Азот поможет запасти энергию

Учёные из Института кристаллографии РАН в Москве совместно с Институтом химии Макса Планка в Майнце (Германия) создали вещество, в котором можно запасти на порядок больше энергии, чем в любом аккумуляторе. Исходный материал для этого вещества — обычный азот.

Исследователи смогли перевести газообразный азот в форму кристалла, по структуре и твердости не уступающего алмазу. Они назвали его «полимерный азот». В этом кристалле каждый атом азота окружен тремя такими же атомами; все они соединены одинарными ковалентными связями и образуют трехмерную сетку сложной структуры, аналогично атомам углерода в решётке алмаза. Пока этот материал стабилен только при высоких давлениях, но его потенциал очень велик. Полимерный азот обладает экстремально высокой плотностью запасённой химической энергии. При его разложении выделяется на 20% больше энергии, чем при сгорании бензина. Если удастся использовать полимерный азот в качестве ракетного горючего, то масса ракеты, при одинаковой полезной нагрузке, может быть уменьшена почти на порядок. Кроме того, это экологически чистый материал: — продуктом разложения является газообразный азот. Для своего «сгорания» «полимерный азот» не требует окислителя (кислорода). Может работать в вакууме, под водой и в любых атмосферах. Благодаря компактности и высокой энергоемкости полимерный азот смог бы потеснить традиционные способы хранения энергии — крупные аккумуляторы и водород.

Источник электричества в современных аккумуляторах и батареях, как правило, — химические реакции, энергия которых преобразуется в электрический ток. Но даже в лучших на сегодня аккумуляторах — литий-ионных, используемых, например, в мобильных телефонах, — теоретически можно запасти не более 1 кВт/ч электроэнергии на килограмм массы. На практике эта цифра в несколько раз меньше. Есть другие способы аккумулировать энергию. Многие исследователи предлагают водород, на данный момент, самое энергоемкое из доступных веществ. Однако он некомпактен и потому не слишком удобен для использования.

Рис. 1. Исследователи смогли перевести газообразный азот в форму кристалла, по структуре и твердости не уступающего алмазу

Процедура синтеза полимерного азота достаточно сложна и требует сложного оборудования и экстремальных условий. Во-первых, необходимы специальные камеры, в которых создается давление в 1 миллион раз больше, чем атмосферное. Во-вторых, не обойтись без специальных лазеров, которые дистанционно нагреют газообразный азот в камере до двух с лишним тысяч градусов Цельсия. «Мы проводили эксперименты совместно с германской стороной, поскольку у нас есть только часть оборудования для этих экспериментов. Наши специалисты в этой области, по-видимому, лучшие в мире. К примеру, американцы, даже зная о наших опытах, не могли их повторить более 4-х лет. «В Германии мы делаем часть опытов, связанных с лазерным нагревом и с диагностикой полученного материала», — рассказывает руководитель исследований с российской стороны, заведующий отделом ядерных методов и магнитных структур в Институте кристаллографии РАН профессор Игорь Любутин.

Полимерная форма азота с различной кристаллической структурой была теоретически предсказана еще на рубеже 80–90-х годов прошлого века, но получить его удалось только в веке нынешнем. «Проблема в том, что мы сделали полимерный азот в экстремальных условиях, при высоких давлениях и высоких температурах. При обычных давлениях и температурах он распадается до газообразного азота», — говорит Игорь Любутин. Теоретически новый материал может существовать и при обычных условиях. Поэтому ученые считают, что исследования необходимо продолжать до тех пор, пока это не подтвердится, ведь только тогда «полимерный азот» можно использовать в практических целях, например в качестве компактного источника энергии. «Нам удалось получить стабильный материал при комнатной температуре, но снять давление до атмосферного не удаётся — он распадается. Пока удалось в 4 раза уменьшить давление — до 250000 атмосфер. Надо пробовать новые методы», — объясняет Игорь Любутин. Если ученые найдут, как это сделать, они будут дальше искать способы для синтеза материала при более низких давлениях, например с применением катализаторов, для удешевления процесса.