Солнечное топливо — перспективное направление в области возобновляемых источников энергии. Так называют синтетическое горючее, произведенное с использованием солнечной энергии посредством химических, биологических, электрохимических или термохимических методов. Солнечное излучение при этом является основным источником энергии для протекания химических реакций. Солнечное топливо считается весьма перспективным для использования в авиации, а также в перспективе поможет человечеству покорить другие планеты.
«Солнечный» водород
Мир сталкивается с экологическими и геополитическими проблемами из-за сокращающихся запасов ископаемого топлива. Фотоэлектрические установки могут производить электричество из солнечного света, но хранить его про запас — не простая задача. Кроме того, если солнечного света недостаточно, то и солнечные панели не работают. Экологически чистое водородное топливо — более подходящая история для долгосрочного хранения и последующего получения энергии. Такое топливо можно производить при наличии солнечного света, а затем хранить и транспортировать для последующего использования, что делает его удобным в условиях
Наиболее изученным солнечным топливом является водород, при сжигании которого в двигателях образуется только воду. Также ученые исследуют использование в качестве горючего продуктов фотохимического восстановления углекислого газа, таких как метан и пропан. По сути здесь речь идет о получении углеводородного топлива не из ископаемых источников. В будущем планируется изучение аммиака и родственных ему веществ, которые могут решить проблемы хранения водорода, так как они обладают более высокой плотностью энергией и пожаробезопасны. Также как перспективные рассматриваются топливные элементы, непосредственно использующие аммиак, а не водород.
Солнечное топливо можно получать прямыми и косвенными методами. Прямые методы используют солнечную энергию для производства топлива без промежуточных преобразований. Солнечная термохимия использует тепло солнца для нагрева реактора, где происходит термохимический процесс. Косвенные методы сначала преобразуют солнечную энергию в другую форму (например, в биомассу или электричество), которая затем используется для производства топлива. Хотя косвенные методы проще в реализации, они менее эффективны, чем прямые. Поэтому новые исследования сосредоточены на прямом преобразовании.
Концентрируй это
Солнечное топливо производят, используя термохимические процессы, которые приводятся в действие прямым теплом солнца. В таком процессе солнечная энергия используется для нагрева, необходимого для протекания термохимических реакций. Чтобы получить необходимую температуру, солнечный свет отражается от тысяч зеркал на гелиополе, окружающем башенный приемник, и фокусируется на солнечный реактор. В ходе протекающего в реакторе процесса создаются новые соединения, такие как «зеленый» водород или устойчивое авиационное топливо. Бензин, дизельное топливо и авиационный керосин, по сути, состоят из атомов водорода и углерода, однако их количество в молекулах разное. Поэтому сырье для производства углеводородного топлива можно найти в любых веществах, содержащих водород и углерод, например в воде и углекислом газе.
Национальные исследовательские лаборатории по всему миру активно развивают технологии солнечного топлива с использованием термохимии. Разрабатываются и тестируются различные конструкции солнечных реакторов, теплоносителей и тепловых аккумуляторов, способных выдерживать температуры от 700 до 1500 градусов.
Полученное солнечное топливо является устойчивой и возобновляемой альтернативой традиционным термохимическим процессам на основе полезных ископаемых. Таковым оно было официально признано на экологической конференции COP26, на которой европейский проект по его разработке отметили как один из лучших в мире в области защиты окружающей среды. Термохимическое солнечное топливо имеет преимущества перед, например, биотопливом, так как требует меньше земли для размещения солнечных полей гелиостатов, и перед фотоэлектрохимическим способом получения (о нем поговорим ниже), так как более эффективно, поскольку тепло вырабатывается непосредственно из солнечной энергии.
Производство водорода, аммиака и авиационного топлива с использованием солнечной термохимии является одним из самых перспективных направлений исследований. первыми коммерческими применениями в авиационном топливе, соответствующем авиационным стандартам.
Гидрогель или цианобактерии?
Фотоэлектрохимический способ производства солнечного топлива предполагает использование света для инициирования химических реакций, которые преобразуют воду и углекислый газ в водород или метан. Принцип работы основан на имитации естественного процесса фотосинтеза, который происходит в растениях и некоторых микроорганизмах, превращающих солнечный свет в химическую энергию. В фотоэлектрохимических системах используются специальные полупроводниковые материалы или сенсибилизированные красители, которые поглощают свет и испускают электроны, необходимые для запуска реакций электролиза воды. Эти процессы могут быть усовершенствованы с помощью различных катализаторов, которые ускоряют реакции и повышают их эффективность. Фотохимические методы также используют солнечный свет для инициирования химических реакций, но, в отличие от фотоэлектрохимических технологий, не требуют использования полупроводниковых материалов. Вместо них применяют молекулярные катализаторы.
Так, ученые из Японского передового института науки и технологий и Токийского университета разработали новый тип гидрогеля, который может производить водородное топливо. Гидрогель содержит комплексы рутения и наночастицы платины, которые обеспечивают необходимую внутреннюю структуру для эффективного преобразования энергии. Одной из ключевых особенностей этого открытия является точная организация молекул внутри полимерной сети гидрогеля, что позволяет избежать проблемы слипания молекул, которая снижала эффективность производства водорода в более ранних исследованиях.
Некоторые виды микроскопических зеленых водорослей и цианобактерий способны выделять молекулярный водород в фотосинтетических реакциях. В ходе этого процесса —биофотолиза воды — вода расщепляется на ионы водорода и электроны при помощи солнечного света. Такие процессы могут быть использованы для масштабного производства водорода уже сегодня, особенно с учетом разработки специализированных биореакторов для этой цели.
Новое топливо для авиации и космоса
У технологии солнечного топлива большой потенциал для интеграции в аэрокосмическую индустрию. Она дает новые возможности для долгосрочных космических миссий и постоянных поселений в космосе. Солнечное топливо может обеспечить надежный и устойчивый источник энергии для космических аппаратов и баз, уменьшая зависимость от земных ресурсов и способствуя дальнейшему освоению космоса. Так что развитие и совершенствование технологий производства солнечного топлива открывает новые горизонты не только для земной авиации, но и для будущего человечества в космосе.