Порошок железа заменит бензин

Результаты исследования группы из канадского Университета Макгилла под руководством Джеффри Бергторсона («Applied Energy», 2015, 160, 368-382, doi: 10.1016/j.apenergy.2015.09.037) позволяют предположить, что порошки металлов, полученные с применением чистых источников энергии, станут более вероятной заменой нефти и газу, чем водород, биотопливо или аккумуляторы.

Технологии, позволяющие получить «чистое электричество», — солнечные и ветряные электростанции, — развиваются очень активно, и мы уже можем прикидывать, как использовать их для решения тех задач, которые сейчас решают за счет сжигания углеводородов. В настоящий момент солнечную и ветряную энергии планируют применять для получения биотоплива или водорода, а они, в свою очередь, могут служить топливом для двигателей внутреннего сгорания либо для производства электричества, способного приводить в действие двигатели автомобилей.

Как отмечает Джеффри Бергторсон, все виды топлива, которые рассматривают как альтернативу нефти и газу, имеют какие-то минусы. Биотопливо может стать лишь частичным решением проблемы, для водородного нужны громоздкие и тяжелые топливные баки, к тому же способность водорода образовывать гремучие смеси общеизвестна. Аккумуляторы электроэнергии также не слишком компактны, и они не в состоянии запасти достаточно энергии для некоторых технологий.

Идея сжигания порошкообразных металлов не нова — например, их уже давно включают в пиротехнические составы. С середины ХХ века порошки металлов нашли применение в твердотопливных ускорителях ракет и космических кораблей. Понятно, что горящий порошок металла нельзя использовать в привычных нам двигателях внутреннего сгорания, но кроме них есть и двигатели внешнего сгорания — работающие по принципу топки паровозов, те, в которых подогревается вода в котле.

В последнее столетие было получено большое количество данных о химии горения нефти и альтернативных видов топлива, однако исследований, посвященных химии горения металла и свойствам пламени горящего металла, практически нет.

Идея Бергторсона — использовать металлический порошок в двигателях внешнего сгорания. Порошок металла, сгорев, превратится в твердые малотоксичные оксиды, которые куда проще собрать для повторного использования, чем углекислый газ, образующийся при горении нефтепродуктов или природного газа. Регенерировать это топливо будущего, восстановив оксид до металла, можно с помощью чистой электрической энергии, которую выработают солнечные батареи, турбины ветряных электростанций или приливы с отливами.

Исследователи показали, что с помощью специально сконструированной горелки пламя можно стабилизировать в потоке крошечных частиц металла, суспендированного в воздухе. Как написано в статье, пламя металлических порошков «кажется очень похожим» на пламя горящего углеводорода. Исследование показывает, что применение металлов для двигателей внешнего сгорания вполне возможно, поэтому банальное железо может стать топливом будущего для таких силовых установок. Ежегодно металлургия производит миллионы тонн порошков железа, да и способ регенерации этого металла из оксидов известен человечеству примерно четыре тысячи лет.

Дело за малым — подкрепить сухие теоретические выкладки экспериментальным доказательством. Бергторсон уже собирается проверить свою идею, сконструировав агрегат, в котором горелка, сжигающая железо, была бы объединена с тепловым двигателем.

Стабилизированное пламя метана (слева) и порошков разных металлов, горящих на воздухе