Le mélange hydrogène-oxygène, comme le plus volumineux en énergie, a été proposé pour être utilisé dans les moteurs par K. E. Tsiolkovsky en 1903. L'hydrogène est déjà utilisé comme carburant: pour les voitures (de un an et demi à Toyota Mirai), les avions à réaction (de Heinkel à Tu-155), les torpilles (de GT 1200A à Shkval), les fusées (de Saturne à Burana ). De nouveaux aspects sont ouverts par la production d'hydrogène métallique et l'application pratique du réacteur Rossi. Dans un proche avenir, le développement de technologies pour obtenir de l'hydrogène bon marché à partir du sulfure d'hydrogène de la mer Noire et directement à partir des sources de dégazage de la Terre. Malgré l'opposition du lobby pétrolier, nous entrons inexorablement dans l'ère de l'hydrogène!
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Les avantages et les inconvénients du carburant hydrogène
L'hydrogène a un certain nombre de caractéristiques:
- Le transfert de chaleur de l'hydrogène est supérieur de 250% à celui d'un mélange air-carburant.
- Après combustion du mélange d'hydrogène, seule la vapeur est générée à la sortie.
- La réaction d'allumage est plus rapide qu'avec d'autres carburants.
- Grâce à la stabilité à la détonation, il est possible d'augmenter le taux de compression.
- Le stockage de ce carburant a lieu sous forme liquide ou comprimée. En cas de panne du réservoir, l'hydrogène se vaporise.
- Le niveau inférieur de la proportion de gaz à réagir avec l'oxygène est de 4%. Grâce à cette fonctionnalité, il est possible d'ajuster les modes de fonctionnement du moteur en dosant la consistance.
- L'efficacité d'un moteur à hydrogène atteint 90%. À titre de comparaison, un moteur diesel a un rendement de 50% et un moteur à combustion interne classique - 35%.
- L'hydrogène est un gaz volatil, il pénètre donc dans les plus petites interstices et cavités. Pour cette raison, peu de métaux sont capables de résister à ses effets destructeurs.
- Il y a moins de bruit lorsque le moteur tourne.
Le premier moteur à hydrogène a commencé à fonctionner en URSS en 1941
Vous serez surpris, mais le premier moteur d'un «camion» ordinaire a commencé à fonctionner à l'hydrogène dans Leningrad assiégée en septembre 1941! Le jeune lieutenant-technicien Boris Shchelishch, chargé de lever le ballon de barrage, a reçu l'ordre de monter les treuils en l'absence d'essence et d'électricité. Puisque les ballons étaient remplis d'hydrogène, il a eu l'idée de l'utiliser comme carburant.
Vidéo promotionelle:
Au cours d'expériences dangereuses, deux ballons ont brûlé, un réservoir d'essence a explosé et Boris Isaakovich lui-même a reçu un choc d'obus. Après cela, pour le fonctionnement en toute sécurité du mélange «explosif» air-hydrogène, il a inventé un joint d'étanchéité spécial, qui excluait l'allumage en cas d'éclair dans le tuyau d'admission du moteur. Lorsque tout a finalement fonctionné, les chefs militaires sont arrivés, se sont assurés que le système fonctionnait correctement et ont ordonné de transférer tous les treuils aérostatiques vers un nouveau type de carburant en 10 jours. Compte tenu des ressources et du temps limités, Shchelishch a intelligemment utilisé des extincteurs hors service pour fabriquer un joint hydraulique. Et le problème de la levée des ballons de barrage a été résolu avec succès!
Boris Isaakovich a reçu l'Ordre de «l'étoile rouge» et a été envoyé à Moscou, son expérience a été utilisée dans les unités de défense aérienne de la capitale - 300 moteurs ont été transférés à «l'hydrogène sale», le certificat d'inventeur n ° 64209 a été délivré. Ainsi, la priorité de l'URSS dans le développement du secteur énergétique du futur était assurée. En 1942, une voiture inhabituelle est présentée lors d'une exposition de matériel adapté aux conditions du blocus. En même temps, son moteur fonctionnait 200 heures sans s'arrêter dans un espace clos. Les gaz d'échappement - la vapeur ordinaire - ne polluaient pas l'air.
