Азотпанк и все-все-все

hypescience.com

Двигатель внутреннего сгорания, без преувеличения, совершил революцию, изменив все в человеческом обществе. В отличие от парового, его не нужно прогревать перед пуском полчаса, нет нужды чистить камеру сгорания от золы. Автомобиль, торговое судно или тепловоз – все запускается быстро, удобно и может провезти вас сотни и тысячи километров без дозаправок. Без этой магии ДВС быстрая поставка товара контейнеровозами на тысячи километров, как и вся глобальная экономика, были бы нереальны, а транспорт вокруг нас не был бы и вполовину так удобен, как сейчас.

Но за удобство приходится платить, причем часто тем, чем совсем не собирался. Кроме все еще происходящих смертей от выхлопных газов мы заплатили за революцию внутреннего сгорания и тяжелой тетратиэтилсвинцовой историей, оказавшей сильнейшее негативное влияние на мозг сотен миллионов человек. Все это не было неизбежно: человечество давно знает менее токсичные виды топлива. О чем речь и отчего в свое время мы выбрали не их?

Водородный двигатель: от рождения до XXI века

Первое авто с ДВС поехало в 1807 году и было оснащено так называемым «двигателем де Риваза», изобретателя французского происхождения, жившего в Швейцарии. Этот двигатель был оснащен цилиндром, поршнем и даже электрическим зажиганием (!), то есть имел все принципиальные черты современного автомобильного ДВС. Только как топливо он использовал водород, а как окислитель – атмосферный воздух. Такой выбор был сделан не просто так: жидкое топливо, доступное в то время, не имело приличного октанового числа, а достаточно обедненные водород-кислородные смеси могли обладать октановым числом выше 100 – то есть работать без детонации. Напомним: детонация оставалась большой проблемой ДВС на бензине вплоть до появления такого опасного изобретения, как тетраэтилсвинец, о печальной судьбе которого мы писали здесь.

Набросок транспортного средства на водороде, созданного Исааком Ривазом, 1807 г. Рисунок сделан в 1959 г. исходя из патентных данных 1807 г. Иллюстрация: Hans Liska, group.mercedes-benz.com

Однако при всех плюсах водорода он был – и, увы, остается даже в XXI веке – тупиковым решением. Даже сжатый до 690 атмосфер он дает всего 1,25 киловатт-часа энергии на литр. На фоне бензина, литр которого при сгорании обеспечивает 9,5 киловатт-часов, смотрится не очень. Еще хуже тот факт, что водородные баллоны должны быть очень прочными (иначе 690 атмосфер не выдержать), и поэтому «водородомобиль» возит меньше водорода, чем весят баллоны, в которых он находится.

Toyota Mirai в разрезе на выставке Salão Internacional do Automóvel.Показана батарея топливных элементов (слева) и бак с водородом высокого давления (справа). Фото: Mariordo, commons.wikimedia.org

Возьмем самый продвинутый из них – Toyota Mirai: водородные баллоны у него на 122 литра, давление там 700 атмосфер, вес их – 87,5 килограмма, а водорода в них… всего пять килограммов. Чтобы компенсировать это, Mirai использует топливные элементы, чей КПД вдвое выше ДВС. Проблема в том, что цена машины с топливными элементами выходит примерно втрое выше бензиновой и в полтора раза выше электромобиля.

Учитывая, что прочные материалы для баллонов как у Mirai в XIX веке просто не существовали, легко понять, почему Риваз быстро отказался от водорода. Он пробовал перейти на продукты газификации угля, но и с ними тоже было не слава богу (их сложно хранить). Французская академия наук реагировала на опыты такого рода просто: ДВС, утверждала она, никогда не будет равным соперником парового автомобиля. Академия была права: равным – никогда. Но вскоре ДВС начал существенно обходить своего конкурента. Как раз за счет смены вида топлива.

Нефтяная эра

В 1876 году Николаус Отто создал первый ДВС современного вида на бензине. Здесь не требовались толстые стенки: давление в баке атмосферное. Не нужен большой объем: десятков литров хватает на сотни километров. Плюс пары бензина легко поджечь.

