Новости науки: электрический самолет и водородный поезд

Электрический самолет и водородный поезд

То, что электродвигатели для транспорта привлекательнее двигателей внутреннего сгорания или турбинных, сомнения не вызывает. Электротранспорт проще, экологичнее, бесшумнее, и он давно бы воцарился на дорогах, на воде и в воздухе, если бы не проблема с источниками питания. Есть провода или рельсы – транспорт выгоден, нет их – возникают проблемы с источником электроэнергии. Солнечные батареи пока явно недостаточны для обеспечения движения современного транспорта, остаются аккумуляторы.

Мы недавно рассказывали о перспективах электромобилей, сейчас они в тренде, большинство ведущих автофирм разрабатывают модели на электротяге, а безусловный лидер в этом - американская фирма Tesla Илона Маска, которая произвела уже многие тысячи таких машин.

И это лишь начало! Электромобили неизбежно сменят машины с бензиновым или дизельным двигателем, но если на земле это уже достаточно очевидно, то в небе перспективы перехода на электроэнергию просматриваются куда слабее – уж слишком тяжелы аккумуляторы, слишком часто их приходится подзаряжать. На земле - это вообще не проблема, но в воздухе...

И всё же электроавиация развивается. Создаются пока легкие самолеты, а о дронах и говорить нечего – большинство из них, включая боевые, оснащены электромоторами и аккумуляторами.

«Extra 330LE» – рекордсмен на электротяге

И вот очевидный успех: самолет фирмы Siemens типа «Extra 330LE» установил два мировых рекорда для электросамолетов. Это разработка фирм Siemens и Aerobus, одноместная машина с инновационным двигателем мощностью в 260 кВт при весе всего в 50 кг(!), подобных которому в мире нет. В классе аккумуляторных самолетов установлен рекорд скорости в 342,8 км/час. И еще один рекорд: удалось впервые осуществить буксировку планера. До сих пор подобные самолеты и себя еле-еле от земли отрывали. Концерн Aerobus, уже создавший ранее собственный электросамолет «E-FAN», взял курс на гибридные силовые установки - сочетание бензиновых двигателей и электромоторов. До 2030 года предполагается создание самолета, рассчитанного на перевозку до 100 пассажиров на 1000 км. Для начала планируется выпуск небольших самолетов регионального класса, что ознаменует начало эры бесшумной авиации.

Aerobus «Extra 330LE»

Но кардинальное решение проблемы электротранспорта возможно только при создании мощных и легких накопителей электроэнергии. Таковых существует три типа: химические аккумуляторы, топливные элементы и конденсаторы. Все они имеют достоинства и недостатки, все испытываются, в первую очередь, на наземном транспорте. Судя по сообщениям прессы, сейчас намечается существенный прогресс, связанный с применением новейших материалов, в первую очередь двухмерных и наноматериалов. Например, испанская фирма «Graphenano» обещает создать графеновый аккумулятор с удельной емкостью 1000 ватт-часов на кг (Втч/кг) против типичных 200 Втч/кг для литиевых батарей. Более того, уже объявлено о строительстве завода по выпуску таких аккумуляторов. Что из этого реально выйдет, сказать трудно, но в случае успеха, например, такой электроавтомобиль, как Tesla Model S, сможет на одной зарядке проехать 1013 км вместо 334.

Произойдет ли революция в создании аккумуляторов в ближайшее время, предугадать сложно, но для этого в мире делается всё возможное - уж очень это важное направление, оно востребовано индустрией, от смартфонов до самолетов.

И «классические» литий-ионные аккумуляторы также совершенствуются. Недавно объявлено о разработке, опять же за счет применения новейших материалов, ячеек с рекордной емкостью в 400 Втч/кг. А разработанные в Германии литиевые батарейки с инновационными кремниевыми (вместо графитовых) анодами дадут, по утверждению их создателей из Helmholtz-Zentrum Berlin, невероятную сегодня удельную емкость в 2300 Втч/кг.

Одновременно разрабатываются источники тока, в которых дефицитный литий будет заменен другим элементом, например, натрием или алюминием. Так, американская фирма Envia Systems сообщила о разработке алюминиевой батарейки с удельной емкостью в 400 Втч/кг.