En 1979, sous la direction scientifique de E. V. Shatrov. l'équipe créative de travailleurs NAMI, composée de V. M. Kuznetsov Ramenskiy A. Yu., Kozlova Yu. A. un prototype du minibus de la RAF, fonctionnant à l'hydrogène et à l'essence, a été développé et testé.
Essais RAF 22031 (1979).
Véhicules sous-marins au peroxyde d'hydrogène
En 1938-1942, aux chantiers navals de Kiel, sous la direction de l'ingénieur Walter, un bateau expérimental U-80 a été construit qui fonctionnait au peroxyde d'hydrogène. Lors des tests, le navire a montré une vitesse sous-marine complète de 28,1 nœuds. La vapeur d'eau et d'oxygène obtenue à la suite de la décomposition du peroxyde a été utilisée comme fluide de travail dans la turbine, après quoi ils ont été évacués par-dessus bord.
La figure montre classiquement le dispositif d'un sous-marin avec un moteur au peroxyde d'hydrogène.
Au total, les Allemands ont réussi à construire 11 bateaux de l'Université technique d'État de Perm.
Après la défaite de l'Allemagne hitlérienne en Angleterre, aux États-Unis, en Suède et en URSS, des travaux ont été menés pour mettre en pratique le plan de Walter. Un sous-marin soviétique (projet 617) équipé d'un moteur Walter a été construit au bureau d'études d'Antipin.
Le fameux VA-111 UNDERWATER TORPEDA ROCKET "SHKVAL".oui.
Dans l'intervalle, les progrès de l'énergie nucléaire ont permis de mieux résoudre le problème des moteurs sous-marins puissants. Et ces idées ont été appliquées avec succès dans les moteurs torpilleurs. Walter HWK 573. (moteur sous-marin du premier missile air-sol antinavire guidé GT 1200A à percuter un navire sous la ligne de flottaison). La torpille volante (UAB) GT 1200A avait une vitesse sous-marine de 230 km / h, étant le prototype de la torpille à grande vitesse de l'URSS "Shkval". La torpille DBT est entrée en service en décembre 1957, a fonctionné au peroxyde d'hydrogène et a développé une vitesse de 45 nœuds avec une autonomie allant jusqu'à 18 km.
Le générateur de gaz crée une bulle d'air autour du corps de l'objet (bulle vapeur-gaz) à travers la tête de cavitation et, en raison de la baisse de la résistance hydrodynamique (résistance à l'eau) et de l'utilisation de moteurs à réaction, la vitesse de mouvement sous-marine requise (100 m / s) est atteinte, qui est plusieurs fois supérieure à la vitesse de la torpille conventionnelle la plus rapide. Pour le travail, un carburant hydroréactif est utilisé (les métaux alcalins, lorsqu'ils interagissent avec l'eau, libèrent de l'hydrogène).
Le Tu-155 sur l'hydrogène a établi 14 records du monde
Pendant la Seconde Guerre mondiale, la société "Heinkel" a créé toute une gamme d'avions à réaction sous le moteur Walter Walter HWK-109-509 d'une poussée de 2000 kgf, travaillant au peroxyde d'hydrogène.
La Russie a eu beaucoup de succès, mais, malheureusement, n'est pas devenue une expérience sérielle de création d'avions «écologiques» déjà à la fin des années 80 du siècle dernier. Le monde a été présenté avec le Tu-155 (modèle expérimental Tu-154), qui fonctionne à l'hydrogène liquéfié, puis au gaz naturel liquéfié. Le 15 avril 1988, l'avion a d'abord été emmené dans le ciel. Il a établi 14 records du monde et effectué une centaine de vols. Cependant, le projet est ensuite passé «sur les étagères».
