Цифры и факты

Многие редкие металлы, долгое время почти не находившие применения, сейчас широко используются в мире. Они вызвали к жизни целые новые области современной промышленности, науки и техники - такие, как солнечная энергетика, сверхскоростной транспорт на магнитной подушке, инфракрасная оптика, оптоэлектроника, лазеры, ЭВМ последних поколений.

Используя низколегированные стали, содержащие всего 0,03-0,07% ниобия и 0,01-0,1% ванадия, можно на 30-40% снизить вес конструкций при строительстве мостов, многоэтажных зданий, газо- и нефтепроводов, геологоразведочного бурильного оборудования и т. п. При этом срок службы конструкций увеличивается в 2-3 раза.

Магниты с использованием сверхпроводящих материалов на основе ниобия дали возможность построить в Японии поезда на воздушной подушке, развивающие скорость до 577 км/ч.

В рядовом американском автомобиле используется 100 кг стали марки HSLA с ниобием, ванадием, редкими землями, 25 деталей из медно-бериллиевых сплавов, цирконий, иттрий. При этом вес автомобиля в США (с 1980 по 1990 год) уменьшился в 1,4 раза. С 1986 года автомобили начали оснащаться неодимсодержащими магнитами (37 г неодима на один автомобиль)

Интенсивно разрабатываются электромобили с литиевыми аккумуляторами, автомобили на водородном топливе с нитридом лантана и другие.

Американская фирма "Вестингауз" разработала высокотемпературные топливные элементы на основе оксидов циркония и иттрия, которые повышают кпд тепловых электростанций с 35 до 60%.

За счет внедрения энергоэкономичных осветительных приборов и электронной аппаратуры, сделанной с использованием редких элементов, США предполагают сберегать до 50% электроэнергии из 420 млрд. кВт/часов, расходуемых на освещение. В Японии и США созданы лампы с люминофорами, содержащими иттрий, европий, тербий, церий. Лампы мощностью 27 Вт с успехом заменяют 60-75-ваттные лампы накаливания. Расход электроэнергии на освещение снижается в 2-3 раза.

Использование солнечной энергии невозможно без галлия. НАСА США планирует оборудовать космические спутники солнечными элементами на основе арсенида галлия.

Чрезвычайно высоки темпы роста потребления редких металлов в электронике. В 1984 году стоимость мирового сбыта интегральных схем с использованием арсенида галлия составляла 30 млн. долларов, в 1990 году она уже оценивалась в 1 млрд. долларов.

Применение редкоземельных элементов (редких земель) и редкого металла рения при крекинге нефти позволило США резко снизить использование дорогостоящей платины, при этом повысить кпд процесса и увеличить на 15 процентов выход высокооктанового бензина.

В Китае успешно применяются редкие земли в сельском хозяйстве для удобрения риса, пшеницы, кукурузы, сахарного тростника, сахарной свеклы, табака, чая, хлопка, арахиса, фруктов, цветов. Урожай продовольственных культур увеличился на 5-10%, технических - более чем на 10%. Улучшилось качество пшеницы за счет более высокого содержания протеина и лизина, увеличилась сахаристость фруктов, сахарного тростника и свеклы, улучшилась окраска цветов, повысилось качество чая и табака.

В Казахстане по рекомендации российских ученых была применена разработанная Ф. В. Сайкиным новая методика использования редких земель в сельском хозяйстве. Опыты провели на больших площадях и получили великолепный эффект - увеличение урожайности хлопка, пшеницы и других культур на 65%. Столь высокая эффективность была достигнута, во-первых, благодаря тому, что использовали не смеси всех редких земель одновременно, как это практиковалось в Китае, а только один неодим (поскольку некоторые из лантаноидов не способствуют повышению урожайности, а наоборот - понижают ее). Во-вторых, не проводили, как это делают в Китае, трудоемкого опрыскивания сельскохозяйственных растений в периоды их цветения. Вместо этого только замачивали зерно перед посевом в водном растворе, содержащем неодим. Эта операция много проще и дешевле.

До последнего времени иттрий использовался в технике чрезвычайно редко, и добыча его была соответствующей - исчислялась килограммами. Но вот оказалось, что иттрий способен резко увеличивать электропроводность алюминиевого кабеля и прочность новых керамических конструкционных материалов. Это обещает весьма большой экономический эффект. Интерес к иттрию и к иттриевым лантаноидам - самарию, европию, требию значительно вырос.

Скандий (его цена одно время была на порядок выше цены золота) благодаря уникальному сочетанию целого ряда своих свойств теперь пользуется сверхповышенным интересом в авиационной, ракетной и лазерной технике.

