Промышленные выбросы составляют значительную долю глобальной эмиссии углекислого газа, которая превосходит совокупный вклад пассажирского и грузового транспорта. Стэнфордские инженеры спроектировали новый тип термохимического реактора, способного вырабатывать огромное количество тепла, необходимого для промышленных процессов, из электричества, а не ископаемого топлива. Вдобавок он меньше, дешевле и эффективнее.
«У нас получился электрифицированный и масштабируемый реактор для термохимических процессов с идеальными свойствами нагревания и теплопереноса, — заявил Джонатан Фан, главный автор статьи. — Фактически, мы повысили производительность реактора до физического предела, и использовали в качестве энергии электричество».
Традиционные термохимические реакторы работают на энергии сгорания ископаемого топлива, которое нагревает жидкость, текущую по трубам реактора. Для этого требуется довольно много оборудования, а в процессе возникает достаточно возможностей для утечки тепла. Новый реактор использует для выработки тепла магнитную индукцию: вместо переноса тепла по трубам индукция создает его внутри реактора с помощью электрического тока и магнитных полей.
Однако приспособить индукционный нагрев для химической промышленности не так просто. Индукционные реакторы должны равномерно создавать и распределять тепло в трехмерном пространстве и быть намного эффективнее индукционной плиты. Инженеры из Стэнфордского университета решили поднять производительность метода за счет особо высокочастотных токов, а также материалов, которые крайне плохо проводят электричество.
Для получения желаемых токов была разработана новая электроника, а нагревали они трехмерную решетку из керамики, которую поместили в ядро реактора, пишет Stanford News. Структура керамического материала не менее важна, чем сам материал, объяснили ученые, поскольку позволила еще больше снизить электропроводность. А пустоты решетки решено было заполнить катализаторами — материалами, которые нужно нагреть, чтобы началась химическая реакция. В результате увеличилась эффективность процесса, что позволило уменьшить размер реактора по сравнению с реактором на ископаемом топливе.
«Вы нагреваете большую поверхность структуры, которая расположена совсем близко к катализатору, так что тепло сразу же идет к катализатору и запускает химическую реакцию, — сказал Фан. — Плюс, это все упрощает. Вы не переносите тепло откуда-то еще и не теряете ничего по пути, нет труб, которые входят и выходят из реактора — теперь его можно полностью изолировать. Идеально с точки зрения энергоснабжения и расходов».
В качестве испытания исследователи использовали свой реактор для осуществления химической реакции сдвига фаз вода–газ. Она требует высоких температур и превращает жидкую двуокись углерода в ценный газ, который потом можно использовать в качестве топлива. Эффективность реактора составила свыше 85 %, а условия проведения реакции оказались близкими к идеальным: двуокись углерода становилась газом с предсказанной теорией скоростью, что редко бывает с новыми реакторами.
В дальнейшем ученые планируют разработать и испытать реакторы большего размера или поднять рабочую температуру, чтобы увеличить производительность.