Но не это было главным преимуществом бензина. Основным достоинством стала цена – на тот момент совершенно бросовая. Дело в том, что мировая нефтеиндустрия уже существовала, живя с продаж керосина для ламп. Но перегонка нефти кроме керосина давала никому не нужные тогда мазут и бензин. Последний продавали в аптеках как растворитель для выведения пятен, но для чего-то еще он годился слабо. Паровой двигатель на нем был бы относительно пожароопасным, да и уголь все равно дешевле. Высокая энергоемкость бензина у паромобилей почти не использовалась: на фоне материалоемкого котла и топки легкое топливо уже не делало погоды.

Автомобиль Liquid Air и его схематическое изображение 1903 г. douglas-self.com

Поэтому ДВС получил огромное количество недорогого топлива, до того часто выливавшегося в реки. Бензин тех лет далеко не был идеальным: его октановое число составляло считанные десятки единиц, отчего степень сжатия топливовоздушной смеси в цилиндрах приходилось держать низкой. Повысишь – жди детонации, резко увеличивающей расход и снижающей ресурс мотора. Кроме того, бензиновый двигатель в первые лет 30 его развития было нечем запускать: аккумулятор еще не догадались объединить с ДВС. Приходилось заводить мотор, крутя ручку, что было неудобно и требовало большой физической силы. Неудивительно, что шел активный поиск альтернатив.

Азотпанк

Так в 1902 году появился Liquid Air – автомобиль, который разработчики нацелили на дальность в сто миль (161 километр), причем в качестве «топлива» он использовал жидкий (охлажденный ниже –190 °С) воздух. Топливо тут в кавычках, потому что в такой машине ничего не горело. И хотя в ней использовался двигатель, конструктивно неотличимый от двигателя внутреннего сгорания, его точнее было бы назвать поршневым. Чтобы толкать поршни в цилиндрах, двигатель впрыскивал туда азот под давлением. А чтобы сперва превратить жидкий азот в газ, небольшие порции его пропускали через газообменник, нагревавшийся от атмосферного воздуха.

Преимущества такой машины очевидны. Нет нужды «дергать за ручку», чтобы завести автомобиль, нет выхлопов и почти нет шума. Поскольку двигатель работает при низких температурах, требования к смазке намного ниже (хоть растительное масло). Опять-таки, масло надо реже менять, нет нужды в мощной системе охлаждения двигателя, выше его ресурс.

И еще один существенный плюс: в отличие от электромобиля, емкости для жидкого азота – это просто стальные термосы. То есть низкотехнологичные и поэтому недорогие детали, не чета литиевому аккумулятору наших дней.

Минусы? Во-первых, на 68 литрах жидкого воздуха далеко не уедешь – всего 64 километра. Во-вторых, массовой индустрии сжижения газов еще не было, отчего и сам жидкий воздух стоил немало. Это и покончило с новинкой.

Надо сказать, что такого исхода могло бы и не случиться, если бы в тот момент было известно, что ДВС на нефтепродуктах убивают множество людей. В среднем на 4000 машин за год приходится одна смерть от выхлопных газов, то есть число умирающих таким образом сопоставимо с общемировым числом жертв ДТП. Однако все это стало понятно только в 1970-х, а в начале XX века смысла стимулировать «небензиновые» разработки просто не было.

В принципе, жидкий азот в качестве «чистого топлива» вполне обоснован и сегодня. Да, при сжижении азота из воздуха потери на этот процесс равны 50 %. Потратив 1000 киловатт-часов на сжижение N₂, мы сможем заправить в бак только эквивалент 500 киловатт-часам. Но у получения водорода КПД тоже далеко не сто процентов. А самое главное – больше пяти килограммов его в легковушке особо не запасешь.

Жидкий азот не требует баллонов под высокое давление (его хранят в чем-то типа 50-литровых термосов), и из одного его килограмма можно получить 90–100 ватт-часов «полезной» энергии, двигающей автомобиль. Это в два раза меньше, чем у литиевых батарей, но на практике разница гораздо заметнее. Ведь литиевой батарее нужны системы охлаждения и другие вспомогательные подсистемы, имеющие приличный вес, которых нет у «азотмобиля».

Наконец, «криогенное» транспортное средство может себе позволить иметь запас хода всего в 200–300 километров, куда меньше, чем у «Теслы». Ведь на заправке пополнить бак жидким азотом «до краев» займет несколько минут, а не полчаса, как у электроаналога. А значит, и останавливаться для заправки можно почаще. Неудивительно, что вплоть до нулевых годов их активно пытались строить в целом ряде опытных экземпляров.

