Топливо из… «ничего»

Топливо из… «ничего»

Всем известно, что в период Второй мировой войны немецкие химики и промышленники наладили производство всевозможных эрзац-продуктов. В частности, именно им мы обязаны появлению и распространению маргарина. Однако почему-то мало кто обращает внимание на то, какие усилия были предприняты деятелями третьего рейха для того, чтобы научиться синтезировать жидкое топливо буквально из ничего.

В годы Великой отечественной войны довольно часто можно было видеть такую картину. Автомобиль останавливался возле поленницы, и шофер начинал заправлять машину березовыми или осиновыми чурками. Конечно, топки в обычном понимании этого слова в автомашине не было. Просто рядом с кабиной устанавливалась высокая колонка химического реактора, и древесину перегоняли в газообразное или жидкое топливо.

Специалистам противоборствующих стран было отлично известно, что древесный, он же метиловый спирт или метанол, был впервые обнаружен в продуктах сухой перегонки древесины еще в 1661 году. Французский химик М. Бертло в 1857 году получил первый синтетический метанол омылением метилхлорида. В то время этим дело, собственно, и ограничилось. На практике метанол по-прежнему получали из подсмольных вод сухой перегонки древесины. Первый такой завод был построен в США в 1867 году, а к 1910 году таких заводов было уже около 120.

Конечно, новым способом тут же заинтересовались в Германии, у которой никогда не было своих запасов нефти, а из полезных ископаемых в изобилии, пожалуй, лишь бурый уголь. Да и лесов не так уж много. Поэтому немецкие химики старались найти методы синтеза метанола из более доступного сырья, чем древесина. Так, в 1923 году в Германии был получен первый метанол на базе водяного газа (он же синтез-газ СО+Н2) с помощью заводской установки, дававшей до 20 тонн метанола в сутки. И уже год спустя немецкие промышленники начали экспорт синтетического метанола в США, где он продавался в три раза дешевле, чем полученный из древесины. В это время в Германии метанол даже называли иногда «органической водой» (organische Wasser).

В годы Второй мировой войны метанол уже использовался в качестве моторного топлива для автомобилей (правда, в смеси с бензином). При почти вдвое меньшей, чем у бензина, теплоте сгорания, у метанола более высокое октановое число. Наличие кислорода в молекуле метанола обеспечивает более полное сгорание и уменьшение объема выхлопных газов. В них меньше оксида углерода, практически нет серы и, конечно, нет свинца.

Но зато при работе на метаноле требуется увеличение объема топливных баков. Больше теплоты нужно подводить во всасывающую систему для испарения топлива, а это значит, что существующие системы двигателей внутреннего сгорания для работы на метаноле необходимо переделывать. Постоянная температура кипения метанола затрудняет запуск мотора при низких температурах, требует применения специальных мер, например, впрыскивания в запускаемый двигатель высоколетучей жидкости (эфира). Метанол разрушает слой полуды в топливных баках, а образующийся при этом гидроксид свинца забивает топливные фильтры и жиклеры карбюраторов. Увеличивается также коррозия двигателя и элементов топливной системы, причем особенно страдают детали из магния, алюминия и их сплавов. Кроме того, в метаноле быстро набухают и теряют герметичность многочисленные прокладки и уплотнения…

Словом, автомобили тех лет были плохо приспособлены для работы на метаноле. И потому, как только появилась возможность, специалисты стали использовать традиционные бензин и солярку. Однако накопленный опыт не забылся. И по сей день конструкторы вместе с учеными обсуждают более широкие возможности применения «растительного горючего».

Например, практичные японцы в качестве сырья для производства моторного топлива хотят использовать водоросли. Норвежцы считают перспективной для той же цели переработку хвойной древесины – той ее части, которая обычно идет в отходы: опилки, сучья, непосредственно саму хвою… В Новой Зеландии получены первые тонны горючего из апельсиновых корок, а в Мексике проведены успешные опыты по переработке кактусов!

Итак, выясняется, что в принципе мотор можно питать практически любым органическим сырьем. В Бразилии, к примеру, даже самолеты летают «на растительном масле».

Однако вся эта экзотика, как уже говорилось, не от хорошей жизни. В той же Бразилии практически нет своих месторождений нефти, вот и приходится выкручиваться… В такой ситуации, конечно, уж мало берутся в расчет и низкая теплота сгорания такого топлива, и его высокая стоимость.

