Занимательно об энергетике
Шрифт:
Поначалу столь успешный опыт был заранее обречен на неудачу: при таких высоких температурах происходило быстрое окисление угольного стерженька, получающаяся при этом углекислота карбонизировала электролит (щелочь NaOH превращалась в соль Na2СО3), делала электролит непригодным для нормального функционирования элемента.
И все же изобретатели не сдавались. В то время у топливного элемента, казалось, были реальные шансы занять свое почетное место в энергетике. Ведь в отличие от паровой машины они могли непосредственно генерировать электрический ток.
Пессимизм Баура
Вопрос стоял остро. Шла конкурентная борьба между различными способами получения столь желанного электричества. Источником энергии (тут мнения тогда не расходились) должен был быть дешевый уголь. Но извлекать из него химическую
Первый путь — о нем мы уже много говорили — это топливные элементы. Но был и второй путь, в отличие от первого окольный, многоступенчатый (он успешно практикуется и до сего дня). Это путь прямого сжигания топлива, то, что сейчас называется тепловой станцией.
Тепловые станции возникли не за один день. Это длинная цепочка процессов: сожгли уголь — нагретый пар приводит в действие лопасти паровой турбины (или толкает поршень паровой машины), а уж ее механическая энергия, в свою очередь, побуждает к работе электрический генератор. Вот этой-то последней стадии лет этак сто назад не было и в помине. И здесь-то для топливных элементов и был тот самый шанс, о котором мы упоминали выше.
Но времена менялись. Еще в 1830-х годах Фарадей показал, как можно продуцировать электричество при помощи механического движения проводника, пересекающего силовые линии магнитного поля. В таком «электрическом генераторе», или «динамо», кинетическая энергия движения превращалась в электрическую. И это могло стать хорошим дополнением к паровой машине. Дело стало за достаточно мощным магнитом, ибо чем интенсивнее силовые линии магнитного поля, тем больше возникающий в проводнике ток.
И эта техническая задача была вскоре решена.
В 1831 году Генри создал крошку электромагнит, который тем не менее мог поднять целую тонну железа!
Дальнейшие события не заставили себя долго ждать. В 1872 году немецкий электротехник Ф. фон Хефнер-Альтенек (1845—1904), ведущий конструктор и главный инженер фирмы «Сименс и Гальске», сконструировал первый эффективно действующий генератор постоянного тока. То был для сторонников, поборников электрохимического способа получения энергии Си для топливных элементов, делающих лишь первые робкие шаги) сокрушительный удар. Вскоре за ним последовал другой, не менее внушительный
Второй нокдаун топливному элементу нанесли двигатели внутреннего сгорания. Интересно поразмыслить над тем, как выглядела бы сегодня энергетика, если бы на рубеже XX века двигатели внутреннего сгорания развивались, бы не столь стремительно, как это было в действительности. Возможно, уже давно бы по дорогам планеты бегали бесшумные, экономичные, не загрязняющие атмосферу электромобили, получающие энергию от топливных элементов...
Динамомашина торжествовала. Новый способ обладал неоспоримым преимуществом: он позволил в широких масштабах начать быстрое внедрение электроэнергии в промышленность и быт. Усилия ученых и инженеров были всецело направлены на развитие этого метода. Топливными же элементами продолжали заниматься только «чудаки». Для электрохимиков эти устройства вообще превратились в нечто вроде «пугала» — столько усилий и такие скромные плоды. Но так, исподволь, трудами многих поколений скромных подвижников идеи топливного элемента, ее рядовых солдат, незаметно, по капелькам, по кирпичику закладывался фундамент последующих успехов.
Типична фигура швейцарского исследователя Э. Баура, отдавшего проблеме топливного элемента 40 лет своей жизни. Баур понимал стоявшие перед ним трудности. Он писал: «Как свинцовый, так и железо- (или кадмиево-) никелевый аккумулятор потребовали долгих лет для своего оформления. Поэтому нельзя ожидать, что для создания топливных элементов потребуются незначительные усилия...»