На сегодня электромобили окончательно победили. Почему? Ключевая причина – в КПД. 50 % потерь при сжижении азота – это куда больше, чем 10–15 % суммарных потерь, типичных для ЛЭП и аккумуляторов электромобилей. И все же отметим: в XX веке, когда литиевые батареи современных типов не были доступны, самой чистой из массово доступных альтернатив ДВС являлся жидкий азот. Будь наши предки более информированы о вреде бензиновых моторов – не исключено, что азотные стали бы довольно популярны.

Иллюстрация кислородного запаса для заправки ракет в лунных условиях. Такой проект прорабатывал израильский стартап Helios. Фото: Helios timesofisrael.com

Кислородпанк: выбор для Марса?

Стоит отметить, что машины, использующие поршневые ДВС и что-то очень похожее на жидкий азот/жидкий воздух, все еще имеют огромный шанс на успех, но только на других планетах. Причина в том, что в современных планетоходах нельзя будет перевозить людей, как это делали луномобили во время высадки американцев на Луне. Планетоходы имеют либо маломощный (в районе 100 ватт), но тяжелый РИТЭГ (радиоизотопный термоэлектрический генератор), который может делать быстрее транспортное средство только до скорости пешехода, либо солнечные батареи – той же мощности, но еще и занимающие куда больше места.

Чтобы получить нормальную скорость, американские луномобили использовали разовые химические батареи высокой емкости, но, как ясно из названия, без возможности перезарядки. Сегодня иногда говорят о планетоходах на литиевых батареях, но для перевозки космонавтов не годятся и они: очень уж большая масса, сотни килограммов на один «внеземной автомобиль». Учитывая, как тяжело доставить лишние центнеры до Луны или Марса, – это не очень рационально.

Зато сжиженным газом – кислородом или угарным – заправить «автомобиль для иных планет» довольно просто. Ведь газ можно получить из марсианской атмосферы (в основном из СО₂), или водного льда, который радарами уже найден в пределах метра от поверхности и спутника Земли, и Красной планеты.

Расщеплять воду и использовать местную атмосферу на Марсе уже сейчас планирует SpaceX. С помощью реакции Сабатье компания намерена создавать из водорода и кислорода (продукты расщепления воды), а также углекислого газа (основного «ингредиента» марсианской атмосферы) искусственный метан (СH₄). Получающийся при этом жидкий кислород будет «отходом производства», но израсходовать его на дыхание не получится: человек за год потребляет всего 0,3 тонны кислорода. А для одной заправки одного Starship нужно столько топлива, что при его производстве «отходами» станут тысячи тонн кислорода.

В условиях Марса, однако, такие «отходы» весьма полезны. Если плотность жидкого азота всего 808 килограммов на кубометр, то жидкого кислорода – уже 1141 килограмм на кубометр. Вдобавок количество энергии от таяния жидкости и расширения получившегося при этом газа критически зависит от давления снаружи. На Марсе оно в 150 раз ниже, чем на Земле.

Получается, «кислородпанк» – самое реальное будущее транспортных средств на четвертой планете. С Земли нужно будет привезти только легкий стальной термос для сжиженного газа – по сравнению с литиевой батареей он почти ничего не весит. Дополнительные затраты на его заправку вообще не нужны: получение ракетного топлива на Марсе неизбежно, потому что без него вернуться оттуда у людей просто логистически не получится. Доставлять топливо на обратный путь с Земли не выйдет: это потребует отправки космических кораблей массой в десятки тысяч тонн, то есть слишком дорогих, о чем уже не раз говорил тот же Илон Маск.

А поездки по поверхности планеты людям понадобятся: как еще исследовать многокилометровые марсианские пещеры, ведь они будут не только рядом с базой? Да и перевозить вырубленный водный лед ближе к постоянной базе на чем-то надо.

Метанол и диметиловый эфир: самый практичный путь?

Итак, газ (как и жидкий азот) несет слишком мало энергии на единицу объема, а бензин или солярка слишком грязны, отчего убивают сотни тысяч человек в год. Есть ли какие-то альтернативы?

