energyplus

У любого явления, вошедшего в массовое сознание, есть свой цвет: небо — голубое, море — синее, трава — зеленая, камень — обязательно серый. Правда, море может быть и бирюзовым, и прозрачным; камень — красным, белым или оранжевым. Разной бывает и нефть, но, в отличие от неба, ее мало кто видит «вживую», пусть это и самое распространенное топливо на планете. Продукты переработки нефти тоже разного цвета: дизель желтый, а бензин вообще бесцветный.

Внешний вид нефти зависит от ее состава: сложной смеси углеводородов и примесей. Состав уникален и меняется в зависимости от географического расположения месторождения, глубины скважины и особенностей окружающего грунта.

В 2010 году я поехала на свое первое месторождение в Омской области, начала работать в лаборатории и впервые увидела нефть — классически черную. Но были в ней и едва заметные оттенки оранжевого и зеленого. Здесь, на Мессояхе, я увидела шикарную цветовую палитру нефти: от желтой до прозрачной.

Надежда Шершень

начальник химико-аналитической лаборатории Восточно-Мессояхского месторождения

Надежда Шершень отмечает, что цвет нефти лучше всего виден на солнце. «В помещении или в тени нефть может казаться черной, но на просвет будут видны оттенки. Цвет обусловлен содержанием веществ: в зеленой обычно много серы; в коричневой и черной —  асфальтенов, смол; желтая, оранжевая и прозрачная содержат легкие фракции попутных нефтяных газов и газоконденсата, которые выкипают при температуре ниже 100 градусов по Цельсию», — объясняет химик.

Соединения серы или ионов металлов придают нефти зеленый цвет. Небольшая концентрация смол и асфальтенов делают ее желтой. Фото: «Газпром нефть»

ОСНОВА ЦВЕТОВОЙ ПАЛИТРЫ

В сырой нефти находятся сотни, иногда тысячи отдельных веществ. Большая их часть — примерно 90% — это углеводороды — соединения углерода (C) и водорода (H) различной структуры. Наиболее распространенные классы углеводородов можно представить общими химическими формулами CnH2n+2 (алканы), CnH2n (циклоалканы) и CnH2n-6 (арены), где число n начинается от 1 и может достигать нескольких десятков. Чем меньше n, тем меньше молекулярная масса вещества. Или, проще говоря, тем оно легче. При n меньше 5 вещества будут растворенными газами, от 5 до 15 — жидкостями, более 15 — твердыми веществами. Практически все эти соединения бесцветны. Если нефть месторождения состоит только из углеводородов без примесей, на выходе из скважины получается чистая, прозрачная, как вода, жидкость.

Именно эти соединения представляют наибольший интерес для нефтепереработки. Углеводороды — основа бензина, керосина, различных растворителей. Бесцветная нефть — самая ценная, в ней находится наименьшее количество примесей, поэтому она нуждается в минимальной очистке.

В нефти могут быть растворены органические, неорганические и минеральные соединения. В их структуре могут быть атомы серы (S), азота (N), кислорода (O), некоторых металлов, например, ванадия (V) и никеля (Ni).

Чаще всего встречаются примеси сложных по составу тяжелых органических веществ: смол и асфальтенов. Они — основа мазута, тяжелой фракции нефти. Обычно ее отделяют от легких углеводородов во время переработки.

Смолы — густые, вязкие вещества бурого цвета. Они отвечают за коричнево-красные и желтые оттенки нефти, в зависимости от концентрации. Асфальтены — твердые вещества черного цвета — придают нефти насыщенный темный оттенок. Если в нефти много смолы и нет асфальтенов, она будет красно-коричневой; и наоборот, отсутствие смол и большая доля асфальтенов делают ее идеально черной. Но обычно в нефти одновременно присутствуют оба вида соединений, что ведет к разнообразию цветов. Чем меньше концентрация смол и асфальтенов, тем светлее нефть: именно так объясняются желтые, оранжевые, светло-коричневые оттенки.

Если в стакан воды добавить каплю обычной коричневой краски, жидкость слегка пожелтеет. С добавлением черного и коричневого цвет воды будет все ярче, станет оранжевым, красным, начнет темнеть, пока не превратится в темно-коричневый, а затем черный.

В мире сотни месторождений, и в каждой скважине состав нефти уникален, как и ее цвет. Он может меняться и на одном месторождении по мере погружения. Такое явление наблюдается на Восточно-Мессояхском нефтяном месторождении — самом северном на материковой части России.

ГЕОГРАФИЯ ЦВЕТА

В некоторых частях света встречается нефть различных оттенков зеленого: от желто-зеленого до изумрудного. Особенно насыщенным зеленым цветом обладает нефть в Иране. В большинстве случаев это связано с ещё одним «красителем» — различными соединениями серы, такими как сульфиды (R-S-R), дисульфиды (R-S-S-R), меркаптаны (R-SH) и другие, где R — углеводородный радикал. К ним относятся и некоторые из смол и асфальтенов, в структуре которых есть атомы серы. Зеленый цвет в палитру добавляют также ионы металлов.

Полупрозрачная нефть все реже встречается в природе. Западная Сибирь — один из немногих регионов в мире, где она все еще есть. Фото: «Газпром нефть»

Нефть и некоторые ее фракции обладают оптическим эффектом флуоресценции: меняют цвет при появлении ультрафиолетового излучения, например солнечного света. Стакан нефти при комнатном освещении будет казаться черным. Но стоит вынести его на солнечный свет, и жидкость заиграет оттенками зеленого и синего. Явление связывают с присутствием многоядерных ароматических углеводородов в составе нефти. Редчайшая «синяя» нефть встречается на некоторых месторождениях неподалеку от Баку.

