Мы живём в постоянно дорожающем мире: с каждым годом какой-либо очередной компонент нас «радует» своей повысившейся стоимостью.
Не исключение и моторное топливо — которое у многих, имеющих машину, уже превратилось в отдельный «объект инвестирования», так же как и «работа на фаянсового друга» :-D
Но на самом деле смешного здесь мало.
Тем не менее, потенциально есть практически неисчерпаемый океан энергии, для доступа к которому не нужно быть «правильным человеком, знающим правильных людей и владеющим правильным участком с запасами нефти в правильной стране», так как к этому океану имеют доступ все: это воздушный океан над нашей головой!
Он содержит просто огромное количество потенциального топлива в виде газов!
Конечно, не всё так просто, однако, даже известная нефть является «углеводородом» — чуете, куда ветер, то бишь «газ» дует? ;-)
Горючие вещества можно получать из газов! Попробуем прикинуть, как это можно было бы осуществить, и есть ли в мире подобные аналоги, так как получить собственную «нефтяную скважину», которая качает «просто из воздуха», уж очень заманчиво...
Но для начала давайте прикинем: какие газы есть в воздухе, то есть насколько он богат ресурсами для наших целей?
Итак, вот чем мы примерно дышим:
Азот: 78%
Кислород: 21%
Аргон: 0,93%
СО2: 0,94%
Инертные газы (гелий, неон, криптон, ксенон) — весьма незначительные количества (так называемые «следовые»).
Это «классическая» раскладка состава атмосферы. Однако в общем объёме атмосферы могут содержаться и другие газы — например, тот же самый метан. Но принято считать, что, относительно других газов, их количество незначительно (хотя локально это количество может быть и довольно значительным — например, в болотистой местности), и поэтому обычно их даже не упоминают. Что, впрочем, не исключает того, что более точный состав атмосферы изучается специалистами и более подробно — например, с целью прогнозирования изменений климата.
Кстати, любопытный факт: приблизительно 300 млн лет назад количество кислорода в атмосфере доходило до 35 %. Следствием этого, по дошедшим до нас данным, были мегапожары — растительность легко загоралась: молнии, вулканы, капли воды в роли линз, прение влажной листвы и т.д.
По ряду теорий, каменный уголь, который мы сейчас используем в качестве топлива, — это как раз последствия тех самых мегапожаров, оставивших большое количество угля, который со временем просто окаменел.
Ещё такое большое количество кислорода благоволило появлению и триумфу на исторической арене больших (в размерах) животных. Но, это всё в прошлом...
Как можно видеть по составу компонентов атмосферы, они не особо годятся в качестве, собственно, топлива для сжигания, а некоторые (CO2) даже являются производными от него и будут всячески мешать.
Например, Air Company из США, которая занялась производством спиртного прямо из воздуха, для чего был реализован процесс по связыванию CO2, и преобразованию его в спирт.
Интересно, что процесс может идти практически при комнатной температуре и даже при атмосферном давлении. Однако для повышения эффективности и увеличения площади контакта газа с электродом давление и температуру могут повышать — до примерно 5 атмосфер и 80 °C — с целью увеличения эффективности реакции, в результате которой удаётся получить до 50 % выхода полезного продукта.
Была использована, так называемая «протонообменная мембрана (PEM)» в составе специального элекролизера (по ссылке есть хорошая анимированная картинка и описание для тех, кому интересно, что это такое), где один из электродов мембраны может быть выполнен из меди высокой пористости: нанопорошок (50-500 нм) металлической меди, который можно легко получить путём осаждения меди из раствора медного купороса. Для этого в раствор добавляют лимонную кислоту — она сразу вызывает выпадение металлической меди в виде частиц наноразмера.
После чего медный порошок фильтруется от воды, высушивается, прессуется и прямо в таком спрессованном виде кратковременно нагревается индукционными токами с помощью индуктора (надо подбирать время, силу тока и т.д.).
К чему это должно привести? Частицы меди слегка оплавляются по поверхности, склеиваясь друг с другом — и в итоге мы имеем пористый медный электрод огромной внутренней площади, с порами наноразмера!
Эффективность электрода можно даже повысить, если его прокалить горелкой — для покрытия поверхности лёгким красным налётом Cu2O.
