Нам удалось заглянуть в лабораторию Found Energy, которая как раз готовится поставлять тепло и водород своему первому клиенту.
Раздавленная банка из-под газировки исчезает в облаке пара и, хотя его не видно, водорода. «Я могу просто поддерживать эту реакцию, добавляя больше воды», — говорит Питер Годарт, вливая немного воды в кипящий стакан. «Это вода комнатной температуры, и она сразу же закипает. На плите это будет медленнее».
Годарт — основатель и генеральный директор Found Energy, стартапа из Бостона, целью которого является использование энергии алюминиевого лома для обеспечения промышленных процессов без использования ископаемого топлива. С 2022 года компания разрабатывает способы быстрого получения энергии из алюминия в малых масштабах. Теперь она только что запустила гораздо более мощную версию своего двигателя, работающего на алюминии, который, по словам Годарта, является крупнейшим в истории реактором на алюминии с водой.
В начале следующего года установка будет установлена для снабжения теплом и водородом завода по производству инструментов на юго-востоке США, используя в качестве топлива алюминиевые отходы, производимые самим заводом. (Производитель не пожелал раскрыть свое имя до официального объявления о проекте.)
Если всё будет работать по плану, эта технология, использующая катализатор для высвобождения энергии, накопленной в металлическом алюминии, может превратить всё большую долю алюминиевого лома в топливо с нулевым уровнем выбросов углерода. Высокое тепло, вырабатываемое двигателем, может быть особенно ценным для сокращения значительных выбросов парниковых газов, возникающих в результате промышленных процессов, таких как производство цемента и очистка металлов, которые сложно обеспечить напрямую электроэнергией.
«Мы изобрели топливо, которое одновременно является и благословением, и проклятием», — говорит Годарт, окружённый трубами и проводами экспериментального реактора. «Это огромная возможность для нас, но это также означает, что нам придётся разрабатывать все системы вокруг нас. Мы переосмысливаем даже само понятие двигателя».
Инженеры давно рассматривают возможность использования алюминия в качестве топлива благодаря его высокой плотности энергии. После очистки и выплавки из руды металлический алюминий содержит более чем вдвое больше энергии, чем дизельное топливо по объёму, и почти в восемь раз больше, чем водород. При реакции с кислородом воды или воздуха он образует оксиды алюминия. В результате реакции выделяется тепло и водород, который можно использовать для производства энергии с нулевым выбросом углерода.
Жидкий металл
Проблема с алюминием в качестве топлива (и именно поэтому ваша банка из-под газировки не воспламеняется самопроизвольно) заключается в том, что как только металл начинает реагировать, на его поверхности образуется оксидированный слой, который препятствует реакции остальной части металла. Это похоже на огонь, который сам собой гаснет, оставляя после себя пепел. «Люди много раз пробовали и отказывались от этой идеи», — говорит Годарт.
Некоторые считают, что использование алюминия в качестве топлива остаётся бесполезной затеей. «Такая возможность использования алюминия возникает раз в несколько лет и не имеет шансов на успех, даже если в качестве топлива использовать алюминиевый лом», — говорит Джефф Скэманс, металлург из Лондонского университета Брунеля, который в 1980-х годах десять лет работал над использованием алюминия в качестве топлива для автомобилей. Он утверждает, что реакция алюминия с водой недостаточно эффективна, чтобы этот металл имел смысл использовать в качестве топлива, учитывая, сколько энергии требуется для очистки и выплавки алюминия из руды: «Безумная идея всегда остаётся безумной идеей».
Но Годарт считает, что он и его компания нашли способ заставить это работать. «Настоящим прорывом стало то, что мы взглянули на катализ с другой стороны», — говорит он: вместо того, чтобы пытаться ускорить реакцию, помещая воду и алюминий на катализатор, они «перевернули всё» и «нашли материал, который мы могли фактически растворить в алюминии».
ДЖЕЙМС ДИННИНПо словам Годарта, жидкий металлический катализатор, лежащий в основе подхода компании, «проникает в микроструктуру» алюминия. При реакции алюминия с водой катализатор заставляет металл вспениваться и раскалываться, открывая воде доступ к ещё большему количеству не прореагировавшего алюминия.
Состав катализатора запатентован, но Годарт утверждает, что это «жидкий металл с низкой температурой плавления, не являющийся ртутью». Его диссертационное исследование было сосредоточено на использовании жидкой смеси галлия и индия в качестве катализатора, и, по его словам, принцип действия нынешнего материала тот же.
Во время визита в начале октября Годарт продемонстрировал основную реакцию в лаборатории Found R&D, которая после прошлогоднего посевного раунда финансирования стоимостью 12 миллионов долларов теперь занимает большую часть двух этажей промышленного здания в районе Чарльзтаун в Бостоне. Используя щипцы, чтобы не допустить начала реакции из-за влаги на пальцах, он поместил таблетку алюминия, обработанную секретным катализатором, в стакан и добавил воды. Металл сразу же начал бурлить водородом. Затем вода испарилась, оставив после себя пенящуюся серую массу гидроксида алюминия.
«Одним из препятствий для развития этой технологии было то, что [реакция алюминия с водой] была слишком медленной», — говорит Годарт. «Но вы видите, что мы производим пар. Мы только что сделали котёл».
От Европы до Земли
Годарт был учёным в НАСА, когда впервые задумался о новых способах использования энергии, заключённой в алюминии. Он работал над созданием алюминиевых роботов, которые могли бы потреблять себя в качестве топлива при движении по ледяному спутнику Юпитера Европе. Но эта работа была прервана, когда Конгресс сократил финансирование миссии.
