Инструкция к тормозным колодкам ADVICS (стр. 5 )

Ежедневно человеку в космосе требуется примерно от 4 до 13 литров воды – в зависимости от условий и срока полета. Эту потребность могут обеспечить водородно-кислородные топливные элементы, так как в них при выработке 1 киловатт-часа электроэнергии в качестве побочного продукта выделяется 0,35-0,45 литра чистейшей воды.

Вода образуется в топливных элементах на водородном электроде. Как ее удалить, одновременно сохранив для нужд экипажа. Было решено удалять воду потоком циркулирующего газообразного топлива – водорода. Одновременно водород выполнял и роль теплоносителя, охлаждая батарею.

Водород, выйдя из батареи топливных элементов, проходил через промежуточный теплообменник и конденсатор. При этом большая часть водяного пара конденсировалась, и вода направлялась в сепаратор, где центробежный насос отделял ее от газа. Затем очищенная вода поступала в систему хранения, где ею могли пользоваться астронавты. Водород же вновь возвращался в батарею для повторного цикла.

Правда, на первых порах американские астронавты испытывали некоторое неудобство. Вода напоминала газировку: только вместо углекислого газа она была насыщена водородом. Это вызывало необычные и малоприятные ощущения.

Причина этого явления проста. Ведь вода выделяется – испаряется – с той стороны, где происходит подача в элемент водорода. Естественно, пары воды смешиваются с газообразным водородом.

Но в дальнейшем удалось получить воду без растворенного в ней водорода. Для улавливания в питьевой воде пузырьков газа на краны надевались специальные фильтры…

СЛАБЫЕ МЕСТА ЭЛЕМЕНТА БЭКОНА

Топливные элементы на кораблях «Аполлон» служили вполне надежно, однако специалисты и у них видели слабые места.

Серьезный недостаток элементов бэконовского типа – довольно длительное время запуска, что связано с необходимостью предварительного разогрева электролита. Хотелось также еще больше снизить вес батареи топливных элементов, увеличить продолжительность их работы. Поэтому были начаты исследования еще одного, третьего, типа водородно-кислородных топливных элементов с капиллярной мембраной.

ТОПЛИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ С КАПИЛЛЯРНОЙ МЕМБРАНОЙ

Этот вариант как бы вобрал в себя достоинства первых двух типов. Отличие от топливных элементов с ионообменными мембранами в том, что теперь мембрана сама неэлектропроводна и газопроницаема. И только после пропитки жидким электролитом (как и в бэконовских образцах электролитом служил раствор щелочи и воде) капиллярная мембрана может выполнять ту же роль, что и ионообменная мембрана, роль квазитвердого  электролита. Наилучшим материалом для нового типа мембран оказался тонкопористый асбест.

Капиллярная мембрана прекрасно работает в условиях невесомости. Электролит перемещается в ней главным образом за счет капиллярных сил, поэтому работа топливных элементов не зависит от силы тяжести.

Топливные элементы с асбестовой капиллярной мембраной разработала в США фирма «Алис-Чалмерс». Топливные элементы с капиллярной мембраной не уступали бэконовским по коэффициенту полезного действия, при этом были легче и, что особенно важно, могли  стабильно работать очень долгое время. Лишь спустя 4500 часов (полгода!) при длительных испытаниях топливных элементов наблюдалось небольшое падение мощности.

Все эти труды исследователей, технологов, конструкторов (отработка разных типов топливных элементов) были не напрасны, а многолетнее опробование и совершенствование топливных элементов явно пошло им на пользу.

Итак, в космосе топливный элемент нашел себе первое настоящее дело. И это сыграло важную роль: конструкция его непрерывно улучшалась. Можно сказать, что в космосе топливный элемент «окреп и возмужал». Теперь ему предстояло спуститься с небес на Землю, чтобы и здесь продемонстрировать все свои замечательные качества. 

ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА НА РАССТОЯНИЕ

Вследствие остроты проблем загрязнения окружающей среды от электростанций, работающих на ископаемом топливе, и опасности радиоактивного поражения через атомные электростанции; растущее число электростанций, вероятно, будут строить на большом расстоянии от населенных пунктов, что потребует линий передач огромной протяженности. Электропередача является наиболее дорогим методом переноса энергии.

Предлагаются варианты использования геотермальной энергии, энергии силы приливов. Специалистами обсуждаются варианты размещения атомных электростанций в океане, с тем, чтобы использовать морскую воду для охлаждения.

Для передачи больших количеств энергии было предложено превращать электричество в водород и транспортировать его по трубопроводам, в танкерах, цистернах к месту  потребления электроэнергии.

Использование водорода как носителя энергии для передачи ее на большие расстояния дает значительную экономию. С помощью водородных трубопроводов можно было бы решать проблему передачи энергии от электростанций, размещенных в океане или на отдаленном расстоянии от мест потребления электроэнергии непосредственно к потребителям этой энергии.

В связи с этим возрастает роль электрохимического получения водорода электролизом воды. А водородно-кислородные топливные элементы являются идеальным способом превращения водорода в электричество.

ХРАНЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ПЛАНИРОВАНИЕ НАГРУЗКИ

Решение проблемы хранения  энергии позволит улучшить производительность схемы получения энергии и уменьшения ее стоимости. Задача обеспечения энергией в часы пик в нынешнее время особенно важна для коммунальных служб, подводящих электричество.

Одним из способов хранения энергии и обеспечения электроэнергией в часы пик может стать следующая схема: электролизер для получения водорода (работает в периоды малого потребления электроэнергии), системы хранения водорода и кислорода и водородно-кислородный топливный элемент (начинающий свою работу в период основной нагрузки в электросети).

В системах хранения подобного типа отсутствуют загрязняющие отходы, уровень шума такой же, как при работе кухонного холодильника.

РОЖДЕННЫЙ ДЛЯ ГОРОДА

Город – это «остров тепла». Средняя температура тут из-за огромного энергопотребления, обилия всевозможных установок, машин, приборов, аппаратов, выбрасывающих в виде отходов в атмосферу не только газообразные продукты, но и тепло, наконец, из-за  жизнедеятельности большого количества людей может на 10 градусов быть выше, чем вне городской черты.

В воздухе, которым дышат жители города с населением и миллион человек, в 10 раз больше пыли, в 5 раз больше двуокиси серы, в 10 раз больше углекислого газа, в 25 раз больше угарного газа.

Как же совместить в городах экологическую чистоту и непрерывный рост энергопотребления?

У водородно-кислородныех топливных элементов есть несколько важных  достоинств.

Первое - они экологически чисты (в процессе работы выделяется вода).

Второе - бесшумны в работе (так как химическая энергия здесь непосредственно преобразуется в электрическую, минуя стадию, связанную с механическим движением).

Третье - низкотемпературные  водородно-кислородные топливные элементы не потребляют воды.

Что требуется, для того чтобы топливные элементы широко вошли в технику и быт? Что необходимо сделать, чтобы они из экзотичных космических существ превратились в создания вполне ординарные и земные?

Прежде всего, они должны работать не на чистейших кислороде и водороде, а на воздухе, где кислород разбавлен инертным азотом и другими примесями, использовать в качестве топлива доступные, встречающиеся в готовом виде для употребления вещества. Вот тогда, возможно, топливные элементы действительно смогли бы повсеместно заменить менее эффективные гальванические элементы и аккумуляторы, а также двигатели внутреннего сгорания и другие тепловые машины.

АВТОМОБИЛЬ НОВОГО ТИПА

Америка поставила себе задачу: в ближайшие 10-15 лет избавиться от нефтяной зависимости. Один из выходов – как можно скорее запустить в серийное производство водородный автомобиль

Главное препятствие к внедрению автомобиля на водородном двигателе (водородно-кислородном топливном элементе) – отсутствие системы промышленного получения водорода в нужных объемах, систем его хранения, транспортировки и заправки автомобилей. По мнению американских специалистов, такую систему удастся создать не раньше 2020-2030 годов. На переходный период ведущие автомобилестроители предложат так называемые «гибридные автомобили»: в них экономичный двигатель внутреннего сгорания подзаряжает аккумуляторную батарею, которая питает электрический двигатель. Такие автомобили разрабатываются практически всеми ведущими автомобильными компаниями и уже серийно выпускаются в Японии.

Классическая схема: двигатель внутреннего сгорания приводит и движение колеса через механический привод.

Нас окружают тысячи автомобилей, но мало кому приходит в голову, что их эффективность катастрофически мала. Если взять так называемые «условия городского цикла движения», то общий коэффициент полезного действия  (КПД) автомобиля – 10-12% (за городом, где меньше светофоров, 15-17%). Девять литров бензина из десяти попросту улетают в атмосферу.

ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Автомобили на водородном топливе условно можно разделить на три класса.

Первый – это машины с обычным двигателем внутреннего сгорания, работающие на водороде или водородной смеси. Такие модели могут работать на чистом водороде или 5-10% водорода добавляют к основному топливу. В обоих случаях коэффициент полезного действия  двигателя увеличивается (во втором случае примерно на 20%). И выхлоп становится гораздо чище: содержание угарного газа (СО) и углеводородов (CnHm)

уменьшится в 1,5 раза, оксидов азота (NOx) – до 5 раз. Такие двигатели и автомобили были сделаны и прошли все испытания и у нас в стране и за рубежом примерно в 70-80-х годах 20 века. Однако, учитывая затраты и конструкционные сложности, это может быть только промежуточным, переходным этапом на пути к третьему типу.

Второй – это так называемые «гибридные» машины. Его колеса приводит в движение электропривод, энергию которому поставляет аккумулятор, в свою очередь заряжающийся от высокоэкономичного двигателя внутреннего сгорания, работающего на водороде или смеси водорода с бензином. Это очень выгодно, ведь коэффициент полезного действия  электродвигателя достигает90-95% в отличие от бензинового (35%)  или дизельного (50%), таким образом, общий коэффициент полезного действия  автомобиля повышается до 30%, соответственно снижается расход топлива. Даже если для подзарядки аккумулятора используется бензин, объем вредных выбросов позволит уложиться в нормы «Евро-4» с десятикратным запасом. И все же получить совершенно чистый выхлоп можно только у автомобилей третьего типа.