В России встречается нефть практически любого цвета, но чаще, как и во всем мире, добывается классическая — в диапазоне от черно-коричневого до оранжевого. Насыщенным черным цветом отличаются месторождения Татарстана. Самая ценная бесцветная нефть встречается на некоторых месторождениях Западной Сибири, но в мире ее находят все реже.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

Во времена последнего ледникового периода, завершившегося примерно 11 тысяч лет назад, часть верхнего слоя земной коры основательно промерзла и превратилась в ледяной «бетон». Летом за Полярным кругом он оттаивает лишь частично — на глубину до одного метра.

ЦИФРЫ И ФАКТЫ О ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЕ

Горные породы называют вечной мерзлотой, если их температура отрицательна хотя бы 2-3 года. Многие участки остаются замерзшими сотни и даже тысячи лет.

Научное название не тающих толщ – многолетнемерзлые породы. Но в 1927 году основатель школы советских мерзлотоведов Михаил Сумгин впервые использовал термин «вечная мерзлота» в научной статье. Словосочетание прижилось – и произносить легче, и звучит красиво.

В России 65% территории — это вечная мерзлота. Ею охвачены регионы от Европейского Севера до Дальнего Востока. Почему же в Якутске растут высокие сосны с длинными корнями, а не мхи и карликовые березки, как в Арктике?

Типичная растительность территории с вечной мерзлотой.

Если эскимос и якутянин — каждый в своих регионах — одновременно и с равным усердием начнут копать в глубину до первого звонкого удара о ледяную почву, эскимос будет махать лопатой намного меньше, чем житель Якутска. За Полярным кругом верхняя граница вечной мерзлоты находится ближе к поверхности, а толщина ее гораздо больше, чем на юге.

Но самую мощную мерзлоту толщиной в 1,5 километра геологи раскопали в центральной части Среднесибирского плоскогорья, а не в Арктике. Дело в том, что у горных пород Среднесибирского плоскогорья низкая способность передавать тепло из глубин Земли. На каждые 100 метров высоты над уровнем моря температура воздуха понижается на 0,6 градуса, а плоскогорье возвышается над уровнем моря в среднем на полкилометра. По этой же причине даже в жаркой центральной Африке, на вершине Килиманджаро есть шапка вечного снега.

ЧТО МОЖЕТ ПРОИЗОЙТИ ИЗ-ЗА ОТТАИВАНИЯ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ?

Биологи обожают почвы, замерзшие тысячи лет назад, за найденных в них мамонтов, шерстистых носорогов и плейстоценовых лошадей, законсервированных в холодной бескислородной среде в том виде, в каком отошли в мир иной. Ископаемые животные сохраняются настолько хорошо, что порой становятся деликатесом для случайно раскопавших их песцов и собак.

Мамонт не является предком слона. На самом деле, это две параллельные ветки, идущие от общего предка. У шерстистого носорога был жировой горб, как у современных верблюдов. Фото: Istock

Крупные млекопитающие оказываются замурованными в вечной мерзлоте уже после гибели. Другое дело — микроорганизмы.

В обычной почве микробы поедают остатки погибших растений, перерабатывают их в удобрения для живых растений и выделяют углекислый газ и метан. Углекислый газ из почвы попадает в воздух, где его «вдыхают» листья растений.

В листьях углекислый газ встречается с водой, которую впитали корни растения, между ними случается химия, и они превращаются в глюкозу и кислород. Кислород возвращается в атмосферу, а углерод в составе глюкозы и более сложных органических веществ накапливается в частях растения, которым однажды предстоит стать кормом для почвенных микробов. Так замыкается круговорот углерода в природе.

В мерзлых породах микробы ведут себя, как некоторые жители больших городов на островах в Азии: замедляются и «чистят» организм, добровольно лишая себя на время калорийной еды.

По данным Межправительственной группы экспертов по изменению климата, в замороженных запасах органики в мерзлоте — около 1600 миллиардов тонн углерода — больше, чем во всех тропических лесах и разведанных запасах нефти! При глобальном таянии мерзлоты миллионы отдохнувших и голодных бактерий одновременно набросятся на гигантское количество пищи.

Эмиссия углерода в атмосферу после такой трапезы может достичь порядка 10 миллиардов тонн в год — столько же сейчас выпускают все антропогенные источники планеты, а значит, мировые выбросы парниковых газов могут удвоиться.

ЧЕМ ЕЩЕ ГРОЗИТ ТАЯНИЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ?

• «Взрывы» природного газа. Под слоем замерзшего грунта, как под тяжелой крышкой пароварки, залегает природный газ под давлением. Если крышка из мерзлых пород истончится, газ мощной струей прорвется на поверхность, и безмятежные просторы тундры станут опасным для всего живого минным полем.

• Древние вирусы. Кладбище домашних животных — оленей, погибших от сибирской язвы и других заболеваний, содержит множество неизвестных для человека вирусов. Если консервирующая их мерзлота растает, возможно, коронавирус покажется не таким уж и страшным.

• Крах оленеводства. Сытные ягельные пастбища без вечной мерзлоты превратятся в топкие болота. Оленеводство серьезно пострадает, и жителям Крайнего Севера придется сменить традиционный промысел.

Жилище кочующих народов, занимающихся оленеводством.

ЕСТЬ ЛИ ПЛЮСЫ?

• Сельское хозяйство. В незамерзшей почве накапливается гумус – удобрение для растений. Чем его больше, тем почва чернее и плодороднее. Если вечная мерзлота продолжит таять, со временем в России появится больше земель, не испорченных химическими удобрениями и подходящих для выращивания пшеницы и других культур. Произойдет это, однако, нескоро.

