Почему мы до сих пор не умеем делать воду — и как научиться ее беречь
Лето — разве не идеальное время, чтобы бросить побольше льда в лимонад, наполнить бассейн и почаще принимать долгий, освежающий душ? Если коротко — то нет.
На самом деле, когда мы все наслаждаемся прекрасной погодой, легко забыть о важности экономии воды. Но разве не было бы проще, если бы мы могли просто делать воду с нуля? В конце концов, сегодня мы можем изготавливать самые разнообразные вещи — от бриллиантов до бургеров.
Н-2-О нет!
Теоретически, сделать воду должно быть легко. Надо лишь взять два атома водорода и соединить с атомом кислорода — разве это может быть сложно? Оказывается, может — и даже очень.
Просто смешав водород с кислородом, воду вы не получите — для того, чтобы их соединить, нужна энергия. Проблема с добавлением в это уравнение энергии заключается в том, что масштабная химическая реакция легковоспламеняющегося водорода и кислорода (который как раз и поддерживает горение) может привести к довольно большому взрыву.
Поэтому опасности в этой затее больше, чем пользы.
Если мы не можем просто сделать воду из ее атомов, есть ли другие способы ее создать? В последнее время ученые сосредотачиваются на получении воды из воздуха и использовании для этого влажности. К сожалению, большинство таких исследований находятся на ранних стадиях и проводятся в небольших масштабах. То есть, бороться с нехваткой воды и засухой таким образом сейчас, безусловно, нельзя.
Настоящая жажда
Однако засуха — не единственная причина, почему мы работаем над тем, чтобы научиться делать воду. Население Земли постоянно увеличивается — и спрос на воду также растет.
Кроме того, в мире до сих пор есть места, где нет доступа к чистой воде. Хотя около 71% поверхности Земли — это вода, большая ее часть — это соленая вода, то есть не питьевая. Лишь 2% воды на Земле является пресной и безопасной для питья, и более половины ее находится в полярных ледяных шапках, откуда мы не можем ее получить.
В то же время много чистой, питьевой воды мы теряем просто потому, что воспринимаем ее как должное.
Нам так легко получить воду у себя дома и на работе, что мы забываем, что это ограниченный ресурс и однажды он, вполне вероятно, закончится. По всем этим причинам поиск новых способов создания воды становится все более актуальным.
Голубая планета №2?
Підпис до фото,Можем ли мы добывать воду на других планетах?
Ученые заинтересованы не только в создании и сборе воды на Земле. На самом деле, их исследования распространяются на самые удаленные уголки космоса. Сейчас астронавты NASA полагаются на свою Систему восстановления воды (Water Recovery System) для переработки водорода и углекислого газа в космосе для получения воды (и метана). В космосе у них нет дождя и водоемов, которые есть здесь у нас, поэтому количество воды еще более ограничено. Было бы почти идеально, если бы мы могли брать воду из космоса — но насколько это реально?
В прошлом году ученые обнаружили доказательства наличия льда на так называемой темной стороне Луны.
Ранее подобные образования льда находили и на других планетах, например на Меркурии. Не трудно представить, как сильно это взволновало научное сообщество. Возможность брать воду с Луны и других планет не только открывает водные ресурсы за пределами Земли, но также дает возможность дальнейшего исследования космоса.
Но лед — не единственный водный ресурс в космосе. На Марсе есть ряд возможных источников воды — нам просто нужно найти способ ее добычи. Например, воду можно было бы собирать из атмосферы, из почвы или даже добывать из полезных ископаемых — возможности бесконечны. К сожалению, наши технологии еще не настолько развиты.
А может, начать с того, чтобы беречь то, что имеем?
Поэтому, возможно, вода — это не столь ограниченный ресурс, как мы считали изначально. Но пока возможность получать воду в глобальном или даже планетарном масштабе все еще недоступна.
Так что же мы можем сделать для сохранения воды, которая уже есть? Самое главное — не воспринимать воду как должное.