À la fin des années 1990, sur ordre de Gazprom, le Tu-156 a été construit avec des moteurs à gaz liquéfié et du kérosène d'aviation traditionnel. Cet avion a subi le même sort que le Tu-155. Pouvez-vous imaginer à quel point il est même difficile pour Gazprom de lutter contre le lobby pétrolier!
Voitures à hydrogène
Les voitures à hydrogène sont divisées en plusieurs groupes:
- Véhicules propulsés par de l'hydrogène pur ou des mélanges air / carburant. La particularité de ces moteurs est un échappement propre et une augmentation de l'efficacité jusqu'à 90%.
- Voitures hybrides. Ils ont un moteur économique capable de fonctionner à l'hydrogène pur ou à un mélange d'essence. Ces véhicules sont conformes à la norme Euro-4.
- Voitures équipées d'un moteur électrique intégré qui alimente la cellule à hydrogène à bord du véhicule.
La principale caractéristique des véhicules à hydrogène est la façon dont le carburant est introduit dans la chambre de combustion et enflammé.
Les modèles suivants de véhicules à hydrogène sont déjà produits en série:
- Ford Focus FCV;
- Mazda RX-8 hydrogène;
- Mercedes-Benz Classe A;
- Honda FCX;
- Toyota Mirai;
- Bus MAN Lion City et bus Ford E-450;
- véhicule hybride bicarburant BMW Hydrogen 7.
Voiture à hydrogène de série Toyota * Mirai *.
Cette voiture peut accélérer à 179 km / h, la voiture accélère à 100 km / h en 9,6 secondes et, surtout, elle est capable de parcourir 482 km sans ravitaillement supplémentaire.
Le groupe BMW a présenté sa version de la voiture Hydrogen. Le nouveau modèle a été testé par des personnalités culturelles bien connues, des hommes d'affaires, des politiciens et d'autres personnalités populaires. Des tests ont montré que le passage à un nouveau carburant n'affecte pas le confort, la sécurité et la dynamique du véhicule. Si nécessaire, les types de carburant peuvent être commutés de l'un à l'autre. Vitesse hydrogène7 - jusqu'à 229 km / h.
Honda Clarity est une voiture du groupe Honda qui surprend par sa réserve de marche. Il fait 589 km de long, ce qu'aucun autre véhicule à faibles émissions ne peut se vanter. Le ravitaillement prend de trois à cinq minutes.
La Home Energy Station III est une unité compacte qui comprend des piles à combustible, une bouteille de stockage d'hydrogène et un reformeur de gaz naturel qui extrait le H2 d'un tuyau de gaz.
Le méthane du réseau domestique est converti par cet appareil en hydrogène. Et lui - en électricité pour la maison. La puissance des piles à combustible de la station d'énergie domestique est de 5 kilowatts. De plus, les bouteilles de gaz intégrées servent en quelque sorte de stockage d'énergie. L'usine utilise cet hydrogène aux pics de charge sur le réseau domestique. Génère 5 kW d'électricité et jusqu'à 2 m3 d'hydrogène par heure.
Les inconvénients des véhicules à hydrogène comprennent:
- l'encombrement de la centrale lors de l'utilisation de piles à combustible, ce qui réduit la maniabilité du véhicule;
- tandis que le coût élevé des éléments hydrogène eux-mêmes en raison de leur constituant palladium ou platine;
- imperfection de conception et incertitude dans le matériau pour la fabrication de réservoirs de carburant qui ne permettent pas le stockage d'hydrogène pendant une longue période;
- le manque de ravitaillement en hydrogène, dont l'infrastructure est très peu développée dans le monde.
Avec la production en série, la plupart de ces lacunes de conception et technologiques seront surmontées, et avec le développement de la production d'hydrogène en tant que minéral et d'un réseau de stations-service, son coût diminuera considérablement.