• Новые «легкие» планеты. В социальных сетях будущего наши потомки, очень вероятно, будут выкладывать фотографии на фоне мощной стены из деревьев с геолокацией в тундре. Арктика может превратиться в тайгу через много лет после того, как исчезнет вечная мерзлота. Тогда на Земле появится больше источников кислорода.

НАСКОЛЬКО ВЕРОЯТНО МАСШТАБНОЕ ОТТАИВАНИЕ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ?

Специалисты Росгидромета отмечают: за последние 10 лет средняя температура воздуха на арктическом побережье выросла на 0,6 — 0,8 градусов по Цельсию. Для сравнения, в двадцатом веке атмосфера в северных регионах нагрелась на один градус за 100 лет.

Вместе с температурой растет и количество осадков. Снег — хороший теплоизолятор. Чем сугробы выше, тем меньше промерзает почва зимой и тем выше ее температура.

По данным Глобальной научной сети наблюдений за вечной мерзлотой (Global Terrestrial Network for Permafrost) и организации Greenpeace, с 1970-80-х годов температура верхнего слоя мерзлоты выросла в среднем на 1,5-3 градуса по Цельсию. Летом почва оттаивает сильнее, а зимой промерзает на меньшую глубину. В южных районах мерзлота и вовсе начинает исчезать.

КАК СОХРАНИТЬ ВЕЧНУЮ МЕРЗЛОТУ?

Человечество перестало игнорировать глобальное потепление, ускоряющее таяние вечной мерзлоты. Крупные государственные и частные компании получают ежегодные нормы по выбросам парниковых газов и платят миллионные штрафы за их нарушение.

Чистота репутации, а значит, и доходы предприятий теперь напрямую зависят от качества воздуха, воды и почв вокруг них. На экологическую повестку и природоохранные технологии уходит немалая часть бюджета компаний, желающих сохранить влияние на рынке экологичного будущего.

Мониторинг вечной мерзлоты на месторождении. Фото: «Газпром нефть»

Состояние самой мерзлоты оценивают постоянно: дистанционно — с помощью спутников и беспилотников-, а также напрямую измеряют ее температуру термокосами — «гирляндами» из датчиков, опускаемых в глубокие скважины. Если температура вечной мерзлоты начнет угрожающе расти, грунтовые основания сооружений можно подморозить с помощью трубок с хладагентом. Всю площадь Арктики ими не усеешь, однако своевременно сохранить дома и инженерные конструкции от разрушений из-за проседания грунта — вполне реально.

Есть и более простые, но оригинальные и действенные методы сохранения вечной мерзлоты. Один из них — расширить площадь северных зимних пастбищ.

Когда животные ищут пропитание, они топчутся по снегу, сокращая его толщину. Чем она меньше, тем лучше промерзает почва зимой. По расчетам ученых из Гамбургского университета и Плейстоценового парка (заказник для расселения животных в Якутии), арктические выпасы помогут сохранить до 80% мерзлоты в Северном полушарии.

Зимой олени в Арктике едят только ягель. Найти его непросто, а потому животные вытаптывают огромные площади, что положительно сказывается на состоянии вечной мерзлоты.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+

Центрифуга используется, когда необходимо отделить одно от другого: сливки от молока, нефть от воды, уголь от примесей, а уран — от урана. Она разделяет разные по плотности компоненты жидкости или разные по массе элементы газовой смеси — в процессе вращения на высокой скорости в закрытом контейнере или открытом барабане. Более тяжелые составляющие смеси движутся наружу вдоль радиуса, менее тяжелые перемещаются к центру. Отсюда и латинское название — centrifuga, то есть «центробежная».

Чем выше скорость вращения, тем лучше центробежная сила отделяет тяжелое от легкого. Но посетители аттракционов могут не делать поправку на массу: в парке развлечений всех выталкивает наружу одинаково — и стройных, и тех, кто не успел скинуть пару килограммов к лету. На таких скоростях различие масс катающихся незначительно.

Посетители карусели отлетают на больший диаметр из-за действия центробежной силы, стремящейся отдалить вращающееся тело от центра окружности

Почему центробежная сила так называется, если направляет тела не к центру окружности, а прочь из нее? Когда тело вращается, на него действует центростремительная сила. Она «поворачивает» вектор скорости и заставляет тело кружиться. Например, когда шарик на ниточке обращается вокруг точки прикрепления нити, то центростремительной будет сила натяжения нити. По инерции шарик захочет продолжать движение по прямой и будет убегать от центра. Это стремление и описывает центробежная сила.

Если стоит задача отделить твердую фазу от жидкой, в качестве барабанов центрифуги используют фильтры, которые через отверстия пропускают наружу жидкую составляющую, удерживая внутри твердую. Так отжимается белье в стиральной машине. На скорости вращения от 400 до 1200 оборотов в минуту центробежная сила прижимает белье к поверхности барабана и действует на капли воды, которые выходят через отверстия в каплесборник и затем в канализацию.

В стиральной машине центробежная сила прижимает белье к стенкам барабана, а вода уходит через специальные отверстия в нем

Когда нужно разделить компоненты одной фазы: жидкости или газа, используют специальные конструкции для отвода разных фракций. Например, в молочном сепараторе более плотная составляющая — обезжиренная часть молока, — собирается по периметру центрифуги, менее «тяжелая» (сливки) — в центре. С помощью системы специальных тарелочек и желобов сливки и молоко на выходе сепаратора «разводятся» и выливаются в разные емкости.

Важное место центрифугирование занимает в энергетике. На принципе центробежной силы созданы сложные технологические установки, которые позволяют убирать ненужные составляющие из добытых источников энергии и обогащать топливо.

НЕФТЯНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Нефтепереработка связана с использованием воды на разных технологических этапах. При нагреве нефть разделяется на фракции. Одна из них — вода с растворенными в ней нефтепродуктами (органическая фаза) и кеком (неорганическая). Концентрация нефтепродуктов в сточной воде — 1–3%, но даже такое небольшое количество извлекают, возвращая на переработку 100–300 тонн нефтепродуктов в месяц. Из них делают бензин, пластик, моторное масло, битум для асфальтирования дорог и множество важных потребительских товаров.

На установке «Биосфера» Московского нефтеперерабатывающего завода (НПЗ) вода очищается с эффективностью до 99,9%. Достичь таких показателей помогает комплексная очистка сточных вод, содержащая центрифуги. Разделить с их помощью нужно сразу три фазы: воду, нефтепродукт и твердый кек, поэтому центрифуга на «Биосфере» трехфазная.

Биологические очистные сооружения «Биосфера» на Московском нефтеперерабатывающем заводе «Газпром нефти» очищают сточные воды с эффективностью 99,9%, в том числе за счет наличия центрифуги

Предварительно разделяемую смесь и разогревают до 60–80 градусов Цельсия и добавляют особое вещество — флокулянт. Он «прилипает» только к твердым частицам, объединяя их в «хлопья» — флоккулы, что увеличивает эффективность разделения твердой и жидкой фракций в центрифуге, раскрученной до 3150 оборотов в минуту.

Твердая фракция отправляется на биорекультивацию: микроорганизмы перерабатывают «хлопья» и превращают их в удобрения. Жидкая фракция попадает в специальный карман центрифуги, в котором за счет предварительного нагрева разделяется на воду и нефтепродукты. Органическая фаза собирается в резервуарах для нефтепродуктов и возвращается в переработку, а вода заново поступает на первый этап очистки и проходит весь цикл с нуля, очищаясь до 99,9%.

Юрий Антонов

Начальник комплекса «Биосфера» на Московском нефтеперерабатывающем заводе «Газпром нефти»

Для разделения фракций во время очистки воды с НПЗ используется именно центрифуга, потому что этот способ не требует дополнительных вмешательств оператора. Система закрытая, нет утечек паров нефтепродуктов. Процесс разделения непрерывен: центрифуга работает 24 часа в сутки.

УГОЛЬНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Чтобы из угольной руды получить топливо, ее сначала очищают от примесей на обогатительных фабриках. Одним из самых распространенных способов обогащения является мокрый, при котором руду «стирают», удаляя из нее всю «грязь», которая растворяется в воде.

Для сушки обогащенного угля используют центрифуги, которые работают в точности как барабан стиральной машины: «постирали», покрутили в дырявом барабане, чтобы капли воды сбежали под воздействием центробежной силы, а твердая составляющая осталась внутри. Скорости вращения у сушильного барабана для угля сравнимы с параметрами домашней стиралки: от 300 до 1000 оборотов в минуту. Размеры угольных частиц при этом — от долей до десятков миллиметров. Это гораздо меньше капель воды. Поэтому барабан в центрифугах для угля оснащен специализированным фильтром, подобранным в соответствии с размером частиц, которые надо «просушить».

Уголь «стирают» почти так же, как белье в стиральной машине, и «отжимают» воду с помощью центрифуги

ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

На тепловых станциях топливом является уголь, а на атомных — уран. Но в ядерном реакторе уран не сгорает, а делится. Лишь 0,7% урановой руды подходит для большинства построенных реакторов, а потому уран перед использованием нужно обогатить: отделить «подходящий» уран-235 от его брата-близнеца урана-238, которого в природном уране содержится 99%. Это можно сделать с помощью газовой центрифуги.

Станислав Виноградов

доцент кафедры общей физики МФТИ

На вершине Джомолунгмы кислорода мало, потому что кислород более тяжёлый, чем азот, и в поле силы тяжести он распределяется ближе к поверхности Земли. В центрифуге вы будто в десятки тысяч раз увеличиваете силу тяжести, и эффект распределения атомов по массе тоже возрастает. Центрифуга для разделения изотопов работает таким образом: по периметру центрифуги распределяются более тяжелые ядра, а легкие остаются в центре.

На вход газовой центрифуги направляют гексафторид урана UF6 — газообразное соединение урана. На скорости вращения около 120 тысяч оборотов в минуту оно разделяется на легкую и тяжелую фракции: U-235 и U-238, которые отводят в разные накопители. Различие масс между фракциями — всего 3 атомные единицы или 4,99 * 10-27 килограмма, что в миллиард миллиардов миллиардов раз меньше килограмма.

Фрагмент топливной сборки с таблетками обогащенного с помощью центрифуг урана — топлива в ядерном реакторе

Эффективность разделения зависит от разности масс, и так как она ничтожна, центробежная сила не может разделить такую смесь строго на две части. Но увеличить содержание нужной, легкой фракции с природных 0,7% до достаточных 3,5% — реально, хоть и непросто. На одной центрифуге доля U-235 в смеси увеличивается на крошечные доли процента, поэтому нужны десятки тысяч (!) таких центрифуг, объединенных в каскады, чтобы достичь необходимого для ядерного реактора содержания U-235.

Принцип действия центрифуги прост: достаточно малейшего различия в массе или плотности компонентов, чтобы разделить смесь с помощью центробежной силы. Метод прочно занял свое место в энергетике, а технология центрифугирования усложняется и подстраивается под растущие требования промышленности.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

Мы уже расследовали дело о наличии нефти за пределами Земли, и сегодняшняя задача снова потребует от нас освежить базовые знания химии и физики. Самые распространенные во Вселенной химические элементы — водород, гелий, кислород, углерод и неон. Соединяясь, атомы углерода и водорода образуют метан — основной компонент природного газа.

