Вода — топливо будущего
1.Вода — топливо для ракет
Вода — плотная субстанция, ее не нужно хранить под давлением, поэтому все давно думают о том, как использовать воду. Когда человечество начнет использовать ресурсы, которые добываются за пределами Земли, вода станет первым из таких ресурсов. Вода обнаружена на Луне, на околоземных астероидах, на Марсе. Все смотрят в долгосрочном плане, как использовать воду в качестве ракетного топлива.
Сейчас наши космические путешествия, вероятно, в значительной степени будут зависеть от ракет на том топливе, которое распространено сейчас. Они работают за счет сжигания газа в задней части аппарата и за счет этого, благодаря законам физики, толкаются вперед.
Первое опасение вызывает безопасность. Упаковка энергии в малом объеме и массе в форме топлива означает, что даже малейшая проблема приведет к катастрофическим последствиям вроде того, что мы видели с недавним взрывом ракеты SpaceX. Вывод спутников на орбиту с любой формой нестабильного топлива на борту может означать катастрофу для дорогостоящего оборудования, а может и для человеческой жизни, что еще хуже.
Вода может помочь нам обойти эту проблему, поскольку является по сути переносчиком энергии, а не топливом. Планируется использовать, а скорее использовать электричество от солнечных батарей для разделения воды на водород и кислород и использования их в качестве топлива. Эти два газа соединяются и становятся гремучей смесью, позволяя реализовать энергию, затраченную на расщепление воды. Сжигание этих газов можно использовать для движения спутника вперед, его разгона или изменения положения на орбите в зависимости от пункта назначения.
Солнечные батареи весьма надежны и не имеют движущихся частей, поэтому идеально подходят для функционирования в условиях микрогравитации и в экстремальных условиях космоса, чтобы производить ток из солнечного света. Традиционно эта энергия аккумулируется в батареях, но ученые хотят использовать ее для расщепления воды на борту.
Предлагаемый процесс — известный как электролиз — включает пропускание тока через воду, как правило, содержащую немного растворимого электролита. Ток разбивает воду на кислород и водород, выделяющиеся отдельно на двух электродах — на аноде и катоде. На Земле гравитация затем разделяет эти газы, и их можно использовать. Но в условиях невесомости, на спутнике потребуются центробежные силы от вращения для разделения газов из раствора.
Электролиз уже использовали в космосе раньше, чтобы обеспечить кислородом пилотируемые космические миссии и не забирать наверх кислородные резервуары под высоким давлением, например, на Международной космической станции. Но вместо того, чтобы отправлять воду в космос в виде груза на ракете, мы могли бы просто однажды добывать ее на Луне или на астероидах. Если новый подход использования водорода и кислорода для спутникового топлива окажется успешным, мы могли бы получить его готовый источник в космосе. Такой подход можно было бы применить к энергоснабжению космических аппаратов будущего.
Как это часто бывает, разработки в области космических технологий рождают идеи, которые можно применить и на Земле, особенно в решении существенных энергетических проблем. Электричество действительно сложно хранить, а по мере увеличения спроса на электроэнергию мы нуждаемся в прорывах. Ветер и солнечные фермы — не самые эффективные формы возобновляемой энергии, не из-за проблем с выработкой энергии, а из-за того, что мы зачастую не можем сделать ничего полезного с этой энергией. Электросети не справляются в периоды высокой выработки и низкого спроса на энергию.
Возможно, нам поможет использование излишков электроэнергии для расщепления воды на водород и кислород.
Предлагаемый процесс — известный как электролиз — включает пропускание тока через воду, как правило, содержащую немного растворимого электролита. Ток разбивает воду на кислород и водород, которые выделяются отдельно на двух электродах — на аноде и катоде. На Земле гравитация затем разделяет эти газы, и их можно использовать. Но в условиях невесомости, на спутнике потребуются центробежные силы от вращения для разделения газов из раствора.
