Мы так привыкли к множеству машин, создающих комфорт нашей повседневной жизни, что уже и не представляем, как можно без них обойтись. И даже готовы мириться с удушливым смогом крупных городов, чтобы ездить на автомобилях, летать на самолетах и пересекать океаны на кораблях. Всей этой роскошью мы обязаны современной технике. Но, увы, столь любимые нами железные игрушки буквально пьют кровь нашей планеты. Почти половину всей энергии, необходимой для работы двигателей, отопления наших домов, производства товаров, дает нефть, а большая часть оставшейся половины приходится на природный газ и уголь – это значит, что свой комфорт мы более чем на 90% обеспечиваем за счет ресурсов, запасы которых на земле хоть и огромны, но, к сожалению, ограничены. Даже по самым оптимистичным прогнозам, запасов традиционных энергоносителей хватит максимум на сто лет, а отдельные ученые считают, что столкнуться с дефицитом топлива придется не нашим детям, а нам самим.
Что же делать? Снижать уровень производства и уровень жизни человечество не собирается, и это правильно – не для того столько веков строилась нынешняя цивилизация, чтобы теперь возвращаться в каменный век. Но как же быть, если и топливо, и современные материалы производятся из постепенно исчезающих ресурсов? Выход очевиден: надо использовать то, что не только имеется в изобилии, но и восстанавливается со временем.
Строго говоря, так называемые «альтернативные» источники энергии на самом деле появились гораздо раньше «традиционных». Те же паровые котлы изначально работали на обычных дровах, а уж история использования солнечной энергии и вовсе насчитывает не одно тысячелетие. Вот только вряд ли кто-нибудь захочет поменять свой замечательный дизельный или бензиновый автомобиль на пусть и современный, но паровоз. Впрочем, это и необязательно – на помощь приходит наука. Уже сейчас существует множество способов заменить продукты перегонки нефти.
Автомобиль на батарейке
Ничуть не удивительно, что первым источником, к которому обратились ученые и конструкторы, стало электричество. Ведь на него возлагаются огромные надежды – оно уже почти двести лет считается энергией будущего. Следует отметить, что все ожидания оно вполне оправдало. Да, электродвигатели обладают великолепным коэффициентом полезного действия, надежны, проверены временем, а технология их производства уже отлажена как часы. Вот только откуда взять само электричество? Непреодолимым барьером на пути к тотальной электрификации автомобильной техники стала емкость существующих элементов питания. Даже современные литий-полимерные батареи способны накопить всего 150 Вт в час на 1 кг собственного веса. А это значит, что «заправки» хватит от силы на 200–300 км. В противном случае вес аккумулятора будет совсем уж неоправданно большим по сравнению с самой машиной. Вторая проблема заключается в долгом заряжании батареи и ее значительной стоимости – вряд ли кому-нибудь понравится стоять несколько часов на заправочной станции, а каждый раз менять тяжелый и дорогой аккумулятор – тоже сомнительное и дорогостоящее удовольствие. Попытка использовать сверхъемкие конденсаторы – так называемые ионисторы – оказалась не совсем удачной: по стоимости они вполне сравнимой с литий-полимерными батареями, но весят гораздо больше. Однако ученые не унывают – ведь это уже огромный прорыв по сравнению с технологиями конца прошлого века, а значит, все еще впереди. И в этом их полностью поддерживают конструкторы и производители автомобилей. Разработками новых концепций электромобилей могут похвастаться уже практически все крупные автоконцерны. Кроме того, их финансовые и научные мощности вкладываются даже в, казалось бы, довольно далекие от конструирования автомобилей проекты, которые, однако, являются залогом процветания автомобилестроения, если запасы нефти на нашей планете закончатся. Так, например, BMW и Toyota подписали соглашение о сотрудничестве по созданию литий-ионных батарей следующего поколения.
Еще в 1958 году компания Ford предложила смелую идею – использовать в качестве источника электроэнергии атомный реактор, установленный прямо на автомобиле. Правда, особого энтузиазма это не вызвало: не нашлось достаточно рискованных водителей, чтобы ездить с ядерной бомбой в багажнике. Да и авария такой машины стала бы локальной катастрофой.
Но исследования в этой области не прекратились. Американский изобретатель Лорен Кулесус в 2009 году предложил свою концепцию атомного автомобиля с мини-реактором на тории, который намного менее токсичен и гораздо более безопасен. Одной «заправки», по замыслу автора, должно хватить не менее чем на 100 лет. Правда, это решение пока реализовано только в чертежах.
Не в последнюю очередь непопулярность таких концепт-каров объясняется их огромными размерами. Ведь даже самый современный реактор – очень большое и тяжелое устройство, а вместе с системой защиты он и вовсе превращает легковушку в монстра на 24 колесах.