«У меня был своего рода небольшой мини-кризис, когда я думал: нужно что-то сделать с изменением климата, с проблемами Земли», — говорит Годарт. «И я подумал: знаете, держу пари, эта алюминиевая технология будет ещё лучше для применения на Земле». После защиты диссертации об алюминиевом топливе в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 2022 году он основал Found Energy у себя дома в Кембридже (в следующем году он попал в ежегодный список «35 новаторов моложе 35 лет» журнала MIT Technology Review).
До этого года компания работала в небольших масштабах, настраивая катализатор и тестируя различные условия в небольшом реакторе мощностью 10 киловатт, чтобы ускорить реакцию с выделением большего количества тепла и водорода. Затем, в январе, компания начала проектирование двигателя в 10 раз большего размера, достаточно мощного, чтобы обеспечить необходимое количество энергии для промышленных процессов за пределами лаборатории.
Этот более крупный двигатель занимал большую часть лаборатории на втором этаже. Корпус реактора напоминал перевёрнутый на бок водогрейный котёл, с трубами и проводами, подключёнными к контрольному оборудованию, занимавшему почти столько же места, сколько и сам двигатель. С одного конца располагалась труба для впрыска воды и поршень для подачи гранул алюминиевого топлива в реактор с переменной скоростью. С другого конца отводящие трубы выводили продукты реакции: пар, газообразный водород, гидроксид алюминия и извлечённый катализатор. По словам Годарта, катализатор в ходе реакции не теряется, поэтому его можно использовать повторно для получения нового топлива.
НАЙДЕНА ЭНЕРГИЯКомпания впервые запустила двигатель для начала испытаний в июле. В сентябре ей удалось вывести его на заданную мощность в 100 киловатт — примерно столько же, сколько может выработать дизельный двигатель небольшого пикапа. В начале 2026 года компания планирует установить 100-киловаттный двигатель для снабжения теплом и водородом производственного предприятия по производству инструментов. Этот пилотный проект призван послужить подтверждением концепции, необходимой для сбора средств на строительство реактора мощностью 1 мегаватт, что в десять раз больше.
Первоначальный пилотный проект будет использовать двигатель для подачи горячего пара и водорода. Однако, по словам Годарта, энергия, выделяемая в реакторе, может быть использована различными способами в широком диапазоне температур. Горячий пар может вращать турбину для производства электроэнергии, а водород – в топливном элементе. Сжигая водород, содержащийся в паре, двигатель может производить перегретый пар температурой до 1300 °C, который может быть использован для более эффективной выработки электроэнергии или очистки химикатов. Сжигание одного только водорода может обеспечить температуру 2400 °C, достаточную для производства стали.
Сбор лома
Годарт говорит, что он и его коллеги надеются, что двигатель в конечном итоге будет использоваться во многих различных промышленных процессах, но изначально целью является сама отрасль переработки и переработки алюминия, поскольку она уже занимается цепочками поставок металлолома и оксида алюминия. «Переработчики алюминия обращаются к нам с просьбой взять их алюминиевые отходы, которые трудно переработать, и превратить их в чистое тепло, которое они смогут использовать для переплавки другого алюминия», — говорит он. «Они умоляют нас внедрить это для них».
Ссылаясь на соглашения о неразглашении, он не стал называть ни одну из компаний, предлагающих свой неперерабатываемый алюминий, который, по его словам, является своего рода «грязной тайной» для отрасли, которая должна перерабатывать весь собранный материал. Однако, по оценкам Международного института алюминия, отраслевой организации, во всем мире чуть более 3 миллионов тонн алюминия, собираемого для переработки, в настоящее время не перерабатывается каждый год; ещё 9 миллионов тонн вообще не собираются для переработки или сжигаются вместе с другими отходами. В совокупности это составляет чуть меньше трети от предполагаемых 43 миллионов тонн алюминиевого лома, который в настоящее время перерабатывается ежегодно.
Даже если весь этот неиспользованный лом будет переработан в топливо, он всё равно покроет лишь малую часть общего промышленного спроса на тепло, не говоря уже об общем промышленном спросе на энергию. Но план не ограничивается имеющимся ломом. В конечном итоге, по словам Годарта, есть надежда «перезарядить» гидроксид алюминия, выходящий из реактора, используя чистое электричество для его обратного превращения в металлический алюминий и повторной реакции. По оценкам компании, этот подход «замкнутого цикла» может удовлетворить весь мировой спрос на промышленное тепло за счет использования и повторного использования в общей сложности около 300 миллионов метрических тонн алюминия — около 4% от имеющихся на Земле запасов алюминия.
Однако вся эта перезарядка потребует огромных затрат энергии. «Если вы этим занимаетесь, [алюминиевое топливо] — это технология хранения энергии, а не столько технология её производства», — говорит Джеффри Риссман, изучающий промышленную декарбонизацию в калифорнийском аналитическом центре Energy Innovation. По его словам, как и другие формы накопления энергии, такие как тепловые батареи или «зелёный» водород, это может иметь смысл, если топливо можно будет заряжать дешёвым, экологически чистым электричеством. Но найти его будет всё сложнее на фоне борьбы за чистую энергию для всего: от центров обработки данных с искусственным интеллектом до тепловых насосов.
Несмотря на эти препятствия, Годарт уверен, что его компания найдёт способ воплотить это в жизнь. Существующий двигатель, возможно, уже способен выжать из алюминия больше мощности, чем предполагалось. «Мы действительно считаем, что он, вероятно, способен выдать полмегаватта», — говорит он. «Мы ещё не полностью его запустили».
Джеймс Диннин — научный и экологический журналист из Нью-Йорка.
Источник: www.technologyreview.com