Можно использовать воду как топливо напрямую — не разлагать на водород и кислород. Двигатель — это такая небольшая микроволновая печка размером с банку из-под кофе. Создаем микроволновое излучение, используя солнечную энергию, солнечные панели. В этой маленькой микроволновой печке нагревается вода (точнее, водяной пар) до температуры выше поверхности солнца. А дальше этот перегретый газ или слабо ионизированная плазма выбрасывается из сопла и создает тягу.
Поскольку мы можем нагреть пар до гораздо более высокой температуры, чем это делается в химическом двигателе, то технология позволяет использовать гораздо меньшее по массе топливо, чем используют классические двигатели. Но тяга этих двигателей не очень большая — мы не можем полететь с Земли, но можем перемещаться в космосе, где невесомость.
2.Вода — топливо для машин
Попытки использовать воду в качестве источника энергии делались давно. Можно разложить воду на водород и кислород путем электролиза, и затем применять водород в качестве горючего, а кислород — окислителя. Загвоздка в том, что разложение воды на составные части требует энергетических затрат, больших, нежели воссоединение водорода и кислорода: КПД любой системы меньше ста процентов. Управляемая термоядерная реакция в начале сороковых годов существовала лишь в умах физиков-теоретиков
Бензиновый двигатель был изобретен очень давно, но используется в наше время. Люди всегда хотели, чтобы двигатель был мощным и экономичным. Было придумано много различных вариантов. Но не все используются в современном мире.
Здесь будет рассмотрена подача газа в двигатель. Этот газ называют по-разному: газ Брауна, гидроген, водяной газ. Он делается на основе воды. Главное преимущество системы Брауна – улучшение экологии окружающей среды.
Бензин экономится из-за его лучшего горения. Часто только около 15% энергии бензина, превращается в механическую энергию в двигателе внутреннего сгорания. Если двигатель дополнить газом Брауна, то это приведет к тому, что топливо будет лучше сгорать, а доступная энергия из бензина преобразуется в механическую. И это не нарушает законов термодинамики.
Когда газ сгорает, получается сухой водяной пар. Он служит для того, чтобы очистить клапанно-поршневую группу от нагара, улучшить теплообмен между клапаном и седлом. В результате этого ресурс двигателя увеличивается. Из-за того, что расход топлива уменьшается, увеличивается пробег топливных форсунок, межсервисный пробег увеличивается, а также загрязнение масла уменьшается.
Один литр воды становиться шире на 1866 литра горючего газа. 30-40 часов можно проехать на каждом литре.
Чтобы в домашних условиях разложить воду на газ нужны: катализатор, дистиллированная вода, электричество, электроды.
Способов сделать автомобиль на воде своими руками множество. Но мы остановимся на одной, более простой конструкции.
Чтобы собрать генератор Брауна надо взять оргстекло 5 мл, 20 метров проволоки из нержавейки (марка 316), трубку из винила диаметром 4мл и шесть банок объемом 700 мл. Катализатором можно сделать КаОН или NaOH (резиновые перчатки используйте обязательно, так как эти вещества являются щелочью).
Можно использовать только одну банку, вместо шести, но обязательно учитывать следующие правила:
-надо, чтобы получилось строго определенное количество газа. Например, вам понадобиться 0,7-1,5 литра газа в минуту при условии, что у вас двигатель 1,5 л;
-температура электролита и количество газа сильно зависит от напряжения на электродах. Электролит может нагреться до 60 градусов уже через два часа при 12В питания. Это будет много, поэтому лучше подать 6В, а не 12В. Чтобы это сделать, нужно включить две банки одну за другой. Но тогда упадет количество производимого газа. Надо взять больше банок – лучше шесть (все параллельно и две последовательно).
Дальше все очень легко – надо вырезать пластинки и соединить их крест накрест. Потом обмотать их проволокой (2 электрода) и закрепить к крышке. На крышке нужно обязательно сделать штуцер, чтобы газ выходил и специальные болты, чтобы провода крепились к электродам. Электроды должны быть не замкнуты между собой, а крышка сидеть герметично при закрытии банки.
