Металл как топливо


Металлическое топливо или новый тип горения

Макс Босерман

13 ноября 2019, 07:43

Уже в этом месяце будет проведен эксперимент по сжиганию твердых частиц на борту ракеты Европейского космического агентства.

Ценность горения металла в том, что он не содержит углерода, и если, например, сжигать металлический порошок, то единственным продуктом горения будет ржавчина, которую можно легко перерабатывать обратно в исходный металлический порошок.

 

Современные виды углеводородного топлива содержат большое количество энергии, выделяемой при сгорании. Однако при горении выделяется большое количество различных веществ, включая углекислый газ, рост концентрации которого в атмосфере ведет к изменению климата, а также различные соединения свинца и серы.

В ноябре из Эсрейнджа (Швеция) будет запущена ракета «Texus», которая подымется 260 км вверх и упадет обратно на Землю, получив шесть минут невесомости. Эксперимент заключается в горении металлического порошка, чтобы исследовать новый тип горения.

Горящий бенгальский огонь.  www.esa.int.

 

Дискретное горение

Так называемое дискретное горение происходит, когда топливо воспламеняется и полностью сгорает из-за тепла, создаваемого другими топливными элементами вокруг него. В отличие от традиционного горения, которое непрерывно сжигает собственное топливо, дискретное горение распространяется, перепрыгивая с одного источника топлива на другой. На Земле очень мало примеров дискретного горения, примером могут служить бенгальские огни, обычно зажигаемые в канун Нового года.

Другим примером являются лесные пожары, когда одно дерево горит самостоятельно, а следующее дерево горит только тогда, когда тепло от горящих деревьев вокруг него достигает температуры, необходимой для сгорания.

 

Металлы имеют высокую плотность энергии, но тяжело воспламеняются, если только они не находятся в состоянии порошка. Ученые хотят найти идеальную смесь кислорода и металлического порошка, а также идеальный размер металлической пыли, чтобы создать наилучшие условия для горения.

Эксперимент - это горение металлического порошка вне нашей атмосферы. Исследователи могут изучить, как горит равномерно расположенный металлический порошок в камере в невесомости. Это невозможно на Земле, так как порошок слипается в кучу из-за силы тяжести.

 

 

 

Европейские исследователи полагают, что переход на металлическое топливо позволит решить проблему выбросов углекислого газа, поскольку при горении металла образуются металлические оксиды, но не CO2.

Университет Макгилла в Монреале и европейский авиастроительный концерн Airbus занялись исследованиями в области металлического топлива. Согласно сообщению Европейского космического агентства, в рамках исследований специалисты запустят ракету, на борту которой на этапе свободного падения в специальной камере сожгут металлический порошок. Целью исследований является создание экологичного топлива, которое могло бы заменить углеводородное.

Уже в этом месяце будет проведен эксперимент по сжиганию твердых частиц на борту ракеты Европейского космического агентства. www.esa.int.

 

 

В исследовании специалисты Университета Макгилла и Airbus будут использовать металлический порошок. Его горение будет зафиксировано с помощью приборов в условиях микрогравитации, поскольку именно в этом случае частицы порошка будут распределены по камере равномерно. Затем полученные данные исследователи будут использовать для моделирования процессов горения металлических порошков. Другие подробности об исследовании пока неизвестны.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Металл как топливо? Эти канадские ученые работают над тем, чтобы это произошло.

Представьте, что однажды ваш автомобиль заправляется железным порошком, а не бензином. Это цель некоторых канадских ученых, которые надеются, что однажды металл станет более чистой и экологичной альтернативой для наших автомобилей.

Исследователи из Университета Макгилла изучали способность металла к горению более десяти лет. На прошлой неделе они запустили эксперимент в космос, чтобы лучше понять этот еще не использованный потенциал.Эксперимент был разработан, чтобы помочь ученым лучше понять, как частицы металла реагируют в невесомости.

Хотя использование металла в качестве топлива может показаться необычным, эта концепция существует уже довольно давно. Эндрю Хиггинс, один из исследователей Макгилла, говорит, что изучает его около 20 лет.

Металлическое топливо создается при измельчении металла в порошок, который затем подается в горелку. Он настолько эффективен, что на литр железного порошка вырабатывается больше энергии и тепла, чем на один литр газа.

Ключом к его экологичности является то, что он не выделяет углекислый газ. Вместо этого он выделяет оксид железа: ржавчину.

Не только это, но и оксид железа, который можно собрать с помощью вакуума, а затем повторно использовать для повторного сжигания. Это замкнутая система, сказал Хиггинс CBC News, и она намного более эффективна, чем другие альтернативные виды топлива для транспортных средств, такие как биотопливо.

