ДИАФРАГМА

             Н₂          О₂

Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в  том числе возможность реакций между атомами дейтерия (изотоп водорода).                               

    В результате получается атомы трития и протия - изо­топы водорода. К такой реакции неприменим закон сохранения массы,  каким его представляла старая химия - в результате реак­ции получается недостача:

2x2.014102-1.007825-3.016049=0.00433Г

Это немалая недостача, она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реак­ция между двумя молями тяжелого водорода, то согласно уравнению Эйнштейна E=   mc² можно было бы получить энер­гию:

     0.00433x(3x10¹⁰)²Дж=3.9x10¹¹Дж                                                       

Это немалая энергия. В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много, ни мало  13,5 т первосортного угля.

Между тем в соответствии с уравнением  ядерной реак­ции такую энергию можно получить при затрате всего лишь 120, 6 кг. Что же мешает получать энергию из воды?

 Чтобы атомы могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнутся, то есть сблизится до расстояния, начи­ная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электрическое отталкивание - примерно 10^-14м.

    Но ядра атомов защищены своими электронными оболочками. Это оболочки простираются на расстояния  в десятки тысяч раз больше.  А  самое главное - ядра заряжены и отталки­ваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия (в джоулях) двух ядер, на расстояние 10^-14м, должна быть равна:

            10^-14                                                     

если между собой сталкиваются элементы с атомными но­мерами Z₁ и Z₂ .

Можно найти и скорость, с которой должны столк­нуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция:

                          Z₁xZ₂

       V = 5.3x10⁸x

                           A

У дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2, следовательно, скорость атомов должна быть: V = 3,8 x     10⁶ м/с  или 3800 км/с, что в 475 раз больше 1-ой кос­мической скорости. При обычной температуре физикам из­вестна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 м /с. При комнатной температуре, равной примерно 239 К, кинетическая энер­гия молекул возрастает пропорционально термодинамиче­ской температуре, или, что то же самое, пропорцио­нально квадрату скоро­сти. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до темпе­ратуры:

                   3800²

           Т = 293 х       К = 1,2 х 10⁹  К                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           

                      1,9²                                           

Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия «нагретые» до температуры свыше миллиарда Кельвинов. Вот в этом то и заключается до­вольно серьезное затруднение для истинных героев науки - физиков.   

Весьма заманчива своей дешевизной оказалась идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в каче­стве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта горения воду.

Американские исследователи Университета штата Окла­хома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажига­ния. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота со­держится лишь в незначительных количествах.

Однако широкому применению водорода в качестве авто­мобильного топлива препятствует немало проблем, и са­мая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло кон­структоров на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно под­держивать в баллоне температуру -253⁰С. Применять со­суды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конст­рукторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испаре­ние не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном авто­мобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое реше­ние: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) ­снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.

Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя по­высился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топ­ливными системами.

По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.

Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и ис­следованию космического пространства проводила испыта­ния двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топ­ливе.

Есть еще одно важное соединение водорода - это пере­кись водорода, которая применяется для двигателей под­водных лодок, ракетных двигателей, в том числе и та­ких, которые могут поместиться в ранце за спиной чело­века.

                                                     На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-произ­водственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомо­билях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на не­сколько процентов количество этих ядов. Даже если пе­ревести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3-10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка - на бензине. Это кажется просто невероятным.

Тем не менее «Фордигаз» убедился в этом на опыте. Топливная система была установлена не на автомобиле, а на двигателе для мобильной электростанции мощностью 4 киловатта. 14 человек проходили испытания в комнате площадью 20 квадратных метров. Окна в ней были за­крыты, а выхлопная труба выходила прямо в помещение. И вот мы залили в бак бензин, включили двигатель.

Двигатель работал на полную мощность целый час, но присутствующие не испытывали особых неудобств. Только стало жарко, но воздух был совершенно чистым. А газо­анализатор «Инфолит», сделанный в Германии, показал нулевое содержание вредных веществ в выхлопных газах. Когда сняли топливную систему и двигатель стал рабо­тать в обычном режиме, дым быстро наполнил комнату. Через 4 минуты присутствующие чуть не задохнулись.

