Scienty

Какую роль водород сыграл в формировании Вселенной? Почему современные исследователи уделяют особое внимание этому элементу? И как он способен повлиять на нашу жизнь? Ответы на эти вопросы дает академик Юрий Александрович Костицын, научный руководитель Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН, возглавляющий работы по направлению «Науки о Земле» и заведующий лабораторией изотопной геохронологии.

— Всем известно, что содержание водорода в атмосфере Земли крайне невелико — его доля составляет не тысячные, а десятитысячные доли процента. Основными же компонентами являются азот, кислород и другие газы. Однако сегодня водород приобретает все большее значение. В связи с чем?

— Его возрастающая значимость обусловлена не его дефицитом в окружающей среде, а потребностями современной энергетики. Необходимо отметить, что это ключевой компонент во Вселенной, в частности, в нашей Солнечной системе. После Большого взрыва, произошедшего около 13,8 млрд лет назад, были сформированы исключительно водород и гелий, а также незначительное количество лития – в пределах миллиардных долей. Впоследствии это вещество претерпело эволюцию, и все остальные элементы образовались в результате различных ядерных реакций. Этот процесс неразрывно связан со звездообразованием: наиболее легкие элементы, до железа, синтезировались в недрах звезд. В нашем Солнце водород в процессе термоядерного синтеза превращается в гелий. В более массивных звездах, после исчерпания запасов водорода, начинается горение гелия, приводящее к формированию более тяжелых элементов, вплоть до железа. Все остальные элементы и их изотопы возникают в момент коллапса звезд, в результате взрывов, сопровождающихся интенсивными потоками нейтронов.

В иных обстоятельствах формировались интенсивные потоки протонов, и за счёт этих процессов в веществе, из которого мы состоим, наряду с водородом и гелием, присутствует небольшое количество более тяжелых элементов. Однако водород остаётся главным элементом в Солнечной системе.

— Неслучайно он находится на вершине таблицы Менделеева.

— Это непредсказуемая схожесть — он занимает первое место из-за своей простоты. В его составе присутствует лишь один протон.

— Получается, он во всех смыслах первый.

— Конечно. Процессы формирования Солнечной системы и возникновения Земли происходили в условиях, близких к атмосфере водорода. Этот газ, несмотря на свою разреженность, являлся ключевым элементом того времени. Это означало, что планеты могли формироваться повторно, поскольку в атмосфере отсутствовал кислород. Современные наблюдения значительно отличаются от тех условий, которые существовали 4,5 миллиарда лет назад, когда формировалась Солнечная система.

— Нам бы тогда не удалось поговорить.

— По ряду факторов, в частности, из-за недостатка кислорода. Однако в процессе эволюции, или, согласно мнению геологов, в результате дифференциации вещества Земли, большая часть металлов оказалась сосредоточена в ядре, а мантия постепенно приобретала все более кислую среду. Считается, что происходит реакция диспропорционирования, в ходе которой часть двухвалентного железа трансформируется в металлическое железо нуль-валентное, а другая часть окисляется, переходя в трехвалентное состояние. В мантии постепенно накапливалось трехвалентное железо, а металлическое железо нуль-валентное направлялось в ядро, что способствовало его увеличению в течение всей истории развития Земли. Вследствие этого мантия становилась все более окисленной, и в атмосфере появились такие газы, как СО и CO₂. Там уже зародилась жизнь, появились растения, и начался фотосинтез, в результате чего в атмосферу был высвобожден кислород. Еще одна причина, объясняющая появление свободного кислорода в атмосфере, — потеря водорода. Земля теряет весь водород, не связанный с кислородом. Он слишком мал, H₂ — благодаря своей низкой молекулярной массе, вещество со временем улетучивалось из атмосферы Земли.

— А что значит «теряется»? Куда он девается?

— Он отправляется в космос. Марс, имеющий площадь, примерно в десять раз меньшую, чем у Земли, утратил более тяжелые газы, например кислород и углекислый газ, вследствие чего сформировалась очень разреженная атмосфера. Значительная часть его водного ресурса также исчезла. На данный момент ученые тщательно исследуют имеющиеся следы: вода, по всей видимости, сохранилась в недрах в виде льда и соединений, однако с поверхности она была утеряна. Если бы Земля обладала такими же размерами, она, вероятно, тоже лишилась бы многих полезных для нас газов, и развитие жизни пошло бы по иному сценарию. Мне кажется, что нерассеянный водород мог бы служить ценным источником энергии, возможно, даже для дыхания.