Второй электрод должен быть устойчив к коррозии, для чего медь не годится, так как придётся такой электрод очень часто менять.
Поэтому одним из вариантов является использование платины (но мы же не такие богачи, верно? :-). К тому же, ещё нужно что-то сделать с пористостью, то бишь, её ещё нужно умудриться добиться у платины...)
Поэтому остаётся один-единственный и, в принципе, весьма неплохой вариант — графен. Из графена делают очень неплохие электроды: прессованные электроды из чешуек графена позволяют получить площадь поверхности до 1500 м²/грамм!
Нет, это не опечатка — площадь поверхности чешуек в чайной ложке графена будет примерно равна площади футбольного поля! О_о
Хотя, если вдуматься в суть того, что такое графен, то в этом нет ничего удивительного — это же решётка толщиной в один слой из атомов углерода! Почему бы им и не занимать большую площадь...
К настоящему времени энтузиасты разработали множество простых способов получения графена в больших количествах — я как-то в прошлом даже рассматривал один из них, где смесь из молока и порошкового графита взбивали в бытовом кухонном миксере: механическая сила миксера расслаивает графит на чешуйки, а молоко их обволакивает и не даёт слипнуться снова — таким образом, взбив эту смесь в бытовом миксере, собрав с его поверхности пену и промыв её от молока, можно получить графен, которым второй компонент пены и является (помимо первого — молока).
Альтернативным вариантом является взбивание в ультразвуковой ванне того же самого порошка графита с поверхностно-активным веществом, например, жидким мылом (механизм расслоения и обволакивания чешуек тот же, что и в варианте с миксером выше).
Хотя для обволакивания лучше использовать специальные вещества. Вот тут есть довольно подробная статья на эту тему, если кому интересно.
Дальше, чтобы этот электрод не имел слишком большого сопротивления, нужно получившийся графен как минимум промыть в ацетоне, после чего высушить, прокалить горелкой — чтобы уничтожить остатки органических загрязнителей, спрессовать и, так же, кратковременно нагреть его индукционным нагревателем для соединения чешуек (не спекание, а усиление соединения за счёт ван-дер-ваальсовых сил).
Чтобы при взбивании графен не был загрязнён соединениями металлов из УЗ-ванны (что ухудшает проводимость), взбивать нужно в ванне, залитой водой, в которую помещён полиэтиленовый пакет со смесью жидкого мыла, воды и порошкового графита. Таким образом, взбиваемая смесь будет изолирована от металлической ванны — в противном случае потребовалась бы дополнительная очистка графена с помощью кислот.
Однако это были всего лишь электроды, которые не будут иметь смысл без использования ещё одного центрального компонента — собственно самой протонообменной мембраны (РЕМ) — специальной пластины из модифицированного (сульфированного — обработанного хлорсульфоновой кислотой) фторопласта малой толщины (50-200 мкм, производится компанией DuPont, под маркой Nafion), которая будет служить для пропускания протонов к катоду.
Пластина содержит наноразмерные каналы, которые пропускают только протоны.
Такую пластину сделать самостоятельно довольно бесполезное занятие (сложно), проще купить — стоит в среднем до 800 $ за 1 м2 (но не обязательно покупать такие большие куски, продаются и более мелкие).
Далее собирается «бутерброд» из пористого медного электрода, протонообменной мембраны и второго пористого электрода из графена.
Затем электроды подключаются к источнику тока, который может обеспечить питание до 4В с плотностью тока до 50 мА/см2: к минусу подключается медный электрод, а к плюсу — графеновый.
Далее мембрана пропитывается электролитом, в качестве которого может выступать раствор KHCO3 или «ионная жидкость» — для этого положительный электрод (графеновый) заливается этим раствором или ионной жидкостью.
На этом электроде идёт электролиз воды, выделение ненужного кислорода и забор протонов Н+, которые проникают в мембрану и проходят сквозь неё к катоду.
Далее в пространство пористого медного электрода (катода) вдувается СО2, который, получая протон и электрон, вступает с ними в реакцию на поверхности медного электрода, в результате чего одновременно образуется целая куча разных веществ: этанол (8)*, метанол (4), муравьиная кислота (2), метан (6) и т.д.
