За много лет до того, как Дэвид Хассельхофф демонстрировал свою форму в сериале «Спасатели Малибу», он управлял Pontiac Trans Am в сериале «Полиция Майами: Отдел нравов». Сериал вращался вокруг Майкла Найта и его автомобиля с искусственным интеллектом, KITT. Этот автомобиль был мечтой любого подростка, получившего водительские права. Он разгонялся до 300 миль в час. У него был голос, звучавший как голос мудрого деда. Это была идеальная машина мечты.
Но тут есть подвох. KITT не работал на бензине. В сценарии ему был дан двигатель на водородном топливе. Это позволяло Найту преследовать злодеев по экрану, не беспокоясь о выбросах.
Перенесемся на несколько лет вперед. Сериал закрылся. Рейтинг рухнул. Но идея водорода не исчезла. Политики начали говорить о нем как о волшебной пуле. Они говорили, что он заменит уголь и нефть. Они говорили, что он решит наш энергетический кризис. В 2003 году Джордж У. Буш выделил $1,2 миллиарда на решение этой проблемы. Он хотел, чтобы водород стал стандартным топливом для американцев.
На бумаге это имеет смысл. Водород питает солнце. Это самый распространенный элемент во вселенной. Мы можем производить его из воды. Он сгорает чисто. Никакого смога. Никаких парниковых газов.
Так почему же он не захватил рынок?
Подумайте о ржавчине. Ржавчина разрушает металл. Водород делает то же самое. Он делает металл хрупким. Он снижает структурную прочность. Он разъедает кузов автомобиля, как термиты в дереве. Если вы хотите, чтобы автомобиль не разваливался, водород — это головная боль.
Проблема с водородными топливными элементами
Основная проблема технологии водородных топливных элементов заключается в долговечности. Традиционные двигатели внутреннего сгорания прочны. Они хорошо справляются с теплом и давлением. Водородные топливные элементы работают по-другому. Они работают при более низких температурах, но все еще сталкиваются с проблемами материалов.
Металлические компоненты деградируют. Это не просто неудобство. Это фундаментальный инженерный барьер. Автомобили должны служить долго. Если бак корродирует, автомобиль перестает работать. Вот почему большинство производителей придерживаются батарей или традиционного бензина.
Обещание водорода было ясным. Чистая энергия. Неограниченный запас. Нулевые выбросы из выхлопной трубы. Но реальность messy. Инфраструктура отсутствует. Хранение затруднено. Материалы капризны.
Мы все еще ждем, когда технология догонит хайп. До тех пор KITT остается вымыслом. А настоящие автомобили остаются на бензине.
Невидимый враг внутри металла
Сейчас мы рассматриваем высокопрочные сплавы. Сталь. Композиты на основе никеля. То, что обеспечивает жесткость вашего шасси и предотвращает коллапс подвески. Атомам водорода нет дела до структурной целостности. Они просто проникают внутрь.
Ученые знают об этом с 1875 года. Они до сих пор не до конца понимают физику процесса. Что мы знаем наверняка: водород диффундирует. Он распространяется. Особенно при высоких температурах. Оказавшись внутри, атомы объединяются в пары. Они становятся молекулами. Они скрываются в микроскопических трещинах внутри металлической решетки.
Давление быстро нарастает.
Предел прочности падает. Затем металл ломается. Без предупреждения. Без ржавчины. Просто чистый излом.
Исследователи не могут предсказать, где это произойдет в следующий раз. Компьютерное моделирование показывает этот процесс в реальном времени. Степень серьезности зависит от типа сплава и окружающей температуры. Это тихий убийца структурных компонентов.
«Водородное охрупчивание стало бичом таких объектов, как авианосцы, линкоры, самолеты, космические корабы и ядерные реакторы.»
Ставки всегда были высоки. В 1985 году британского солдата раздавило. Английские болты 155-мм гаубиц американского производства вышли из строя. Они удерживали распределительный механизм подъема и опускания орудия. Болты лопнули под напряжением от выстрела. Водородное охрупчивание сделало их слишком хрупкими, чтобы выдерживать удары. Солдат оказался под завалами. Годом ранее лопнули болты танков M1 Abrams. Та же проблема.
Это касается не только военной техники. Автопром обеспокоен этим. В особенности сегмент автомобилей на водородном топливе.
Топливные элементы и проблема коррозии
Водородные автомобили используют топливные элементы. Химия проста. Водород встречается с кислородом. Вы получаете тепло. Вы получаете электричество. Единственный выхлоп — водяной пар. Чисто. Эффективно.
Но инфраструктура имеет недостаток. Металлические компоненты уязвимы.
Проникновение начинается на заводе. Хромирование. Сварка. Фрезерование. Штамповка. Все эти процессы вводят водород в металлическую матрицу. На этом дело не заканчивается. Езда на автомобиле дополнительно насыщает металл. Водород просачивается в топливные баки. Он разъедает шарикоподшипники. Он разрушает стеки топливных элементов.
Детали выходят из строя без предупреждения.
Вы думаете о трещине в топливном трубопроводе, когда едете со скоростью 70 миль в час по межштатной магистрали. Или о выходе из строя рычага подвески. Стоимость ремонта астрономическая. А риск смертелен.
Пока не стоит отказываться от концепции водородного автомобиля. Исследователи в Германии отслеживают движение атомов. Они картируют маршруты. Цель — создание материалов, устойчивых к охрупчиванию. Новые сплавы, отталкивающие водород.
Ученые также экспериментируют с термическими решениями. Постоянно нагревая захваченные атомы. Поддерживая их в движении, чтобы они не оседали и не создавали зоны высокого давления.
Лучшее понимание приводит к лучшему инжинирингу. Бортовые топливные баки, которые не деградируют. Компоненты, которые служат долго.
Мы близки к решению этой головоломки. Наука о материалах догоняет амбиции.
Будущее автомобилестроения будет основано на газе?
Почему мы постоянно возвращаемся к водороду? Это плотная энергия. Легкий вес. Отсутствие выбросов углерода в выхлопную трубу. Но хранение затруднено. Баки тяжелые. Металл постоянно выходит из строя.
Прорыв будет не в двигателе. Он будет в металлургии.
Если мы сможем остановить диффузию, мы сможем безопасно использовать водород под высоким давлением. Мы сможем строить более легкие автомобили. Автомобили, которые проезжают дальше на одной заправке. Не нужны зарядные станции. Только заправочный насос.
Наука движется быстро. Моделирования становятся точнее. Испытания материалов становятся более точными.
Мы увидим водородные автомобили. Они не будут выглядеть как сегодняшние прототипы. Они будут выглядеть как обычные автомобили. Но под капотом баки и трубопроводы будут другими. Усиленные. Устойчивые.
До тех пор мы следим за болтами. Мы следим за баками. Мы ждем, пока металл пойдет навстречу.