— Вероятнее всего, речь пошла бы о других организмах, а не о нас.

— Безусловно, у нас был бы другой цвет волос. Сложно предположить, каким был бы наш вид, если бы эволюция миллиарды лет назад развивалась иным образом. Однако, сейчас мы существуем именно в таком виде.

— Следует ли считать это заслугой водорода?

— Я бы не стал отмечать его роль в этом процессе. Наше существование обусловлено совокупностью факторов и процессов, которые имели место. Многие из них, возможно, воспринимаются как случайные совпадения, но тем не менее, эволюция, следуя сложным путям, привела к возникновению всего разнообразия животного и растительного мира, а также к появлению человека. Водород является ключевым компонентом многих соединений, прежде всего воды, которая жизненно необходима для нас. Но и углеводородами мы используем их на протяжении длительного времени. Активное использование углеводородов в значительной степени ухудшает качество нашей жизни, атмосферу и окружающую среду. Поэтому человечество обеспокоено сокращением углеродного следа во всех наших технологических процессах. Выбросы CO₂, не дай бог СО, повышенное содержание в атмосфере, помимо углекислого газа, и других соединений усиливает парниковый эффект. Если температура на планете возрастет, последствия для человечества будут весьма серьезными: потребуется значительная эволюция. Гораздо продуктивнее сосредоточиться на том, как мы, обладающие разумом, можем уменьшить выбросы углерода.

— Как же?

— Одним из возможных решений является применение водорода вместо углеводородов. Водород уже находит применение в энергетике, машиностроении и различных областях химической промышленности. Первый водородный двигатель был разработан швейцарским изобретателем Франсуа Исааком де Ривазом ещё в 1806 году. Он представлял собой весьма простое устройство. Изобретатель установил его на повозку, заменив лошадей, что стало первым автомобилем. Однако эта повозка была крайне неэффективна, и до появления настоящих автомобилей было ещё далеко. В настоящее время рассматривается возможность использования водорода в двигателях, хотя это и не является приоритетным направлением. Замена углеводородов, таких как газ и нефть, на водород может стать важным прорывом для человечества и способствовать решению многих экологических задач.

— Водород представляет собой газ, склонный к взрывам. Мне известно, что при попытках его применения в воздушных шарах и дирижаблях имели место аварии.

— Безусловно, но и обычный природный газ представляет опасность при ненадлежащем обращении. То же самое относится к нефти и бензину – все эти вещества воспламеняются, однако мы освоили способы их использования. Естественно, если водород станет доступен для бытового применения, потребуется разработать соответствующие навыки обращения с ним.

— Чем он лучше? Он экологичнее, как я поняла. Чем еще?

— Да, в первую очередь, он более экологичен. Одним из способов применения водорода является его подача в двигатель внутреннего сгорания вместо бензина. Однако, гораздо более эффективное использование водорода заключается не в этом, а в электрических ячейках, которые можно назвать водородными батареями. Первая такая батарея была создана еще в XIX веке. В чем заключается принцип ее работы? Электролиз воды приводит к разделению на водород и кислород. Водород поступает в ячейку, где вступает в реакцию с кислородом, высвобождая электрон, который используется в электрических цепях. При этом водород соединяется с кислородом, образуя воду. Эта ячейка, разработанная еще в XIX веке, конечно, была малоэффективной, поэтому об этой технологии надолго забыли, но в XX веке их стали применять достаточно широко. Тогда было экспериментально доказано, что из водорода возможно получение электроэнергии и образование воды в качестве побочного продукта. Интересно, как его применяли в середине XX века: водородные батареи были установлены на космических кораблях «Апполон». Они обеспечивали электроэнергию, и в качестве побочного продукта производили 3,5 литра воды в час, что было очень важно для экипажа. При этом как водород, так и кислород находились в жидком состоянии. На предыдущих этапах использовались сжатые газы, но в программе «Аполлон» впервые применили жидкий водород и кислород, что значительно упростило конструкцию.