В космосе метана почти столько же, сколько и воды. Даже если относительное количество этого газа на поверхности конкретных небесных тел невелико, абсолютное может удивить землян. Например, в составе атмосферы Юпитера, самой большой планеты Солнечной системы, метана — 0,3%, в недрах — и того меньше. Но Юпитер в 318 раз массивнее Земли, почти целиком состоит из газов, и метана там в миллиарды раз больше, чем на нашей планете.

В составе скалистых планет, таких как Земля, преобладают сравнительно тяжелые химические элементы, входящие в состав горных пород, — кислород, кремний, железо, магний, алюминий. Состав таких газовых гигантов, как Юпитер, очень близок к составу звезд и туманностей. Гиганты в основном состоят из водорода с гелием и других летучих веществ — льдов, как говорят астрономы: воды, метана, аммиака, сероводорода. Промежуточное положение между скалистыми и газовыми планетами занимают ледяные гиганты, например Нептун, и спутники планет-гигантов. В их составе скал и льдов примерно поровну, а водорода и гелия сравнительно немного.

На спутнике Сатурна — Титане — температура около минус 179 градусов по Цельсию, и газ, очень похожий по составу на тот, что используется в бытовых плитах, находится в конденсированном жидком виде. В атмосфере Титана нет кислорода, и выделяющийся из недр газ не горит, а скапливается на поверхности. Там плещутся целые моря из сжиженного газа, самое большое из которых — размером с Каспийское на Земле. Выбирая космическую «АЗС» в Солнечной системе, инопланетяне, вероятнее всего, остановились бы именно здесь.

Устойчивость молекулы метана сравнительно невысока: при высоких температурах он реагирует с водяным паром, превращаясь в водород и угарный газ (CO). Поэтому метан распространен в холодных уголках Вселенной, таких как межзвездные газопылевые облака. Так, в отдельных областях туманности Ориона метан, по некоторым данным, — третий по распространенности газ после водорода и гелия.

Метан входит в состав газовых и ледяных тел планетных систем, которые из таких облаков образуются. Астрономы видели признаки его присутствия в атмосферах гигантских планет у других звезд, например HD 189733 b. Обнаружение следов метана в кислородной атмосфере скалистой планеты может стать признаком наличия жизни на ней. Кислород и метан не уживутся в воздухе необитаемых миров: либо одно, либо другое. В земной атмосфере метана около 0,0002%. Он быстро окисляется и превращается в другие вещества, но жизнь постоянно производит его, и он всегда есть в земном воздухе.

Использовать космический газ, возможно, получится в будущем, если человечеству понадобятся поселения на других небесных телах. Для сегодняшних нужд хватит и тех ресурсов, что есть на нашей планете. Например, разведанные запасы газа в России, занимающей первое место в мире по этому показателю, составляют около 50 триллионов кубометров — это четверть всех обнаруженных земных запасов газа.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

На груди Железного Человека из серии известных комиксов работает миниатюрный термоядерный реактор: энергии на полеты за атмосферу ему хватает, а вот правдоподобности — нет. В реальности ученые всего мира не могут построить реактор для управляемого термоядерного синтеза даже высотой в несколько этажей. Что им мешает, если на Солнце «реактор» получился сам собой, и как скоро может наступить будущее термоядерной энергетики — разбиралась «Энергия+».

Солнце — гигантский термоядерный котел. Несколько миллиардов лет оно питает теплом и светом все живое на Земле. Наш желтый карлик светит и греет из-за постоянного слияния ядер водорода — этот процесс называется термоядерным синтезом. Сливаясь, атомы теряют часть своей массы, которая высвобождается в виде энергии. Это описывается знаменитым уравнением Эйнштейна E=mc2, согласно которому масса может превращаться в энергию и наоборот.

В результате столкновения ядер водорода возникает ядро более массивного химического элемента — гелия. Выделившаяся при этом энергия в шесть раз выше, чем в ходе реакции деления ядра урана, самого тяжелого долгоживущего (время, за которое половина ядер урана распадется на другие элементы, исчисляется миллиардами лет) элемента в природе. Именно реакция деления урана — источник энергии в реакторах современных атомных электростанций. Осуществить управляемую реакцию деления в первом промышленном реакторе удалось в середине XX века. С тех пор силы физиков-ядерщиков направлены на создание устройства, которое позволило бы управлять и термоядерным синтезом.

Для реакции управляемого синтеза нужны особые ядра водорода с дополнительными нейтронами, которые называются изотопами, — это дейтерий и тритий. Дейтерий стабилен, и его можно найти в морской воде. Тритий же — более редкий изотоп, который выделяют на атомных реакторах при получении лития. Заменить тритий может стабильный изотоп гелий-3. Добывать его так же трудно, но огромные залежи можно найти в грунте на поверхности Луны. Если технологии позволят недорого получать гелий-3 из лунной пыли, то этого будет достаточно для энергоснабжения всей планеты на тысячи лет. Останется лишь построить нужный реактор (токамак).

Реакция термоядерного синтеза (слияния двух легких ядер в одно более тяжелое), в ходе которой высвобождается колоссальное количество энергии

ПОЧЕМУ СЛОЖНО ПОСТРОИТЬ РЕАКТОР ДЛЯ СИНТЕЗА

Атомы всех окружающих нас веществ состоят из ядра и электронной оболочки. Ядра заряжены положительно, поэтому, согласно закону Кулона, они отталкиваются. Чтобы соединиться, им нужно преодолеть кулоновский барьер и сблизиться на расстояние действия ядерных сил — 10-15 метра (один метр, деленный на единицу с пятнадцатью нулями). Для этого необходима огромная энергия, которую можно получить в виде тепла. Солнечный климат для этого идеален, температура внутри звезды достигает экстремальных величин — 15 миллионов градусов. Вещество при такой температуре переходит в состояние плазмы, работать с которой в земных условиях не так-то просто.