*Объяснение цифр в скобках будет ниже.
Почему так: одновременно на поверхности медного электрода идёт много химических реакций, соревнующихся друг с другом, и временно одерживающих верх в тот или иной момент времени.
И получение разных веществ зависит от того, сколько электронов было захвачено в данный конкретный момент (далее перечисление электронов, необходимых для того, чтобы получить вещества выше; они указаны в скобках, около веществ выше): 8, 4, 2, 6 и т.д.
Таким образом, можно сказать, что основным электродом, который играет главную роль, является медный, так как именно от него зависит, какое вещество(ва) мы получим на выходе.
И здесь существует целый ряд интересных возможностей (парочку из них мы уже знаем — нанопористая структура, полученная из металлической меди, осаждённой из медного купороса, обожжённая горелкой).
Одним из самых простых способов улучшения отдачи этанола (для пористого электрода, как у нас) является пропитка его водным раствором хлорида олова (SnCl2) с последующим прокаливанием горелкой, что приводит к окислению олова до SnO2 (который начинает покрывать всю поверхность электрода) и увеличению процентного выхода этанола в 2-3 раза за счёт подавления других реакций (но не убирания их полностью).
Это не единственная возможность, существует и много других, но от всех других этот вариант отличается относительной простотой.
Например, из интересных есть вариант покрытия поверхности наноразмерными медными кубами, и он достаточно легко осуществляется: для этого нужно составить раствор из 25 г медного купороса, 75 г серной кислоты (электролит для автомобильных аккумуляторов из автомагазина — он будет служить для защиты меди от окисления до CuO и улучшения токопроводимости) и 1 л воды.
Далее целевой электрод, на котором мы хотим вырастить микрокубы, вешается на катод (минусовой электрод), и на оба электрода вешаем медные пластины, где на аноде медь будет растворяться и постоянно пополнять раствор.
Далее обе пластины подключаются к источнику тока, который может обеспечить напряжение в 3 вольта с плотностью тока в 1-5 мА/см2 через резистор в 100 Ом.
Электролиз осуществляется в течение примерно 15 минут, в результате чего пластина катода покрывается миниатюрными (до 5 мкм) медными кубами, которые вырастают на гранях уже имеющейся кубической кристаллической решётки медной пластины.
При этом относительно высокое содержание серной кислоты в растворе и низкое напряжение препятствуют быстрому росту меди, другими словами, она успевает нарасти на гранях кристаллов, повторив их форму с острыми гранями, только уже в относительном макроразмере.
Что даст покрытие поверхности микрокубами: увеличит выход этанола в два-три раза за счёт уменьшения выхода других компонентов (которые нам неинтересны — метанол, метан и т.д. и т.п.).
Однако следует отметить, что этот вариант (с микрокубами) подходит больше для плоских электродов, а у нас пористый — который уже идеален (: , так как мы изначально пошли по правильному пути — сначала создали электрод с огромной площадью за счёт сборки его из наночастиц, после чего покрытием его частиц SnO2 (оксидом олова) увеличили выход этанола.
Таким образом, что мы имеем: электролизер, который может производить генерацию водорода с одновременной его реакцией с СО2 в целях генерации этанола (то бишь, спирта).
Однако нам ещё необходим этот СО2, который тоже откуда-то надо брать!
Покупать его в баллонах не вариант, так как это сразу удорожает весь процесс.
И тут нам приходит на помощь замечательный способ, о котором я уже писал ранее — использование замечательного изобретения академика П.Л.Капицы, который в 1930-е годы совершил настоящую революцию в получении жидких газов — изобрёл «турбодетандер».
Читатель, который не особо в курсе всех этих тонкостей, скажет «ну и что тут такого? В чём здесь революция? Наверняка, в промышленности и раньше делали что-то подобное!»
На самом деле, именно так — не делали! Уникальность его изобретения заключается в том, что оно впервые позволило производить сжатые и сжиженные газы в огромных количествах с относительно малыми затратами энергии и полностью перевернуло всю криогенную промышленность!