— Сейчас это применяется на МКС?

— Что касается МКС, то это было на всех космических кораблях программы «Аполлон». По моему мнению, они продолжают применять эту систему, поскольку в космических условиях это технологически эффективный процесс. Если вы помните историю полёта «Аполлон-13», то она связана с взрывом кислорода. Один из кислородных баллонов взорвался, повреждение произошло на этапе сборки на Земле. Более точно, повреждение коснулось не самого баллона, а нагревателя.

Баллон с кислородом был сброшен с небольшой высоты, после чего незамедлительно отправили на проверку. Для проведения этой процедуры кислород выпустили из баллона. В устройстве имеется нагреватель, предназначенный для этого процесса. Кислород должен был испариться. Однако этот нагреватель был рассчитан на бортовое напряжение «Аполлона» – 28 вольт, но к нему подключили 60 вольт. В результате он перегрелся, изоляция была повреждена, и это никто не заметил. Нагреватель установили на корабль, и при подключении другой цепи произошло короткое замыкание, которое также не было замечено сразу. Перегрев нагревателя вызвал неконтролируемый рост давления в баке до предельного значения, что привело к взрыву и разрушению баллона. Помимо разрушения этого баллона, взрыв повредил и второй баллон с кислородом. Таким образом, астронавты остались без кислорода, а вместе с ним и без электроэнергии, необходимой для управления главным двигателем. Сразу же собрались инженеры и организовали мозговой штурм, чтобы найти способ спасти экипаж. В качестве резервного варианта был использован лунный модуль, который был присоединен к основному кораблю. У лунного модуля есть собственные два двигателя – посадочный и взлетный, которыми можно было управлять. Однако, если затормозить и развернуть корабль, топливо закончится, его не хватит. Тогда они нашли следующее решение: скорректировали орбиту, направили корабль к Луне по касательной. Луна гравитационно захватила корабль, после чего он развернулся с помощью Луны и вернулся на Землю. У них оставался запас топлива, чтобы войти в атмосферу под нужным углом. Это было критически важно: если бы они вошли под пологим углом, они бы просто отскочили от атмосферы, как от воды, и улетели бы в космос – пропали навсегда. Если бы угол входа был слишком крутым, они бы сгорели в атмосфере. Это уникальный случай, когда в результате аварии никто не пострадал. Конечно, они пострадали от недостатка воды, было обезвоживание – по стакану воды в день на человека. Но в итоге все закончилось благополучно.

— Водород также способен к взрыву, если бы он содержался в подобных баллонах.

— Конечно. Этот случай наглядно демонстрирует необходимость осторожного обращения с различными газами, будь то кислород, водород или любой другой. Кроме того, он подчеркивает, что космос хранит в себе множество тайн и непривычных явлений, способных привести к возникновению чрезвычайных ситуаций.

— Но вернемся к аккумуляторным батареям для транспорта.

— Заправка такой батареи водородом происходит достаточно оперативно, в отличие от многочасовой зарядки. Ключевым преимуществом является более экологичная технология. Однако существует один нюанс: на данный момент такие двигатели занимают незначительную часть общего объема потребления водорода. В настоящее время ежегодно расходуется около 100 млн тонн водорода, что сопоставимо с производством стали – это весьма значительные объемы.

— Где же его берут?

— В настоящее время основной источник водорода — природный газ, или метан. Его получают посредством паровой конверсии метана: в этом процессе метан и водяной пар нагреваются до высокой температуры, в результате чего из одной молекулы метана получается две молекулы водорода, H₂, и одна молекула СО₂. В результате этого весь углекислый газ попадает в атмосферу. Речь идет об очень большом объеме углекислого газа.

— Проблема!