En 2016, le premier train alimenté à l'hydrogène est apparu, une idée originale de la société allemande Alstom. Le nouveau Coranda iLint devrait démarrer sur la route de Buxtehude à Cuxhaven, en Basse-Saxe.
À l'avenir, il est prévu de remplacer 4000 trains diesel en Allemagne par de tels trains, circulant sur des tronçons de route sans électrification.
Le vélo à hydrogène original est sorti en France. (Français Pragma). Vous ne remplissez que 45 grammes d'hydrogène et c'est parti! La consommation de carburant est d'environ 1 gramme par 3 kilomètres.
L'hydrogène en astronautique
En tant que carburant dans une paire avec de l'oxygène liquide (LC), l'hydrogène liquide (LH) a été proposé en 1903 par K. E. Tsiolkovsky. Il est combustible, avec l'impulsion spécifique la plus élevée (pour tout oxydant), ce qui permet à une masse beaucoup plus grande de charge utile d'être lancée dans l'espace avec une masse de lancement égale de la fusée. Cependant, des difficultés objectives ont empêché l'utilisation de l'hydrogène carburant.
Le premier est la complexité de sa liquéfaction (la production de 1 kg de LH coûte 20 à 100 fois plus que 1 kg de kérosène).
Le second - paramètres physiques insatisfaisants - point d'ébullition extrêmement bas (-243 ° C) et très faible densité (LH est 14 fois plus léger que l'eau), ce qui affecte négativement la capacité de stockage de ce composant.
En 1959, la NASA a émis une commande majeure pour la conception de l'unité oxygène-hydrogène Centaurus. Il a été utilisé comme étages supérieurs de lanceurs tels que Atlas, Titan et la fusée lourde Saturn.
En raison de la densité extrêmement faible de l'hydrogène, les premiers (plus grands) étages des lanceurs utilisaient d'autres types de carburant (moins efficaces mais plus denses), comme le kérosène, ce qui permettait de réduire la taille à des dimensions acceptables. Un exemple d'une telle «tactique» est la fusée Saturn-5, dans le premier étage de laquelle des composants oxygène / kérosène ont été utilisés, et dans les deuxième et troisième étages - les moteurs oxygène-hydrogène J-2, avec une poussée de 92104 tonnes chacun.
A titre d'exemple, je citerai la vidéo du lancement d'Apollo 11:
A la 4ème minute de l'enregistrement, le 1er étage est séparé et l'illusion se crée que les moteurs du second étage ne fonctionnent pas, cela a donné lieu à de nombreuses rumeurs sur le vol irréaliste vers la Lune. En fait, la combustion de l'hydrogène dans la haute atmosphère est "incolore", la flamme devient perceptible lorsqu'un objet ou des morceaux de peinture la heurte.
Dans le système "Space Shuttle", le 2ème étage a également fonctionné avec un couple oxygène / hydrogène.
À l'ère du développement rapide de l'astronautique dans notre pays, les moteurs de fusée à propergol liquide à hydrogène étaient également largement utilisés.
Hydrogène métallique
Le 5 octobre 2016, de l'hydrogène métallique a été obtenu au laboratoire de physique de l'Université Harvard. Cela nécessitait une pression de 495 gigapascals. Si le problème de la stabilité et du refroidissement de la chambre de combustion (6000 K) est résolu, alors l'hydrogène métallique deviendra le carburant de fusée le plus prometteur.
Les scientifiques pensent que l'hydrogène métallique fournira une impulsion de 1000 à 1700 secondes dans les moteurs. (Dans les moteurs de fusée modernes, une impulsion de 460 secondes a été atteinte jusqu'à présent). De plus, de petits réservoirs seront nécessaires pour stocker l'hydrogène métallique, ce qui permettra de fabriquer des fusées à un étage pour lancer une charge utile dans l'espace, cela ouvrira une nouvelle ère d'exploration spatiale!