Суперкар Gumpert RG Nathalie на метанольных топливных элементах. В топливный бак автомобиля заливается метанол. Он нагревается до 300–400 °С. При этом выделяются двуокись углерода и водород, который пропускается через топливный элемент для выработки электроэнергии. energy-supply.dk,ru.motor1.com

Как ни странно, они не только есть, но и серийно используются с 1940-х годов. Это пара из метанола и диметилового эфира. Метанол (CH₃OH) при сжигании литра дает всего 4,33 киловатт-часа тепловой энергии, то есть примерно в два с лишним раза меньше, чем бензин (9,5 киловатт-часа). Однако разница в два раза – это не разница в сто раз, как у жидкого азота, и не в 50, как у литиевых батарей. Сегодня у вас под задним сиденьем бак на 50 литров, а завтра будет сто – многие ли заметят разницу? Это никак не 350 литров для жидкого азота, которые уже под сиденьем не разместишь.

Метанол можно использовать в обычном бензиновом двигателе, просто поменяв материалы некоторых покрытий и ПО, управляющее сгоранием. К тому же у него октановое число 114 – недостижимое для любого серийного бензина. Значит, двигатели на нем могут иметь более высокую степень сжатия, то есть более высокий КПД. При этом с одного объема ДВС метанол позволит снять больше мощности в единицу времени – именно поэтому немецкие истребители Bf.109 использовали метанольно-водяную смесь еще в 1940-х годах.

Диметиловый эфир (C₂H₆O) в смысле числа атомов – «брат» этилового, но, в отличие от него, его молекула «собрана» из тех же атомов иначе. Поэтому пить его бесполезно, да и не выйдет (при нормальных условиях это газ). Его несложно сжижать (близко к пропану), и, кстати, его можно смешивать с пропаном в пропорции 30 % диметилового эфира – 70 % пропана (на такой субстанции может работать бензиновый двигатель). А еще можно ни с чем не смешивать, и тогда он прекрасно работает в дизельном двигателе. Причем «прекрасно» значит «лучше солярки»: цетановое число солярки 40–53, а диметилового эфира – выше 55. Это значит, что он горит в цилиндрах дизельного ДВС более плавно, что опять-таки позволяет поднять степень сжатия и КПД.

Грузовик Mack, работающий на диметиловом эфире. Фото: Ron Jautz aboutdme.org

Роднит диметиловый эфир с метанолом то, что их получают в целом сходно. Самый дешевый путь: обработка угля или древесины перегретым водяным паром. Причем сам источник пара неважен: это может быть, например, атомная электростанция.

При такой обработке вначале образуется синтез-газ – смесь угарного газа (СО, иногда еще и углекислого) и водорода (Н₂). Дальше катализаторы (медно-цинковые) уже доводят эти соединения до жидкостей. Основные пути здесь таковы:

СО + 2Н₂ ↔ СН₃ОН; ΔH = –90,8 кДж (траты тепловой энергии неизбежны: такая реакция идет при +250);

СО₂ + 3Н₂ ↔ СН₃ОН + Н₂О; ΔH = –49,6 кДж.

Угля на планете очень много, но сжигать его экологически чисто малореально – он дает слишком много микрочастиц. При обработке водяным паром для получения синтез-газа (из которого потом сделают метанол) соединения серы и другие загрязнители из состава угля не попадают в атмосферный воздух, оставаясь внутри химических реакторов. То же самое – при замене угля древесиной.

Что очень важно, метанол и диметиловый эфир выдает намного меньше микрочастиц при сгорании, чем нефтепродукты. Оно и немудрено: это синтетический продукт, целиком созданный в ходе искусственных химических реакций, сырье которых – газы. В нем нет примесей микрочастиц от горных пород или древних организмов, как у нефти или угля.

Кажется, что это почти идеальный путь решения проблемы «чистых» автомобилей. В самом деле: электромобиль, как мы уже писали, по необходимости на 15–20 тысяч долларов дороже ДВС-мобиля. Это терпимо в недешевом сегменте («теслы»), но не работает в бюджетном: машина выходит вдвое дороже ДВС-мобиля. Водородные авто, как отмечено выше, – технический и экономический тупик. А вот угля на планете много (в энергетическом эквиваленте в разы больше нефти), Урана-238, из которого можно получать энергетический плутоний для АЭС, вообще хватит на тысячи лет (и тот же российский реактор БН-800 уже использует плутоний).