— Да. Специалисты в области химии и технологии обозначают этот водород как «серый», поскольку его производство сопряжено с загрязнением окружающей среды. Усовершенствование этой технологии включает улавливание углекислого газа. Существуют подходящие мембраны, но впоследствии этот углекислый газ необходимо утилизировать – его закачивают в геологические формации, в различные газовые хранилища, в нефтяные пласты. Это делается с одной стороны для обеспечения его удержания, а с другой – для повышения эффективности добычи нефти, увеличения давления и вытеснения нефти. Этот водород также называют «голубым». Приблизительно 10% водорода производится посредством электролиза воды с использованием электроэнергии из возобновляемых источников, таких как энергия ветра и солнечные батареи. Это уже значительно более экологичные, «зеленые» технологии, но на данный момент они более затратные. Стоимость «серого» водорода зависит от цены газа, поскольку он получается из метана. Она составляет примерно от 1 тыс. до 2,5 тыс. долларов за 1 тонну чистого водорода, в то время как «зеленый» водород стоит в три раза дороже. Существует надежда на упрощение и удешевление этих технологий, и тогда, вероятно, крупные корпорации перейдут на безуглеродные процессы. Однако пока это требует значительных финансовых вложений.

— Однако в настоящий момент процесс выглядит нелогичным: мы извлекаем водород из углеводородов, а затем снова выбрасываем эти углеводороды.

— Именно. Более того, значительная доля водорода расходуется в процессе переработки нефти (тех же углеводородов) для удаления серы и при крекинге, с целью повышения качества бензина и его октанового числа. Однако необходимо учитывать, что добыча нефти, газа, а также производство углеводородов предполагает объемы в миллиарды тонн, в то время как речь идет о 100 млн. Приблизительно 1% водорода используется в сравнении с количеством нефтепродуктов и углеводородов, с которыми работают эти корпорации и из которых они получают различные виды топлива: дизельное, бензиновое и тому подобное. В настоящее время основными потребителями являются Китай, США и Индия. Наша страна, разумеется, также его использует, однако в процентном отношении ее доля незначительна.

— Все эти государства получают водород именно таким способом?

— В первую очередь, это касается таких стран, как Китай. В настоящее время производство водорода оказывает существенное негативное воздействие на экологию. В связи с этим возник вопрос о возможности извлечения водорода из подземных ресурсов.

— Мы всегда знали, что он есть в недрах?

— При проведении анализа газов и в ходе фундаментальных исследований водород всегда выявлялся. Однако до недавнего времени его не рассматривали как полезное ископаемое. Официально его признали таковым лишь в 2023 году. Ранее производственные предприятия и исследовательские институты не имели возможности официально заниматься разработкой месторождений водорода. В результате, в настоящее время у нас наблюдается небольшой опыт в этой сфере. Даже определить стоимость водорода, если удастся освоить его добычу из недр, мы пока не в состоянии.

— Возможно, удастся приблизительно определить его количество?

— Я полагаю, что это не так. Существуют весьма показательные данные. Это итог глубоких научных изысканий — вычисление объема водорода, заключенного в недрах Земли. Чтобы облегчить понимание этих сведений для политиков и широкой публики, часто используют такую аналогию: сколько океанов содержится в мантии и ядре Земли по сравнению с количеством воды на ее поверхности?

За последние восемь-десять лет значения этих показателей неоднократно увеличивались. Если в период с 2012 по 2013 год упоминалось о двух-трех единицах, то в настоящее время их количество оценивается в 17–18. Многие ученые связывают такое повышенное содержание с заметным присутствием водорода в ядре. Этот вопрос пока не имеет окончательного ответа. Мы осознаем, что наши заключения сделаны на основе анализа микроскопических включений минералов и затем распространены на обширные массы горных пород, мантии и ядра. Подобные оценки характеризуются низкой достоверностью и нуждаются в дополнительных исследованиях.

— А каким образом это можно изучить?

— В настоящее время в академии наук разрабатывается специальная программа, предусматривающая исследования в самых разных областях. В качестве первоочередной задачи рассматривается вопрос о происхождении водорода и механизмах его образования в недрах Земли, включая кору, мантию и ядро. Определяется, в каком количестве он там содержится и в какой форме находится. Предполагается, что при экстремальных давлениях и температурах, характерных для ядра и мантии, водород существует в виде протонированного вещества – протонов, интегрированных в структуру минералов. Фактически, это связанный водород, который не формирует потоков. Вопрос о том, при каких условиях он может высвобождаться и перемещаться, остается открытым.

— Но должен быть еще и свободный водород.