А что если попробовать генерировать энергию прямо в машине? Самый очевидный способ – использование солнечных батарей. К сожалению, он нерентабелен: их мощности недостаточно для передвижения по трасам. Впрочем, в жаркой Австралии уже который год подряд проходят ралли через пустыни всего континента на экспериментальных автомобилях с солнечными батареями. Обилие света и оригинальные инженерные решения позволяют отдельным машинам развить скорость свыше 100 км/ч. Но, увы, это скорее исключение, чем правило: на нашей планете не так уж много мест, получающих такое количество солнечной энергии.
Гораздо более перспективными считаются так называемые топливные элементы. Это особые конструкции, в которых благодаря сложным химическим реакциям электрический ток вырабатывается из определенных видов горючего, но без его непосредственного сжигания. Такая технология давно опробована и успешно используется в космической отрасли. В особых контейнерах с помощью катализаторов водород соединяется с кислородом, давая на выходе обычную воду, тепло и электрический ток. Но, к сожалению, эти элементы слишком дороги для массового производства – цена автомобилей, оснащенных ими, будет действительно космической. Да и сам водород, все-таки, – довольно опасный газ: его хранение и получение пока еще очень трудоемкий и рискованный процесс. Хотя отдельные концепт-кары на основе этой технологии уже разработаны.
Ну, а пока химики изобретают методики получения электроэнергии из более безопасных, чем водород, веществ – например, из обычного спирта. Первые топливные элементы уже проходят испытания в компьютерной технике, однако даже там они еще не вышли на этап серийного производства.
Вот и приходится обращаться к самому очевидному решению проблемы – использовать обычные двигатели внутреннего сгорания на традиционном топливе, но не для движения, а для вращения электрогенератора. Хотя это всего лишь полумеры – ведь обычное горючее «гибридный» автомобиль все же потребляет. Однако выгоды очевидны. Во-первых, во многих моделях в городах можно переключиться на питание от аккумулятора, экономя ценное горючее и снижая загазованность, от которой и так постоянно страдают крупные промышленные центры. Во-вторых, основные нагрузки ложатся на электродвигатель, что значительно снижает расход топлива. Ну, и в-третьих, тут нет основного недостатка электромобилей – ограничений по емкости батарей. Так что до появления действительно сверхъемких аккумуляторов электричеству уготована учесть промежуточного звена – сам топливный вопрос все еще остается в силе.
Автомобиль на постном масле
Так где же найти действительно возобновляемый источник горючего, и желательно такого, которое подходило бы к уже существующим двигателям? На самом деле, никаких проблем в этом нет. Те, кто увлекался в детстве авиамоделированием, помнят мечту пионера – самолет с двигателем внутреннего сгорания. А заправлялся он касторкой! Да-да, обычным касторовым маслом, продающимся в любой аптеке. И пусть это были калильные двигатели, которые не применяются в современной авиационной и автомобильной промышленности, но ведь солярка – это тоже масло, только минеральное. Так что же мешает заправлять дизельный двигатель растительным маслом? А ничего не мешает! Проведенные практические испытания продемонстрировали успешную работу самых обычных серийных тракторов на рапсовом и подсолнечном масле, причем без внесения в их конструкцию каких либо изменений. Единственный явный недостаток такого подхода в том, что его энергетическая плотность гораздо меньше обычной солярки, а это снижает мощность двигателя. Кроме того, в современное топливо добавляются всевозможные присадки, улучшающие его качество и обеспечивающие более долгую жизнь моторам. Но ведь ничто не мешает добавлять их и в растительное сырье, а современная химия вполне позволяет и значительно усовершенствовать качество такого «горючего с грядки».
Кстати, уже сегодня значительная часть дизельного топлива производится из смеси нефти с отходами сельского хозяйства и деревообрабатывающей промышленности. В Австрии, например, работает промышленная установка по выпуску солярки, на 20% состоящей из продуктов переработки соломы и опилок. По качеству такое горючее ничем не уступает обычному.
Идея если уж не заменить, то хотя бы разбавить солярку экологичными, натуральными продуктами завоевывает все большую популярность. Так, во французском городе Мирпуа местные студенты построили прототип автомобиля, способный ездить на смеси дизельного топлива с утиным жиром, доля которого достигает 60–65%.
Да и выпуск на 100%-ного растительного горючего тоже не за горами. На заправочных станциях Европы давно и прочно прописались отдельные колонки с биодизелем. Это самая обычная солярка, только произведенная не из нефти, а из масла. Такое топливо хорошо не только тем, что исходный продукт, из которого оно делается, можно вырастить в любых количествах, но еще и тем, что его выхлопные газы содержат гораздо меньше вредных веществ. Увы, есть и существенные недостатки – падение мощности двигателя может доходить до 20%. Возможно, именно поэтому далеко не у всех автолюбителей биотопливо пользуется популярностью, хотя во многих странах, благодаря государственной поддержке экологических программ, стоит дешевле. Не каждый готов расстаться с любимыми лошадиными силами под капотом. Но здесь на помощь природе приходят сами производители автомобилей. Все больше двигателей проектируется и производится именно с расчетом на использование биодизеля – владелец такой машины просто не заметит потери мощности, настолько она будет незначительна. Зато тот, кто зальет в бак переработанное растительное масло вместо продуктов перегонки нефти, может гордиться, что помогает сохранить окружающую среду и чуть-чуть отодвигает угрозу энергетического кризиса на планете.