Водородный показатель... человека

Известно, что кровь здорового человека имеет рН 7,3-7,4. Точнее, плазма крови имеет рН около 7,36 - то есть концентрация катионов оксония H₃O⁺ здесь составляет 4,4 ^. 10^-8 моль/л. А содержание гидроксид-ионов OH^- в плазме крови - 2,3 ^. 10^-7 моль/л, примерно в 5,3 раз больше. Таким образом, реакция крови очень слабощелочная.

Изменения концентрации катионов оксония в крови обычно незначительны, во-первых, благодаря постоянной физиологической регулировки кислотно-щелочного равновесия в процессе жизнедеятельности организма, а во-вторых, из-за наличия в крови особых "буферных систем".

Буферные системы в химии - это смеси слабых кислот с солями тех же кислот (или слабых оснований с солями тех же оснований). Примеры буферных систем - это растворы смеси уксусной кислоты CH₃COOH и ацетата натрия CH₃COONa или гидрата аммиака NH₃ ^. H₂O и хлорида аммония NH₄Cl. За счет сложных химических равновесий буферная система крови поддерживает примерно постоянный водородный показатель даже при введении "лишней" кислоты или щелочи.

Для плазмы крови самая важная буферная система - это карбонатная (она состоит из гидрокарбоната натрия NaHCO₃ и угольной кислоты H₂CO₃), а также ортофосфатная (гидроортофосфат и дигидроортофосфат натрия Na₂HPO₄ и NaH₂PO₄) и белковая (гемоглобиновая).

Карбонатная буферная система хорошо справляется с регулированием кислотности крови. Если в кровь поступает повышенное количество молочной кислоты, которая образуется в мышцах из глюкозы при напряженной физической работе, то она нейтрализуется. Получается угольная кислота, которая удаляется в виде газообразного диоксида углерода, уходящего с дыханием через легкие.
При перенапряжении или болезни в кровь поступает слишком много органических кислот, механизмы регулирования отказывают, и кровь приобретает излишнюю кислотность. Если рН крови приближается к 7,2 - это сигнал о серьезных нарушениях жизнедеятельности организма, а при рН 7,1 и ниже - необратимые изменения грозят смертельным исходом.

А желудочный сок человека содержит кислоту и отвечает рН от 0,9 до 1,6. Благодаря большому количеству хлороводородной кислоты желудочный сок имеет бактерицидное действие.

Кишечный сок имеет почти нейтральную реакцию (рН от 6,0 до 7,6). Наоборот, слюна человека всегда щелочная (рН 7,4 - 8,0).

А регулируется кислотность "человеских соков" мочой, где концентрация катионов оксония H₃O⁺ очень непостоянна: рН этой жидкости может снижаться до 5,0 и даже до 4,7 либо повышаться до 8,0 - в зависимости от состояния обмена веществ человека.

Кислая среда подавляет жизнедеятельность вредных микроорганизмов и поэтому служит своеобразной защитой от инфекции. А вот щелочная среда - сигнал о наличии воспалительных процессов, а значит, о болезни.

Водородные технологии будущего в автомобилестроении

Тезис "водород - топливо будущего" звучит всё чаще. Большинство крупных автопроизводителей проводит опыты с топливными элементами. Такие экспериментальные автомобили в большом количестве мелькают на выставках. Но есть две компании, которые исповедуют иной подход к переводу машин на водородное питание.

"Водородное будущее" автотранспорта эксперты связывают, прежде всего, с топливными элементами. Их притягательность признают все.

Никаких движущихся частей, никаких взрывов. Водород и кислород тихо-мирно соединяются в "ящике с мембраной" (так упрощённо можно представить топливный элемент) и дают водяной пар плюс электричество.

Ford, General Motors, Toyota, Nissan и многие другие компании наперебой щеголяют "топливоэлементными" концепткарами и собираются вот-вот "завалить" всех водородными модификациями некоторых из своих обычных моделей.

Водородные заправки уже появились в нескольких местах в Германии, Японии, США. В Калифорнии строят первые станции по электролизу воды, использующие ток, выработанный солнечными батареями. Аналогичные эксперименты проводят по всему миру.

Считается, что лишь водород, выработанный экологически чистым способом (ветер, солнце, вода) действительно обеспечит нам чистую планету. Тем более, что, по подсчётам экспертов, "серийный" водород будет не дороже бензина. Особенно привлекательным тут выглядит разложение воды при высокой температуре в присутствии катализатора.

О сомнительной экологической чистоте производства солнечных батарей; или проблеме утилизации аккумуляторов автомашин на топливных элементах (фактически - гибридов, так как это электромобили с водородной электростанцией на борту) - инженеры предпочитают говорить во вторую-третью очередь.

