Одна из глобальных целей в сфере чистой энергетики — это эффективное производство водорода с привлечением возобновляемых источников энергии. Обычно для этого используется электролиз — разложение воды на водород и кислород с использованием электрической энергии и катализаторов. Проблема состоит в дороговизне катализаторов с использованием благородных металлов. Японцы ближе всех подошли к решению задачи, для чего использовали обычный марганец.

Источник изображения: RIKEN

В последние годы наибольшую популярность приобрёл метод электролиза с протонно-обменной мембраной (PEM). Замена электролита на PEM стабилизирует выработку водорода и ускоряет его производство. Но применение мембран обходится значительно дороже и более хлопотно, поскольку в агрессивной среде мембраны быстро теряют свои свойства. Для продления их срока службы до настоящего времени в оксид марганца добавляли иридий, что резко увеличивало стоимость выработки водорода.

Исследователи из Института RIKEN в Японии взяли обычный марганец и изменили его трёхмерную структуру, что вылилось в создание наиболее эффективного и экологически чистого PEM-электролизёра без использования редких металлов.

Новый катализатор учёные разработали на основе оксида марганца (MnO₂), изменив структуру кристаллической решётки материала таким образом, чтобы она образовывала более прочные связи с атомами кислорода. Улучшенный MnO₂ оказался гораздо более стабильным, чем другие катализаторы на основе неблагородных металлов, и смог поддерживать реакцию с водой гораздо дольше, выработав на 1000 % больше водорода.

Согласно опубликованному в журнале Nature Catalysis исследованию, MnO₂ в 40 раз увеличивает срок службы других недорогих катализаторов. Материал более устойчив к растворению в кислоте и более стабилен во время реакции. В ходе лабораторных испытаний катализатор проработал более 1000 часов при силе тока 200 мА/см², производя в 10 раз больше водорода, чем другие материалы.

Безусловно, это только начало. Предстоит ещё много работы, прежде чем новый материал можно будет использовать в промышленных электролизёрах, но исследователи считают, что их открытие сыграет решающую роль в устойчивом производстве водорода. Будущие модификации структуры марганца могут допустить ещё большее увеличение плотности тока и больший срок службы катализатора, а в долгосрочной перспективе обещают сделать возможным электролиз воды без использования иридия и других редких металлов.

Оставаясь крупнейшим автопроизводителем в мире, японская корпорация Toyota Motor продолжает настаивать, что в обозримом будущем двигатели внутреннего сгорания никто не вытеснит с рынка, а потому имеет смысл вкладывать средства в оптимизацию их конструкции и характеристик. Toyota, Subaru и Mazda продемонстрировали прототипы новых ДВС, которые способны работать на различных видах топлива и лучше приспособлены к интеграции в гибриды.

Двухлитровый ДВС, способный работать на водороде. Источник изображений: Toyota Motor

Совместная презентация трёх компаний проходила под лозунгом Multipathway Workshop, который подразумевает наличие нескольких альтернативных путей достижения углеводородной нейтральности в сфере транспорта. Японские автопроизводители дали понять, что ДВС на новом этапе своей эволюции должны быть приспособлены к работе с новыми типами топлива, включая и углеродно-нейтральные. В частности, Toyota уже давно ведёт разработки по использованию сжиженного водорода в качестве топлива для ДВС, и силовые установки нового поколения будут приспособлены к нему наряду с биотопливом. В целом, Toyota в сотрудничестве с японскими топливными и химическими компаниями разрабатывает виды топлива, которые позволяют ДВС не выбрасывать углекислый газ в качестве побочного результата эксплуатации.

Toyota демонстрировала на мероприятии два рядных четырёхцилиндровых ДВС нового поколения, объёмом 1,5 и 2,0 литра, которые получились на 10 % компактнее и легче применяемых сейчас корпорацией двигателей сопоставимого объёма. Фактически, старшая модель объёмом два литра превосходит по мощности турбированный двигатель объёмом 2,4 литра, но при этом оказывается легче и компактнее. Важно, что эти двигатели изначально рассчитаны на использование различных видов топлива, включая биотопливо и сжиженный водород. Когда Toyota выведет такие ДВС на рынок, не уточняется, но компания ставит перед собой цель сделать это до очередного ужесточения экологических норм.

Прототип двухроторного ДВС марки Mazda. Источник изображений: Toyota Motor

Важно, что сниженная масса и габариты новых ДВС сами по себе положительно влияют на экологию. Более лёгкий двигатель позволит снизить вес авто, а это означает меньший расход топлива и заряда тяговой батареи, если речь идёт о гибридах. Уменьшенные габариты позволяют ниже опустить крышку капота, как поясняет Toyota, а это благоприятно сказывается на аэродинамике и всё том же расходе топлива. Новое семейство двигателей оптимизировано для использования в гибридных силовых установках.