А в Германии времен третьего рейха синтетический бензин приходилось делать и из угля. Были попытки даже залить в автомобильный двигатель… воду! Причем для этого ее не разлагали на водород и кислород, расходуя на это большие количества энергии. Нет, воду пытались и пытаются добавлять в двигатель и без разложения, так сказать, в натуральном состоянии.

Еще на заре автомобилизма было замечено, что в сырую погоду двигатели как будто работают лучше. Проведенные исследования показали: да, в моторное топливо можно добавлять до 10 процентов воды, и двигатель будет работать.

Впрочем, как утверждают некоторые эксперты, двигатель при некоторых условиях может работать чуть ли не на чистой воде. Вот какую историю, например, рассказала читательница из г. Пензы Е. Ф. Палатова. Согласно ее данным, в США еще в период Первой мировой войны проводились испытания «горючего» для двигателей внутреннего сгорания, предложенного португальским эмигрантом Хуаном Андрэсом.

Основную часть его составляла вода (пресная или соленая, безразлично), в которую добавлялась неизвестная жидкость, имевшая зеленоватый оттенок. В печати приводились случаи, когда изобретатель на глазах свидетелей готовил исходную смесь из медикаментов, купленных в ближайшей аптеке. Смешав их в ведре с водой, он заливал топливный бак и заводил двигатель. После регулировки игольчатого клапана, изобретатель добивался устойчивой работы мотора, дававшего выхлоп без цвета и запаха.

Испытания проводились на автомобиле «Паккард» и на трехцилиндровом двухтактном судовом двигателе. Расход смеси составлял примерно 50 литров на 100 километров пути. Многовато, конечно, но не забывайте – и двигатели брались достаточно мощные, и топливо стоило баснословно дешево.

Будучи по образованию инженером-электрохимиком, Палатова вместе с коллегами попыталась разгадать ребус эмигранта. «Итак, все поршневые двигатели работают за счет газообразной массы высокого давления, которая поступает в цилиндр извне (сжатый водяной пар), либо образуется внутри цилиндра вследствие сгорания жидкого топлива, – рассуждала она. – В первом случае мы имеем место с паровыми машинами, во втором – с двигателями внутреннего сгорания. Те и другие имеют свои преимущества и недостатки».

Привлекательность паровой машины состоит в том, что рабочее тело – водяной пар – не отравляет окружающую среду. Естественно возникает вопрос: есть ли возможность создать непосредственно внутри цилиндра высокое давление пара? Андрэс ответил утвердительно: «Да, если использовать энергию взрывчатого вещества… «

Действительно, при взрыве даже небольших количеств взрывчатки образуются большие объемы газов и выделяется много тепла. Энергия взрыва и тепла может довести воду до газообразного состояния с высоким давлением. «Очевидно, Андрэс в качестве взрывчатого вещества выбрал нитроглицерин, – пишет Палатова. – Я полагаю так, поскольку в виде однопроцентного спиртового раствора нитроглицерин можно купить в аптеке, где он продается в качестве лекарства, расширяющего кровеносные сосуды».

В чистом виде нитроглицерин – тяжелая маслянистая жидкость, застывающая при температурах ниже 13оС. В воде растворяется плохо: всего 1,8 г на литр. Зато хорошо растворим в спирте – до 250 г на литр. При нагреве до 260°С и детонации взрывается. Причем процесс взрыва мгновенно охватывает всю массу нитроглицерина, переводя все молекулы разом в некую смесь газов.

Как показывает анализ, смесь газов, образующихся при взрыве, содержит от 58 процентов углекислого газа, 20 процентов водяного пара, 18 процентов азота и 4 процента кислорода. Все газы абсолютно нетоксичны, являются природными составляющими атмосферы Земли.

«Полагаю, в связи с вышесказанным, что „горючее“ Анрэса представляло собой водную эмульсию нитроглицерина, – заканчивает свое письмо Палатова. – Он готовил ее, приливая к воде смесь аптечного спиртового раствора нитроглицерина с эмульгатором. Причем эмульгатором могло служить жидкое калийное ( „зеленое“) мыло, которое также продается в аптеках. Так и получалась та зеленоватая жидкость, которую Андрэс вводил в воду перед ее заливкой в топливный бак, подобрав экспериментально-опытным путем количественное соотношение всех компонентов».

