Академик Юрий Костицын: «Водород — это элемент номер один»

Какую роль в судьбе мироздания сыграл водород? Почему ученые сейчас сосредоточили свое внимание именно на этом элементе? Как он может изменить нашу жизнь? Об этом рассказывает академик Юрий Александрович Костицын, научный руководитель Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН по направлению «Науки о Земле», заведующий лабораторией изотопной геохронологии.

— Мы все знаем, что водорода в атмосфере Земли ничтожно мало — даже не тысячные, а десятитысячные доли процента. А преобладают азот, кислород и т.д. Тем не менее водород сегодня выходит на первый план. Почему?

— Он выходит на первый план не потому, что его мало в атмосфере, а потому, что это требование современной энергетики. Начать надо с того, что это главный элемент во Вселенной, в нашей Солнечной системе. Когда примерно 13,8 млрд лет назад произошел Большой взрыв, образовались только два элемента: водород и гелий. И совсем немного лития — на уровне миллиардных долей. Потом это вещество эволюционировало, и все остальные элементы возникли в результате тех или иных ядерных реакций. Все это связано со звездообразованием — наиболее легкая часть элементов, до железа, возникала в недрах звезд. В нашем Солнце водород в процессе горения превращается в гелий. В более крупных звездах после того, как водород исчерпывается, начинается горение гелия, ведущее к образованию более тяжелых элементов, вплоть до железа. Все остальные элементы и их изотопы возникают в момент гибели звезд, в результате взрывов, сопровождающихся мощными потоками нейтронов.

В других ситуациях возникали очень мощные потоки протонов, и благодаря этим процессам в том веществе, из которого мы состоим, помимо водорода и гелия, теперь присутствуют еще несколько процентов более тяжелых элементов. Но до сих пор водород в Солнечной системе — элемент номер один.

— Недаром же он занимает первое место в таблице Менделеева.

— Это случайная параллель — его место номер один, потому что он самый легкий. В нем всего один протон.

— Получается, он во всех смыслах первый.

— Безусловно. Формирование Солнечной системы и зарождение Земли происходили практически в атмосфере водорода. Этот газ, пусть даже разреженный, был в те времена главным элементом. То есть планеты могли формироваться заново, так как в атмосфере не было кислорода. Все, что мы сейчас наблюдаем, очень далеко от тех условий, в которых 4,5 млрд лет назад формировалась Солнечная система.

— Нам бы тогда не удалось поговорить.

— По многим причинам, в том числе из-за отсутствия кислорода. Но потом в результате эволюции или, как говорят геологи, дифференциации вещества Земли значительная часть металлов была сконцентрирована в ядре и мантия постепенно становилась все более кислой. Предполагается, что протекает реакция диспропорционирования, когда часть двухвалентного железа превращается в нуль-валентное, просто металлическое железо, а часть становится окисленной, трехвалентной. В мантии постепенно накапливалось трехвалентное железо, а нуль-валентное уходило в ядро, способствуя его росту на протяжении всей эволюции Земли. И в результате этого мантия становилась все более окисленной, и в атмосфере появились такие газы, как СО и CO₂. Там уже подключилась жизнь, растения, начался фотосинтез, в атмосфере появился кислород. Вторая причина, по которой свободный кислород смог появиться в атмосфере, — потеря водорода. Весь водород, который не связан с кислородом, Земля теряет. Он слишком мал, H₂ — молекула очень легкая, поэтому Земля постепенно ее теряла.  

— А что значит «теряется»? Куда он девается?

— Он улетает в космос. Марс, который примерно в десять раз меньше Земли, потерял все более тяжелые газы, такие как кислород и углекислый газ, что привело к очень разреженной атмосфере. Большая часть его воды также потеряна. Следы сейчас внимательно изучаются: вода, видимо, сохранилась в недрах в виде льда и соединений, но с поверхности утеряна. Если бы Земля была такая же маленькая, она бы, наверное, тоже потеряла многие полезные для нас газы и жизнь пошла бы по другому пути. Я подозреваю, что нерассеянный мог бы стать хорошим источником энергии, возможно, даже для дыхания.

