Инструкция к тормозным колодкам ADVICS (стр. 4 )

Водорода 3 600 000 · 1: 96 500 = 37,3 грамма.

Кислорода 3 600 000 · 8: 96 500 = 298,4 грамма.

Т. к. W/U=It, то It = 3 600 000/0,7 (при напряжении источника 0,7 В). Подставим  значение It в формулу для расчета потребности водорода и кислорода.

Для выработки 1 к Ватт-час электроэнергии при напряжении источника 0,7 В потребуется:

Водорода  m H2=(2/2)(1/96 500)(3 600 000/0,7)=53,3 грамма.

Кислорода m O2 = (16/2)(1/96 500)(3 600 000/0,7)=426,4 грамма.

Поэтому расход активных веществ зависит еще и от рабочего напряжения элемента: чем оно выше при одном и том  же токе, тем меньше удельный расход активных веществ.

Если водородно-кислородный топливный элемент будет работать при напряжении

1 вольт, расход водорода в нем составит 37,3 г/кВтч, а при напряжении 0,7 вольта – 53,3 г/кВтч. Расход кислорода, как мы уже отмечали всего в 8 раз больше расхода водорода.

Итак, проведя  оценки, получаем конечный результат. На 1 киловатт-час энергии в водородно-кислородном топливном элементе необходимо израсходовать около 0,5 килограмма горючего и окислителя. Таким образом, для энергоустановки космического корабля «Джемини», рассчитанной на выработку 200 киловатт-часов электроэнергии, необходимо было захватить в космос примерно 100 килограммов водорода и кислорода. Если учесть, что расчетный вес установки оценивался специалистами в 225 килограммов, то, значит,  половина этого веса приходилась на топливо и окислитель.

Это - теоретические оценки. А практика (технология) дела была такой.

Газообразные водород и кислород заняли бы громадный объем, поэтому они хранились в особых отсеках космического корабля в жидком состоянии. А это – новая проблема. Чтобы сохранить сжиженные газы длительное время (двухнедельный полет) с очень незначительными потерями на испарение, потребовалось создать специальные емкости.

Еще тонкость. Перед подачей в топливные элементы водород и кислород необходимо было в нужной дозировке из жидкого состояния  перевести в газообразное состояние. Для этого газы подогревались в специальном теплообменнике, где греющей средой являлся циркулирующий теплоноситель. И нагреть нужно было до строго определенной температуры - рабочей температуры топливных элементов. До рабочего значения доводилось (с помощью редукторов) и давление газов. Иначе из-за некондиционной температуры и давления газов топливные элементы могли «впасть в шоковое состояние».

Но все эти меры – лишь малая толика тех технологических трудностей,  которые пришлось преодолеть для того, чтобы послать топливные элементы в космос.

БОРЬБА с T -, P -, g – НУЛЯМИ

Космос отгородился от землян высочайшими барьерами. Эти барьеры специалисты называют Т -, Р-, g-нулями. Они означают, что человек в космосе должен научиться жить и работать при нулевой температуре, нулевом давлении и нулевой гравитации.

Для конструкторов и технологов, снаряжавших топливные элементы в космический полет, наибольшие неприятности доставил g-нуль.

Особенно строптиво в невесомости ведут себя жидкости. Они покидают предназначенные для них емкости, нарушая нормальное функционирование различных систем. В них не наблюдается обычная в земных условиях конвекция (перенос вещества вместе с потоком движущейся жидкости или газа), что сильно затрудняет удаление пузырьков газа, случайно попавших в электролит. Ввиду всего этого в первом варианте топливных элементов, побывавших в космосе, было решено вовсе отказаться от жидкого электролита, заменив его на …твердый.

ЧУДО – ЭЛЕКТРОЛИТ

Такой чудо-электролит представляет собой пленку (мембрану) из твердого полимера, обладающего ионообменными свойствами. Получают такой полимер, например, полимеризацией стирола с дивинилбензолом и последующей обработкой образующегося продукта серной кислотой.

Полимер имеет трехмерную структуру. Проводниками тока в этом необычном электролите  являются ионы водорода: они отщепляются от сульфогруппы  SO3H при пропитке полимера водой. Сульфогруппы заряжаются отрицательно, но они жестко привязаны к каркасу полимера, перемещаться не могут, а потому и не участвуют в переносе тока. Ток проводят только положительно заряженные ионы водорода, они движутся в воде, заполняющей пустоты в полимере.

Конечно, достоинство твердого электролита частично подрывается тем, что омическое сопротивление полимера превосходит сопротивление жидкого раствора электролита. Поэтому разделяющую водородный и кислородный электроды полимерную мембрану старались сделать как можно тоньше, чтобы уменьшить омические потери в каждом отдельном элементе.

ОТВОД ВОДЫ

Следующей проблемой, где невесомость вновь заявила о себе, стала проблема отвода образующейся в топливном элементе воды. Если ее не удалять, она покроет электрод пленкой и затруднит к  нему  доступ для газа. Растворимость (со =10-6 моль/см3) и коэффициент диффузии (D =10-5 см 2 /с) газа в воде ничтожны, поэтому характеристики элемента при его «затоплении» могут резко снизиться. Но в то же время вода необходима мембране, которая хотя и слабо впитывает ее, однако сухой быть не должна.