Хотя концепция использования металла в качестве топлива существует уже некоторое время, применение его в качестве экологичной технологии в некоторой степени ново.

Но чтобы сделать его по-настоящему «зеленым», говорят исследователи, необходимо убедиться, что любая система, которая занимается переработкой, имеет собственный источник чистой энергии.

Исследователь McGill Джеффри Бергторсон, который не участвовал в запуске на прошлой неделе, но который изучал металлическое топливо более десяти лет, сказал, что он хотел бы мыслить масштабно: сначала корабли и поезда, а затем постепенно переходить к более мелким транспортным средствам. , люблю машины.

Я хочу возобновляемое, богатое энергией будущее, а не будущее с низким энергопотреблением. - Джеффри Бергторсон, Университет Макгилла

Бергторсон также отметил, что Канада, богатая металлами, могла бы получить большие экономические выгоды, отправляя железо для топлива в другие страны. Корабли могут работать на железе, доставляя железо в другие страны - например, в Китай, страну, которая борется с экстремальным загрязнением воздуха, что делает ее поистине замкнутой системой.

«Вся идея состоит в том, чтобы замкнуть петлю», - сказал Бергторсон. «Ключевая идея ... в том, чтобы энергия передавалась из одного места в другое, но материал просто перемещается по кругу без ущерба для окружающей среды."

Дальнейшие исследования

Хотя аккумуляторная технология является экологически чистым источником энергии, который в настоящее время используется в транспортных средствах, проблема заключается в том, что для увеличения дальности действия автомобиля или грузовика необходимо увеличить размер аккумулятора. Это не так. с металлическим топливом. И именно поэтому, по мнению обоих исследователей, металлическое топливо является топливом будущего.

Ученые считают, что металлический порошок, такой как железо, однажды может стать топливом для транспортных средств будущего (Университет Макгилла)

Использование металлов в качестве источника топлива не новость.Космический шаттл НАСА использовал около 16 процентов алюминиевого порошка в своих твердотопливных ракетных ускорителях. Однако новизна заключается в том, чтобы включить его в общее использование и сделать его более чистым: космический шаттл не смог собрать оксид алюминия, который он произвел.

Бергторсон сказал, что человечество должно использовать какое-то альтернативное мышление для альтернативных видов топлива.

«Мы должны расширить наши горизонты, наше видение того, что такое топливо и каковы его возможности. И когда мы будем выглядеть достаточно большими, я думаю, мы обнаружим, что металлы станут решением», - сказал он.«Я хочу возобновляемое, богатое энергией будущее, а не будущее с низким энергопотреблением».

К сожалению, исследователей металлического топлива не так много, сказал Бергторсон, и для развития технологии требуется больше.

Хиггинс соглашается.

«Чтобы объединить все это в настоящую технологию, нам понадобится много других людей, которые помогут нам в этом», - сказал он. «Мы надеемся, что люди будут продолжать сотрудничать с нами, чтобы продолжать развивать технологию».

Хиггинс видит будущее, в котором водители заезжают на станцию ​​для дозаправки и, в свою очередь, сбрасывают оксид железа на переработку.

И, шутит он, это почти возвращение к старым временам.

«Может быть, топливом будущего станет возвращение в железный век».

.

Могут ли металлические частицы стать чистым топливом будущего? Исследования указывают на металлические порошки как на потенциальную замену ископаемому топливу - ScienceDaily

Можете ли вы представить себе будущее, в котором ваш автомобиль будет заправляться железным порошком вместо бензина?

Металлические порошки, производимые с использованием чистых первичных источников энергии, могут обеспечить более жизнеспособную долгосрочную замену ископаемому топливу, чем другие широко обсуждаемые альтернативы, такие как водород, биотопливо или батареи, согласно исследованию, опубликованному в Dec.15 номер журнала Applied Energy .

«Технологии производства чистой электроэнергии, в первую очередь солнечной и ветровой энергии, быстро развиваются; но мы не можем использовать это электричество для многих вещей, которые сегодня используются в нефти и газе, таких как транспорт и глобальная торговля энергией. ", - отмечает профессор Университета Макгилла Джеффри Бергторсон, ведущий автор нового исследования.

«Биотопливо может быть частью решения, но не сможет удовлетворить весь спрос; водород требует больших тяжелых топливных баков и является взрывоопасным, а батареи слишком громоздки и не хранят достаточно энергии для многих применений», говорит Бергторсон, профессор машиностроения и заместитель директора Института устойчивого развития в инженерии и дизайна Троттье в McGill.«Использование металлических порошков в качестве перерабатываемого топлива для хранения чистой первичной энергии для дальнейшего использования - очень многообещающее альтернативное решение».