Subaru идёт традиционным для себя путём, пытаясь сохранить оппозитную компоновку ДВС с низким центром тяжести, но также предусматривает использование таких двигателей в гибридных силовых установках и их работу на сжиженном водороде.

Макет однороторного ДВС марки Mazda. Источник изображений: Toyota Motor

Компания Mazda возрождает идею использования роторно-поршневых двигателей внутреннего сгорания на легковом транспорте. На стенде автопроизводитель продемонстрировал прототип двухроторного двигателя такого типа, а также прототип однороторного ДВС, который предназначен для интеграции в гибридную силовую установку.

Руководство Toyota считает, что в этом десятилетии аккумуляторным электромобилям не удастся завоевать более 30 % мирового рынка. В структуре продаж автомобилей самой Toyota в первом квартале 40 % занимали гибриды с ДВС, но на долю подзаряжаемых гибридов, аккумуляторных электромобилей и машин с водородными топливными ячейками пришлось не более 2,9 % из тех 2,4 млн автомобилей, которые Toyota реализовала за период.

В своём развитии стартап Nikola Corp прошёл через ряд серьёзных неприятностей, и на фоне нехватки средств решил сосредоточиться на выпуске грузовиков на водородных топливных ячейках для рынка США. На квартальной отчётной конференции этого автопроизводителя было заявлено, что из 42 выпущенных водородных грузовиков 35 были направлены американским дилерам для передачи клиентам.

Источник изображения: Nikola Corp

По данным Nikola, она стала первым поставщиком магистральных тягачей в Северной Америке, использующих водород в качестве топлива. В специальных ячейках он позволяет вырабатывать электроэнергию для питания силовой установки, а в качестве выхлопа такие транспортные средства выдают водяной пар. Семь грузовиков из первой партии компания оставила себе для демонстрационных целей и испытаний. На североамериканском континенте у неё уже нашлось около шести клиентов из числа транспортных компаний. Одному из них даже удалось совершить поездку на таком грузовике протяжённостью 1386 км с единственной заправкой на маршруте.

В прошлом году Nikola пришлось отозвать все выпущенные аккумуляторные грузовики серии Tre, чтобы заменить их тяговые батареи на более безопасные, не склонные к возгоранию. Эту работу она рассчитывает завершить к концу первого квартала, а в течение второго квартала или к началу третьего собирается вернуть все модернизированные грузовики клиентам. Только после этого она начнёт модернизировать аккумуляторные грузовики Nikola Tre из числа хранящихся на собственных складах. В дальнейшем они будут проданы до конца 2024 года.

Непосредственно говоря о финансовых итогах квартала, следует отметить, что выручка компании Nikola Corp выросла более чем в два раза до $11,5 млн, при этом итог всего 2023 года оказался хуже выручки 2022 года: $35,8 млн против $49,7 млн соответственно. Чистые убытки по итогам прошлого квартала удалось сократить с $222 до $153,6 млн, но по итогам всего 2023 года чистые убытки Nikola увеличились до $966 млн.

В середине ноября в журнале Science Advances вышла статья исследователей Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики, в которой сказано о достижении рекордного уровня разряда от падающей капли воды. Упавшая на специально подготовленную поверхность с высоты 25 см капля вызвала искровой разряд 1200 В, что примерно в четыре раза выше прежнего рекорда. Этой энергии хватило на расщепление воды на кислород и водород.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 2.2/3DNews

В ранее проводимых экспериментах выходное напряжение насыщения не превышало 350 В. Заряд возникает в процессе падения капли с высоты на наклонную поверхность. При соприкосновении капли с поверхностью возникает двойной электрический слой, делая всю систему похожей на суперконденсатор. Величина напряжения насыщения зависит от скорости скатывания капли по поверхности и от её растекания по поверхности. Как заявили учёные, приблизиться к теоретически возможному пределу выходного напряжения мешало недостаточное понимание физики процесса.

Источник изображений: Science Advances

В ходе эксперимента исследователи снимали падение капли на наклонную поверхность высокоскоростной камерой и соотносили эти данные с результатами измерений электрических характеристик процесса. Позже на основе полученных данных была построена убедительная модель. Работа помогла приблизиться к теоретическому пределу выходного напряжения в результате процесса.

Номинально величина искрового разряда достигла значения 1200 В. Этого оказалось достаточно, чтобы капля обычной водопроводной воды при нормальном атмосферном давлении и температуре, падающая на подготовленную наклонную поверхность, вызывала искровой разряд достаточной для ионизации газа силы. В своём опыте учёные, например, показали процессы ионизации гелия, а также разложения воды на кислород и водород, что может найти применение в передовых установках по добыче водорода.