Грег Мелвайл из Северной Каролины теперь заправляется в ресторанах, а не на бензоколонках. На свой старенький пикап он установил специальное устройство для превращения в горючее использованного масла, в котором готовились картофель-фри или чипсы. Вот только процесс фильтрования не слишком приятен и занимает определеннее время, а в салоне пахнет, как в ресторане «Макдональдс». Несмотря на это, примером Мелвайла вдохновились многие производители в США и Англии, и набор «сделай сам» для превращения растительного масла в биотопливо уже поступил в продажу.
Пьющий автомобиль
Каким бы выгодным решением ни было переработанное масло, оно годиться для заправки только дизельных двигателей. Но и для бензиновых тоже нашлось свое альтернативное горючее. Им стал обычный спирт. Так что кадры из фильма «Особенности национальной рыбалки», где герои скрепя сердце заливают ценный продукт в бак подводной лодки, отнюдь не так уж и фантастичны. Этанол является великолепной заменой обычному бензину. Мало того, он уже давно используется в этом качестве. На европейских, и американских заправках можно увидеть колонки с буквой Е (первая буква слова Ethanol – спирт). Это означает, что топливо в них разбавлено этиловым спиртом. Ездить на чистом продукте могут себе позволить только обитатели стран с очень теплым климатом, так как с запуском двигателя при низких температурах возникают серьезные трудности. Но достаточно добавить буквально 5–15% бензина, и все проблемы уходят. А в Швеции разработана специальная присадка, позволяющая обойтись стопроцентным спиртовым топливом даже в холодном климате. Это убедительно доказывают городские автобусы Scania, использующие такой необычный коктейль еще с 1989 года.
Использование чистого спирта требует пусть и незначительных, но изменений в конструкции двигателя. Но добавка даже 10–15% спирта (то есть бензин марки Е10 или Е15) уже приносит ощутимую пользу, снижая содержание вредных веществ в выхлопе на 30%. При этом на мощности и на расходе топлива это никак не сказывается: спирт, хотя и имеет меньшую энергетическую плотность, но повышает октановое число смеси.
Мировым флагманом в производстве «алкогольного» горючего является Бразилия. И неудивительно – здешний климат позволяет использовать даже стопроцентный спирт, а огромные объемы производства сахарного тростника в изобилии поставляют сырье для его изготовления. С одного гектара прогретых солнцем плантаций в год производится до 7500 л этанола. Несколько отстают от южных соседей американцы, перегоняющие на экологически чистое (а главное – более дешевое) топливо кукурузу. Причем для США это не только вопрос замещения дорожающего бензина, но и способ поддержки сельского хозяйства, открывающий для фермеров обширные перспективы и сулящий общий подъем аграрного сектора.
Еще одним перспективным сырьем для производства этанола оказались апельсины. Причем не столько сами плоды, сколько их кожура. Спирт, произведенный из отходов после отжима сока, содержит некоторое остаточное количество ароматических масел, которые, как оказалось, значительно улучшают его качества как топлива. Ну а перспективы производства горючего из целлюлозы и ее отходов и вовсе огромны: опилки, солома, макулатура – все это можно пустить в дело.
Не отстают и производители автомобильной техники. Специально под «алкогольные коктейли» была разработана концепция FlexFuel, которая позволяет заправлять машину, как обычным бензином, так и смесями, и даже чистым спиртом. Конструкция этих автомобилей такова, что может полностью устранить существующие недостатки этанолового горючего и позволить в полной мере насладиться его низкой ценой, а заодно и внести свой посильный вклад в сохранение экологии нашей планеты.
Американские биологи из Нового Орлеана использовали для производства биотоплива старые номера ежедневной местной газеты The Times-Picayune . В этом ученым помогла открытая ими бактерия, названная TU-103. Микроскопический организм перерабатывает обычную целлюлозу в бутиловый спирт. Сами биологи отметили, что такое прямое «превращение» самого распространенного органического материала на Земле в практически готовое топливо – просто сбывшаяся мечта.
