Как сделать топливо из алюминия и почему мы еще не перешли на «металлический бензин»

В 1911 году российский ученый Фридрих Цандер предложил конструкцию космического корабля, который взлетал бы, как обыкновенный аэроплан, а при достижении границ земной атмосферы использовал ненужные металлические элементы конструкции — крылья, пропеллер и двигатель — в качестве топлива. Стоп. Металл в качестве топлива — разве такое возможно?

Энергия алюминия

В 1970-х специалист НИИ высоких напряжений Томского политеха Николай Яворовский получил ультрадисперсный порошок алюминия, состоящий из идеально круглых частиц размером около 20 нанометров. Опыты показали, что вещество горит в 15 раз быстрее, чем обычный порошковый алюминий в пиротехнических составах, и может использоваться как высокоэнергетическая присадка к ракетному топливу.

Есть два способа получить энергию из алюминия. Первый — прямое электрохимическое окисление: используют металло-воздушные топливные элементы, в которых есть металлический анод, воздушный катод и электролит. Окисляясь, металл отдает во внешнюю цепь электроны, а сам в виде ионов уходит в электролит, соединяется там с кислородом и становится оксидом. Второй способ — химическое окисление, или сжигание в кислороде воздуха, как в случае с традиционными видами топлива. Плюс есть разработки, посвященные окислению алюминия в водной среде, при котором происходит еще и выделение водорода.

Михаил Власкин

Кандидат технических наук, заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ Объединенного института высоких температур РАН

В 2013 году на выставке энергосберегающих технологий в Москве ученые Объединенного института высоких температур РАН представили электрохимический генератор для электромобиля. Насос в нем прогоняет щелочь через кассеты с алюминиевыми пластинами. При окислении и разрушении металла выделяется тепло, которое идет на зарядку аккумуляторов и обогрев салона.

Топливо в плотной оболочке

Почему алюминий хорош в качестве топлива? Его энергоемкость — почти как у угля: 30 мегаджоулей на килограмм, при этом металл не нужно очищать и обогащать. При сгорании того же количества бензина выделяется чуть больше энергии — около 40 мегаджоулей, однако алюминиевый порошок более компактный: по объему он в 1,5–2 раза меньше. Отработанный (окисленный) алюминий легко поддается восстановлению: его почти полностью можно «пересобрать» и снова пустить в дело, причем с помощью существующих технологий, которые применяют при производстве алюминия из руды.

— Помимо алюминия, — продолжает Михаил Власкин, — в качестве топлива можно использовать металл магний, а среди неметаллов — кремний. При этом магний проигрывает алюминию из-за своей меньшей распространенности, а кремний пока занял нишу в другом секторе энергетики — солнечном.

Если алюминий так хорош, почему же человечество до сих пор использует в качестве топлива для транспорта в основном продукты переработки нефти? Минусов у металлического топлива хватает. Главный из них — прочная оксидная пленка, которая возникает на поверхности алюминия при контакте с кислородом. Она может окутать каждую частичку металлического порошка и помешать ему вырабатывать энергию.

Знаете, почему для сварки стали достаточно устройства величиной с коробку из-под обуви, а для сварки алюминия — металла куда более мягкого — нужен аппарат размером со старый кинескопный телевизор? Как раз из-за оксидной пленки: чтобы прорваться через нее, требуется много энергии.

Другая сложность — в новизне: хотя об алюминиевом топливе ученые заговорили еще в начале прошлого века, для него нет готовой инфраструктуры. Существуют технологии, которые позволяют использовать алюминий в крупной энергогенерации — на тех же ТЭЦ, но оборудование и технологические процессы придется создавать с нуля. Нельзя просто загрузить алюминиевый порошок в бак автомобиля — нужно разрабатывать новые типы двигателей внутреннего или внешнего сгорания.