Матеріал опубліковано в рамках конкурсу Tech Today Awards
Чому автомобілі на водню – це зовсім не фантастика та як українські вчені, незважаючи на всі перешкоди, допомагають прирівняти їх до бензинових аналогів
Щоб потрапити в Інститут металофізики ім. Курдюмова треба подолати імпозантну жінку із локонами Мерилін Монро, яка тут працює охоронцем. Я чекаю у холодному пропускному пункті і замерзаю, бо не очікував сьогодні такої низької температури. Сподіваюсь швидше зустрітися з кандидатом наук Володимиром Дехтяренком, переможцем цьогорічного конкурсу «Science – Society – Personality» (Наука–Суспільство–Особистість).
Я прийшов сюди поговорити про водень, «паливо майбутнього», технологіями зберіганням якого Володимир Анатолійович займається довгі роки. У багатьох країнах світу дослідження з водневої енергетики є пріоритетними напрямами розвитку науки. Вони забезпечуються фінансовою підтримкою і держави, і бізнесових структур. Основною метою розвитку водневих технологій є зниження залежності від традиційних енергоносіїв – нафти, газу і вугілля.
Ми проходимо кілька корпусів. «Тут колись був окремий спортзал для працівників», ? показує мені Дехтяренко на одноповерхове приміщення, яке найімовірніше зараз слугує складом. – А поряд було невелике спортполе». Я дивлюсь на зарослі на місці цього зовсім не спортивного поля і розумію, що розмова буде непроста.
Заходимо в один з корпусів, тепліше не стає. У лабораторії Дехтяренка зустрічаю друкарську машинку, старий монітор на півстолу, якусь апаратуру довкола столу, магніт з дротами на настільній лампі. «Куртку краще не скидайте, тут холодно», ? каже Володимир і заварює мені чай.
– Я навчався у КПІ. Закінчив у 2006 році магістратуру і був переведений на інженерну посаду в Інститут металофізики. Тут я вступив в аспірантуру, у 2012-му отримав диплом кандидата технічних наук. Цьогоріч– десять років, як тут працюю. У відділі мені запропонували три напрями: водень, рентген, хром.
– Чому зацікавились саме воднем?
– Воднева тематика завжди актуальна. Усі ж опалюють житло і користуються переважно газом – метаном і пропаном. Їздимо на бензині. Це все невідновлювальні джерела енергії. До того ж, сполуці метану CH3 згорає тільки водень, а вуглець з’єднується з киснем і ми забруднюємо атмосферу. Назад поєднати СО2 з воднем дуже важко.
Коли ж ми спалюємо водень, то маємо звичайну воду. Для отримання самого водню можна воду розкласти за допомогою різних методів. Найчастіше це електроліз.
– Але такий метод недешевий.
– Звісно, всі нові методи недешеві. Проте, якщо рахувати, скільки потрібно витратити, щоб добувати метан з 2-3 кілометрів з-під землі і потім його транспортувати, це теж недешево. Отже, розклавши воду ми отримуємо кисень і водень. Випустивши кисень в атмосферу, ми її навпаки очищуємо. Зрештою, можемо у бак автомобіля заливати просто воду. У Японії вже створений автомобіль, який працює на воді. Але ця вода дуже чиста, майже Н2О без інших домішок. Поки що вона коштує 10 центів за літр, тобто на гривні – 2,50.
? А якщо замкнути цикл і воду, яка виходить, подавати знову у мотор?
? Вона буде вже не така чиста (адже у нас повітря теж із домішками)і двигун швидко вийде з ладу. Але це нинішні двигуни. Можливо, згодом і вдасться зробити їх для води будь-якої якості.
– Перспектива прекрасна, проте скільки можна на цій воді проїхати?
– Все залежить від бака, який вам поставлять. Зараз заправитись такою водою можна лише у Японії. Але те, що сьогодні взагалі існує машина на воді – вже велике досягнення.
? Є ж машини на чистому водні…
? Так, перші були на водні, але комбіновані. Спочатку – бензин і водень. Тут водень йшов як добавка, щоб зменшити витрати бензину. Падали вони на 30% і зменшувалось, відповідно, забруднення атмосфери. Зараз немало машин і на чистому водні, але вони в основному акумульовані у США, Японії та трохи у Європі.
? Інфраструктура дорога?
? Так, утім тут ще відіграють роль стереотипи. Люди звикли до думки, що водень вкрай вибухонебезпечний. І до того ж це друге покоління авто були теж комбіновані: на їхньому дні лежали водневі акумулятори, а під заднім сидінням пасажирів був ще газовий балон, якого усі боялись.
– Навіщо така система?
– Акумулятор водневий, якими я і займаюсь, ? це в основному метал чи композит, де водень перебуває всередині матеріалу.
Якщо його почати підігрівати– буде виділятись водень. Проте є таке поняття як дифузія. Швидкість виділення водню і кількість достатня, щоб машина їхала близько 80 км/год. Для того, щоб їхати швидше, і був поставлений балон, тому що з нього водень подавати набагато простіше. Також збільшили і пробіг авто – до 650 км. Але такий балон – це, по-суті, вибухівка. Саме тому і взялися за вдосконалення технологіїакумуляторів. Мало того, що це значно безпечніше, так в таких матеріалах – металах – можна запасти водню в рази більше, ніж просто у балонах!