В банки нужно залить приблизительно пол-литра дистиллированной воды, предварительно добавив половину чайной ложки КаОН. Получается, что 6 банок должны потреблять ток примерно 6А при правильном соединении. Эта система должна работать на любом автомобиле
Так что же скрывается за водяными автомобилями? Дело в том, что в качестве топлива используется не вода, а водяные растворы солей. Если немного упростить, то двигатель работает на соленой воде. Что такое соленая вода? Это электролит, как в обычных батарейках. А из электролита извлечь энергию проще, чем из воды.
Фактически двигатель на соленой воде, еще используется название «потоковая батарея», работает по тому же принципу, что и топленный элемент использующий водород (есть еще топливные элементы использующие метанол, щелочи или кислоты).
Упрощенная модель выглядит так. Соляной раствор протекает через мембрану, где раствор вступает в реакцию окисления, производя отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные, создавая при этом электрический ток. То есть имеем батарейку в которой соляной раствор не замкнут внутри оболочки и таким образом, залить в бак такого топлива можно столько, сколько позволит сам бак. Как и в случае с другими типами топливных элементов, в этом используется два типа жидкости, то есть заправлять придется 2 отдельных бака.
Один раствор нужен для реакции окисления, другой, для реакции восстановления. Таким образом, вся система представляет собой скорее аккумулятор, так как может быть перезаряжена, ну на худой конец жидкость в баки можно залить совсем новую.
Самое интересное, что история топливных элементов сама по себе не нова. Принцип был открыт еще в 19-м веке, а первые работающие топливные элементы появились в 50-60-х годах двадцатого. Многие из них даже использовались для питания оборудования на космических аппаратах.
КПД топливных элементов и двигателей на их основе выше, чем у двигателей внутреннего сгорания, ведь превращение химической энергии в электрическую идет без сгорания топлива, а движущихся частей (на трение в которых расходуется энергия) в такой системе очень мало.
В отличие от водородных топливных элементов, вариант машины использующей растворы солей выглядит более перспективным, так как химическая промышленность и инфраструктура более готова к производству соляных растворов, чем к производству водорода.
Но если вы вообще не намерены ждать, то в интернете вы можете купить машинку игрушку, которая ездит на растворе обычной столовой соли всего за пару долларов. Так сказать для «знакомства с технологией».
3.Вода — топливо для самодельщиков
Рикардо Азеведо, простой госслужащий из Бразилии, в свободное от основной работы время занимался проектированием в собственном гараже мотоцикла, использующего в качестве топлива водород.
За основу им был взят обычный мотоцикл Honda, на который была установлена автомобильная батарея. Благодаря электричеству, запустился процесс электролиза, в ходе которого из молекулы воды был выделен водород. Естественным окончанием данной реакции является сгорание, в результате чего вырабатывается энергия, необходимая для движения транспортного средства. Со слов изобретателя, в ходе расщепления воды водорода образуется больше, чем кислорода, что и даёт возможность использовать его в качестве топлива.
Устройство с помощью которого передвигается мотоцикл получила название Moto Power H2O. С момента первого выезда на дорогу прошло чуть более полугода. После длительных испытаний автор проекта уверен, что в случае массового производства его разработка может оказать значительное влияние на уменьшение уровня загрязнения окружающей среды, так как вместо вредных веществ из выхлопной трубы транспортного средства выводится водяной пар. Как заявил Азеведо, 1 литра воды мотоциклу достаточно для преодоления расстояния в 500 км.
В ходе тестов было установлено, что тип воды для двигателя не важен: она может быть как обычной питьевой, так и дистиллированной или даже загрязненной, взятой из реки или озера.
Текст составлен из статей, взятых из Интернета.
Источник
К 2050 году половина населения Земли может остаться без пресной воды
Запасы пресной воды необходимой для питья, выращивания пищи, производства энергии и практически всего остального катастрофически сокращаются. Более двух миллиардов человек из 7,6-миллиардного населения Земли уже ощущают нехватку или совсем не имеют доступа к запасам чистой воды. Об этом говорится в новом отчете ООН, опубликованном в июне, где также сообщается, что мир не сможет достигнуть ранее поставленной цели обеспечить все население планеты чистой водой и приемлемым уровнем санитарии к 2030 году. В этом же отчете говорится, что к 2050 году половина населения планеты не будет иметь доступа к запасам безопасной по санитарным нормам воды.