Obtenir des diamants
L'hydrogène a trouvé une autre application remarquable dans la production de diamants. L'évolution d'un fluide hydrogène-méthane à pression décroissante s'exprime par l'auto-oxydation (combustion profonde) de l'hydrogène et du méthane dans le système C-H-O avec formation de diamants, d'eau et de CO. Une confirmation éclatante de ce processus est la production bien établie de diamants de qualité gemme pesant jusqu'à 4 carats et de revêtements de film à partir du système fluide C-H-O (dont les semi-conducteurs représentent l'avenir de la microélectronique). Voir l'article Diamond Carbonado, le semi-conducteur le plus précieux du futur.
Réacteur thermique Rossi
L'inventeur italien Andrea Rossi, avec le soutien du physicien consultant scientifique Sergio Fokardi, a mené une expérience:
Combien de grammes de nickel (Ni) ont été ajoutés à un tube scellé, 10% d'hydrure de lithium et d'aluminium, un catalyseur ont été ajoutés et la capsule a été remplie d'hydrogène (H2). Après avoir été chauffé à une température d'environ 1100-1300 ° C, paradoxalement, le tube est resté chaud pendant un mois entier, et l'énergie thermique dégagée était plusieurs fois supérieure à celle dépensée en chauffage!
Lors d'un séminaire à l'Université de l'amitié des peuples de Russie (RUDN) en décembre 2014, il a été rendu compte de la répétition réussie de ce processus en Russie:
Par analogie, un tube avec du carburant est fabriqué:
Conclusions de l'expérience: la libération d'énergie est 2,58 fois supérieure à l'énergie électrique consommée.
En Union soviétique, des travaux sur le CNS ont été menés depuis 1960 dans certains bureaux d'études et instituts de recherche sur ordre de l'État, mais avec l'arrêt du financement de «restructuration». À ce jour, des expériences sont menées avec succès par des chercheurs indépendants - passionnés. Le financement est effectué aux frais personnels des collectifs de citoyens russes. L'un des groupes de passionnés, sous la direction de NV Samsonenko, travaille dans le bâtiment du "Corps d'ingénierie" de l'Université RUDN.
Ils ont effectué une série de tests d'étalonnage avec des radiateurs électriques et un réacteur sans combustible. Dans ce cas, comme prévu, la puissance calorifique libérée est égale à la puissance électrique fournie.
Le problème principal est le frittage de la poudre et la surchauffe locale du réacteur, en raison de laquelle la bobine de chauffage brûle et même le réacteur lui-même peut brûler de part en part.
Mais A. G. Parkhomov, a réussi à fabriquer un réacteur à long terme. Puissance de chauffage 300 W, efficacité = 300%.
La réaction de fusion 28Ni + 1H (ion) = 29Cu + Q réchauffe la Terre de l'intérieur
Le noyau interne de la Terre contient du nickel et de l'hydrogène, à une température de 5000K et une pression de 1,36 Mbar, il y a donc toutes les conditions pour la réaction de fusion à l'intérieur de la Terre, reproduite expérimentalement dans le réacteur Rossi! Grâce à cette réaction, on obtient du cuivre dont les composés se retrouvent dans les zones «fumeurs noirs» de l'expansion terrestre (dorsales médio-océaniques) dans un courant riche en hydrogène.
Hydrogène sombre
En 2016, des scientifiques des États-Unis et de Grande-Bretagne, créant une pression de 1,5 million d'atmosphères et une température de plusieurs milliers de degrés lors de la compression instantanée, ont pu obtenir le troisième état intermédiaire de l'hydrogène, dans lequel il possède simultanément les propriétés à la fois du gaz et du métal. Il est appelé «hydrogène sombre» car dans cet état il ne transmet pas de lumière visible, contrairement au rayonnement infrarouge. «L'hydrogène sombre», contrairement au métal, s'intègre parfaitement dans le modèle de la structure des planètes géantes. Il explique pourquoi leur haute atmosphère est significativement plus chaude qu'elle ne devrait l'être, transférant l'énergie du noyau, et parce qu'elle a une conductivité électrique importante, elle joue le même rôle que le noyau externe sur Terre, formant le champ magnétique de la planète!