Новая концепция

В статье Applied Energy , написанной Бергторсоном в соавторстве с пятью другими исследователями МакГилла и ученым Европейского космического агентства в Нидерландах, излагается новая концепция использования крошечных металлических частиц, по размеру похожих на мелкую муку или сахарную пудру - для двигателей внешнего сгорания.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, используемых в автомобилях с бензиновым двигателем, двигатели внешнего сгорания используют тепло от внешнего источника для привода двигателя.Двигатели внешнего сгорания, современные версии угольных паровозов, которые стали двигателем индустриальной эры, широко используются для выработки энергии на электростанциях из ядерного топлива, угля или биомассы.

В идее сжигания металлических порошков нет ничего нового - например, они веками использовались в фейерверках. С середины 20-го века они также использовались в ракетном топливе, таком как твердотопливные ракеты-носители космических челноков. Но в последние десятилетия было проведено относительно мало исследований свойств металлического пламени, а возможность использования металлических порошков в качестве перерабатываемого топлива в широком спектре применений в значительной степени игнорировалась учеными.

После сжигания подлежит вторичной переработке

В идее, выдвинутой командой МакГилла, используется важное свойство металлических порошков: при горении они вступают в реакцию с воздухом с образованием стабильных, нетоксичных твердых оксидных продуктов, которые можно относительно легко собрать для переработки - в отличие от CO 2. выбросов от сжигания ископаемого топлива, которые попадают в атмосферу.

Используя изготовленную по индивидуальному заказу горелку, исследователи МакГилла продемонстрировали, что пламя можно стабилизировать в потоке крошечных металлических частиц, взвешенных в воздухе.Исследователи пишут, что пламя от металлических порошков «очень похоже» на пламя, возникающее при сжигании углеводородного топлива. «Согласно прогнозам, плотность энергии и мощности предлагаемых тепловых двигателей на металлическом топливе будет близка к нынешним двигателям внутреннего сгорания, работающим на ископаемом топливе, что делает их привлекательной технологией для будущего низкоуглеродного общества».

Согласно исследованию, первым кандидатом для этой цели может быть железо

. Миллионы тонн железных порошков уже производятся ежегодно для металлургической, химической и электронной промышленности.Кроме того, железо легко перерабатывается с помощью хорошо зарекомендовавших себя технологий, а некоторые новые методы позволяют избежать выбросов углекислого газа, связанных с традиционным производством железа с использованием угля.

Следующий шаг: создание прототипа

Хотя лабораторные исследования в McGill и других лабораториях показали, что использование металлического топлива в тепловых двигателях технически возможно, никто еще не продемонстрировал эту идею на практике. Таким образом, следующим шагом на пути к превращению результатов лабораторных исследований в пригодную для использования технологию будет «создание прототипа горелки и соединение ее с тепловым двигателем», - говорит Бергторсон.

«Разработка процессов переработки металлов, не связанных с выбросами CO 2 , также имеет решающее значение».

Соавтор Дэвид Джарвис, руководитель отдела стратегических и новейших технологий Европейского космического агентства, добавляет: «Мы очень заинтересованы в этой технологии, потому что она открывает двери для новых силовых установок, которые можно использовать в космосе и на Земле. отказ от ископаемых видов топлива для двигателей транспортных средств - явная тенденция на будущее. Хотя использование недорогого металлического топлива, такого как железный порошок, не было усовершенствовано и коммерциализировано сегодня, оно является достойной альтернативой бензину и дизельному топливу.Если мы сможем впервые продемонстрировать двигатель на железном топливе с почти нулевым выбросом CO 2 , мы считаем, что это приведет к еще большему количеству инноваций и снижению затрат в ближайшем будущем ».

Исследования горения металлов в McGill в течение последних 20 лет финансировались Советом по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады, Министерством национальной обороны Канады, Агентством по уменьшению угрозы обороны США, Канадским космическим агентством, Европейским космическим агентством, Martec Ltd.(Галифакс, штат Нью-Йорк) и Институт устойчивого развития в области инженерии и дизайна Троттье.

.

Исследование указывает на металлические порошки как на потенциальную замену ископаемому топливу

Стабилизированное пламя различных металлических порошков горит воздухом, по сравнению с пламенем метан-воздух. Предоставлено: Лаборатория альтернативных видов топлива / Университет Макгилла.

Можете ли вы представить себе будущее, в котором ваша машина будет заправляться железным порошком вместо бензина?