А чудо объяснялось просто. Топливная система обеспе­чивала идеальное перемешивание воздуха с бензином, в результате он сгорал полностью - из выхлопной трубы вылетали только пары воды и углекислый газ.

     Сначала жидкое топливо превращается потоком воздуха в аэрозоль. Он увлажняет специальную ткань, а с нее воздух срывает уже не капельки, а отдельные молекулы бензина. В результате жидкое топливо превращается в газообразное, и в таком состоянии поступает в специ­альный смеситель. Там к горючему добавляют строго оп­ределенную порцию воздуха и хорошо их перемешивают. Особые устройства поддерживают оптимальное соотношение молекул кислорода и углеводов на протяжении всей ра­боты двигателя - в результате топливо сгорает без ос­татка.

     Водители знают, что обычный двигатель дает 7-8% окиси углерода в выхлопных газах, в лучшем случае (если хорошо отрегулировать) до 2%. Но испытания пер­вого двигателя с топливной системой показали, что содержание окиси углерода составило 8 сотых долей про­цента.

     Это устройство величиной чуть больше стакана. Воздух и горючее проходят в нем по изогнутым каналам, которые лихо закручивают и перемешивают эту смесь, делая ее максимально однородной. И такая хитрая операция дает удивительный эффект.

     Расход горючего снизился 20%. Но главное - количе­ство токсичных выбросов в атмосферы уменьшилось в 3 раза.

     Давно известно, что задымление атмосферы вызывает парниковый эффект, из-за которого теплеет климат, тают ледники, затопляется суша, задыхаются люди. Наибольший вклад в эти разрушения вносит углекислый газ. Поэтому стала полной неожиданностью идея, родившаяся в инсти­туте горючих ископаемых: использовать углекислый газ для борьбы с парниковым эффектом. Извлекая газ из дыма, и пропуская через воду с катализатором, можно получать нечто подобное нефти. При этом выделится много кисло­рода.

     На ощупь, по цвету и запаху эта жидкость напоминала настоящую нефть. Ее создатель академик АН Белоруссии заслуженный профессор Ярослав Паушкин подтвердил сход­ство результатами ее исследований - спектрометриче­ским, рентгенографическими, хроматографифеским и другими методами.    

     Облучая ультрафиолетом, раствор углекислого газа в воде, ученые получали ничтожное количество простых ор­ганических веществ. А Паушкин в Институте синтезировал сложные углеводороды и в больших количествах. То есть смоделировал некий эквивалент биосинтеза, который идет в искусственных условиях.

     Идею этого эксперимента подсказали ему растения. Ка­ждый знает, что под действием солнечных лучей в расте­ниях из воды и углекислого газа образуются органиче­ские вещества. Но как? Для того чтобы соединить угле­род с водородом, нужно отщепить эти элементы от моле­кул исходных веществ. Люди делают это путем разложения воды электролизом. Но растения делают это намного тоньше.

     Ученый взял обыкновенную воду, размешал в ней питье­вую соду и  металлический порошок, нагрел до 40⁰С. Тут вода бурно закипела и стала темнеть, превращаясь в ве­щества, подобные нефти.

Однако, это не такой способ получения органических веществ, как в растениях. В лаборатории смоделировали лишь похожую установку. Но почти такие же процессы мо­гут идти под землей, когда получается нефть.

Для опытов использовали углекислоту - «сухой лед» или питьевую соду - соединение углекислого газа. Но, по мнению Паушкина, можно разработать установку, кото­рая будет извлекать углекислый газ из дыма промышлен­ных предприятий, и тут же насыщать им воду с катализа­торами. При этом надо удалять «побочный продукт» неф­тяного производства - кислород, иначе пойдет обратная реакция.

Вот такие проекты сейчас разрабатываются, и надеюсь, за ними последует еще не один проект, еще  более совершенный, чем нынешние.