Требовалась тонкая балансировка между крайностями. Ее решили так. Вода удалялась путем испарения с кислородного электрода за счет тепла, выделяющегося при работе топливного элемента, и конденсировалась на токоотводе, который охлаждался специальным теплоносителем, циркулирующим по трубкам, прикрепленным к токоотводу.

Но и здесь опять пришлось бороться с невесомостью. В космосе конденсирующаяся вода не может стекать. Вот и пришлось ее удалять с помощью системы фитилей, буквально высасывающих воду.

ОТВОД ТЕПЛА

Если невесомость проявляет свои коварства явно, то влияние Т - и Р-нулей сказывалось косвенно. Возьмем, к примеру, проблему отвода образующегося в топливных элементах тепла. Ведь кабину космического корабля – этот искусственно созданный островок жизни в космическом океане – нельзя перегревать.

Система охлаждения энергетической установки была включена в общую систему терморегулирования кабины. Теплоноситель отводил выделяющееся в топливных элементах тепло к холодильнику-излучателю, который и сбрасывал это тепло в окружающее пространство.

Первые испытания топливных элементов в космическом  полете проведены были  на корабле «Джемини-2», на котором в январе 1965 года выполнялся кратковременный суборбитальный полет без экипажа. А в условиях длительного орбитального полета топливные элементы проверялись на корабле «Джемини-5» в августе 1965 года.

В основном топливные элементы справились с задачей. Однако вследствие недоработок в системе подогрева топлива в баках и в системе отвода воды  астронавты вынуждены были несколько раз резко ограничивать расход электроэнергии.

НЕДОСТАТКИ ТВЕРДОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

Еще более длительной была работа топливных элементов во время полета корабля «Джемини-7» в декабре 1965 года. 14 суток питали они электроэнергией все системы корабля, хотя и тут были отмечены некоторые неполадки.

Первыми в космосе оказались топливные элементы с твердым полимерным электролитом.

Там же выявились и их существенные недостатки. Для полетов на Луну – тут потребовались установки более мощные – они явно не годились: твердый электролит  успешно работал лишь при температурах, не превышающих 60оС: при более высоких температурах полимер просто плавился. И это сильно осложняло отвод тепла.

При малом перепаде температур нужна большая поверхность теплоотдачи, из-за чего система становится слишком громоздкой, и большая скорость циркуляции теплоносителя. В итоге все это приводит к большим затратам энергии на перекачку газов и жидкостей. Поэтому необходимо было разработать топливные элементы с более высокой рабочей температурой.

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ БЭКОНА НА ЛУНЕ

На Луну отправились водородно-кислородные топливные элементы, которые создал экон. Патенты Бэкона купила американская фирма «Пратт-Уитни». Купила, чтобы, приступить к разработке энергетической установки для космических кораблей «Аполлон», создававшихся для полетов на Луну.

Специалистам фирмы удалось коренным образом модернизировать элементы Бэкона. Прежде всего, щелочной электролит, представлявший собой 30% раствор КОН (гидрооксид калия), исследователи заменили 85%, что позволило резко снизить рабочее давление в газах до нескольких атмосфер. Очень много было сделано и для улучшения электрохимических характеристик и конструкции электродов и элементов.

КПД вновь созданных топливных элементов составил 60-67%. Это было большим преимуществом элементов Бэкона по сравнению с топливными  элементами с ионообменными мембранами, которые стояли на «Джемини». Их КПД был примерно 50%.  Ясно, что при большем КПД требуется меньше водорода и кислорода, что, в конечном счете, обеспечивает выигрыш в весе всей установки при длительной работе.

Батарея топливных элементов на космических кораблях «Аполлон» состояла из трех независимых секций, причем для нормальной работы было достаточно двух секций, каждая из которых весила примерно 120 килограммов. В каждой секции последовательно соединялся 31 элемент, секция работала с мощностью 560 – 1420 Ватт. При кратковременной нагрузке можно было отбирать до 2,3 киловатта мощности.

В энергосистему кораблей «Аполлон» входили также аккумуляторные батареи для обеспечения электроэнергией основных систем в аварийных ситуациях. Вся энергоустановка, рассчитанная на работу в течение 15 суток, весила 800 килограммов.

Водородно-кислородные топливные элементы Бекона довольно успешно справились с труднейшими задачами. Энергоустановки в космосе работали вполне нормально. Они обеспечили выполнение основной цели программы «Аполлон»- космические корабли «Аполлон-11» и «Аполлон -12» доставили астронавтов на Луну и возвратили их на Землю.

Правда, при полете корабля «Аполлон-13» произошла авария в кислородных баках системы энергосбережения, но астронавты с помощью аккумуляторных резервных батарей благополучно возвратились на Землю.

ЛУННАЯ «ГАЗИРОВКА»

Топливные водородно-кислородные элементы добрались до Луны в июле 1969 года, они не только снабжали космические экипажи электроэнергией, но буквально поили их. При работе водородно-кислородного топливного элемента в качестве продукта реакции выделяется вода – вещество пока дешевое на Земле, но не в космосе.