Серьезную тревогу по поводу перехода автомобилей с бензина на спирт бьют экологи и экономисты. Дело в том, что массовое производство этанола из древесины может привести к такой же массовой вырубке лесов, что серьезно пошатнет экологическое равновесие на планете. А перегонка отходов просто не сможет покрыть растущие потребности современного автомобилестроения.Ну, а экономисты опасаются, что выпуск биотоплива сделает для фермеров невыгодным их основную деятельность – ведь продукты питания гораздо дешевле автомобильного горючего. К тому же выращивать сахарную свеклу, кукурузу или рапс для технических нужд гораздо проще, чем возиться с парниковыми культурами или животноводством. В итоге эта ситуация может привести к резкому дефициту продуктов питания.
Автомобили на метане и водороде
Заправка автомобилей газом давно стала привычным делом. И неудивительно – такое топливо не только дешевле и экологичнее, но и требует самой минимальной переделки конструкции. Ну, а палитра сырья выглядит действительно впечатляюще: от обычного природного газа до метана, который даже значительно превосходит бензин по энергетической плотности. Не говоря уже о водороде, запасы которого действительно неисчерпаемы. Так почему же современная промышленность идет по пути наименьшего сопротивления? Ведь на газозаправочных станциях мы видим только природный газ, запасы которого не только ограничены, но и нужны в первую очередь для работы современной промышленности. Не в последнюю очередь это объясняется большой взрывоопасностью всех горючих газов в смеси с кислородом воздуха. Поэтому и при производстве, и при транспортировке, и при хранении необходимы особые меры предосторожности, что практически сводит на нет экономическую выгоду. Кроме того, хотя выбросы продуктов сгорания такого топлива гораздо менее вредны для здоровья, они очень способствуют возникновению парникового эффекта.
Но сами перспективы выглядят очень заманчиво: ведь получение горючих газов гораздо проще и дешевле, чем даже перегонка спирта. Так что эксперименты в этой области продолжаются. Ученые из швейцарской федеральной лаборатории материаловедения и технологии совместно с коллегами из университета Базеля и Аргоннской национальной лаборатории создали и испытали особую фотоэлектрохимическую ячейку, разделяющую воду на водород и кислород просто под действием солнечного света! Они взяли за основу процесс фотосинтеза цианобактерий и создали элемент из наночастиц гематита с сетью белкового пигмента. Обычная вода стала источником для производства одного из самых энергоемких газов, который при сгорании образует все ту же воду!
Самый первый двигатель внутреннего сгорания, запатентованный в 1801 году инженером Филиппом Лебоном и модернизированный и запущенный в серийное производство бельгийским механиком Жаном Этьеном Ленуаром, работал именно на газе. Так что современные газозаправочные станции это не что иное, как просто возврат к истокам.
Форма топлива больше не имеет значения
Но, на самом деле, форма исходного сырья для топлива не играет никакой роли – это может быть газ, нефть, спирт или просто древесные опилки. Даже без учета современных технологий, превращать один горючий продукт в другой научились еще в начале прошлого века. В богатой каменным углем, но обделенной нефтью Германии ученые Франц Фишер и Ганс Тропш, работавшие в Институте кайзера Вильгельма в 20-е годы, предложили довольно оригинальное решение. Прогоняя перегретый водяной пар через раскаленный каменный уголь, они получили так называемый «водяной газ» – смесь угарного газа с водородом. Эта смесь уже сама по себе могла использоваться в качестве топлива, но главное, что при помощи различных катализаторов из нее научились делать синтетический бензин! Этот процесс получил название по имени своих первооткрывателей – реакция Фишера-Тропша. К 1945 году в мире имелось уже целых 15 заводов, производящих такое горючее: в Германии, США, Китае и Японии. В общей сложности синтетического бензина выпускалось около миллиона тонн в год. А со временем специалисты научились регулировать химические процессы – теперь стало возможным превращать в жидкое топливо и другие горючие газы, которые можно добывать из любой биомассы. А это уже снова приводит нас к производству возобновляемого или «зеленого» автомобильного горючего. Так что благодаря стараниям ученых угроза энергетического кризиса отодвигается все дальше и дальше, а со временем и вовсе сойдет на нет. Ведь запасы растительного сырья вполне восстановимы, а уж водород и вовсе неисчерпаем. Даже отказываться от привычных двигателей внутреннего сгорания особой нужды нет – конструкторы современных автомобилей уже заботятся о том, что бы их детища могли ездить и на пока еще непривычных, но вполне доступных видах топлива.
Производить синтетический бензин можно даже из смога заводских труб! И никаких чудес алхимии для этого не нужно – ведь «водяной газ» немецких ученых состоял именно из СО (то есть угарного газа) и водорода. И ничто не мешает обогащать выбросы заводов и фабрик водородом и синтезировать из них топливо по технологии Фишера-Тропша. Исследования в этом направлении ведутся уже давно, и это сулит значительную выгоду. Еще бы – ведь таким образом мы можем не только получить вполне неплохое горючее, но и снизить загрязнение атмосферы.