Как видите, ребус Андрэса оказался не столь уж сложен. И если его разгадал человек без особой подготовки, то, наверное, германские химики, издавна пользовавшиеся высокой репутацией во всем мире, и подавно справились с этой задачей. Тем более что перед войной, как показал даже беглый поиск, было немало публикаций на эту тему. Были проведены и эксперименты, целью которых являлся поиск оптимального состава горючего и наработка практического опыта по его применению. Однако этим экспериментам так и не суждено было выйти за пределы полигона. Почему? Ведь Германия, как уже неоднократно говорилось, остро нуждалась в замене натуральных нефтепродуктов синтетическими.

Причин тому несколько. Назовем хотя бы основные. В принципе затолкать в двигатель можно что угодно, даже нафталин – подобные опыты проводились еще в 20-е годы. Весь вопрос, насколько это выгодно и рационально?

Опыт же показал, что, если даже в двигатель добавляют незначительное количество воды, это приводит к резкому ухудшению его характеристик и долговечности. Кроме того, нитроглицерин – достаточно капризная, небезопасная в обращении жидкость. Не случайно небезызвестный Альфред Нобель потратил немало времени и сил прежде, чем смог получить динамит – довольно безопасную в обращении взрывчатку. В общем, Нобелевскую премию за использование нитроглицериновых смесей в качестве горючего не удалось пока получить никому. И те же химики третьего рейха предпочли пойти другим путем – стали получать синтетический бензин, например, из угля.

Был у них в запасе и еще один способ. Нефть, оказывается, можно добывать прямо из… воздуха!

Надо сказать, что история этого рецепта тоже достаточно давняя. Еще в 1908 году русский химик Е. И. Орлов обратил внимание на возможность синтеза нефтяных углеводородов из оксида углерода и водорода. Эта смесь называется еще водяным газом (или синтез-газом) и в достаточных количествах содержится в атмосфере.

Спустя несколько лет после Первой мировой войны этот способ был опробован на практике. Кайзеровская Германия оказалась отрезанной от природных источников нефти, и вот немецкие ученые К. Фишер и А. Тропш в 1922 году отработали технологию получения синтетических жидких углеводородов на практике.

Правда, водяной газ они решили поначалу получать не из воздуха, так как это оказалось технически слишком сложно, а из бурого угля. Синтез углеводородов осуществлялся при контакте этого газа с железоцинковыми катализаторами при высокой температуре. В 1936 году были введены в действие первые промышленные установки.

Всего было запущено 14 установок общей производительностью около миллиона тонн топлива в год. Они успешно проработали до конца Второй мировой войны.

Когда же послевоенная Германия получила доступ к дешевой природной нефти, постепенно все европейские и азиатские установки по производству синтетического топлива были остановлены или переведены на выпуск другой продукции. Зато в ЮАР, которая подверглась нефтяному эмбарго со стороны мирового сообщества и где к тому же добыча угля обходится чрезвычайно дешево, в середине 1980-х годов производилось около 4 миллионов тонн жидких углеводородов ежегодно.

И лишь в наши дни идея получения топлива из воздуха, а точнее, из содержащегося в нем диоксида углерода, похоже, приобретает особую остроту. Огромное количество сжигаемого на планете топлива грозит образованием так называемого «парникового эффекта». Из-за повышенного содержания углекислого газа в атмосфере часть солнечных лучей, которой полагалось бы отразиться от поверхности планеты и уйти назад в космическое пространство, теперь задерживается. А это, как полагают некоторые эксперты, в конце концов способно привести к всеобщему потеплению климата на Земле.

На первый взгляд, ничего страшного. Ну станет теплее на градус-другой. Что плохого? Но такое потепление, как показывают расчеты, может привести к тому, что значительная часть нынешней суши окажется затопленной. Вот ученые и предлагают способ, как зло обратить в благо. Прежде всего из атмосферного воздуха нужно выделить излишний диоксид углерода.

Уже сегодняшняя технология предлагает для этого несколько способов. Составляющие воздуха можно разделять при помощи пористых мембран, вымораживать или соединять в определенных условиях с газообразным аммиаком. Аммиак, реагируя с диоксидом углерода, образует карбонат аммония. Этот белый кристаллический порошок легко отделяется от газообразных компонентов чисто механическим путем – в аппаратах типа циклонов или центробежных сепараторов. Воздух, уже не содержащий углекислого газа, возвращается в атмосферу. Вслед за этим и карбонат аммония легко разлагается при нагревании на диоксид углерода и аммиак. Аммиак снова идет в дело, используется для улавливания новых порций углекислого газа.