И все же (слаб человек!) к концу своей жизни Баур приходит к пессимистическим выводам. Отдав делу 40 лет труда, он заявляет публично: использовать топливные элементы невозможно. Его горькие слова — естественное следствие объективных трудностей, мешавших осуществлению мечты о топливных элементах. Поразительно другое: тут есть и некоторая вина самого Оствальда, человека, так много сделавшего для научного рекламирования проблемы. Он ведь ратовал за топливный элемент, в котором бы происходило сжигание угля! Вдохновленные его призывом, исследователипрежде всего обратились именно к этой проблеме. Однако
Как это ни удивительно на первый взгляд, но согласно законам термодинамики печь должна гореть тем лучше, чем она холоднее. Ибо, утверждают химики, равно весие реакции С + О2 = СО2 — сжигание углерода в кислороде — при этом сдвигается в правую сторону. Однако простой опыт — количество угля при хранении на складах явно не убывает — убеждает: при низких температурах все идет муравьиным шагом. Так и получается, что термодинамика говорит «да», а кинетика этого процесса отвечает «нет». И побеждает второе: уголь горит хорошо лишь при температурах примерно 1000 градусов (по Цельсию). Баур (и другие имярек) по рецепту Оствальда и делали ставку на уголь и высокие температуры. Но здесь их ждали неприятные сюрпризы. Высокие температуры вызывали сильную коррозию электродов и других деталей топливных элементов — элементы оказывались недолговечными. Кроме того, на искусственное поддержание таких температур тратилась львиная доля электроэнергии, снимаемой с топливного элемента. Овчинка не стоила выделки! Так и получилось, что многие исследователи и изобретатели «сломали себе шею», доверившись рекомендациям Оствальда. Но не только в этом было дело. Сейчас, оглядываясь назад, видно, что Нернст и Оствальд слишком далеко опередили свое время. Тогда не было еще ни теоретических, ни экспериментальных, ни технологических средств решения этой большой задачи. Недоставало многого — детальных знаний по катализу (они сейчас есть благодаря развитию химической промышленности), современных материалов (металлов, пластмасс), не было знания квантовой теории (ее разработка была начата Планком двумя десятилетиями позже выступления Оствальда) и так далее. Какими бы гениальными ни были изобретатели времен Оствальда, они не могли справиться с проблемой, стоящей на стыке нескольких областей знания, задачей, требующей организации совместной работы ученых разных специальностей — электрохимиков, физиков, математиков, специалистов по электронике, пластмассам, химической технологии, электротехники. Всему этому — новому стилю работы — научились позже: при работе над атомными и космическими проектами. Как бы предчувствуя все трудности, Оствальд недаром назвал проблему топливного элемента «философским камнем электрохимии».
Замкнутый круг
Но время работало на топливные элементы. Прошли 30-е годы нашего века. Техника требовала все новых и новых типов автономных электрохимических источников тока. Поэтому накануне второй мировой войны исследователи вновь обратились к простейшему топливному элементу — водородно-кислородному.
Весомую лепту в разработку и создание таких топливных элементов внесли и советские исследователи.
...Я держу в руках старый журнал «Советская наука». Март 1941 года. Этот журнал (так же, видимо, как и государственное издательство «Советская наука»), созданный в 1941-м, просуществовал лишь четыре месяца — началась война.
В мартовском номере было опубликовано постановление Совета Народных Комиссаров Союза ССР о Государственных премиях. В разделе «За выдающиеся изобретения» премии третьей степени (25 тысяч рублей) был среди прочих удостоен и П. Спиридонов, научный сотрудник физико-химического института имени Л. Я. Карпова. Награжден за изобретение нового типа элемента воздушной деполяризации — так говорилось в постановлении. Фактически же тут речь шла все о том же топливном элементе...
В СССР этими работами начали заниматься совсем недавно. Но успехи уже были, и немалые. В институте имени Карпова в лаборатории академика А. Фрумкина работала группа «Новых источников тока». Руководил ею инженер П. Спиридонов.
Было бы слишком сложно излагать суть работ П. Спиридонова. Важно другое. Его работы уже показывали реальную возможность практического использования топливных элементов (во всяком случае, водород-нокислородного варианта). Элементы Спиридонова, созданные в 1939—1941 годах, имели значительную плотность тока — 30 миллиампер с квадратного сантиметра поверхности электродов. Эти значения были для того времени довольно высокими (сейчас удается получать токи в десятки-сотни раз больше) и в противовес пессимистическим взглядам Баура показывали перспективность дальнейших изысканий в этом направлении.