"Прорив у енергетиці: Водень з морської води та сонячного світла за допомогою галію"
Прорив у енергетиці: Водень з морської води та сонячного світла завдяки галію
Ідея перетворення океанської води та сонячного світла на енергію може здаватися науковою фантастикою, але команда вчених з Австралії успішно продемонструвала її реальність у лабораторних умовах.
Дослідники використали галій – сріблястий метал, який плавиться при температурі, трохи вищій за кімнатну. Завдяки галію, сонячному світлу та морській воді їм вдалося виробити водень. Цей значний прорив був описаний у журналі Nature Communications та висвітлений виданням Econews.
Водень: Паливо майбутнього та виклики його виробництва
Водень часто називають паливом майбутнього завдяки його здатності накопичувати відновлювану енергію та екологічності: при згорянні він утворює лише воду. Проте сьогодні більшість "зеленого" водню виробляється шляхом розщеплення очищеної води за допомогою електроенергії, отриманої від сонячних або вітрових установок. Цей процес є енергоємним і вимагає значних обсягів високоякісної води, яка є дефіцитною у багатьох регіонах світу.
Інноваційний підхід Сіднейського університету
Замість використання великих електролізних установок та окремих опріснювальних станцій, вчені із Сіднейського університету застосували інший підхід. Вони використовують сонячне світло, яке безпосередньо нагріває та активує краплі рідкого галію у звичайній воді.
Як працює галій: Механізм виробництва водню
Галій, будучи сріблястим металом, плавиться при температурі, що трохи перевищує кімнатну, утворюючи у воді маленькі рідкі краплі. Під дією світла ці краплі нагріваються, і їхня поверхня починає активно реагувати з навколишньою водою. Ця реакція розщеплює молекули води, вивільняючи газоподібний водень.
Одночасно галій на поверхні перетворюється на сполуку під назвою оксигідроксид галію, яка покриває кожну краплю. У попередніх експериментах з рідкими металами оксидні плівки часто гальмували реакції, діючи як бар'єр. Проте в новій системі світло не лише нагріває краплі, але й порушує цю тонку плівку, забезпечуючи постійний контакт свіжої рідкої поверхні металу з водою. Це дозволяє реакції залишатися швидкою та ефективною.
Провідний автор дослідження, Луїс Кампос, підкреслює, що команда знайшла "спосіб отримання сталого водню з морської води, яка є легкодоступною, при цьому використовуючи лише світло для виробництва зеленого водню".
Метал можна використовувати повторно
Після виділення водню, оксигідроксид галію не втрачається. Дослідники продемонстрували, що його можна електрохімічно перетворити назад у рідкий галій, готовий до повторного використання в новому циклі. Така замкнена схема значно зменшує кількість хімічних відходів і теоретично дозволяє масштабувати процес без постійної закупівлі нового металу.
Під час випробувань за контрольованого освітлення, система досягла максимальної ефективності 12,9%. Старший дослідник Курош Калантар-Заде назвав цей результат "дуже конкурентним" для першого прототипу. Для порівняння, дослідження 2023 року повідомляло про ефективність 9,2% перетворення сонячної енергії у водень для іншої фотокаталітичної системи, яка вимагала чистої води та концентрованого сонячного світла.
Ці результати свідчать, що прості системи, які працюють на світлі, починають досягати рівня продуктивності, що може зацікавити енергетичні компанії.
Винахід знижує витрати та відкриває нові можливості
Сучасні проєкти з виробництва "зеленого" водню значною мірою залежать від великих електролізних установок, що споживають багато електроенергії та потребують дуже чистої води. Розташовуючи такі установки на узбережжі, воду часто доводиться додатково очищувати. Ця схема є прийнятною для багатих регіонів, але її важче виправдати у посушливих районах, де прісна вода є цінним ресурсом, що конкурує з потребами питного водопостачання та сільського господарства.
Можливість отримувати водень безпосередньо з морської води за допомогою сонячного світла та металу, який можна повторно використовувати, потенційно знижує витрати. Це відкриває шлях для більшої кількості країн до участі у глобальному ринку водню.
На практиці, "зелений" водень, вироблений таким способом, у майбутньому може допомогти живити енергоємну промисловість, вантажівки для далеких перевезень або навіть забезпечувати електроенергією домівки без збільшення викидів вуглецю чи значних рахунків за електрику.
Експерти також зазначають, що водень складно зберігати і транспортувати. Тому дешевше виробництво в портах або сонячних прибережних хабах могло б зменшити навантаження на енергетичні мережі у віддалених регіонах. Поки що такі сценарії залишаються перспективою майбутнього, але подібні лабораторні результати показують, якою на практиці може бути низьковуглецева енергетична система.
Плани дослідників на майбутнє
Наразі прототип працює у контрольованих лабораторних умовах. Співкерівник проєкту Франсуа Алліу повідомив, що команда активно працює над розробкою реактора проміжного масштабу. Це дозволить перевірити, як ця хімічна система поводитиметься у більш реалістичних умовах.
Серед майбутніх завдань також дослідження стабільності циклів галію протягом тривалого часу та впливу мінералів або організмів з реальної морської води на роботу системи.
Ще одним відкритим питанням залишається економічна доцільність. Галій менш поширений, ніж багато промислових металів. Тому будь-який реальний проєкт вимагатиме ретельного аналізу вартості та постачання, а також значної фінансової підтримки.
Якщо ці розрахунки виявляться позитивними, такий підхід може значно зміцнити амбіції Австралії стати одним із найбільших експортерів "зеленого" водню у найближчі десятиліття.