Металлические порошки, произведенные с использованием чистых первичных источников энергии, могут обеспечить более жизнеспособную долгосрочную замену ископаемым видам топлива, чем другие широко обсуждаемые альтернативы, такие как водород, биотопливо или батареи, согласно исследованию, опубликованному в Dec.15 номер журнала Applied Energy .

«Технологии производства чистой электроэнергии, в первую очередь солнечной и ветровой энергии, быстро развиваются; но мы не можем использовать это электричество для многих вещей, которые сегодня используются в нефти и газе, таких как транспорт и глобальная торговля энергией», отмечает профессор Университета Макгилла Джеффри Бергторсон, ведущий автор нового исследования.

«Биотопливо может быть частью решения, но не сможет удовлетворить весь спрос; водород требует больших тяжелых топливных баков и является взрывоопасным, а батареи слишком громоздки и не хранят достаточно энергии для многих приложений», говорит Бергторсон, профессор машиностроения и заместитель директора Института устойчивого развития в области инженерии и дизайна Троттье в McGill.«Использование металлических порошков в качестве перерабатываемого топлива для хранения чистой первичной энергии для дальнейшего использования - очень многообещающее альтернативное решение».

Новая концепция

В документе Applied Energy , написанном Бергторсоном в соавторстве с пятью другими исследователями МакГилла и ученым Европейского космического агентства в Нидерландах, излагается новая концепция использования крошечных металлических частиц - по размеру похожих на мелкую муку или сахарную пудру - для силовые двигатели внешнего сгорания.

Предлагаемый двигатель на металлическом топливе и диапазон возможных применений.Предоставлено: Лаборатория альтернативных видов топлива / Университет Макгилла.

В отличие от двигателей внутреннего сгорания, используемых в автомобилях с бензиновым двигателем, двигатели внешнего сгорания используют тепло от внешнего источника для привода двигателя. Двигатели внешнего сгорания, современные версии угольных паровозов, которые стали двигателем индустриальной эры, широко используются для выработки энергии на электростанциях из ядерного топлива, угля или биомассы.

В идее сжигания металлических порошков нет ничего нового - например, они веками использовались в фейерверках.С середины 20-го века они также использовались в ракетном топливе, таком как твердотопливные ракеты-носители космических челноков. Но в последние десятилетия было проведено относительно мало исследований свойств металлического пламени, а возможность использования металлических порошков в качестве перерабатываемого топлива в широком спектре применений в значительной степени игнорировалась учеными.

После сжигания подлежит вторичной переработке

Идея, выдвинутая командой МакГилла, использует важное свойство металлических порошков: при горении они вступают в реакцию с воздухом с образованием стабильных, нетоксичных твердых оксидных продуктов, которые можно относительно легко собрать для вторичной переработки - в отличие от выбросов CO2 от сжигания. ископаемое топливо, выбрасываемое в атмосферу.

Используя изготовленную на заказ горелку, исследователи McGill продемонстрировали, что пламя может быть стабилизировано в потоке крошечных металлических частиц, взвешенных в воздухе. Исследователи пишут, что пламя от металлических порошков «очень похоже» на пламя, возникающее при сжигании углеводородного топлива. «По прогнозам, плотность энергии и мощности предлагаемых тепловых двигателей на металлическом топливе будет близка к нынешним двигателям внутреннего сгорания, работающим на ископаемом топливе, что делает их привлекательной технологией для будущего низкоуглеродного общества.«

Согласно исследованию, первым кандидатом для этой цели может быть железо

. Миллионы тонн железных порошков уже производятся ежегодно для металлургической, химической и электронной промышленности. Кроме того, железо легко перерабатывается с помощью хорошо зарекомендовавших себя технологий, а некоторые новые методы позволяют избежать выбросов углекислого газа, связанных с традиционным производством железа с использованием угля.

Следующий шаг: создание прототипа

Хотя лабораторные исследования в McGill и других лабораториях показали, что использование металлического топлива в тепловых двигателях технически возможно, никто еще не продемонстрировал эту идею на практике.Таким образом, следующим шагом на пути к превращению результатов лабораторных исследований в пригодную для использования технологию будет «создание прототипа горелки и соединение ее с тепловым двигателем», - говорит Бергторсон.

«Разработка процессов переработки металлов, не связанных с выбросами CO2, также имеет решающее значение».