— Скорее всего, это были бы уже не мы, а другие существа.

— Да, конечно, у нас был бы другой цвет волос. Тут трудно гадать, что было бы, если бы эволюция миллиарды лет назад пошла по другому пути. Но так получилось, что теперь мы есть.

— Можно ли сказать, что во многом благодаря водороду?

— Я бы его не выделял в этом процессе. Мы есть благодаря всему комплексу элементов и процессов, которые протекали. Многие из них, наверное, кажутся случайными совпадениями, но тем не менее эволюция в конце концов пришла своими замысловатыми путями и ко всему многообразию животного и растительного мира, и к тому, что появился человек. Водород — очень важная составляющая многих соединений, прежде всего воды, которая нам крайне необходима для жизни. Но и углеводородами мы тоже давно пользуемся. Их активное использование в значительной мере загрязняет нашу жизнь, атмосферу, окружающую среду. Поэтому человечество озабочено снижением углеродного следа из всех наших технологических процессов. Выбросы CO₂, не дай бог СО, других соединений увеличивают парниковый эффект. Если температура на Земле поднимется, нам будет несладко: придется очень сильно эволюционировать. Проще подумать, как нам, мыслящим людям, снизить углеродный след.

— Как же?

— Один из путей — использование водорода вместо углеводородов. Вообще говоря, водород давно используется и в энергетике, и в машиностроении, и в разных разделах химических технологий. Первый двигатель на основе водорода был придуман швейцарским изобретателем Франсуа Исааком де Ривазом в 1806 г. Он был предельно примитивен. Изобретатель установил этот двигатель на повозку вместо лошадей, и это был первый автомобиль. Эта единичная повозка была весьма неэффективна, и до реальных автомобилей оставалось еще много времени. А сейчас планируется использование водорода в том числе в двигателях, хотя двигатели — не самое главное направление. Но если удастся заместить водород углеводородами — газом и нефтью, — это будет прорывом для человечества, решением многих экологических проблем.

— Водород ведь взрывоопасный газ. Насколько я знаю, были случаи, когда при попытке его использовать для воздушных шаров и дирижаблей происходили катастрофы.

— Да, но и обычный природный газ, если им неправильно пользоваться, опасен. И нефть, и бензин — все это горит, но мы научились ими пользоваться. Конечно, если водород дойдет до бытового использования, придется научиться им пользоваться.

— Чем он лучше? Он экологичнее, как я поняла. Чем еще?

— Да, прежде всего, он экологичнее. Одно из направлений использования водорода — его можно направлять вместо бензина в двигатель внутреннего сгорания. Но его гораздо более эффективно используют не таким образом, а в электрических ячейках. Это такие водородные батареи. Первая батарея была разработана еще в XIX в. В чем суть этой батареи? Вода расщепляется электролитически на водород и кислород. Водород поступает в эту батарею, происходит его реакция с кислородом, высвобождается электрон, который уже используется в электрических цепях. А водород при этом связывается с кислородом, образуется вода. Такая ячейка, придуманная еще в XIX в., конечно, была малоэффективна, об этой технологии надолго забыли, но в XX в. их уже использовали довольно широко. А тогда было принципиально показано, что из водорода можно получать электричество и в качестве побочного продукта — воду. И интересно, как его использовали в середине XX в.: такие водородные батареи были установлены не где-нибудь, а на космических кораблях «Апполон». Они получали электричество и в качестве побочного продукта — 3,5 л воды в час, что было крайне важно для экипажа. Причем и водород, и кислород были жидкими. На предыдущих этапах использовали сжатые газы, но как раз в программе «Аполлон» использовали жидкие водород и кислород, что сильно облегчало всю конструкцию.

— Сейчас это применяется на МКС?