Между тем, есть ещё один путь внедрения водорода на автотранспорте - сжигание его в ДВС. Такой подход исповедуют BMW и Mazda. Японские и немецкие инженеры видят в этом свои преимущества.

Прибавку в весе машины даёт лишь водородная топливная система, в то время, как в авто на топливных элементах прирост (топливные элементы, топливная система, электромоторы, преобразователи тока, мощные аккумуляторы) - существенно превышает "экономию" от удаления ДВС и его механической трансмиссии.

Потеря в полезном пространстве также меньше у машины с водородным ДВС (хотя водородный бак и в том, и другом случае съедает часть багажника). Эту потерю можно было бы вообще свести к нулю, если сделать автомобиль (с ДВС), потребляющий только водород. Но тут-то и проявляется главный козырь японских и германских "раскольников".

BMW и Mazda предлагают сохранить в автомобиле возможность ездить на бензине (по аналогии с распространёнными ныне двухтопливными машинами "бензин/газ").

Такой подход, по замыслу автостроителей, облегчит постепенный переход автотранспорта только на водородное питание. Ведь клиент сможет с чистой совестью купить подобную машину уже тогда, когда в регионе, где он живёт, появится хоть одна водородная заправка. И ему не придётся опасаться застрять поодаль от неё с пустым водородным баком.

Меж тем, серийный выпуск и массовые продажи машин на топливных элементах долгое время будут сильно сдерживаться малым числом таких заправочных станций. Да, и стоимость топливных элементов пока велика. Кроме того, перевод на водород обычных ДВС (при соответствующих настройках) не только делает их чистыми, но и повышает термический КПД и улучшает гибкость работы.

Дело в том, что водород обладает намного более широким, по сравнению с бензином, диапазоном пропорций смешивания его с воздухом, при которых ещё возможен поджиг смеси. И сгорает водород полнее, даже вблизи стенок цилиндра, где в бензиновых двигателях обычно остаётся несгоревшая рабочая смесь.

Итак, решено - "скармливаем" водород двигателю внутреннего сгорания. Физические свойства водорода существенно отличаются от таковых у бензина. Над системами питания немцам и японцам пришлось поломать голову. Но результат того стоил.

Показанные BMW и Mazda водородные автомобили сочетают привычную для владельцев обычных авто высокую динамику с нулевым выхлопом. А главное - они куда лучше приспособлены к массовому производству, чем "ультраинновационные" машины на топливных элементах.

BMW и Mazda сделали ход конём, предложив постепенный перевод автотранспорта на водород. Если построить машины, способные питаться и водородом, и бензином, говорят японские и немецкие инженеры, то водородная революция получится "бархатной". А значит - более реальной.

Автостроители двух известных фирм преодолели все трудности, связанные с такой гибридизацией. Как и для авто на топливных элементах, которым предрекают скорый рассвет, создателям машин с водородным ДВС нужно было сперва решить, каким способом хранить водород в автомобиле.

Самый перспективный вариант - металл-гидриды - ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Так достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант.

Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300-350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но низкой (253 градуса Цельсия ниже нуля) температуре. Соответственно, в первом случае нам нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором - мощнейшая теплоизоляция.

Первый вариант более опасен, но зато в таком баке водород может сохраняться долго. Во втором случае безопасность куда выше, но на неделю-другую водородный автомобиль на стоянку не поставишь. Точнее, поставишь, но водород хоть медленно, но будет нагреваться. Давление вырастет, и предохранительный клапан начнёт стравливать дорогое топливо в атмосферу.

Mazda выбрала вариант с баком высокого давления, BMW - с жидким водородом.

Немцы понимают все недостатки своей схемы, но сейчас BMW уже экспериментирует с необычной системой хранения, которую будет ставить на следующие свои водородные машины.

Пока автомобиль эксплуатируется, из окружающей атмосферы вырабатывается жидкий воздух и закачивается в промежуток между стенками водородного бака и внешней теплоизоляцией. В таком баке водород почти не нагревается, пока испаряется жидкий воздух во внешней "рубашке". С таким устройством, говорят в BMW, водород в бездействующей машине может сохраняться почти без потерь примерно 12 дней.

Следующий важный вопрос - способ подачи топлива в двигатель. Но здесь сначала нужно перейти, собственно, к автомобилям.

BMW уже несколько лет эксплуатирует целый флот из опытных водородных "семёрок". Да, баварцы перевели на водород именно флагманскую модель. Заметим, первый автомобиль на водороде BMW построила в 1979 году, но лишь в последние несколько лет фирма буквально взорвалась новыми водородными авто. В рамках программы CleanEnergy в 1999-2001 годах BMW построила несколько двухтопливных (бензин/водород) "семёрок".