Соавтор Дэвид Джарвис, глава отдела стратегических и новейших технологий в Европейском космическом агентстве, добавляет: «Мы очень заинтересованы в этой технологии, потому что она открывает двери для новых силовых установок, которые можно использовать в космосе и на Земле.Отказ от ископаемых видов топлива для двигателей транспортных средств - явная тенденция на будущее. Хотя сегодня использование недорогого металлического топлива, такого как железный порошок, не усовершенствовано и не используется в коммерческих целях, оно является достойной альтернативой бензину и дизельному топливу. Если мы сможем впервые продемонстрировать двигатель на железном топливе с почти нулевым выбросом CO2, мы считаем, что это приведет к еще большим инновациям и снижению затрат в ближайшем будущем ».


Газификация биомассы масличной пальмы для производства чистого генераторного газа для производства тепла и электроэнергии
Дополнительная информация: Дж.M. Bergthorson et al. Прямое сжигание перерабатываемого металлического топлива для получения тепла и энергии с нулевым выбросом углерода, Applied Energy (2015). DOI: 10.1016 / j.apenergy.2015.09.037 Предоставлено Университет Макгилла

Ссылка : Исследование указывает на металлические порошки как на потенциальную замену ископаемому топливу (2015 г., 9 декабря) получено 28 Октябрь 2020 с https: // физ.org / news / 2015-12-Metal-Powders-Possil-fuels.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Дешевый гибрид превосходит редкометалльный катализатор для топливных элементов

Ученые из Университета Райса объединили квантовые точки графена, оксид графена, азот и бор в катализатор, способный заменить платину в топливных элементах за небольшую часть стоимости. Иллюстрация любезно предоставлена ​​Tour Group

(Phys.org) - Квантовые точки графена, созданные в Университете Райса, захватывают графеновые пластинки, как ракушки, прикрепляющиеся к корпусу лодки.Но эти точки улучшают свойства материнского корабля, делая их лучше, чем платиновые катализаторы для определенных реакций в топливных элементах.

Рисовая лаборатория химика Джеймса Тура в прошлом году создала точки, известные как GQD, из угля и теперь объединила эти наноразмерные точки с микроскопическими листами графена, углеродной формы толщиной в один атом, чтобы создать гибрид, который может значительно сократить стоимость производства энергии с помощью топливных элементов.

Это исследование является предметом новой статьи в журнале Американского химического общества ACS Nano .

Лаборатория обнаружила, что кипячение раствора GQD и листов оксида графена (отслоившихся от обычного графита) объединило их в самосборные наноразмерные пластинки, которые затем можно было обрабатывать азотом и бором. Гибридный материал сочетает в себе преимущества каждого компонента: множество краев, на которых происходят химические реакции, и отличную проводимость между GQD, обеспечиваемую графеновой основой.Вместе бор и азот добавляют к материалу больше каталитически активных центров, чем любой элемент по отдельности.

«GQD добавляют к системе огромное количество преимуществ, которые разрешают химический процесс восстановления кислорода, одну из двух реакций, необходимых для работы в топливном элементе», - сказал Тур. «Графен обеспечивает необходимую проводящую матрицу. Так что это превосходная гибридизация».

На изображении, полученном с помощью электронного микроскопа, видны хлопьевидные нанопластинки, состоящие из квантовых точек графена, полученные из листов угля и оксида графена, модифицированных бором и азотом.У нанопластинок достаточно края, чтобы сделать их пригодными в качестве катализаторов для таких приложений, как топливные элементы. Предоставлено Tour Group

Материал лаборатории Tour превзошел коммерческие гибриды платина / углерод, обычно встречающиеся в топливных элементах. Материал показал реакцию восстановления кислорода примерно на 15 милливольт больше при положительном начальном потенциале - начале реакции - и на 70 процентов большую плотность тока, чем катализаторы на основе платины.

Материалы, необходимые для изготовления хлопьевидных гибридов, также намного дешевле, сказал Тур.«Эффективность лучше, чем у платины с точки зрения снижения содержания кислорода, что позволяет обойти самое непосильное препятствие в производстве топливных элементов - стоимость драгоценного металла», - сказал он.


Уголь дает множество квантовых точек графена
Дополнительная информация: «Квантовые точки графена, легированные бором и азотом, / гибридные нанопластинки графена как эффективные электрокатализаторы для восстановления кислорода."Huilong Fei и др. ACS Nano , только что принятая рукопись, 24 сентября 2014 г. DOI: 10.1021 / nn504637y Предоставлено Университет Райса

Ссылка : Дешевый гибрид превосходит редкий металл в качестве катализатора для топливных элементов (2014, 1 октября) получено 28 Октябрь 2020 с https: // физ.org / news / 2014-10-cheap-hybrid-outperforms-Red-Metal.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Смотрите также