— Насчет МКС не знаю, но на всех аппаратах «Аполлон» это было. Я думаю, они продолжают использовать эту систему, потому что в условиях космоса это технологически выгодный процесс. Если вы помните историю «Аполлона-13», она как раз связана с взрывом кислорода. Взорвался один из кислородных баллонов, его повредили на стадии монтажа еще на Земле. Точнее даже не сам баллон, а нагреватель.

Там было так: баллон с кислородом уронили с небольшой высоты — и тут же, конечно, запустили на проверку. Для этого пришлось выпустить из него кислород. А там есть нагреватель, с помощью которого это можно сделать. Он испарится. Но этот нагреватель был рассчитан на бортовую сеть «Аполлона» — 28 вольт. А к нему подсоединили 60 вольт. Он перегрелся, изоляция разрушилась, и никто этого не заметил. Его поставили на корабль, и, когда подключили другую цепь, произошло короткое замыкание, которое тоже не сразу заметили. Этот нагреватель перегрелся, давление в баке неконтролируемо поднялось до предела, произошли взрыв и разрушение этого баллона. Мало того что этот баллон разрушился, он при взрыве повредил и второй баллон с кислородом. Так астронавты лишились кислорода и, соответственно, электричества для управления главным двигателем. Тут же собрались инженеры, устроили мозговой штурм, как спасать экипаж. В запасе у них был лунный модуль, который присоединен к основному. У того свои два двигателя — посадочный и взлетный. Ими можно было управлять. Но если затормозить и развернуть корабль, топливо закончится, его не хватит. Тогда они придумали следующее: скорректировали орбиту, направили его к Луне по касательной, Луна гравитационно захватила, они развернулись с помощью Луны и вернулись на Землю. У них еще оставался запас топлива, чтобы под нужным углом войти в атмосферу. А это критически важно: если бы они входили под пологим углом, они бы просто отскочили от атмосферы, как от воды, и улетели бы в космос — пропали навсегда. Если бы слишком круто вошли, то сгорели бы в атмосфере. Это уникальный случай, когда в результате такой аварии никто не пострадал. Конечно, они пострадали от недостатка воды, было обезвоживание — по стакану воды в день на человека. Но в итоге это закончилось благополучно.

— Водород, конечно, тоже мог бы взорваться, если бы находился в таких баллонах.

— Безусловно. Эта история иллюстрирует, как нужно бережно обращаться с любыми газами: что с кислородом, что с водородом, что с любым другим. А еще учит тому, что в космосе много неизведанного, для нас непривычного, могут возникать такого рода аварийные ситуации.

— Но вернемся к аккумуляторным батареям для транспорта.

— Такая батарея быстро заправляется водородом, это не многочасовая зарядка. Самое главное — это гораздо более чистая технология. Тут есть одно но: пока что во всей структуре потребления водорода эти двигатели занимают ничтожную долю. При этом сейчас в год потребляется примерно чуть меньше 100 млн т водорода. Это немногим больше, чем производство стали. Огромные массы.

— Где же его берут?

— Получают его сейчас в основном из природного газа метана: так называемая паровая конверсия метана, когда метан с водяным паром нагревается при высокой температуре и получается на одну молекулу метана две молекулы водорода, H₂, и одна молекула СО₂. И все это приводит к тому, что весь углекислый газ выбрасывается в атмосферу. Это огромное количество углекислого газа.

— Проблема!