Как не крути, а главные ресурс для человека это вода.
Когда на Земле закончится вода
Специалисты, подготовившие доклад, отмечают, что два ключевых фактора приближают проблему общемировой жажды: рост населения и климатические изменения. И первым вопросом, требующим решения, является поиск баланса между соотношением количества проживающих на планете людей и конечным объемом доступных запасов воды.
Топ 10 стран, где отмечается нехватка чистой воды. Соотношение общего числа жителей (пунктирный круг) к числу людей, не имеющих свободного доступа к чистой воде (закрашенный круг)
Индия за последнее время увеличила доступ к запасам чистой воды в сельской местности, но по-прежнему возглавляет список стран по количеству населения, испытывающих нехватку водоснабжения. Здесь свободного доступа к чистой воде не имеют более 163 миллионов человек. На втором месте находится Эфиопия. Там нехватку чистой воды испытывают 61 миллион человек. Положение дел здесь значительно улучшилось с начала 2000-х годов, однако по-прежнему большой процент местных жителей ощущают нехватку пресной воды.
Без разработки альтернативных методов и технологий, позволяющих опреснять морскую воду в больших объемах, человечеству в будущем придется полагаться лишь на те запасы пресной воды, которые к тому моменту останутся на планете.
Основной объем пресной воды используется в сельском хозяйстве, в основном для орошения сельскохозяйственных культур, выращивания скота, а также в искусственных морских фермах для выращивания рыбы и растительных культур, использующихся в пищевой промышленности. С ростом мирового населения возрастут и потребности в объемах сельскохозяйственного производства, отмечается в докладе. В течение последних десятилетий наблюдается замедление роста уровня водозабора из пресных озер и рек для обеспечения сельского и промышленного хозяйств, а также населенных пунктов, однако этот показатель по-прежнему опережает темпы роста населения планеты, установившиеся еще в 40-х годах прошлого века.
Объемы использования воды опережают показатель роста населения планеты
Сколько будет стоить вода в будущем
Это означает, что совсем скоро каждая капля пресной воды будет на вес золота. В итоге всем нам придется принимать очень непростые решения тех или иных вопросов. Заселяем поля сахарным тростником для производства этанола – не сможем вырастить продукты для пропитания семьи. Построим на реке гидроэлектростанцию и люди ниже по реке не смогут ловить рыбу. Начнем качать грунтовые воды для собственных нужд, к нам в гости придет очень недовольный сосед, которому воды станет не хватать. Это лишь малая часть тех компромиссов, с которыми придется столкнуться человечеству. По мнению ученых, дефицит пресной воды — это одна из самых крупных проблем, с которой предстоит столкнуться человечеству, живущему в мире высокой индустриализации и глобализации.
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
«В мире просто недостаточно воды, чтобы удовлетворить все наши нужды», — говорит Паоло Д’Одорико, ученый-эколог из Калифорнийского университета в Беркли, чья команда провела анализ причинных связей между пищевым, водным и энергетическим дефицитом и опубликовала свои выводы в апреле этого года в журнале Reviews of Geophysics.
В выводах исследователей говорится, что в течение ближайших десятилетий ожидается существенное повышение потребления запасов воды энергетическим сектором. При этом альтернативные источники энергии проблему не решат, как многие могут подумать. Да, альтернативная энергия позволит снизить выбросы углекислого газа в атмосферу, но при этом способна навредить в других областях. Например, для выращивания биотопливных культур может потребоваться больше воды, чем при производстве и потреблении сгораемых видов топлива.