Плазма считается четвертым агрегатным состоянием вещества. Если нагреть твердое вещество, оно становится сначала жидким, затем газообразным и, наконец, — плазмой. При температуре в десятки тысяч градусов атомы газа теряют свои электроны и превращаются в ионы — свободные электрические заряды. Такой газ называется ионизованным и является средой, проводящей электрический ток. В естественных условиях Земли плазма встречается в виде разрядов молний или в магнитосфере планеты при полярном сиянии. В космосе она буквально повсюду: материя в межгалактическом пространстве существует именно в плазменной форме. Солнце и звезды тоже являются сгустками сильно нагретой плазмы.

Вещество в состоянии плазмы видел каждый, когда в небе сверкала молния, а вот удержать и сжать такое вещество — задачка не из легких, но ее необходимо решить для реализации управляемого термоядерного синтеза на Земле

Удержать плазму внутри построенных человеком установок тяжело — нагреваясь до миллионов градусов, она плавит даже самое прочное покрытие. Поэтому стенки камер реактора для управляемого синтеза не должны соприкасаться с плазмой. Другое важное условие использования плазмы — сжатие. Если не сжимать разогретую плазму со всех сторон равномерно, она выскользнет, остынет, и реакции в ней прекратятся.

Плазма подобна надутому воздушному шарику — как бы равномерно вы ни надавливали на него, шар всегда будет просачиваться через пространство между пальцами. Солнечная плазма не разлетается по всему космосу из-за огромной массы звезды — ее гравитационное давление постоянно сжимает ядра атомов вместе. Масса Земли в 330 тысяч раз меньше, поэтому создать подобное давление на нашей планете невероятно трудно. Каждый раз, когда ученые пытались сжать плазму в реакторе, она выплескивалась наружу.

КАК ПРИЧЕСАТЬ ЕЖА, ИЛИ ПОПЫТКИ УДЕРЖАТЬ ПЛАЗМУ

К решению задачи удержания плазмы вплотную подошли советские ученые Института им. Курчатова в 1950-х. В магнитной ловушке, созданной под руководством академиков Андрея Сахарова и Игоря Тамма, горячая смесь дейтерия и трития удерживалась с помощью магнитного поля и не касалась стенок реактора. Эта экспериментальная установка c вакуумной камерой в форме бублика (тора) стала известна во всем мире под именем Токамак — тороидальная камера с магнитными катушками. В ней впервые удалось достичь температуры термоядерной реакции в 100 миллионов градусов — почти в 10 раз больше, чем внутри Солнца!

У любого термоядерного реактора типа токамака есть отверстие в центре. Объясняется это теоремой о причесывании ежа, согласно которой невозможно причесать свернувшегося клубком ежика так, чтобы ни одна его иголка не торчала наружу. Если придать плазме форму шара, то ее магнитное поле всегда будет иметь минимум одну выпадающую точку. С тором такой проблемы не возникнет, его можно гладко «причесать» по всей поверхности, причем разными способами.

Так выглядит изнутри тороидальная камера (токамак) для осуществления реакции синтеза

Прошло почти 70 лет, но токамак все еще остается самым перспективным типом термоядерных реакторов — практически у каждой развитой страны сегодня есть собственная тороидальная установка. Реакторы других форм создают для изучения свойств плазмы. Например, сферический токамак напоминает сплюснутый глобус и позволяет дольше удерживать плазму. А в стеллараторе, прозванном «мятым бубликом», магнитные катушки находятся снаружи тора, за счет чего он может работать без перерывов, в отличие от классического токамака.

Существуют и альтернативные виды реакторов, например установки на инерциальном удержании. На тритий-дейтериевую мишень размером с булавочную головку направляют больше сотни сверхмощных лазеров. Они нагревают мишень до сотен миллионов градусов и сжимают в тысячи раз, запуская термоядерную реакцию. Такую энергию, полученную лазерным синтезом, можно контролировать и использовать. Однако подобные реакторы работают в импульсном (непостоянном) режиме, поэтому вещество быстро разлетается и долго удерживать плазму не удается. Отдельная задача в том, чтобы сжать вещество абсолютно симметрично со всех сторон.

Наконец, даже если в реакторе удастся обеспечить нужную форму и плотность плазмы, потери энергии на это должны быть минимальны, чтобы термоядерная реакция была экономически выгодной. Это критерий Лоусона, который стал одной из главных целей управляемого термоядерного синтеза. Именно на выполнение этого условия нацелены современные экспериментальные мега-проекты термоядерного синтеза.

ОДИН РЕАКТОР НА 35 СТРАН

В 2010 году на юге Франции развернулась стройка исполинских масштабов. Здесь на базе исследовательского центра ядерной энергетики «Кадараш» создают международный термоядерный реактор – ITER (от латинского «путь»). Стоимость токамака ИТЭР оценивается в 20 миллиардов евро. Ни одно государство не может позволить себе запустить подобный проект самостоятельно, поэтому страны объединяют свои силы.

Вид с воздуха на установку ИТЭР — международную исследовательскую площадку для изучения свойств плазмы при реализации термоятерного синтеза

Вклад стран-участников не денежный, а технический. Практически у каждой из 35 стран есть собственные термоядерные мини-установки. Работа разделена по секторам будущего реактора, каждая из держав производит свою часть оборудования. Россия — один из главных участников: у наших ученых многолетний опыт использования токамаков.

ИТЭР будет весить 23 тысячи тонн (некоторые детали столь тяжелы, что пришлось усиливать дороги, ведущие к реактору), а по высоте, более 70 метров, он обгонит Спасскую башню. Объем плазмы, который надеются получить ученые, — 40 кубометров. Температура в мега-реакторе достигнет головокружительной отметки в 150 миллионов градусов. Чтобы добыть достаточное количество плазмы, магнитное поле в токамаке должно быть в 200 тысяч раз больше земного! Огромные сверхпроводящие магниты будут охлаждаться до экстремальной отметки в минус 269 градусов Цельсия. «Кадараш» станет самым горячим и самым холодным местом во Вселенной одновременно.