— Да. Химики, технологи называют этот водород «серым» водородом, потому что он загрязняет окружающую среду. Эту технологию совершенствуют путем улавливания углекислого газа. Есть способы, соответствующие мембраны. Но потом этот углекислый газ все равно надо куда-то девать — его закачивают в земные недра, во всевозможные газовые хранилища, в нефтяные пласты — с одной стороны, чтобы он там оставался, с другой — чтобы повысить продуктивность нефтяных скважин, увеличить давление и выдавить нефть. Этот водород называют «голубым». Значительную часть водорода, около 10%, получают путем электролиза воды с помощью электроэнергии из возобновляемых источников: ветровая энергия и солнечные батареи. Это уже гораздо более чистые, «зеленые» технологии. Но они сегодня более дорогие. Цена «серого» водорода зависит от стоимости газа, поскольку его получают из метана. Это примерно от $1 тыс. до $2,5 тыс. за 1 т чистого водорода, а «зеленый» водород раза в три дороже. Есть надежда упростить и удешевить эти технологии, и тогда, наверное, крупные корпорации перейдут на безуглекислотные технологии. Но пока это большие деньги.

— Но сейчас выходит немного странно: мы получаем водород из углеводородов, а потом опять выбрасываем эти углеводороды.

— Именно. Мало того, ведь бóльшая часть водорода используется при переработке нефти (тех же углеводородов) для ее очистки от серы и при крекинге, чтобы улучшить качество бензина, повысить октановое число. Но тут надо понимать, что получение нефти, газа, а также производство углеводородов — это миллиарды тонн, а здесь все-таки 100 млн. Используется примерно 1% этого водорода по отношению к тому количеству нефтепродуктов и углеводородов, которыми эти корпорации оперируют и из которых получают всевозможное топливо: дизельное, бензиновое и т.д. Основные потребители сейчас — это Китай, США, Индия. Наша страна, естественно, тоже его использует, но в этом ряду она незаметна в процентном отношении.

— И все эти страны получают водород именно таким путем?

— Прежде всего таким, особенно Китай. Получение водорода сейчас сильно загрязняет окружающую среду. Поэтому возник вопрос, можем ли мы добывать водород из недр.

— Мы всегда знали, что он есть в недрах?

— При анализе газов, при фундаментальных исследованиях водород всегда фиксировался. Но к нему никогда не относились как к полезному ископаемому. Таковым его официально признали совсем недавно, в 2023 г. Производственные компании, исследовательские институты просто не могли официально заниматься разработкой месторождений водорода. Поэтому у нас сейчас минимальный задел в этой области. Даже оценить стоимость водорода, если удастся научиться добывать его из недр, мы пока не можем.

— Мы можем хотя бы примерно оценить, сколько его там?

— Думаю, что нет. Есть очень интересные оценки. Это результат фундаментальных исследований — определение количества водорода в недрах Земли. Чтобы проще донести эту информацию до политиков и обычных людей, нередко используют такую аналогию: сколько океанов находится в мантии и ядре Земли по сравнению с водой на поверхности планеты?

За последние восемь-десять лет оценки этих показателей многократно выросли. Если в 2012–2013 гг. речь шла о двух-трех океанах, то сейчас уже говорят о 17–18. Большинство исследователей объясняют столь высокое содержание наличием значительной примеси водорода в ядре. Этот вопрос пока далек от окончательного решения. Мы понимаем, что наши выводы основаны на изучении микровключений минералов и затем экстраполированы на огромные объемы пород, мантии и ядра. Такие оценки очень ненадежны и требуют дальнейших исследований.  

— А каким образом это можно изучить?

— Сейчас в академии наук готовится специальная программа, предполагающая исследования по самым разным направлениям. Первое — это вопрос о происхождении водорода и его генерации в недрах Земли: коре, мантии, ядре. Сколько его там на самом деле, в какой форме он там присутствует? Судя по всему, при тех высоких давлениях и температурах, которые имеют место в ядре и мантии, водород там присутствует в виде протонированного вещества. Это протоны, внедренные в структуру минералов. По сути, это водород связанный, который не образует никаких потоков. И при каких условиях он может отделяться, мигрировать — это открытый вопрос.

— Но должен быть еще и свободный водород.