Полученный диоксид углерода разлагают на оксид углерода (угарный газ) и кислород. Эта реакция требует больших затрат энергии. Поэтому, по всей вероятности, ее будет выгодно производить лишь при наличии дешевых энергетических источников. Такими источниками могут стать атомные реакторы или термоядерные установки. Здесь при температуре около 5000°С в присутствии катализаторов и будет получен оксид углерода. Освободившийся кислород опять-таки будет отправлен в атмосферу, а оксид углерода будет соединен с водородом. Полученные углеводороды в дальнейшем могут быть использованы в химическом производстве примерно так же, как сегодня используются производные нефти.

В оклахомской компании «Синтролиум», основанной в 1978 году братьями Марком и Кеннетом Эйдже, работают пока всего 16 человек. Однако контактов с компанией настоятельно ищут такие гиганты нефтяной империи, как «Шелл», «Эксон» и «Тексика». С последним, кстати, «Синтролиум» как раз и заключил соглашение о совместном производстве продукта под названием синкрот по цене 15 долларов за баррель.

Конечно, дороговато, однако уже сейчас ясно, что дальнейшим усовершенствованием технологии цену можно существенно снизить, и тогда синкрот станет дешевле натуральной нефти. А это весьма интересно, поскольку под новым названием скрывается синтетическая нефть, производимая из природного газа. А запасы его в пересчете на этот самый синкрот оцениваются как минимум вдвое больше, чем ископаемой нефти.

Американские инженеры взяли за основу ту же технологию, истоки которой восходят к началу нашего века.

Компания «Синтролиум» усовершенствовала этот процесс. Теперь для получения угарного газа вместо кислорода используется атмосферный воздух, что и привело к значительному удешевлению продукта. На опытной установке, работающей с 1990 года, производительность составляет 2 барреля в день. Но разработана и продается технология производства 2000 баррелей в день и заканчивается подготовка документации на строительство установки производительностью 5000 баррелей в день.

Компания убеждена, что будущее принадлежит таким сравнительно небольшим, компактным установкам, которые можно устанавливать в непосредственной близости от потребителя и получать горючее почти что из воздуха.

Большим преимуществом синкрота является то обстоятельство, что он не содержит серы и ароматических соединений, от которых приходится с великими трудами избавляться при работе с природной нефтью.

Кроме того, как показали последние исследования, природного газа на Земле в сущности гораздо больше, чем дают стандартные оценки. Они ведь не учитывают запасов так называемого твердого газа. А многие геологи всерьез полагают, что дно Мирового океана подстилают гидраты углеводородных газов – соединения, в которых молекулы метана заполняют пустоты в решетке кристаллического льда. Толщина залежей достигает полукилометра, что, согласитесь, весьма немало, учитывая площадь Мирового океана.

Только в Северной Атлантике, где работала группа доктора Дж. Бикенса из Мичиганского университета, оказалось, что на сравнительно небольшом участке дна льда находится до 35 миллиардов тонн метана. Вдобавок здесь же содержится до 7 процентов углерода – так что налицо все необходимое сырье (плюс атмосферный воздух) для производства синтетической нефти.

В общем, получается, что нацистские химики не довели начатое ими дело до логического конца. Быть может, потому, что не очень хотели помогать правящему режиму? Так или иначе, но ими оказался упущен и еще один шанс продлить агонию третьего рейха.

Обратите внимание, жители Европы, в том числе крупных городов и нашей страны, уже стали привыкать к грузовикам с красными газовыми баллонами вместо бензобаков. Появились и первые «Волги»-такси, работающие на газе. И как показывает накопленный опыт, природный газ вполне может составить конкуренцию традиционному бензину и дизельному топливу. У газа выше октановое число, он меньше загрязняет воздух токсичными газами при сжигании в цилиндрах мотора, не портит смазочного масла…

Все это, кстати, было известно довольно давно. На парижской выставке 1878 года Н. Отто и Э. Ланген продемонстрировали газовый автомобиль в действии. Он, правда, оглушал окружающих отчаянным треском, зато потреблял относительно немного топлива.

Так что в данном случае новое – это хорошо забытое старое. И стоит ли удивляться, что к настоящему времени только в нашей стране полмиллиона автомобилей работает на природном газе? Скорее стоит удивляться другому – почему их до сих пор так мало?.. В качестве горючего можно использовать и «биогаз». Источником для его получения служат отходы, в большом количестве – до 500 миллионов тонн в год! – образующиеся на животноводческих фермах, птицефабриках, а то и просто на полях страны.