Завершить строительство ИТЭР планируют к концу 2025 года, тогда же ученые надеются получить первую плазму. Но запуск реактора не откроет эру управляемого термояда. ИТЭР — это прежде всего экспериментальная установка, призванная доказать, что человечество в принципе способно получать термоядерную энергию в промышленном масштабе.

Высота установки ИТЭР — более 70 метров

КОСТЮМ ТОНИ СТАРКА — БУДУЩЕЕ ИЛИ ФАНТАСТИКА?

Одна из необходимых особенностей современных токамаков — гигантские размеры. Чем меньше реактор, тем больше плазмы выделяется в процессе диффузии, и тем менее эффективно он работает. Поэтому о миниатюрных термоядерных реакторах в стиле костюма Железного Человека в ближайшем будущем мечтать не приходится. Однако сократить размеры токамаков может помочь искусственный интеллект (ИИ).

В 2022 году разработали алгоритм, способный создавать и контролировать плазму. ИИ прошел тесты на настоящем токамаке, где он управлял термоядерным синтезом. Если магнитными полями и плазмой внутри реактора получится управлять более тонко, его габариты можно будет уменьшить и использовать как в промышленности, так и в космосе.

ТОПЛИВО ДЛЯ ТЕРМОЯДА, БЕЗОПАСНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ УПРАВЛЯЕМОГО СИНТЕЗА

У термоядерных реакторов мало общего с реакторами на атомных станциях. Если удержание плазмы прекратится, то она расширится и охладится, реакция остановится и не приведет к взрыву, хотя стенки термоядерного реактора разрушатся от взаимодействия с плазмой. В отличие от реакции деления, в процессе синтеза не образуются долгоживущие радиоактивные отходы. «Отходы» термоядерного синтеза — гелий и нейтроны, защиту от которых давно научились строить.

Управляемый синтез — это потенциально бесконечный источник энергии. Больше половины пути к его освоению пройдено, но до настоящего момента не удалось достичь баланса температуры, плотности и времени удержания плазмы на одном виде реакторов. Кроме того, неизвестно, окупится ли создание огромного реактора и сложной инфраструктуры на основе термоядерной энергетики. Все действующие сегодня установки убыточны. Технологиям на основе термоядерной энергетики еще предстоит пройти длинный путь, прежде чем их начнут использовать в промышленных масштабах.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

Мир в основном использует полезные ископаемые, такие как углеводороды, для выработки электричества и получения тепла. Возобновляемая энергетика в тренде, но и у нее полным-полно минусов. Ветряки, например, зависят от прихотей природы, потому требуют накопителей энергии либо балансирующих мощностей. В роли последних чаще всего выступают… газовые турбины, которые включаются в пиковые часы. Атомной энергетике нужны огромные капиталовложения, и она окружена флером радиофобии. Ученые и изобретатели пытаются найти альтернативные источники энергии. Что из этого получается — в материале «Энергии+».

БАТАРЕЙКА ИЗ МИКРОБОВ

Химические реакции в живых организмах, если максимально упростить описание механизма, представляют собой череду обменов электронами или ионами. Теоретически, на определенной стадии преобразований можно внедрить электроды и «воровать» эти носители заряда. Например, поместить контакты в живую ткань, биологические жидкости или бактериальную среду — главное, как можно ближе к области, где протекают нужные реакции с наибольшим электрическим потенциалом.

В 2020 году международная группа исследователей университета Неймегена в Нидерландах создала экспериментальную установку, в которой бактерии вырабатывали электричество из сточных вод. Процесс базировался на комплексе реакций под названием анаммокс — это недавно открытый химический процесс, обеспечивающий круговорот азота в природе.

Одно из последних исследований коллектива того же университета подтвердило возможность прямого преобразования метана (природного газа) в энергию. Ученые искали способ изучать электрическую активность микроорганизмов. Конструкция, которую они собрали для своих экспериментов, по сути, была полноценной батарейкой. В ней культура с преобладанием анаэробно окисляющих метан архей Candidatus Methanoperedens nitroreducens переработала метан в электричество с эффективностью всего в несколько процентов. В итоге главная проблема этих «бактериальных» методов — чрезвычайно низкий КПД.

ТЕРМОЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Трудно найти интересующегося наукой и техникой человека, который хотя бы раз в своей жизни не проникся идеей «термояда». Уж слишком пьянящей выглядит перспектива обуздать процессы, протекающие в недрах звезд. Радиофобия в данном случае не страшна — ионизирующее излучение, даже при аварии реактора, будет незначительным. Первые разработки в этой области недавно разменяли восьмой десяток, но практического эффекта до сих пор нет. Лучшие ученые умы планеты с переменным успехом продолжают попытки решить проблему.

Состоит проблема в следующем: физика плазмы — едва ли не самая трудная область современной науки. Каждый эксперимент требует многочисленных сложнейших вычислений (то есть самых мощных суперкомпьютеров). После проведения опытов образуется колоссальное количество данных, часть из которых вынуждает физиков модифицировать модели. И снова проводить вычисления, эксперименты, просить денег на новые установки. При этом прогресс к заветному управляемому термоядерному синтезу идет совсем маленькими шажками, на каждый из которых приходится несколько новых трудностей.