— Для того чтобы мы могли его добывать в земной коре, он должен освободиться в самостоятельную газовую фазу или примешаться — быть в виде примесей к тем же углеводородам, к другим газам либо формировать собственные залежи. Хотел бы пояснить: когда я сказал про множество океанов в недрах, речь, конечно, не идет о воде, которая где-то плещется или образует подземные моря, озера и океаны. Это вещество, рассеянное либо в виде протонов, либо в виде ОН-группы в соответствующих минералах, которые могут их содержать. И при каких условиях это вещество может обособиться в газ, водород, еще предстоит исследовать. Здесь нужны и термодинамические расчеты, и соответствующие эксперименты при высоких давлениях и температурах. Наш институт собирается проводить значительную часть этих экспериментов, у нас есть для этого оборудование, определенный опыт в термодинамике. Несколько лабораторий занимаются подобными исследованиями применительно к другим летучим газам. Так что это задача, которая вполне решаема, но для этого нужны время и определенные усилия.

— Допустим, вам удалось выяснить, где и сколько водорода хранится. Что дальше?

— Второй вопрос — как он мигрирует. Миграция газа в земной коре, где уже возможны разломы, пустоты, каналы, — это одна картина, один процесс, а миграция в мантии — это совершенно другие процессы. Маловероятно, чтобы там водород мог мигрировать в виде самостоятельной газовой фазы. Скорее он может быть примесью в другом флюиде: водном, углекислотном. Это тоже вопрос, который предстоит изучать. Сколько там может быть того же метана, который способен образовываться в результате реакций углерода с водородом? Это так называемая реакция Фишера — Тропша, которая описывает этот процесс при высоких температурах с участием определенных катализаторов. Ей тоже около 100 лет, она была открыта и разработана в начале ХХ в. Кстати, в Германии во время Второй мировой войны часть нефти получали таким искусственным путем — из угля в результате реакции СО и водорода. Поэтому какая-то часть легких углеводородов может быть абиогенной. А вот нефтяные и бóльшая часть газовых месторождений — определенно биогенного происхождения. В этом у науки сомнений сейчас нет. Этой теме уделено достаточно много внимания, многое об этом уже известно, хотя исследования, как и поиски новых месторождений, продолжаются. Но нам все равно этого мало. Сейчас стоит задача понять, как ведет себя водород и в мантийных глубинах, и на более высоком уровне — в земной коре, и каким образом могут формироваться газовые залежи. То, что они формируются, уже известно. Эти сведения получены в значительной мере как побочные, случайные.

— Вы уже предполагаете, где могут быть такие залежи на территории нашей страны?  

— Это задача, о которой сейчас можно только фантазировать. Хотя уже известны такие концентрации водорода. В Мали деревушка Буракебугу снабжается электричеством, которое вырабатывается благодаря водороду. Там в 1990-е гг. бурили с целью добыть воду. Но вода не пошла, бурение показало, что с водой туго, и скважины закрыли. Но на одной из них произошел взрыв водорода. Кто-то из обслуживающего персонала поднес открытый огонь. И водород, смешавшись с воздухом, взорвался при контакте с открытым огнем. Это известная реакция: водород с кислородом — гремучий газ. Скважины закрыли, затампонировали, они были закупорены больше десяти лет. Потом кому-то в голову пришла идея: там же водород, может, его можно использовать? Они вскрыли скважину, померили — 98% водорода! И решили собрать пилотную установку. К этой скважине подвели трубопровод, ведущий к генератору. Вместо бензина или дизеля в обычный двигатель внутреннего сгорания наладили подачу водорода. Двигатель приводит в действие электрогенератор, снабжая деревню электричеством. Эта пилотная установка работает уже больше десяти лет, но так и не вышла за рамки эксперимента.

— Очень важный пример, как можно использовать такие скважины.