— Чтобы его извлекали из земной коры, он должен перейти в свободную газовую фазу или присутствовать в виде примесей в углеводородах, других газах, либо образовывать собственные скопления. Хочу уточнить: когда я упомянул о множестве океанов в недрах, я имел в виду не воду, которая где-то скапливается или образует подземные моря, озера и океаны. Речь идет о веществе, рассеянном либо в виде протонов, либо в виде ОН-группы, присутствующие в подходящих минералах, и выяснить, при каких условиях данное вещество может выделяться в виде газа, водород, предстоит дальнейшее изучение. Для этого потребуются термодинамические расчеты, а также проведение экспериментов при высоких давлениях и температурах. Наш институт намерен осуществить значительную часть этих экспериментов, так как у нас имеется необходимое оборудование и определенный опыт в области термодинамики. Несколько лабораторий ведут подобные исследования, ориентированные на другие летучие газы. Таким образом, задача выполнима, хотя для ее решения потребуются время и определенные затраты.

— Предположим, вам известно, где находится водород и в каком количестве. Какие дальнейшие шаги?

— Второй вопрос касается механизма его миграции. Перемещение газа в земной коре, где присутствуют разломы, пустоты и каналы, представляет собой одну картину, один процесс, в то время как миграция в мантии — это совершенно иные процессы. Не исключено, что водород не сможет мигрировать в мантии в виде самостоятельной газовой фазы. Вероятнее, он будет присутствовать как примесь в другом флюиде, например, водном или углекислотном. Это также требует дальнейшего изучения. Какой объем метана, способного образовываться в результате реакций углерода с водородом, там может присутствовать? Речь идет о так называемой реакции Фишера — Тропша, которая описывает этот процесс при высоких температурах с использованием определенных катализаторов. Ей также около 100 лет, она была открыта и разработана в начале XX в. К слову, в Германии во время Второй мировой войны часть нефти получали таким искусственным путем — из угля в результате реакции СО и водорода. Поэтому какая-то часть легких углеводородов может быть абиогенной. А вот нефтяные и бóльшая часть газовых месторождений — определенно биогенного происхождения. В этом у науки сомнений сейчас нет. Этой теме уделено достаточно много внимания, многое об этом уже известно, хотя исследования, как и поиски новых месторождений, продолжаются. Но нам все равно этого мало. Сейчас стоит задача понять, как ведет себя водород и в мантийных глубинах, и на более высоком уровне — в земной коре, и каким образом могут формироваться газовые залежи. То, что они формируются, уже известно. Эти сведения получены в значительной мере как побочные, случайные.

— Можете ли вы предположить, где на территории нашей страны могут располагаться подобные месторождения?

— Это задача, которую пока сложно представить в реальности. Тем не менее, уже зафиксированы определенные концентрации водорода. В Мали, в деревне Буракебугу, электроснабжение осуществляется за счет использования водорода. В 1990-х годах там проводили буровые работы с целью добычи воды. Однако, из-за трудностей с водоносом, скважины были закрыты. На одной из них произошел взрыв водорода, вызванный тем, что сотрудник поднес к открытому стволу скважины источник огня. Водород, смешавшись с воздухом, воспламенился. Это известная химическая реакция: водород, взаимодействуя с кислородом, образует взрывоопасную смесь. Скважины были закрыты и затампонированы, и оставались в таком состоянии более десяти лет. Затем кто-то предложил идею использовать имеющийся там водород. Скважину вновь вскрыли, провели измерения – содержание водорода составило 98%! И было принято решение о создании пилотной установки. К скважине провели трубопровод, подключенный к генератору. Вместо бензина или дизельного топлива в стандартный двигатель внутреннего сгорания стали подавать водород. Двигатель приводит в действие электрогенератор, обеспечивая деревню электроэнергией. Эта пилотная установка функционирует более десяти лет, но не вышла за пределы экспериментальной стадии.

— Это весьма показательный случай применения подобных скважин.