Тем не менее, поток новостей о рекордах удержания плазмы или о ее нагреве до максимальной температуры исправно поступает каждый год. Для их воплощения в едином эксперименте строится, возможно, самая дорогая установка в истории человечества — токамак ITER. И для умеренного оптимизма в отношении этого начинания есть некоторые основания. Вычисления для термоядерной физики научились ускорять на несколько порядков, а плазму зажигают лазерами так, чтобы энергетический «выхлоп» реакции был положительным. Но до использования такой энергии в быту пока еще очень далеко.

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО ИЗ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ТЕЛА

Нет, речь пойдет вовсе не об ужасных картинах из культового фильма «Матрица» — нашпиговывать людей проводами никто не планирует. В 2014 году на конференции Американского химического общества был представлен похожий на временную татуировку пластырь, способный вырабатывать электричество из пота. Чтобы он работал, носителю нужно подвергаться физической нагрузке.

Изначально исследователи хотели сделать датчик, позволяющий в реальном времени отслеживать эффективность спортивных тренировок. Для этого планировалось измерять концентрацию молочной кислоты — основного метаболита глюкозы в мышцах при интенсивных нагрузках. Частично она выделяется вместе с потом, чего достаточно для мониторинга. Метод анализа следующий — молочная кислота при помощи энзима разлагается до пировиноградной кислоты. В ходе процесса выделяются электроны, которые и фиксирует датчик.

При создании экспериментального устройства выяснилось, что этого количества электронов вполне достаточно для питания полноценных гаджетов: мониторов сердечного ритма, фитнес-браслетов, а в перспективе — даже смартфонов.

Идея получила альтернативное развитие в сентябре 2021 года — американские исследователи разработали пластырь, работающий на основе эффекта Виллари — изменения намагниченности материала под действием механических деформаций. Такой пластырь вырабатывает электричество буквально за счет движений человека: достаточно даже незначительной пульсации кожи над крупными сосудами из-за сердцебиения. Потенциальная сфера применения — носимые устройства, медицинские датчики, маломощная потребительская электроника, однако автомобиль при помощи этой энергии, пожалуй, и с места не сдвинешь.

ЗАБЫТЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Иногда развитие науки и техники дарует вторую жизнь канувшим в Лету изобретениям. Одним из примеров можно считать двигатель Стирлинга с внешним подводом тепла. Изобретенный более века назад агрегат показал чрезвычайно низкую эффективность. В наши дни он используется либо в игрушках, либо в холодильниках (инвертированный), либо там, где КПД менее важен, чем простота устройства и надежность работы. Чтобы запустить его, необходима лишь разница температур, например, достаточно тепла от человеческого тела и окружающего воздуха для охлаждения. Чем градиент выше, тем эффективнее работает установка.

При тщательном подборе свойств рабочего тела и термостойких материалов, а также максимально точном изготовлении деталей двигатель Стирлинга вполне имеет право на жизнь: такие тепловые машины предлагаются учеными для выработки электричества в ядерных реакторах Kilopower, которыми разработчики хотят оснащать космические аппараты.

РУКОТВОРНЫЙ ФОТОСИНТЕЗ

Китайские ученые пару лет назад придумали и затем усовершенствовали процесс, который отдаленно похож на то, что происходит в листьях растений. На входе предлагаемая система потребляет солнечный свет, воду и углекислый газ. Электролизом получают водород с кислородом, затем первый направляют в реактор. Там под действием температуры и света на катализаторе углекислота превращается в метан и метанол. Их уже можно использовать в качестве легко хранимого топлива для выработки электричества, обогрева или передвижения техники в отсутствие света. Как и двигатель Стирлинга, технологию пока рассматривают лишь для иноземного применения. Но если ее эффективность удастся довести до теоретически возможной, она могла бы пригодиться где-то в труднодоступных регионах нашей планеты.

ОБЕЩАННОГО ТРИ ГОДА ЖДУТ

Инженеры и ученые по всему свету усердно работают над новыми способами выработки энергии, то и дело открывая все новые ее источники. Многие технологии кажутся работоспособными, но лишь некоторые из них смогут найти реальное применение в жизни, и лишь единицы станут коммерчески успешными и конкурентоспособными.

На сегодняшний день более надежного и массового способа получать тепло и электричество, чем использование соединений углерода, пока нет. Однако это не означает, что мир стоит на месте: нефтяная и газовая отрасли постоянно развиваются и становятся все более экологичными и эффективными.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/

Человек тратит примерно 200 килокалорий в час, когда интенсивно полощет и отжимает руками «тяжелые» вещи: джинсы, банные полотенца, постельное белье. Такие трудозатраты легко компенсировать двумя тарелками наваристого борща со сметаной.

Машинка-автомат в режиме ежедневной стирки за час тратит около 0,4 киловатт-часов, что эквивалентно 345 килокалориям или 3,5 тарелкам борща, переработанным в теле человека. Численно расходы машинки на первый взгляд превышают человеческие, но есть нюансы.

1 калория — это количество тепловой энергии, необходимое для нагрева одного грамма воды на 1 градус Цельсия. В одной килокалории 1000 калорий. 1 кВт*час — это тоже количество энергии, но уже электрической, произведенное устройством мощностью один Ватт за один час своей работы.

Почти 90% электрической энергии стиральная машина расходует на нагрев холодной воды — на что люди во время стирки собственные силы не тратят. Значит, для стирки, полоскания и отжима машинке потребовалось бы одна треть от тарелки борща.

Но даже если учитывать всю энергию, потраченную на автоматическую стирку, и перевести ее в рубли по средней цене киловатта в России, получится, что часовая машинная стирка будет стоить всего 1,5 рубля — намного дешевле двух тарелок борща, съеденных человеком. Но самое главное — это время и комфорт, подаренные людям симбиозом энергетики и технического прогресса.

Оригинал статьи и другие материалы читайте на сайте журнала Энергия+:
https://e-plus.media/