Génération d'hydrogène depuis les profondeurs de la mer Noire
Dieu a doté la terre de Crimée non seulement de la nature la plus belle et la plus variée, mais aussi de réserves suffisantes de divers minéraux, y compris les hydrocarbures. Mais notre péninsule «baigne» littéralement dans le plus grand réservoir d'eau de gaz naturel au monde, la mer Noire.
Les couches profondes - en dessous de 150 m, sont constituées de composés contenant de l'hydrogène, dont la majeure partie est du sulfure d'hydrogène. Selon des estimations approximatives, la teneur totale en sulfure d'hydrogène de la mer Noire peut atteindre 4,6 milliards de tonnes, ce qui, à son tour, sert de source potentielle de 270 millions de tonnes d'hydrogène!
Plusieurs méthodes de décomposition du sulfure d'hydrogène pour produire de l'hydrogène et du soufre (H2S H2 + S - Q) ont été brevetées, notamment la mise en contact d'un gaz contenant du sulfure d'hydrogène à travers une couche de matériau solide capable de le décomposer avec la libération d'hydrogène et la formation de composés contenant du soufre à la surface du matériau, à une pression de 15 atmosphères et à une température de 400 ° C.
Le plus prometteur est le développement de filtres à membrane hydrophobes spéciaux qui séparent l'hydrogène des autres gaz en profondeur. Après tout, les plus petites molécules s'infiltrent facilement à travers les métaux et même dans les masses granitiques, des colonies de bactéries qui se nourrissent d'hydrogène vivent!
Rêvons … Imaginons que dans dix ans sur l'un des caps de la côte sud de la Crimée, où le fond marin tombe brusquement à des profondeurs de plus de 200 mètres, une petite station sera construite. Des manchons de tuyaux s'y étireront depuis la mer, aux extrémités desquelles se trouveront des séparateurs de sulfure d'hydrogène. Après épuration, l'hydrogène sera fourni au réseau de stations-service pour le transport automobile et à la centrale thermique de cogénération. Une ferme sera située près de l'usine, où des micro-organismes anaérobies seront cultivés dans une atmosphère d'hydrogène, dont la mitose se produit un ordre de grandeur plus rapide que leurs homologues habituels. Leur biomasse sera utilisée pour produire des aliments pour le bétail et des engrais.
Le monde entre inexorablement dans l'ère de l'hydrogène
Sergei Glazyev, académicien de l'Académie des sciences de Russie, conseiller du président de la Fédération de Russie, a souligné: «Chacun des cycles économiques de Kondratyev est caractérisé par son propre vecteur d'énergie: d'abord, le bois de chauffage (carbone organique), le charbon (carbone), puis le pétrole et le fioul (hydrocarbures lourds), puis l'essence et le kérosène (hydrocarbures moyens), maintenant gaz (hydrocarbures légers), et l'hydrogène pur devraient devenir le principal vecteur d'énergie du prochain cycle économique!"
Les applications de l'hydrogène sont vastes, multiformes, énergétiquement bénéfiques, respectueuses de l'environnement et très prometteuses. Nos enfants conduiront déjà des voitures de série alimentées à l'hydrogène, utiliseront des microprocesseurs au diamant fabriqués à partir de la technologie de l'hydrogène, l'hydrogène métallique révolutionnera l'astronautique et le développement des réacteurs de Rossi - dans l'ingénierie électrique!
La reconnaissance de la théorie de l'hydrure terrestre initialement (V. N. Larin) conduira à la découverte de gisements fossiles de H2, ce qui réduira considérablement le coût de son obtention. Et malgré la résistance des lobbyistes pétroliers "étouffant" la Terre avec des émissions nocives, nous entrons inévitablement dans l'ère de l'hydrogène!
Auteur: Igor Dabakhov