Взагалі, технологією сорбації водню металами займаються більше ста років. Перші роботи були проведені ще 1910 року. Постійно відкривають нові матеріали, які краще поглинають і віддають водень. Розвинені країни ставлять постійно нову планку характеристикам таких матеріалів, приміром, вони повинні поглинати водень при кімнатній температурі, а віддавати при 100 градусах тощо.
? А як реагує метал на постійне накачування і викачування водню?
? Він деградує, але якщо водень буде досить чистий, то метал витримує 5 тисяч циклів…Ми дійшли до третього покоління автомобілів, яке має прямо всередині обладнання, що розділяє воду на кисень і водень. За рахунок цього машина стала дорожчою. У Японії – це 60 тисяч доларів. Але держава компенсує 15 тисяч, оскільки такі громадяни зберігають навколишнє середовище. Утім їздити на подібній машині можна в радіусі 200 кілометрів від заправки. Тому поки, за відсутності інфраструктури, вважати це масовим продуктом не можна.
? Я бачив експерименти, коли навіть звичайний мотор від машини підключають до водневого балону, і він працював.
? А чому ні? Питання, як довго мотор на ньому працюватиме. Насправді, для водню майже такий самий двигун внутрішнього згорання. Там нічого принципово нового не зроблено, проте є своя специфіка.
– Водень – це відновлювальний ресурс. Які ще переваги він має?
– Якщо враховувати, що можна водень отримувати з води, а у нас на планеті її дуже багато, то запасів водню вистачить на тисячі років. Також температура полум’язнаходиться у водню між метаном і бензином. Ще перевага – він не токсичний, навідміну від бензину. У водню і менша ймовірність самозаймання – майже 500 градусів, а швидкість розповсюдження полум’я у повітрінайбільша, тобто він швидше горить.
– Ви займаєтесь саме зберіганням водню. Розкажіть про це детальніше.
– Цей газ можна зберігати у трьох станах: рідкому (охолоджений до мінус 250 градусівЦельсія). Але охолоджувати його дуже дорого і він випаровується. Можна тримати його у балонах, але кількість буде невелика. У металі ж можна утримувати у п’ять разів більше газу.
Матеріалів, які поглинають водень дуже багатою. Починали все з титану. Він легкий і досить багато сорбує. Але від нього були змушені відмовитись: він поглинає водень повільно і за надто високої температури (300 градусів). А віддає газ при температурі 600 градусів. Зробити в автомобілі такі системи вкрай складно.
Потім взялися за магній. Він більш легкий і бере ще більшу масу водню. Але він ще гірше поглинає і віддає газ. Тому почали шукати нові матеріали. Так прийшли до інтерметалевих сполук(хімічні сполуки між металами, які утворюються в результаті взаємодії компонентів при сплавлені, конденсації з пари, а також при реакціях у твердому стані внаслідок взаємної дифузії. – В.М.). Вони мають значно більшу водневу ємність, сорбують газ при кімнатній температурі без додаткових обробок. Тож можна виплавити інтерметалід, закласти його у замкнений об’єм, відкачати повітря, напустити водень – 10 хвилин і отримуємо водень всередині матеріалу.
Першим таким матеріалом був Лантан-Нікель-5 (LaNi5). Він гарний, але лантан – це рідкоземельний матеріал і дуже дорогий. Потім з’явилась сполука Титан-Ферум, яка мала більшу ємність, але теж мала проблеми.
Тільки у 1970-х роках з’явилась сполука Титан-Марганець-2. Цим матеріалом почали займатись багато країн: США, Німеччина, Японія. Вважалось, що він зможе замінити всі інші.
Але і його почали вдосконалювати. Спочатку додали Цирконій. Це і був початок моєї роботи. Ми дослідили сполуку Титан-Марганець-Цирконій. За рахунок Цирконію порожнини у градці металу стають більші і туди можна розмістити більше водню. Але ми рухались далі. Справа в тому, що Марганець не є гідридоутворюючим, він потрібен тільки для того, щоб створити цю інтерметалеву сполуку. І оскільки він не поглинає водень – ємність падає. А якщо його замінювати на гідридоутворюючий елемент, одразу збільшується ємність. Так ми додали ванадій.Але тут важливо не переборщити, тому що коли ввести надто багато, то ванадій не займатиме позиції марганцю і це вже буде зовсім інший матеріал із іншими властивостями.
– Якщо ці технології вже настільки досконалі, чому тоді машини на водню не стали масовими, а по світу як альтернатива бензиновим авто найчастіше звучать електрокари?
– Думаю, зараз що електрика, що водень рухаються однаково. Але чи бачили ви в Україні десь заправки із воднем? А електричні вже є, та й просто від розетки вдома ви можете її зарядити, хоча цей процес і триватиме кілька днів. Тому коли з’явиться достатня кількість заправок…
? А коли це станеться, на вашу думку?