Стоит только отметить один факт: даже маленький турбодетандер с диаметром крыльчатки в 8-10 см позволяет производить сжиженные газы ТОННАМИ в день! О_о
Кстати говоря, неплохая идея для бизнеса — производство сжатых и сжиженных газов, где ресурсов просто навалом — весь воздушный океан вокруг! :-)
Причём не обязательно для прямой продажи: эти газы можно использовать для производства иных компонентов — полезных для человечества химических веществ!
Причём, опять же повторюсь, что ресурсов просто навалом: они вокруг каждого из нас...
Или, ещё проще: использовать сжатые газы для работы пневматических двигателей! О_о
То есть сжижать газы, затем испарять их, наполняя ёмкости под высоким давлением, а уже от этих ёмкостей крутить обычные поршневые двигатели авто!
Энергоёмкость этого способа намного хуже бензина, однако, учитывая огромные возможности производства таких газов с помощью турбодетандера, можно на этот вопрос посмотреть совсем под другим углом — вряд ли даже при активной езде на автомобиле вы сможете тратить тонны сжатого газа в день! :-)
К слову, это может стать ещё одним стартапом: производить компактную установку для гаража, которая позволяет генерировать сжатые газы в промышленных количествах (и быстро!) для заполнения баллона автомобиля.
Никакого грохота сжимающих малопроизводительных компрессоров, малошумно, эффективно, высокий выход продукта…
Далеко не все живут в городах-миллионниках, проезжая «сотню километров по МКАД за парой болтов в хозмаг» (реальный кейс, кстати, от меня лично) — многие живут в маленьких городах, где избавление от потребности в бензине одновременно, не переходя на дорогие электрические авто, может быть интересным вариантом!
Для работы стандартного ДВС от такого сжатого газа потребуется совсем немного трансформаций — только несколько переделать систему впрыска.
А, учитывая, что средний пользователь авто проезжает в течение рабочей недели не так много — этого вполне может хватить.
На заметку: к тому же, это чистые выбросы в атмосферу. По сути, выбрасываем те же компоненты атмосферы, которые взяли. И даже мало того — можно даже выбрасывать с повышенным содержанием кислорода!
А что это значит? Очищение атмосферы городов!
А что это значит, в свою очередь? Возможность получить субсидии от государства для развития этого направления! Есть о чём подумать... ;-)
Некоторые расчёты показывают, что, при использовании возобновляемых источников энергии (например, ветрогенерации электричества) стоимость этанола, произведённого по такому методу, может быть сравнимой со стоимостью бензина!
При этом не нужно «связываться» с массой проблем, которые возникают в индустрии производства топливных углеводородов:
геологоразведка;
бурение скважин;
производство, доставка и монтаж добывающего оборудования;
обеспечение производства и добычи электроэнергии;
борьба с попутными проблемами производства оборудования для добычи и самого процесса добычи;
переработка нефти.
Вместо этого, всего лишь:
сборка электролизерной установки-реактора;
сборка турбодетандера;
сборка системы солнечной и (или) ветрогенерации электричества;
разделение готовых компонентов (фильтрация того же этанола от метанола и прочего).
На этом всё! :-) И никаких проблем, сопутствующих процессу стандартной нефтедобычи и переработки!
В том числе, самой главной — «где взять ресурсы?», потому что воздушный океан содержит ресурсов более чем достаточное количество!
К тому же, это полезное для природы занятие (несмотря на его обратимость, но всё же): хотя бы на некоторое время, но избавление атмосферы от СО2!
Попутно, любопытный факт: не обязательно производить собственно этанол — по примерно схожим технологиям можно производить и углеводороды, только будут несколько отличаться катализаторы и условия протекания реакций.
Будет довольно опрометчивым отнестись к вопросу производства топлива из воздуха как «да ну, какая-то гиковская тема, всё равно не выйдет ничего», так как, например, вышеупомянутая компания Air Company не ограничилась только производством этанола из воздуха, но и в 2023 году заключила контракт с Пентагоном на 65 млн долларов о поставке искусственного керосина, произведённого из воздуха, для нужд армейской авиации.
Кроме неё, существуют и другие компании с аналогичной сферой деятельности, например, Prometheus Fuels.
Таким образом, учитывая происходящее и интересные возможности, которые даёт такой тип производства, имеет смысл приглядеться к нему повнимательнее. Может быть, именно вы станете следующим «топливным гением» 21 века? ;-)
© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»