—В наших газовых месторождениях также нередко выявляются значительные примеси водорода. Однако это происходит попутно, а желаемым является целенаправленное получение. Ранее эти примеси считались нежелательными, поскольку водород в различных технологических процессах вызывает коррозию металла. Необходимо разработать способы использования водорода, чтобы он не наносил вреда. Поэтому следующим направлением нашей академической программы является изучение условий концентрации водорода. Геофизики и геологи давно освоили методы определения того, как нефть и газ скапливаются в геологических структурах, а также способы их обнаружения, разработки и эксплуатации. Теперь задача поставлена относительно водорода. Однако, в отличие от углеводородов, он демонстрирует иные свойства. Это очень подвижный и обладающий высокой проницаемостью газ из-за своего небольшого размера. Поэтому те геологические структуры, которые могут быть эффективными для нефти и даже природного газа, во многих случаях оказываются проницаемыми для водорода. Они могут кратковременно его задерживать, но в итоге оказываются для него проницаемыми, и он будет улетучиваться. Поэтому следующим этапом исследований станет изучение пород, способных служить газоупорами, и методов формирования геологических ловушек. Если вернуться к примеру Мали, там геологи уже изучали происхождение водорода. Результаты съемок показали наличие купольной структуры, в состав которой входят преимущественно известняки и песчаники. Это пористые породы, способные содержать большие объемы газа, однако внутри присутствуют также прослои магматических пород, габроидов, которые обладают низкой проницаемостью для водорода. Именно там он и накапливается, но оценить объемы запасов пока не удалось. В то же время, активные работы ведутся во многих странах: в Австралии, на юге Франции, в районе Пиренеев, в Аквитанском бассейне. Доступной информации об этом крайне мало. Когда за дело берутся корпорации, эта информация обычно засекречивается.

— А у нас начаты какие-то работы?

— Пока что нет результатов. Мы только начали понимать, что водород является полезным ископаемым. В настоящее время в правительстве состоялось несколько совещаний, даны указания министерствам и академии наук для участия в этой работе. Насколько мне известно, Министерство природных ресурсов и экологии выделило определенное финансирование, так как это их непосредственная профессиональная обязанность. В настоящее время они организуют конкурс заявок для начала этих работ. Одновременно с этим мы разрабатываем академическую программу. Нам необходимо сначала проанализировать ситуацию, понять поведение водорода, о чем я говорил ранее: где он содержится, как перемещается, где скапливается и каким образом его можно добывать. Все эти направления охватывает наша комплексная академическая программа. Ее координатором выступил академик Михаил Александрович Федонкин, сотрудник Геологического института РАН. Понятно, что это масштабная задача для наших геологических организаций. Но и наш институт играет важную роль в изучении всех этих процессов.

— Предположим, мы научились добывать водород и полностью освоили имеющиеся запасы. Каким, по вашему мнению, будет общество будущего, использующее водород? Я понимаю, что появится экологически чистый транспорт, работающий на водороде. Какие еще изменения произойдут?

— Возможно, получится найти решение для значительных выбросов CO₂ в атмосферу, однако необходимо учитывать, что численность населения Земли увеличивается экспоненциально или близко к этому. Следовательно, транспортные перевозки (авиационные, наземные, морские) также растут в объеме. Увеличивается потребление нефтепродуктов и водорода. По прогнозам, даже в текущих условиях, через пять лет потребление водорода может увеличиться вдвое. Существуют технологии, позволяющие улавливать CO₂ при этой паровой конверсии. Но это порядка 90% CO₂. Выбросы сократятся в десять раз, однако, учитывая прогнозируемый рост объемов, это может оказаться недостаточным. В случае, если в будущем появится возможность добывать водород из природных ресурсов и это позволит создать более экологичный продукт и производство, возможно, удастся добиться дальнейшего снижения выбросов CO₂.

Несмотря на перспективность водорода, существующие проблемы, в том числе экологические, вероятно, не исчезнут. Более того, могут появиться новые сложности, связанные с его извлечением из природных ресурсов, которые сейчас сложно предугадать. В случае разработки экологически чистых методов добычи водорода, наша жизнь вряд ли претерпит существенные изменения. Скорее, он станет одним из источников энергии или важным элементом в различных технологиях, подобно тому, как мы уже привыкли к солнечной и ветровой энергии. Это перестанет быть чем-то необычным, и водород постигнет та же участь.

Беседа состоялась при содействии Министерства науки и высшего образования Российской Федерации