Производство биогаза весьма несложно. В специальный бак – метантенк загружают органические отходы, добавляют немного воды и специальную анаэробную закваску. Теперь нужно лишь поддерживать в метантенке плюсовую температуру. Все остальное бактерии сделают сами: проведут необходимый процесс ферментации, переработают отходы в биогаз и шлам. Биогаз, как показывает анализ, на 50–70 процентов состоит из обычного метана, а шлам представляет собой прекрасное органическое удобрение.

Сама по себе такая неприхотливая технология, конечно, не представляет собой ничего принципиально нового. Некоторые ученые считают, что примерно такие же процессы превращения органических веществ в метан идут и в недрах Земли.

По подсчетам экономистов, в ближайшие 20–25 лет в Советском Союзе, по уже отработанным технологиям можно производить ежегодно 15–18 миллиардов кубических метров полезного газа. Потенциальные же возможности еще выше. Ведь в каждой индустриально развитой стране, как показывает расчет, приходится около двух тонн органических отходов на одного человека в год, что соответствует возможности получения 1000 кубических метров биогаза. Для справки добавим, что в настоящее время ежегодно городской житель тратит на приготовление пищи 100 кубических метров бытового газа, что эквивалентно 150 кубическим метрам биогаза. Таким образом практически все население может быть обеспечено газом!

И это еще не все. Сам процесс получения биогаза, по мнению специалистов, таит в себе немало резервов. В частности, можно ускорить процесс брожения. Например, если часть сброженной в метантенке биомассы вывести из него и смешать с вновь поступающим по трубам сырьем, разложение органических веществ начнется еще до того, как они попадут в метантенк. Это дает возможность сократить основной цикл с пяти суток до одних. А если микробиологи выведут высокоактивные виды микроорганизмов, то весь цикл реакций можно будет, вероятно, довести до нескольких часов.

Биогаз можно получать не только из отходов, но и со специально предназначенных для этого плантаций. А чтобы не занимать полезные площади на суше, такие плантации логично расположить в море.

Ученые полагают: для промышленных плантаций такой энергетической биомассы подходят лиманы Черного моря, Каспийское и Аральское моря и другие водоемы нашей страны. При урожае растений 20 граммов на квадратный метр водной поверхности в сутки, за летний вегетационный период с одного гектара можно собирать до 24 тонн биомассы. Ее переработка в метантенках даст 12 тысяч кубических метров газа. Такие исследования активно ведутся по программе «Биосоляр».

Представьте себе узкий бассейн, над которым ослепительно сияют огромные лампы. На поверхности воды плавают притопленные корытца из пластика. В них вода заметно темнее и словно бы гуще, чем вокруг. Во всяком случае, такое складывается впечатление, хотя, со слов сопровождающего нас руководителя лаборатории, вода самая обыкновенная – из водопровода, только с добавками питательных солей.

Но вот он наклонился и, держась за поручень, зачерпнул пробиркой из корытца. На глаз зеленоватое содержимое пробирки казалось совершенно однородным. Лишь под микроскопом удалось разглядеть, что вода кишит крошечными организмами.

Эти одноклеточные водоросли и есть основной «механизм» установки. Именно они потребляют питательные вещества, содержащиеся в субстрате, и под ярким светом быстро размножаются. Время от времени «бульон» из корытец разреживают, откачивая излишек в уже знакомый нам метантенк. Здесь идут реакции брожения, и вот, пожалуйста, из металлического баллона начинает выходить биогаз.

В лаборатории подсчитали: если выстелить подобными корытцами, или, как их здесь называют, фотосинтетическими блоками, поверхность Аральского моря, то можно обеспечить всю нашу страну топливом, которое даст тепло и электроэнергию для всех нужд. Фантастика?.. Пока – да. Но фантастика, основанная на точном расчете. Исследователи показывают карту земного шара, где отмечены наиболее выгодные места для создания подобных плантаций. По оценкам, с них можно собирать урожаи более 300 миллиардов тонн условного топлива в год. Это примерно в 15 раз больше, чем понадобится человечеству в 2000 году!

И наконец, бактерии можно использовать и для повышения эффективности обычных нефтепромыслов. Мы уже знаем, что при нынешних методах добычи значительная часть нефти так и остается в земных недрах. А вот если запустить в отработавшую свое скважину работников-невидимок, то они очень быстро переведут оставшуюся нефть в биогаз, и старые месторождения обретут новую жизнь.