—У нас в газовых месторождениях тоже нередко обнаруживаются заметные примеси водорода. Но это попутные находки. А хочется, чтобы это было целенаправленно. Раньше к ним относились как к вредному явлению, потому что водород во всяких технологических процессах приводит к разрушению металла. Им тоже надо уметь пользоваться так, чтобы он нам не вредил. Поэтому следующее направление в нашей академической программе — изучение условий концентрирования водорода. Геофизики, геологи уже давно научились определять, как накапливаются в ловушках нефть и газ, а также фиксировать, разбуривать и дальше использовать как месторождения. Теперь задача стоит относительно водорода. Но он по сравнению с углеводородами ведет себя совершенно иначе. Это очень подвижный и очень высокопроницаемый газ в силу своего малого размера. Поэтому те ловушки, которые могут быть очень эффективны для нефти и даже природного газа, во многих случаях для водорода оказываются проницаемыми. Они могут динамически его немного задерживать, но все равно оказываться для него проницаемыми, и он будет там теряться. Поэтому следующее, что предстоит изучить, — какого рода породы могут быть газоупорами и как формировать ловушки. Если вернуться к Мали, там, естественно, геологи уже изучали, откуда там водород. Съемка показала, что это такая купольная структура, породы в основном состоят из известняков и песчаников. Это пористые породы, в которых газ может содержаться в больших количествах, но внутри есть и несколько прослоев магматических пород, габроидов, которые для водорода труднопроницаемы. Там он и накапливается, но оценить, насколько там велики запасы, пока не удалось. При этом работы активно ведутся во многих странах: в Австралии, на юге Франции, в районе Пиренеев, в Аквитанском бассейне. Информации об этом очень немного. Когда за дело берутся корпорации, это всегда держится в тайне.

— А у нас начаты какие-то работы?

— Пока нет. Мы только успели определить, что, оказывается, водород — полезное ископаемое. Сейчас в правительстве уже было несколько заседаний на эту тему, даны поручения министерствам, академии наук включиться в эту работу. Насколько я понимаю, определенное финансирование предусмотрено в Министерстве природных ресурсов и экологии, это их прямая профессиональная задача. Они сейчас организуют конкурс предложений для начала этих работ. Параллельно с этим мы готовим академическую программу. Нам надо сначала изучить ситуацию, понять поведение водорода, о чем я сейчас говорил: где он находится, как мигрирует, где концентрируется, как его добывать. Все эти направления охватывает наша комплексная академическая программа. Ее координатором стал академик Михаил Александрович Федонкин, сотрудник Геологического института РАН. Понятно, что это глобальная задача именно для наших геологических организаций. Но и наш институт занимает очень важное место в изучении всех этих процессов.

— Допустим, мы научились добывать водород, освоили все эти запасы. Как, на ваш взгляд, будет выглядеть общество будущего с применением водорода? Я так поняла, что появится экологически чистый транспорт на водороде. Что еще может измениться?

— Может, удастся решить проблему огромных выбросов CO₂ в атмосферу, но надо понимать, что население Земли растет экспоненциально или близко к этому. Соответственно, транспорт (авиа-, наземный, морской) тоже растет в объемах. Увеличивается потребление нефтепродуктов, того же водорода. Скажем, планируется, даже при нынешней ситуации, что лет через пять объемы потребления водорода вырастут вдвое. Есть технологии, улавливающие CO₂ при этой паровой конверсии. Но это порядка 90% CO₂. Выбросы уменьшатся в десять раз, но с учетом того, что объемы будут продолжать расти, это все равно может быть немало. Если через какое-то время мы сможем добывать водород из недр и это будет более чистый продукт, более чистое производство, возможно, мы еще снизим выбросы CO₂.

Думаю, что, несмотря на потенциал водорода, существующие проблемы, включая экологические, все равно сохранятся. Более того, могут возникнуть новые трудности, связанные с добычей водорода из недр, которые сейчас трудно предсказать. Если мы освоим чистую добычу водорода, наша жизнь вряд ли радикально изменится. Мы просто примем его как один из источников энергии или важный компонент во всевозможных технологиях, подобно тому, как мы привыкли к солнечной и ветровой электроэнергии. Это уже не экзотика. Так же будет и с водородом.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