Метанол даже сегодня, без дешевого нагрева водяного пара реактором (такой требует массового спроса на метанол), стоит оптом полдоллара за литр. При массовом «атомном» производстве он будет еще дешевле, примерно на уровне бензина в России, и намного дешевле того же бензина в США или Европе. Сходно – с диметиловым эфиром.

Из-за всего этого возникает вопрос: почему такие технологии не начали применять еще в 1960–1970-х годах, когда впервые стало известно, что выхлопы ДВС на нефтепродуктах убивают сотни тысяч человек в год своими микрочастицами? Ведь и АЭС, и уголь тогда уже были массовыми технологиями.

Ответ в последнем случае прост: инерция мышления. Дизельный двигатель появился в Германии в 1890-х, а первый дизельный теплоход в мире построили в 1903 году (российский «Вандал»). В Германии же до первого теплохода дело дошло только в 1911 году. Рудольф Дизель покончил жизнь самоубийством из-за невостребованности своего изобретения, а переход на дизели немцы начали лишь во второй половине века. Даже СССР, первый начавший массово делать дизели (во Вторую мировую, для танков), вытеснил паровозы тепловозами в той же второй половине прошлого столетия, что и Германия. Все это потому, что создать удачное техническое решение – это одно, а догадаться, что оно лучше других, – совсем другое.

Более сложно ответить на вопрос, почему всеобщего перехода на метанол и диметиловый эфир не происходит сейчас. Формальный ответ на этот вопрос довольно прост: обе жидкости содержат углерод, то есть при их сгорании образуется углекислый газ.

Но обойти эту проблему в общем-то несложно: достаточно получать его из еще недавно живых деревьев, а не мертвого угля, чтобы такое решение признали «зеленым» – мол, сколько углекислого газа деревья из атмосферы забрали, столько его сгорание полученного топлива туда и вернется.

Да, такой метанол и диметиловый эфир, конечно, дороже, чем из угля, но все равно получается не сильно выше по цене обычных бензина и солярки. Разумеется, деревья жалко. Но их все равно срубят: современное зеленое движение активно продвигает «биотопливо», так что жалей или не жалей, а части деревьев планеты все равно не спастись от биотопливных идей радикальных экологов.

 Наиболее вероятный ответ на вопрос, почему мы не видим внедрения метанола и диметилового эфира, таков: в западном мире есть ожидания, что литиевые батареи для электромобиля с приличным запасом хода стоят 20 тысяч долларов только сегодня. Считается, что в будущем цена упадет до трех раз, а то и более.

С чисто технической точки зрения это крайне сомнительно. Литиевая батарея условной «теслы» весит более полутонны, и в автомобилестроении сложное изделие на полтонны никогда не стоит дешевле десятков долларов за килограмм. Поэтому бюджетное ДВС-авто и дальше будет гораздо дешевле бюджетного электроколлеги с нормальной дальностью хода.

Однако современные зеленые и политики в целом не в курсе этих технических деталей. Большинство из них в принципе не знают, что литий – самый легкий из металлов, и поэтому неорганические накопители электроэнергии не могут быть намного лучше, чем те, что уже существуют.

В этом смысле курс на «всеобщую» электроавтомобилизацию чем-то похож на плавание «Титаника»: инженер Костенко в 1909 году предупреждал проектировщика лайнера Томаса Эндрюса, что водонепроницаемые перегородки должны идти до верхней палубы, а не кончаться ниже, как в исходном проекте. И что? И ничего: Эндрюс просто пропустил слова Костенко мимо ушей, поскольку не считал, что айсберги такой вышины в водах Атлантики вообще реальны. Итоги известны: весной 1912 года полторы тысячи человек погибли.

Очевидно, что к концу 2020-х – началу 2030-х годов слишком высокая стоимость электроавто, не позволяющая им победить на рынках за пределами западных стран, станет заметной уже всем – как правота совета Костенко стала всем очевидной в 1912 году. В этот момент перед теми, кто хочет чистый воздух, но не хочет платить за машину вдвое дороже обычного, снова встанет выбор. Метанол и диметиловый эфир или, быть может, еще одна, более очевидная альтернатива?