Занимательно об энергетике

Может быть, энергетика? На стационарные генераторы, предназначенные для электрических станций, не налагается жестких (земля все выдержит!) требований в отношении веса и компактности. Но поскольку они должны вырабатывать много энергии, в них должно использоваться доступное, дешевое (например, горючие газы) топливо. А батарея Бэкона эффективно работала только на водороде, степень чистоты которого равнялась 99,5 процента! А столь чистый водород и стоит крайне дорого, и производство его ограничено (тогда еще о водородной энергетике и слыхом не слыхали).

Металлы-катализаторы, используемые в элементе Бэкона, были крайне чувствительны к малейшим загрязнениям как топлива (водород), так и окислителя (кислород). Примеси выводили их из строя. А ведь в идеале (вспомним Оствальда) грезилось, что топливные элементы будут способны работать на кислороде воздуха (без разделения газов) и на неочищенных углеродистых газах (скажем, на пропане — газообразном углеводороде, который можно получить, например, при переработке углей). Лучшим катализатором здесь, видно, была бы платина (мы помним, что еще электроды элемента Грова были собраны из чистой платины). Но затраты большого количества (массовое производство!) дорогостоящей, дефицитной платины низвели бы топливный элемент опять на уровень лабораторной игрушки.

Вот и получился замкнутый круг. И выхода, казалось бы, не было никакого. Практическое использование топливного элемента вновь откладывалось на неопределенный срок.

С Земли на Луну

Оставив за собой гигантский огненный хвост, космический корабль устремился ввысь... Вот отделяется ракета-носитель... и космонавты берут курс на цель (Марс? Венеру?)...

Представим теперь себе, читатель, что мы находимся в кабине космического корабля. Первое бы, что нам бросилось в глаза, — это, видимо, мягко светящийся главный пульт управления: светло-серая приборная доска, полумесяцем огибающая всю кабину. Со множеством различных переключателей, датчиков, счетчиков, циферблатов, шкал, индикаторов и других приборов... Даже стены космической каюты усеяны сотнями разных переключателей и кнопок.

Сложное хозяйство у космонавтов! Необходимо собирать и передавать на Землю разнообразные данные. Должны быть на борту также устройства, поддерживающие в кабине тепло и уют (хотя снаружи температура может колебаться от плюс 120 до минус 150 градусов Цельсия). И все это множество приборов — питание радиоприемного и радиопередающего оборудования, приборы для научных исследований и контроля параметров самого корабля, бортовая ЭВМ и так далее — требует электроэнергии.

Где ее взять? Какой тип бортового источника энергии выбрать? Непростые вопросы! Элементарные оценки показывают: чем длительнее полет, тем (если ориентироваться, скажем, на обыкновенное химическое топливо) больший запас «горючего» должны брать с собою космонавты. Для полета к Марсу бортовые источники электрического питания (БИЭП) потребовали бы 200 тонн ракетного топлива!

Когда 4 октября 1957 года был запущен первый советский спутник, более 38 процентов его общего веса составили химические источники тока. И все же этих запасов хватило только на три недели.

Для маленьких спутников, весящих сотни граммов, требовались ватты энергии. Космические же корабли — «Восход» и «Аполлон» — с человеком на борту нуждаются в гораздо большем: в десятках киловатт, а обитаемые космические станции будут (и уже!) требовать сотни и тысячи киловатт энергии. Где ее черпать?

И вот получилось так, что всех других конкурентов обошел и стал своеобразным чемпионом топливный элемент! Жалкая пария на земле, он расцвел в космосе. Там его достоинства засверкали яркими красками.

Когда в США встал вопрос о выборе энергоустановки для космических кораблей «Джемини» — они должны были крутиться вокруг Земли в течение двух недель — все решили сравнительно простые оценки. Космический полет требовал двухсот киловатт-часов электроэнергии. Чтобы ее обеспечить, самая совершенная батарея аккумуляторов — серебряно-цинковых — должна была весить 1,5 тонны. Батарея солнечных элементов — 335 килограммов, а вот энергоустановка из водородно-кисло-родных топливных элементов имела расчетный вес лишь 225 килограммов. Эти цифры (в космосе каждый килограмм на учете) и склонили чашу весов в пользу топливных элементов.

Конечно, топливные элементы имели в космосе и другие преимущества: играл роль не только их малый вес. В отличие от солнечных батарей они вырабатывают электроэнергию в любое время суток, независимо от освещенности. Топливные элементы компактны, могут иметь любую геометрическую конфигурацию в соответствии с требованиями космического аппарата. Они нечувствительны к ударам, вибрации, радиации, вакууму, невесомости, выдерживают кратковременные перегрузки до 100 процентов номинальной мощности, не имеют вредных выбросов (вселенная космической кабины очень мала: ее нельзя загрязнять!), бесшумны, не дают радиопомех и излучений, действуют при температурах, близких к комнатной...

Вот так и получилось, что первое практическое применение топливные элементы нашли не на Земле, а в космосе!

Наконец-то для топливных элементов наступили славные денечки. В 1963—1964 годах только в США (а исследования велись во всех развитых странах мира) на топливные элементы ежегодно шли десятки миллионов долларов. Все былые преграды: дороговизна платины, чистота водорода и кислорода... — все, что мешало широкому распространению топливного элемента на Земле, теперь в космосе, когда необходимо было изготовить для дела лишь несколько образцов, стало помехой небольшой: денег не жалели!

Теперь события развивались стремительным темпом: топливные элементы побывали даже на Луне! Причем топливные элементы не только снабжали космические экипажи электроэнергией, но и буквально поили их. И в этом был большой резон.

Ежедневно космонавту нужно от 4 до 14 (в зависимости от длительности полета и гигиенического режима) литров воды. Эту потребность могут обеспечить водородно-кислородные топливные элементы, так как в них при выработке каждого киловатт-часа электроэнергии в качестве побочного продукта выделяется что-то около литра чистейшей, годной для питья воды. Нетрудно подсчитать, что при месячном полете космического экипажа экономия массы корабля за счет запасов воды будет исчисляться тоннами!

...И Армстронг, и Олдрин, и Коллинз пили воду, которая синтезировалась в топливных элементах корабля «Аполлон». Правда, на первых порах американские космонавты испытывали некоторое неудобство. Вода напоминала газировку: только вместо углекислого газа она была насыщена водородом. Это вызывало необычные и малоприятные ощущения.

Причина явления проста. В топливном элементе вода выделяется — испаряется — с той стороны, где происходит подача в элемент топлива — водорода. Естественно, пары воды смешиваются с газообразным водородом. Но в дальнейшем удалось получить воду без растворенного в ней водорода. Для улавливания в питьевой воде пузырьков газа на краны надевались специальные фильтры.

ГЛАВА 6 ЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ

Основное занятие ученого состоит в том, чтобы найти, как сделать вещь, а дело инженера — создать ее.

Дж. Б е р на л

Теперь можно рассказать о том, как уже из космоса топливные элементы спустились на Землю. Про открывающиеся для них тут большие возможности.

В Московском энергетическом