Так что литий нужен - без него сегодня и в обозримом будущем невозможно производство аккумуляторов. Откуда же он берется? Ответ: отовсюду понемногу, но главным образом – из немногих стран-монополистов, где он находится в растворенном виде в замкнутых водоемах. На первом месте среди них - Чили с запасом в 7,5 млн тонн (28% всех разведанных мировых запасов лития), далее - Китай с 3,2 млн тонн в Тибете, далее - Аргентина (2 млн), Австралия (1,5 млн), Португалия, Бразилия, США, Зимбабве. Лития на нашей планете мало, он дефицитен, цена его растет, поэтому поиски замены лития ведутся во всем мире, но одновременно ведутся поиски новых литиевых месторождений. Таковое обнаружено в штате Невада (США), где может начаться настоящая литиевая лихорадка, как некогда золотая на Аляске. В долине Клейтон подземные воды богаты растворенными в них солями лития. Предлагается их откачивать и выпаривать, получая литиевый концентрат.

Но аккумуляторами не исчерпываются возможности хранения электроэнергии. Всё больший интерес представляют конденсаторы, точнее суперконденсаторы, разрабатываемые на основе новейших материалов. Мы уже сообщали об одном из экспериментов в этом направлении: в Израиле осуществляется пилотный проект EUPT (Electric Urban Public Transportation – Общественный городской электротранспорт), в рамках которого в районе города Нетания запущены элетроавтобусы на конденсаторной тяге, которые будут подзаряжаться на каждой автобусной остановке. Достоинство конденсаторов – в их способности в кратчайшее время заряжаться, хранить большое количество энергии в малом объеме и быстро ее высвобождать. При этом конденсаторы обеспечивают несравнимо большую силу тока, недаром их уже используют в электрошокерах и дефибрилляторах.

Прекрасным горючимявляется водород. Сгорая, он выделяет больше энергии, чем практически любые другие элементы и соединения, и образует при этом безвредную воду. С точки зрения энергетики и экологии водород выгоднее бензина и других углеводородов, но применение его связано с большими трудностями. Основной недостаток электрических аккумуляторов (отвлекаясь от цены) – большой вес, делающий невыгодным их применение в транспортных средствах. Так вот, у водорода тот же недостаток. Может показаться странным, ведь сам по себе водород – самый легкий из всех химических элементов, но это - газ, его хранят под давлением в баллонах, а они весят немало. Альтернативное решение – жидкий водород, но его сложно получать, а хранить можно только в специальных криогенных емкостях при температуре -253 градуса Цельсия. И всё равно он испаряется, в сутки теряется не менее 1% его массы. Кроме того, крайне низкая плотность жидкого водорода (0,07 г/см³) требует хранилищ огромного объема. С этими проблемами в свое время столкнулись ракетчики. Первые водородные ракетные двигатели применялись на верхних ступенях американской лунной ракеты «Saturn-5». Но ракеты заправляются жидким водородом непосредственно перед стартом и расходуют его в считанные минуты. Для обычных транспортных средств - это, казалось бы, не решение. И всё-таки попытки создать водородный транспорт предпринимаются в разных странах и не без успеха.

Одно из направлений – топливные элементы, электрохимические ячейки, в которых вырабатывается электроэнергия. Энергию обеспечивает, как и в ракетных двигателях, окисление водорода, только он не сгорает, а окисляется в специальных ячейках, вырабатывая электричество. Примерно то же происходит и в гальванических элементах, батарейках и аккумуляторах, но только там используется ограниченный запас компонентов, а в топливных элементах они поступают извне.

 Toyota Mirai

Уже запущены в серию подобные автомобили: это - ToyotaMiraiстоимостью в 80 тысяч евро, который на одной водородной зарядке покрывает 650 км; это Hyundaiix35 Fuel Cell (65 тысяч, 594 км между заправками). Проблема таких машин в отсутствии сети станций заправки водородом, а сама заправка осуществляется буквально за минуты. В Toyota Mirai, например, водород хранится в баках из композитного углеволоконного пластика под давлением в 700 бар.

 Hyundai ix35 Fuel Cell

Для общественного транспорта такие силовые установки также оказались выгодными и заряжать их водородом в городских условиях проще. В Китае, где особо остро стоит проблема загрязнения воздуха выхлопными газами, разработаны и со следующего года будут введены в эксплуатацию трамваи на водороде. А мы имеем шанс проехаться на водородном транспорте уже в этом году: в Германии на линии Buxtehude-Cuxhaven впервые в мире начнет курсировать водородный электропоезд Coradia iLint, разработанный во Франции.

Водородный электропоезд Coradia iLint

Кстати, и на море, особенно под водой, уже нашли применение водородные топливные элементы. Они установлены на новейших немецких подводных лодках класса 212A и на их аналогах для Израиля -«Dolphin». Водород, однако, хранится в них не в баллонах, а в химически связанном состоянии, в металл-гидридных аккумуляторах.

Это будущее, которое уже наступило.

С. Мучник (Дортмунд)