Газ без труб: Порошковый транспорт
Эндрю Купер (Andrew Cooper) и его коллеги разрабатывают способ хранения природного газа — метана — в не совсем обычном веществе, известном под названием «сухая вода». Это смесь порошка кремниевого оксида и воды, которая и выглядит, и ведет себя, как сухой порошок. При добавлении метана он реагирует с водой, образуя кристаллический газовый гидрат, в котором отдельные молекулы газа заключены в «коробочки» молекул воды.
В будущем подобный метод позволит не только транспортировать, но и хранить запасы природного газа без сложных мер безопасности, которые требуются сегодня. Это тем более удобно, что, по оценкам специалистов, до 70% разведанных запасов газа находятся в небольших природных кавернах, подводить трубы к которым экономически невыгодно.
Гидрат метана образуется и естественным путем, в природе, когда газ смешивается с водой при высоком давлении и низкой температуры. Большие отложения этого вещества сохраняются в морских глубинах, и считается, что глобальное потепление может привести к выделению из них газа, который, попадая в атмосферу, станет новым и весьма серьезным фактором, усиливающим потепление.
Проекты по хранению и перевозке метана в форме сухого гидрата разрабатывались и ранее. Японская компания Mitsui Engineering and Shipbuilding ведет разработку «газовых сухогрузов», которые не только транспортировали бы метановый гидрат от удаленных месторождений, но и сами бы получали из него энергию.
Однако основная проблема подобных систем — то, что для образования гидрата метана требуются низкая температура и высокое давление, да и протекает этот процесс крайне медленно. Кроме того, в ходе реакции образуется слой гидрата, который изолирует реагенты друг от друга и тормозит ее, так что смесь необходимо постоянно помешивать, что тоже сказывается на стоимости порошкового продукта.
Впрочем, работая под руководством Эндрю Купера, исследователи нашли решение этой проблемы: использовать вместо обычной воды «сухую». В этом материале молекулы воды образуют крохотные отдельные частицы, общая поверхность которых очень велика, что увеличивает площадь контакта между реагентами и существенно ускоряет протекание реакции. Конечно, для этого предварительно нужно получить саму «сухую воду», смешав обычную воду с коллоидальной двуокисью кремния. Сама по себе она представляет мельчайшие гранулы, поверхность которых гидрофобна и не дает частицам воды сливаться вместе. Так и получается «сухая вода» — на вид совершенно обычный сухой порошок, но если его потереть в пальцах, они намокнут, поскольку из него выделится вода.
В своей работе Эндрю Куперу удалось показать, что «сухая вода» способна впитывать значительные количества метана с образованием молекул гидрата: в 6 граммах этого порошка может сохраниться до 1 л газа. Это соотношение уже почти достигло уровня, достаточного для экономически выгодного хранения. Вдобавок, порошок «сухой воды» получается из очень дешевых исходных материалов, что выгодно отличает его от других кандидатов на роль «химического хранилища» природного газа.
Впрочем, до реального использования подобного метода в промышленности еще далеко. И основная проблема — температура: для сохранения гидрата метана требуется поддерживать ее на уровне -70°C (при атмосферном давлении), а если мы хотим повысить эту планку, потребуется создать высокое давление.
По словам Купера, его группе удалось подобрать солевые добавки, которые при добавлении в воду позволяют существенно повысить температурную границу сохранения в ней стабильных молекул гидрата метана. К сожалению, получить из такого раствора «сухую воду» намного сложнее, и теперь ученым предстоит решить еще и эту проблему.
Существует и еще одна сложность: после нескольких последовательных циклов сохранения и высвобождения газа эффективность связывания заметно падает и смесь приходится восстанавливать. В лаборатории это делается достаточно просто — сильным перемешиванием в блендере — но в промышленных масштабах может стать новой проблемой.
Если специалистам удастся справиться со всеми этими трудностями, возможно, именно в «сухой воде» будут доставлять газ с Титана — одного из небольших спутников Сатурна, где запасов углеводородов в сотни раз больше, чем на всей нашей планете. Читайте об этом: «Нефтяной климат».
По публикации Nature