Ожидаемые объемы потребления воды энергетическим сектором для производства различных видов топлива. Под потребляемыми запасами воды понимаются невосполняемые источники. Прогноз основан с учетом заявленных мировыми державами обязательств постепенного отказа от горючих видов топлива, а также с учетом сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу
Почему исчезает вода
Как уже говорилось выше, вторым основным фактором, влияющим на сокращение запасов пресной воды в мире, является глобальное изменение климата на планете. Чем больше объемов парниковых газов накапливается в нашей атмосфере, задерживая тепло у ее поверхности, тем сильнее будут сокращаться запасы пресной воды. Повышение средней мировой температуры приводит к изменению погодных факторов, что в свою очередь оборачивается нарушением циклического круговорота воды в природе. В результате экологические катастрофы (наводнения, засуха и прочие) становятся более частными явлениями на нашей нагревающейся планете. Нарушается экологический баланс: в местах, где люди не нуждаются в дополнительных запасах воды, воды становится еще больше, а там, где нуждаются, ее становится еще меньше.
Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.
На карте ниже отображен водный стресс (нарушение баланса между водопользованием и водными ресурсами) каким ом ожидается к 2040 году. Карта построена с учетом «стандартного» сценария, при неуклонном росте объемов выбросов углекислого газа в атмосферу. Более повышенный водный стресс ожидается в областях, где уровень водоснабжения и без того уязвим вследствие засушливого климата и роста населения.
Водный стресс стран мира, прогнозируемый к 2040 году
Крупные города сильнее всего почувствуют дефицит воды. Ранее в этом году с этой проблемой уже столкнулись 4 миллиона жителей Кейптауна (ЮАР). В январе местное правительство объявило, что воды хватит только на 90 дней. По прогнозам ее запасы должны были полностью иссякнуть в апреле. Только с помощью запоздалых и отчаянных мер, направленных на сокращение потребления воды сельскохозяйственным сектором жители города смогли «дотянуть» до мая, когда начался затяжной сезон дождей. Проблема нехватки воды в городе не решена до сих пор. И таких городов, по мнению ученых, в ближайшие 20-30 лет станет гораздо больше.
К 2050 году от 3,5 до 4,4 миллиарда человек в мире будут ограничены в доступе к чистой пресной воде, причем более 1 миллиарда человек из этого числа – это жители крупных городов. Среди 482 попавших в исследование городов и населенных пунктов более четверти в будущем столкнутся с проблемой нехватки пресной воды для обеспечения всех потребностей. Основным фактором, влияющим на рост дефицита пресной воды, что логично, называется рост самих городов и его населения. Например, в США на первом месте по дефициту воды в будущем стоит Лос-Анджелес, поскольку его население по прогнозам будет расти даже несмотря на климатические изменения, которые также сократят его водные запасы. В целом ситуация с водой в городах станет хуже, если один из секторов их экономики получит приоритет на использование имеющихся запасов, отмечается в исследовании.
Топ 20 городов, которые, согласно прогнозам, столкнутся с крупнейшим водным кризисом к 2050 году
При виде таких прогнозов очень легко впасть в отчаяние. Однако ученые сохраняют надежду и предлагают альтернативные варианты дальнейшего развития событий. Например, результаты компьютерных моделирований, проведенных специалистами Массачусетского технологического института показали, что выбор политических решений, направленных на борьбу с климатическими изменениями, как это было с Парижским соглашением в 2015 году, позволят снизить последствия ожидающей нас нехватки воды. Если мировая общественность продолжит принимать подобные решения в будущем, то, например, 60 миллионов жителей стран Азии смогут избежать катастрофического дефицита воды, прогнозируемого к 2050 году, говорят ученые.
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Одного Парижского соглашения конечно же будет недостаточно. Ученые предлагают более конкретные решения. Например, опыт Кейптауна показал, что правительствам и местным городским чиновникам необходимо выработать более грамотные стратегии, направленные на сохранения запасов пресной воды. То же повышение цен на воду до точки, при которой люди стали бы ее больше ценить и тратить в умеренных объемах позволило бы снизить нагрузку на ее запасы.
«Люди считают, что решить проблему дефицита воды можно одними лишь технлогиями, но мы считаем, что не менее важным этом вопросе является изменение нашего собственного поведения и отношения», — говорит Мартина Флёрке, гидролог и эколог Университета Касселя (Германия).
«Нам необходимо понять, что вода — очень ценный ресурс, критически необходимый для функционирования всей мировой экосистемы, и мы должны о нем заботится. Только в этом случае мы сможем справиться с проблемами».
Источник