? На жаль, зацікавленість у водневій тематиці немає чіткого наростання. Все йде хвилями. Як тільки починаються проблеми з газом чи нафтою, згадують про водень. Коли знаходять нові поклади чи технології видобутку нафти/газу– все знову затихає. Воднем займаються вже сто років, але повноцінну машину, яка на ньому може їхати випустили тільки кілька років тому. Проблема в тому, що нема глобального інтересу. Компанії «сидять» на свердловинах, качають корисні копалини, все відпрацьовано, заводи працюють.
? Але ж нам вистачить нафти/газу лише на кілька десятків років.
? Література про це пише, проте, як ми бачимо, постійно технології видобутку покращуються.Раніше сланцевий газ не видобували, а пропан-бутан взагалі не використовували і вважали це майже відходами, його спалювали. У Росії біля кожної бурової стояв факел, і коли на вулиці було мінус 50, біля цього факелу можна було засмагати. Останні 10-15 років цей газ збирають і ми ним користуємось. Тобто ці прогнози, що нам метану/нафти/газу вистачить на 50 років –більше лякалки. Тим паче постійно з’являєтьсянове обладнання, яке створює біогаз, біопаливо. Це все обіцяні «50 років» тягне далі. Думаю, реалістично – нам цих корисних копалин вистачить на років 200. Разом з тим, як переможець конкурсу серед науковців мене нещодавно запросили у Німеччину. І там можна помітити, що Європа вже пересіла на велосипеди та гіроскутери(електричний персональний транспорт. – В.М.).
? То, з огляду на таку незацікавленість,«водневої революції» не чекати?
? В Україні найближчі років 30 точно ні. Ми будемо купувати газ, плакати, що він дуже дорогий, але робити своє ми не будемо.
? Тобто…
? Ось, все, що ми зробили, воно лежить «мертвим грузом». «Робите? Добре. Нехай буде». До мене звернулись люди з фірми, яким для обладнання потрібен був водневий акумулятор. Але ми не можемо як інститут його створити і продати. Ми звернулися до посередника, який би реалізував акумулятор… Тому що Інститут – це неприбуткова організація і умовний покупець повинен брати технологію, патент і платити за нього «роялті». Поки ми з усім розбиралася, фірма втратила інтерес.
? Ви їздили в Німеччину на конференцію. Це вас інститут відправив? Взагалі інститут відправляє своїх працівників на наукові конференції закордон?
? Я їздив за свої кошти, які потім німецька сторона відшкодувала, і під час своєї відпустки. Це був найлегший варіант.
? А як із грантами на дослідження?
? Академія вже більше десяти років займається воднем. Є грант, що розрахований на п’ять років та розподіляється на три напрямки: отримання водню, його зберігання і використання. У першому напрямку люди отримують водень з… Та майже з усього! Найкраще для них – це мул з Бортницької станції аерації Вони його там копають, переробляють і отримуютьгаз. Також були розроблені біологами спеціальні бактерії, які перероблюють продукти і виділяють газ, де 70-80% складає водень… Але на рік по грантовій програмі дають близько 60 тисяч гривень кожній групі. На зарплату залишається тисяч вісім.
? На місяць? – питаю я і розумію, що ні.
– Тому гранти теж не рятують.
? Вам лише 33 роки і ви як молодий науковець бачите якесь позитивну перспективу?
? Ви відчуваєте, яка в кімнаті температура? Градусів 10-12.
? Залишається голий ентузіазм?
? Так.
? А за кордон не думаєте поїхати? Зустрічав багатьох науковців, які вже там давно працюють і задоволені.
? Я знаю. Моя колега працює часто у Франції. Якби іноземці приїхали і подивились, як ми працюємо, вони б не зрозуміли, звідки ми беремо результати. У Франції науковець сидить у подібній кімнаті. В неї там у ряд стоїть пічка, яка плавить матеріал; поряд станок, який робить шліфи (це, щоб дивитись структуру); також – рентгенівський апарат, який за 20 хвилин знімає зразок і видає результат. Тобто вона, не виходячи з кімнати, за дві години отримує результати. Приходить керівництво і корегує. Вона може повторити експеримент. Тут же… No coments.
Тому молоді зараз в Інституті не варто шукати. Але вона часто йде піками. У 2006-му набір в аспірантуру був колосальний, місць не вистачало. З 2009-го були місця, не було охочих. Як почались проблеми на сході і мобілізація – не знали, куди брати. Зараз, коли ситуація більш-менш стабільна, – знову людей нема. При тому, що зрізали фінансування, то навіть багато з тих, хто працював, вже пішли. Це й не дивно. Якби я працював на будівництві, заробляв би в два рази більше. Це при тому, що я працюю тут 10 років, маю науковий ступінь і займаю посаду старшого науковця.
В мене відкриваються очі все ширше і я замовкаю. Далі Володимира розумію вже без зайвих запитань. Остаточно леденіючи у цій лабораторії, усвідомлюю, що з такими акцентами у державній політиці наша наука, як вічна мерзлота: повільно, але впевнено тане.
Автор: Володимир Малинка
