Новый железный век: металлическое топливо вместо углерода

Apr 25, 2023

Европейское космическое агентство (ЕКА), 4 июня 2023 г.

Ученые провели исследование дискретного горения — формы огня, при котором происходит переход от одного источника топлива к другому, с использованием железного порошка в условиях невесомости. Оставшийся продукт после сгорания представляет собой оксид железа, вещество, которое не выделяет углекислый газ и может бесконечно перерабатываться. После этих экспериментов с микрогравитацией были разработаны эффективные печи для сжигания железа, что привело к созданию кругового безуглеродного хранилища энергии. В Нидерландах действует демонстрационная установка, и несколько стартапов изучают это безуглеродное топливо для заводов и промышленных процессов. Заглядывая в будущее, это металлическое топливо также можно будет использовать для экологически чистых лунных аванпостов, потенциально используя лунные минералы и лед для производства металлических порошков для движения и воды для потребления. 1 кредит

Исследователи использовали эксперименты по микрогравитации для изучения дискретного горения железного порошка, что приводит к безуглеродному и бесконечно перерабатываемому хранению энергии. Это имеет многообещающее применение на Земле и для будущих устойчивых лунных аванпостов.

Все горит. При наличии подходящей среды любая материя может сгореть при добавлении кислорода, но поиск правильной смеси и выделение достаточного количества тепла приводит к тому, что некоторые материалы горят легче, чем другие. Исследователи, заинтересованные в получении дополнительной информации о типе пожара, называемом дискретным горением, использовали для исследования экспериментальные установки ЕКА по микрогравитации.

В серии параболических полетов и на зондирующих ракетах, запущенных из Швеции, группа профессора Джеффри Бергторсона из Университета Макгилла в Канаде и Технологического университета Эйндховена в Нидерландах исследовала горение железного порошка в невесомости. Их исследования были чистой физикой: ученые хотели узнать больше о дискретном горении, при котором пламя не сжигает топливо непрерывно, а перескакивает с одного источника топлива на другой. Этот вид огня вряд ли встречается в природе на Земле, но примером может служить лесной пожар, когда одно дерево сгорает полностью, а огонь перескакивает на следующее дерево, когда температура повышается достаточно для возгорания.

Это гипнотическое видео дискретного горения было записано во время эксперимента по параболическому полету на борту самолета Falcon-20 Канадского национального исследовательского центра, который предлагает исследователям до восемнадцати секунд драгоценной невесомости. Кредит: команда Perwaves

Сжигание железной пыли в экспериментах на самолетах с нулевой гравитацией и полетах ракет позволило частицам железа плавать и незаметно воспламеняться. Высокоскоростные камеры запечатлели это зрелище и позволили исследователям лучше понять это явление, в результате чего были созданы компьютерные модели, показавшие идеальные условия для сжигания топлива на Земле.

Знаете ли вы, что железо может гореть? Видимое здесь горение железного порошка происходит совершенно бездымно и без углерода. Авторы и права: TU/e ​​/ Solid / Барт ван Овербик

Благодаря новому пониманию, ставшему возможным благодаря исследованиям микрогравитации, стало возможным строить эффективные и практичные печи для сжигания железа.

Преимущество сжигания железа связано с химией. По сути, сжигание топлива — это процесс преобразования материала путем добавления атомов кислорода. Вот почему топливо на основе углерода производит углекислый газ, вызывающий парниковый эффект, когда два атома кислорода добавляются к топливу на основе углерода, такому как древесина, уголь или нефть. Остаток железа после сгорания представляет собой оксид железа, более известный как ржавчина. Углекислый газ не выделяется, а ржавое железо можно легко собрать, поскольку оно не образует газа — при горении железа вообще не выделяются вредные газы.

Железную ржавчину можно даже переработать, чтобы удалить кислород и вернуть его в виде железа с использованием водорода. Используя электричество из устойчивых источников, железо в качестве топлива может стать циркулярным, бесконечно перерабатываемым хранилищем энергии.

Демонстрационная установка уже работает в Буделе, недалеко от Эйндховена, Нидерланды. В качестве источника топлива используется железо. Этот генератор может производить 1 МВт пара в установке, стоящей на складе. Увеличение масштаба такой железной электростанции могло бы производить гораздо больше энергии.