Человечество активно развивается в направлении водородной энергетики, стремясь снизить зависимость от ископаемого топлива, минимизировать выбросы парниковых газов и повысить энергетическую безопасность. Уже к 2025 году около 30 стран приняли национальные программы по развитию водородной энергетики, а совокупный объем инвестиций в эту область превысил 150 миллиардов долларов. Эксперты полагают, что замена дизельных авто на водородные снизит выбросы на 80-90%, а водородные самолеты способны уменьшить углеродный след на 50-75%. Однако при использовании водорода в двигателях внутреннего или внешнего сгорания (к последним можно отнести авиадвигатели), происходит взаимодействие с металлом, что наиболее опасно при высоких температурах. Это может вызвать их разрушение, в результате чего возникает риск пожара или взрыва с тяжелыми последствиями для пассажиров. Ученые Пермского Политеха впервые выяснили, как водород влияет на металлы в условиях экстремальных температур (800°C и выше), в которых работают двигатели самолетов и машин. Это продвинет авиационную, машиностроительную и нефтегазовую отрасли в безопасном использовании водорода в качестве источника энергии.
На изобретение получен патент № 2842903. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030».
CO2 — основной парниковый газ, задерживающий тепло в атмосфере и вызывающий экстремальные погодные явления, повышение уровня моря и риск глобального потепления. Человек неосознанно влияет на развитие этой проблемы каждый день. Так, водитель за рулем среднего легкового автомобиля, не подозревая об этом, оставляет выброс в атмосферу около 120-134 граммов CO2 на километр пробега. Это около 1,8-2 тонн углекислого газа в год.
Один из перспективных способов сократить это воздействие — перейти на водородное топливо. При его использовании двигатель выделяет только безвредный водяной пар, а не CO2. В авиации такая замена могла бы снизить выбросы углекислого газа на 90% и больше. Но здесь возникает сложность: водород будет неизбежно контактировать с металлическими деталями — будь то топливные или криогенные баки, двигатели автомобилей и самолетов.
В современных двигателях и турбинах постоянно растут рабочие температуры и давление, что ускоряет взаимодействие водорода с металлами. Ученым важно понять, что происходит в этот момент: простое физическое растворение водорода или полноценная химическая реакция с металлом, которая может резко ослабить материал. Без ответа на этот вопрос невозможно безопасно развивать водородный транспорт.
Существующие методы изучения таких процессов либо недостаточно точны, либо не работают при реальных высоких температурах, свойственных для эксплуатации в авиационных двигателях, промышленных реакторах и энергосистемах — от 600 до 800°C и выше. Ученые из Пермского Политеха разработали способ, который позволяет воссоздавать эти условия и точно измерять, как металлы и сплавы ведут себя в контакте с водородом.
Суть метода в отслеживании микроскопических изменений температуры с помощью двух синхронно нагреваемых датчиков (термопар). Экспериментальная установка представляет собой стальной блок с кварцевой камерой внутри, куда помещается образец металла. Сначала в камеру подается гелий — инертный газ, который не взаимодействует с материалом. Затем вся система прогревается до 800°C. Когда температура стабилизируется, гелий быстро заменяют на водород и металл вступает в реакцию, то есть выделяет или поглощает тепло.
Эффекты реакции при этом не превышают сотых долей градуса. Ранее именно в этом и состояла основная трудность — выделить минимальные изменения температуры на фоне экстремального нагрева. Решение состояло в отказе от регуляторов температуры и в создании предсказуемых условий с помощью внешней печи под стабилизированным напряжением. Благодаря этому удалось создать ровный «тепловой фон», и датчики смогли зафиксировать крошечные колебания градусов Цельсия там, где водород контактирует с металлом.
— Может показаться, что такие расчеты можно провести и теоретически, с помощью компьютерных моделей. Однако табличные данные и программные пакеты существуют в основном для чистых, простых металлов. По «поведению» в таких условиях они существенно отличаются от сплавов, используемых в авиации и машиностроении. С помощью нашей методики мы изучили титановый (более 98% титана) и кобальтовый сплавы, которые применяют для авиадвигателей и деталей клапанов. Первый при контакте с водородом поглощал тепло и охлаждался на 0,53°C. Второй — остывал на 0,15°C. А вот практически чистый губчатый титан (99,8%), наоборот, нагревался на 0,47°C. Уловить такие изменения на фоне температуры в 800 градусов невероятно сложно, но наша методика позволяет это сделать, — комментирует Николай Углев, старший научный сотрудник кафедры «Химические технологии» ПНИПУ, кандидат химических наук.
Так, по результатам исследования можно сказать, что атомы титана принципиально по-разному ведут себя в этих условиях. В зависимости от сплава они нагреваются или охлаждаются при одинаковых температурах.
На основе эксперимента можно сделать предварительный вывод о том, что титановые и кобальтовые сплавы больше подходят для контакта с водородом при высоких температурах, то есть будут более эффективны в водородной авиации и машиностроении. В этих отраслях сплавы содержат до 8-10 различных компонентов, и предсказать их поведение в контакте с водородом без точных данных почти невозможно.
Разработка ученых ПНИПУ поможет создавать более устойчивые к водороду материалы для двигателей, топливных систем и трубопроводов, что повысит надежность и безопасность водородной авиации, автомобилей и энергетики будущего. Это не только фундаментальное достижение в материаловедении, но и реальный шаг к экологически чистым технологиям.