагреватель на основе железного порошка на национальной пивоварне, входящей в группу Swinkels Family Brewers, где он обеспечивает подачу тепла для производства примерно 15 миллионов кружек пива в год. Новый источник тепла обогрел 500 домов недалеко от Эйндховена. Он показал стабильность топлива, способного выделять большое количество тепла без выделения CO2.
Другие исследования металлического порошка в качестве источника энергии происходят с магнием.
Магний является одним из самых распространенных минералов в земной коре. В порошкообразной форме он представляет собой легко транспортируемое и, прежде всего, возобновляемое топливо: твердые оксиды металлов, образующиеся при сгорании, могут быть переработаны. «Это одно из больших преимуществ по сравнению с водородом и биотопливом», - подчеркивает доктор технических наук Дрисс Лараки, чья исследовательская работа была сосредоточена на разработке этого инновационного двигателя (полное интервью Дрисса Лараки на сайте Science & Life).
Порошок магния, серый перед сжиганием, немного тоньше песка, и получается путем предварительного измельчения металла. В отличие от бензина или дизельного топлива, для него требуется двигатель, камера сгорания которого находится за пределами поршневой камеры, чтобы избежать засорения цилиндра образующимися частицами. Примером такого двигателя внешнего сгорания является двигатель Стирлинга (названный в честь его изобретателя). Принцип прост: камера сгорания предназначена для удержания магниевого пламени так, чтобы извлекать из него выделяющиеся частицы и горячие газы. Это сгорание происходит за счет нагрева инертного газа в поршневой камере, который не находится в прямом контакте с пламенем (в отличие от «взрывных двигателей»). Под действием тепла газ расширяется и приводит в действие промежуточный поршень, который перемещается в цилиндре, а тот, в свою очередь, приводит в действие поршень двигателя.
При сгорании образующиеся оксиды металлов (все твердые) удаляются с помощью системы фильтрации. Последние перерабатываются на станции, работающей на возобновляемой энергии: молекулы оксида MgO расщепляются электролизом, чтобы получить с одной стороны магний, а с другой кислород (который выделяется в воздух). Таким образом, порошок почти полностью пригоден для вторичной переработки. «Если общий коэффициент полезного действия при переработке составляет 99%, то одну и ту же массу топлива можно использовать повторно 100 раз. Если КПД составит 99,9%, это будет в 1000 раз больше», - уточняют исследователи. Таким образом, топливо может быть переработано большое количество раз, прежде чем для его пополнения потребуется извлечь магний из почвы или соленой воды.
Основная ценность этого вида топлива, несомненно, заключается в его возобновляемости. Повторный цикл переработки позволяет избежать чрезмерной добычи полезных ископаемых для извлечения металла. Кроме того, порошок магния не выделяет CO2 при сжигании. Выделяется диазот, оксиды азота, количество которых не превышает экологических норм, и немного кислорода, который не вступил в реакцию. В отличие от полностью электрического автомобиля, он обеспечивает запас хода, сопоставимый с запасом хода бензинового или дизельного двигателя. И в отличие от водорода, который требует сжатия до 700 бар, порошок магния без особых усилий занимает объем, эквивалентный бензину или дизельному топливу в баке.
Наконец, заявляют исследователи, это топливо представляет собой косвенное средство хранения солнечной энергии: поскольку станции по переработке оксидов металлов работают от солнечных батарей или ветряных турбин, полученный порошок косвенно представляет собой «запас чистой энергии».
На данном этапе исследований эту технологию еще предстоит доработать, и скорость ее развития будет зависеть от того, насколько она станет привлекательой для энергетических и институциональных игроков в ближайшие годы. «Первая задача - создать комплексную систему фильтрации, позволяющую улавливать твердые частицы для их переработки», - говорит Дрисс Лараки, который проводит первые исследования прототипа для автомобильного применения в лаборатории управления рисками и окружающей среды в Мюлузе. Задача двоякая: отфильтровать как можно больше частиц в минимально возможном пространстве. «Мы работаем над фильтрацией, аналогичной фильтрации в некоторых пылесосах циклонного типа: поток очень быстро вращается внутри системы, позволяя оксидам оседать на дне резервуара", - рассказывает инженер. На сегодняшний день удерживается 98% твердых частиц. Теперь задача состоит в том, чтобы успешно охватить эти последние два процента…
Как заявляют исследователи, автомобиль, работающий на магниевом порошке, сможет «заправляться» на обычной станции, работающей с магнием. Можно представить, что один шланг впрыскивает металлический порошок в машину, в то время как другой всасывает оксиды металлов, которые будут храниться на станции. Затем они будут доставлены (грузовиками с магнием) на заводы по переработке электролизом, работающие на возобновляемых источниках энергии, прежде чем вернуться на станции в виде металлического порошка. Тем не менее, необходимо создать эту инфраструктуру. « Мы могли бы очень хорошо интегрировать запасы порошка с существующими заправочными станциями», - предлагает исследователь.
Что касается объема, то, в зависимости от автомобиля, для транспортного средства должно быть достаточно от 40 до 60 литров: эквивалент заправки бензином или дизельным топливом. «Поскольку магний не является редким металлом, предполагается, что он будет стоить не дороже, чем полный бак бензина, и намного дешевле, чем водород», - говорит специалист. Однако этот параметр трудно точно определить, пока технология еще не введена в обращение.
Исследователи заявляют, что первые автомобили, работающие на магнии, могут появиться уже через 10 лет. Но все будет зависеть от финансовой и технологической заинтересованности промышленников и пользователей в этом новом топливе.