Их 4,4-литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом топливе (ёмкость в последней версии авто составляет 170 литров) лимузины могут пройти 300 километров, и ещё 650 километров - на бензине (в машине оставлен стандартный бак).

Также компания создала 12-цилиндровый двухтопливный двигатель, а ещё оснастила 4-цилиндровым 1,6-литровым водородным движком экспериментальный MINI Cooper.

Сначала компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Потом экспериментировала с непосредственным впрыском газообразного водорода (под большим давлением) непосредственно в цилиндр.

А позже объявила, что, по всей видимости, впрыск жидкого водорода в область перед впускными клапанами, - самый многообещающий вариант. Но окончательный выбор не сделан и изыскания в этой области будут продолжены. У Mazda своя гордость: она приспособила под водород свои знаменитые роторные двигатели Ванкеля.

Впервые такую машину японская компания построила в 1991 году, но это был чистый концепткар от бампера до бампера.

А вот в январе 2004 года разорвалась бомба. Японцы показали водородный (а точнее - двухтопливный) вариант своего знаменитого спорткара RX-8. Его роторный мотор с собственным, кстати, именем RENESIS, завоевал титул "двигатель 2003 года", впервые в истории обставив на этом международном конкурсе классических поршневых соперников.

И вот теперь RENESIS научили "есть" водород, сохранив и бензиновое питание. При этом японцы подчёркивают преимущество двигателя Ванкеля при такой конверсии.

Перед впускными окнами в корпусе роторного мотора - масса свободного места, где в отличие от тесной головки цилиндра поршневого ДВС легко разместить форсунки. Их две на каждую из двух секций RENESIS.

В двигателе Ванкеля полости всасывания, сжатия, рабочего хода и выхлопа разделены (в то время как в обычном моторе - это один и тот же цилиндр).

Потому здесь не может произойти случайного преждевременного воспламенения водорода от "встречного огня", да и форсунки для впрыска работают всегда в благоприятной (в смысле долговечности), холодной зоне мотора. На водороде японский Ванкель развивает 110 лошадиных сил - почти вдвое меньше, чем на бензине.

Вообще-то, в расчёте на вес водород энергетически более "содержательное" топливо, чем бензин. Но таковы настройки топливных систем, выбранные инженерами Mazda.

Итак, BMW и Mazda нанесли двойной удар по стану сторонников топливных элементов. Хотя стоимость последних постоянно снижается, а технологии совершенствуются, не исключено, что именно серийные ДВС на водороде откроют новую эру на дорогах планеты.

Вот прогноз баварцев.

В последующие три года водородные заправки (хоть по одной) построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях.

До 2010 года первые двухтопливные авто появятся в магазинах. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч. В 2025 году четверть мирового автопарка будет питаться водородом. Какую пропорцию среди водородных машин составят машины с ДВС и авто на топливных элементах - деликатные немцы уточнять не стали.

Библейские чудеса

Как описано в Библии (Дан. V, 26, 28), во время пира вавилонского царя Валтасара на стене дворца появилась рука, написавшая не­понятные присутствовавшим слова: «Мене, мене, текел, упарсин». Иудейский пророк Даниил, расшифровав эти слова, предсказал гибель Валтасара, что вскоре и произошло.

Если растворить белый фосфор в дисульфиде углерода CS₂ и полученным концентрированным раствором нарисовать на мраморной стене руку, а за ней — слова, то можно наблюдать сцену, подобную пересказанной в Библии. Раствор фосфора в дису­льфиде углерода бесцветен, поэтому рисунка сначала не видно. По мере испарения CS₂ белый фосфор выделяется в виде мель­чайших частиц, которые начинают светиться и, наконец, вспыхива­ют — самовозгораются:

Р₄ + 5О₂ = Р₄О₁₀;

при сгорании фосфора рисунок и надпись исчезают; продукт го­рения — декаоксид тетрафосфора Р₄О₁₀ — переходит в парообразное состояние и с влагой воздуха дает ортофосфорную кислоту:

Р₄О₁₀ + 6Н₂О = 4Н₃РО₄,

которая наблюдается в виде небольшого облачка сизого тумана, постепенно рассеивающегося в воздухе.

Можно добавить небольшое количество белого фосфора в за­стывающий расплав воска или парафина. Если куском застывшей смеси сделать надпись на стене, то в сумерках и ночью можно ее увидеть светящейся. Воск и парафин защищают фосфор от быстрого окисления и увеличивают продолжительность его све­чения.