Водород поймали полимером

Группа химиков-теоретиков под руководством профессора Сеульского Университета Чжисуна Има просчитала материал, который сможет накопить необходимое количество водорода при комнатной температуре. Дело в том, что одна из главных проблем водородного двигателя – это проблема транспортировки водорода. Баллонный газ взрывоопасен, а разработать удобный химический «транспортер» оказалось очень сложно.

До сих пор ученые как правило старались создать удобоваримый «водородоемкий» материал из нанокомпонентов – углеродных нанотрубок и так далее.

Но загвоздка оказалась в том, что достаточное для создания топливного водородного элемента количество водорода накапливалось в подобных материалах только при очень низких температурах или под высоким давлением.

Ориентиром для разработки южнокорейцев служил показатель, установленный министерством энергетики США. По расчетам министерства, к 2010 году реально создать топливный элемент, «хранящий» в себе 45 килограммов водорода на кубометр («установка» на будущее дана в журнале Physical Review Letters).

Южнокорейские ученые остановили свой выбор на сложных полимерных системах, в которых в углеводородный полимер встроены атомы различных металлов.

В качестве полимера-основы просчитывались полиацетилен, полипиррол и полианилин. В качестве металлов-добавок – титан, скандий и ванадий. В результате вычислений теоретики пришли к выводу, что полиацетилен, в котором часть атомов водорода замещена атомами титана, сможет при комнатной температуре сорбировать до 7,6% водорода по весу, что соответствует 63 килограммам на кубометр. Повышенная емкость обусловлена тем, что каждый атом титана способен «притянуть» к себе до 5 молекул водорода.

Полный текст статьи специалистов в Phys. Rev. Lett. находится здесь. Теперь слово за практиками. Хотя, на первый взгляд, создать такую структуру практически невозможно, но химики-органики не раз реализовывали невозможные реакции (часть из которых удостоена даже Нобелевской премии по химии).

Водородные топливные элементы – это одна из магистральных отраслей энергетики будущего. К примеру, в США выделено $1,7 млрд. на создание «топлива свободы» – так Джордж Буш образно назвал водородные топливные элементы. В первую очередь они необходимы для создания массового водородного автомобиля, особенно в странах, импортирующих нефть. Однако сейчас ведутся работы по приспособлению таких элементов для электропитания портативных устройств – таких как ноутбук или мобильный телефон.

В свою очередь, в феврале 2006 года французская автомобилестроительная компания «Пежо» продемонстрировала первый в мире компактный водородный топливный элемент (помесь топливного бака с генератором электрического тока), который позволит машине ехать на одной заправке 500 км. В топливном элементе жидкий водород без горения соединяется с кислородом. При этом вырабатывается до 80 киловатт электроэнергии для питания двигателя электромобиля.

Так что работы корейцев-теоретиков, без сомнения, получат практическую поддержку ученых всего мира.

Шаровая молния в микроволновке

Ученым из Израиля удалось получить новый тип лабораторных шаровых молний. Как сообщает ресурс «Элементы Науки» со ссылкой на Physical Review Letters, шаровые молнии в лабораторных условиях получили Владимир Дихтияр и Эли Жерби из Тель-Авивского университета.

Судя по описанию эксперимента, они «вытягивали» молнию из расплавленного вещества, используя микроволны.

В поле мощного микроволнового излучения израильтяне помещали разнообразные твердые материалы (например, стекло, кремний, германий, оксиды алюминия). К материалу приближали стержень, который фокусировал излучение на острие. Мощность сфокусированного излучения на кончике острия столь велика, что вокруг острия образовалось облачко расплавлен-о-испаренного материала (данный эффект известен под названием микроволнового сверления). Затем острие постепенно отодвигали от материала и постепенно «вытягивали» шар такого вещества из образца (см. фото).

Постепенно облачко собиралось под потолком установки в виде светящегося шара.

Наблюдения показали, что плазменный шар вполне устойчив (при наличии микроволнового излучения). Кроме того, он движется по камере и поджигает все попадающиеся на пути предметы. Питают «молнию» микроволны.

По характеру взаимодействия шара с препятствиями можно сказать, что он скорее похож на жидкость, чем на газ.

До сих пор шаровая молния остается крайне малоисследованным и загадочным явлением природы. Дело в том, что пока ученым не удавалось добиться получения долгоживущей молнии в лаборатории. Кроме того, лабораторная молния вела себя совсем не так, как природный аналог.

В природе шаровая молния появляется в грозовую, штормовую погоду; зачастую (но не обязательно) в сопровождении обычных молний. Чаще всего она как бы «выходит» из проводников или порождается обычными молниями, иногда спускается из облаков, в редких случаях – неожиданно появляется в воздухе. Шаровая молния в природе имеет размер от нескольких сантиметров до метра и существует 10-100 секунд, после чего обычно взрывается. Цвет молнии самый разный, начиная от белого и желтого и заканчивая зеленым. Часто отмечалась пятнистость свечения.

Вопросов у физиков к шаровым молниям много.

Ученым интересны причины ее устойчивости, постоянства формы, интересно, почему она не всплывает (если бы она состояла из горячего газа, то, по закону Архимеда, должна была всплывать), как в ней «законсервирована» энергия (по оценкам, энергия шаровой молнии составляет десятки-сотни килоджоулей) – и много других.

Серьезно изучать шаровые молнии начали пытаться с XVIII века.

Опыты с атмосферным электричеством стоили жизни физику Георгу-Вильгельму Рихману, другу Михаила Ломоносова. В 1753 году его нашли мертвым возле лабораторной установки. Считается, что его убила шаровая молния. В Германии и Франции тогда вышли специальные брошюры, доказывавшие, что смерть Рихмана не была наказанием Божиим.

Первые детальные исследования сферического светящегося разряда провел только в 1942 году советский электротехник Георгий Бабат. Он сумел получить сферический газовый разряд внутри камеры с низким давлением. Разряд просуществовал несколько секунд. Затем нобелевский лауреат Петр Капица сумел получить сферический газовый разряд при атмосферном давлении в гелиевой среде. Добавки различных органических соединений меняли яркость и цвет свечения. Дальнейшие опыты новых результатов пока не приносили. Но теперь, возможно, работы израильских ученых сумеют помочь ученым понять природу шаровых молний.