Реферат: Чудесное топливо будущего

В результате получается атомы трития и протия - изо­топы водорода. К такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким его представляла старая химия - в результате реак­ции получается недостача:

2 x 2.014102-1.007825-3.016049=0.00433 Г

Это немалая недостача, она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реак­ция между двумя молями тяжелого водорода, то согласно уравнению Эйнштейна E= mc² можно было бы получить энер­гию:

0.00433 x (3 x 10¹⁰ )² Дж =3.9 x 10¹¹ Дж

Это немалая энергия. В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много, ни мало 13,5 т первосортного угля.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реак­ции такую энергию можно получить при затрате всего лишь 120, 6 кг. Что же мешает получать энергию из воды?

Чтобы атомы могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнутся, то есть сблизится до расстояния, начи­ная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электрическое отталкивание - примерно 10^-14 м.

Но ядра атомов защищены своими электронными оболочками. Это оболочки простираются на расстояния в десятки тысяч раз больше. А самое главное - ядра заряжены и отталки­ваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия (в джоулях) двух ядер, на расстояние 10^-14 м, должна быть равна:

Дж = 2.3 x 10-14 x Z1 x Z2 Дж

Z₁ x Z₂ x (1.6 x 10^-19 )² x 9 x 10⁹

10^-14

если между собой сталкиваются элементы с атомными но­мерами Z₁ и Z₂ .

Можно найти и скорость, с которой должны столк­нуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция:

Z₁ xZ₂

V = 5.3 x 10⁸ x

A

У дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2, следовательно, скорость атомов должна быть: V = 3,8 x 10⁶ м/с или 3800 км/с, что в 475 раз больше 1-ой кос­мической скорости. При обычной температуре физикам из­вестна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 м /с. При комнатной температуре, равной примерно 239 К, кинетическая энер­гия молекул возрастает пропорционально термодинамиче­ской температуре, или, что то же самое, пропорцио­нально квадрату скоро­сти. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до темпе­ратуры:

3800²

Т = 293 х К = 1,2 х 10⁹ К

1,9²

Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия «нагретые» до температуры свыше миллиарда Кельвинов. Вот в этом то и заключается до­вольно серьезное затруднение для истинных героев науки - физиков.

Весьма заманчива своей дешевизной оказалась идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в каче­стве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта горения воду.

Американские исследователи Университета штата Окла­хома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажига­ния. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота со­держится лишь в незначительных количествах.

Однако широкому применению водорода в качестве авто­мобильного топлива препятствует немало проблем, и са­мая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло кон­структоров на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно под­держивать в баллоне температуру -253⁰ С. Применять со­суды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конст­рукторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испаре­ние не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном авто­мобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое реше­ние: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а при нагреве (хотя бы выхлопными газами) ­снова выделяют его. Масса водородного бака из гидридов металлов превышает 150 кг.

Новое топливо уже опробовано на практике. Успешно прошел испытания автомобиль «Жигули» с комбинированным двигателем на бензине и водороде. К.П.Д. двигателя по­высился на четверть, расход бензина уменьшился на треть, а содержание вредных веществ в выхлопных газах снизилось до минимума. Большие надежды возлагаются и на электромобили, снабженные водородо-кислотными топ­ливными системами.

По мнению многих специалистов, водородный двигатель вряд ли найдет применение в легковых автомобилях, по соображениям безопасности, но он может пригодиться для общественного транспорта.

Большой интерес к водородному топливу проявляют и авиаконструкторы. В США еще в 1957г. исследовательская группа Национального управления по аэронавтике и ис­следованию космического пространства проводила испыта­ния двухмоторного самолета на водородном топливе. В 1973г. НАСА поручило фирме «Локхид» приспособить для водородного топлива два серийных боевых самолета (С-141 и «Старфайтер»). Фирма «Боинг» разработала вариант крупнейшего самолета «Джамбо-Джет» на водородном топ­ливе.

Есть еще одно важное соединение водорода - это пере­кись водорода, которая применяется для двигателей под­водных лодок, ракетных двигателей, в том числе и та­ких, которые могут поместиться в ранце за спиной чело­века.

На прошедшей в Москве международной конференции по моторному топливу заместитель директора научно-произ­водственной фирмы «Фордигаз» Сергей Шипунов уверял участников конференции, что если установить на автомо­билях их топливные системы для двигателей внутреннего сгорания, то содержание вредных веществ в выхлопных газах уменьшится в сотни раз. Во всем мире считается большим достижением, если удается уменьшить на не­сколько процентов количество этих ядов. Даже если пе­ревести автомобили с жидкого на газовое топливо, то вредных веществ в дыме станет в 3-10 раз меньше. А «Фордигаз» уверяет, что может понизить их содержание еще на порядок для машин на газе и на два порядка - на бензине. Это кажется просто невероятным.