Новый железный век: Металлическое топливо для безуглеродной энергетики на Земле… и на Луне

Ученые провели исследование дискретного горения — формы огня, переходящего от одного источника топлива к другому, — с использованием железного порошка в условиях невесомости. После сгорания остается оксид железа — вещество, которое не выделяет углекислого газа и может бесконечно перерабатываться. После этих экспериментов в условиях микрогравитации были разработаны эффективные печи для сжигания железа, что позволило создать круговой аккумулятор энергии, не содержащий углерода. В Нидерландах действует демонстрационная установка, а многочисленные начинающие компании изучают возможности использования этого безуглеродного топлива на заводах и в промышленных процессах. В перспективе это металлическое топливо может быть использовано для создания устойчивых лунных аванпостов, в которых из лунных минералов и льда можно получать металлические порошки для двигательной установки и воду для потребления. Credit: Iron+

Исследователи использовали эксперименты в условиях микрогравитации для изучения дискретного горения железного порошка, что позволило создать безуглеродный, бесконечно рециркулируемый накопитель энергии. Это перспективно как для Земли, так и для будущих устойчивых лунных аванпостов.

Все горит. В подходящей среде любое вещество может гореть, если добавить к нему кислород, но при поиске подходящей смеси и выделении достаточного количества тепла некоторые материалы воспламеняются легче, чем другие. Исследователи, заинтересованные в получении более подробной информации о типе горения, называемом дискретным горением, использовали для этого экспериментальные микрогравитационные установки ЕКА.

В серии параболических полетов и на зондирующих ракетах, запущенных из Швеции, команда профессора Джеффри Бергторсона из Университета Макгилла (Канада) и Эйндховенского технологического университета (Нидерланды) исследовала горение железного порошка в условиях невесомости. Их исследование было чисто физическим: ученые хотели больше узнать о дискретном горении, при котором пламя не сжигает топливо непрерывно, а перескакивает с одного источника топлива на другой. Такая форма огня практически не встречается на Земле, но примером может служить лесной пожар, когда одно дерево сгорает полностью, а огонь перескакивает на следующее дерево, когда температура повышается достаточно для горения.

Это гипнотическое видео дискретного горения было записано во время эксперимента по параболическому полету на борту самолета Falcon-20 Канадского национального исследовательского центра, который предлагает исследователям до восемнадцати секунд драгоценной невесомости. Credit: Perwaves team

Сжигание железной пыли в экспериментах по созданию самолетов с нулевым ускорением и полетах ракет позволяло частицам железа плавать и незаметно воспламеняться. Высокоскоростные камеры фиксировали это зрелище и позволили исследователям лучше понять явление, в результате чего были созданы компьютерные модели, показывающие идеальные условия для сжигания топлива на Земле.

Знаете ли вы, что железо может гореть? Наблюдаемое здесь горение железного порошка происходит совершенно бездымно и без углерода. Credit: TU/e / Solid / Bart van Overbeeke

Дискретное горение для устойчивой энергетики

Благодаря новым знаниям, полученным в результате исследований в области микрогравитации, стало возможным создание эффективных и практичных печей для сжигания железа.

Преимущество сжигания железа связано с химией. По сути, горение топлива — это процесс преобразования материала путем добавления атомов кислорода. Именно поэтому при добавлении двух атомов кислорода к углеродному топливу, такому как дерево, уголь или нефть, образуется парниковый газ — углекислый газ. В случае железа после сгорания остается оксид железа, более известный как ржавчина. Углекислый газ не образуется, а ржавое железо можно легко собрать, поскольку оно не образует газа — при горении железа не выделяется никаких вредных газов.

Железная ржавчина может быть даже переработана для удаления кислорода и возвращения железа в виде водорода. Используя электроэнергию из экологически чистых источников, железо в качестве топлива может стать круговым, бесконечно перерабатываемым накопителем энергии.

Демонстрационная установка уже запущена в Буделе, недалеко от Эйндховена (Нидерланды). Используя железо в качестве источника топлива, этот генератор может производить 1 МВт пара в установке, стоящей на складе. При увеличении масштаба такая железная электростанция может вырабатывать гораздо больше энергии.

Многие начинающие компании уже используют это безуглеродное топливо для питания заводов и промышленных процессов.

Демонстрационная установка железной печи. Credit: Metalot

Из космоса на Землю, а затем на Луну

В то время как космические агентства готовятся к созданию устойчивых лунных аванпостов, обеспечение энергией астронавтов на Луне является лишь одной из проблем, которую необходимо решить. Решением этой проблемы может стать металлическое топливо. Используя солнечную энергию, из лунных минералов можно получать не только порошки алюминия и кремния, но и водород и кислород из лунного льда. Водород может быть использован для преобразования лунной пыли с высоким содержанием железа и титана с получением воды и железного порошка. Металлические порошки и кислород из водяного льда могут использоваться в качестве топлива для ракет или наземного транспорта, а побочный продукт — в качестве питьевой воды.

Художественный образ сценария освоения Луны. Credit: ESA-ATG

Сейчас этот процесс может показаться научной фантастикой, но идея использования железа в качестве источника топлива на Земле возникла всего десять лет назад. Сейчас сообщество металлического топлива объединяет сотни ученых и инженеров по всему миру и является маяком для альтернативного топлива, не содержащего углерода. Возможно, в недалеком будущем вы будете использовать железо в качестве топлива для своего автомобиля или дома!

Металлы могут производиться с использованием экологически чистой энергии, например, от солнечных батарей или ветряных турбин. Эта энергия накапливается в виде химической энергии в металлическом порошке с плотностью энергии, не уступающей ископаемому топливу. Это может привести к глобальному снижению выбросов парниковых газов, однако препятствием для внедрения этой технологии является разработка систем сгорания, способных эффективно сжигать металлическое топливо, что требует глубокого понимания физики его горения. Credit: ESA — Европейское космическое агентство