Вот пять полезных советов, которые помогут вам уменьшить количество потребляемой воды:
- Не принимайте душ слишком долго. В жаркую погоду понятно желание принимать душ чаще. Однако, когда вы его принимаете, делайте это недолго, или даже замените долгий душ частично наполненной ванной.
- Не оставляйте кран открытым, когда в этом нет необходимости. Чаще всего так происходит, когда вы чистите зубы или умываетесь — но подумайте, что вся эта вода просто стекает в канализацию!
- Используйте стиральную или посудомоечную машины только с полной загрузкой. Одна полная загрузка экономит гораздо больше воды, чем две или три частичных.
- Не поливайте газон и растения избыточно. А также поливайте их в прохладное время суток — например, вечером вода не испаряется на солнце, поэтому расходуется меньше.
- Держите бутылку с водой в холодильнике, а не ждите, пока из крана потечет холодная.
В среднем человек использует около 9 000 литров воды в год — этого достаточно для наполнения двух бензиновых цистерн! Еще страшнее думать, что, по прогнозам, к 2025 году более 60% людей будут иметь ограниченный доступ к пресной воде.
Даже самая незначительная экономия воды может иметь огромное значение — если в ней будет участвовать большое количество людей.
Как создать воду из водорода и кислорода | Интересные истории
https://unsplash.com/photos/_y4LGVTeBwQhttps://unsplash.com/photos/_y4LGVTeBwQ
Вода — это общее название монооксида диоксида водорода или h3O.
Молекула образуется в результате многочисленных химических реакций, включая реакцию синтеза ее элементов, водорода и кислорода.
Сбалансированное химическое уравнение для реакции таково:
2 h3 + O2 + O2 → 2 h3O
Как сделать воду
Теоретически, легко сделать воду из водорода и кислорода.
Нужно смешать два вещества вместе, добавить достаточное количество тепла, чтобы обеспечить энергию активации для начала реакции.
Простое же смешивание двух газов при комнатной температуре, однако, ничего не даст, так как молекулы водорода и кислорода в воздухе не образуют спонтанно реакцию.
Для разрыва ковалентных связей, удерживающих молекулы h3 и O2 вместе, необходима энергия.
Затем катионы водорода и анионы кислорода свободно вступают в реакцию друг с другом, делают они это из-за различий в их электроотрицательности.
Когда химические связи восстанавливаются, образуя воду, высвобождается дополнительная энергия, которая распространяет реакцию. Чистая реакция является высоко экзотермической, т.е. реакцией, сопровождающейся выделением тепла.
Две демонстрации
Одной из распространенных химических демонстраций является наполнение небольшого воздушного шарика водородом и кислородом и прикосновение к воздушному шару — с расстояния и за щитом безопасности — горящей шиной.
Более безопасным вариантом является наполнение воздушного шара газом водорода и зажигание воздушного шара в воздухе.
Ограниченный кислород в воздухе реагирует на образование воды, но в более контролируемой реакции.
Еще одна простая демонстрация заключается в пузырьке водорода добавленного в мыльную воду.
Пузырьки плавают, потому что они легче воздуха.
Зажигалка с длинной рукояткой или горящая шина может быть использована для зажигания и образования воды.
Можно использовать водород из баллона со сжатым газом или в результате нескольких химических реакций (например, реакции кислоты с металлом).
Понимание реакции
https://unsplash.com/photos/1WKZQb6bB-4https://unsplash.com/photos/1WKZQb6bB-4
Французский химик назвал водород греческим словом водообразующий, основываясь на его реакции с кислородом.
Он был очарован реакцией горения.
Для наблюдения за реакцией он разработал аппарат для формирования воды из водорода и кислорода.
По сути, в его установке использовались две емкости — одна для водорода, а другая для кислорода, — которые подавались в отдельный контейнер.
Искровой механизм инициировал реакцию, образуя воду.
Можно сконструировать устройство таким же образом, если тщательно контролировать расход кислорода и водорода, чтобы не пытаться одновременно образовывать слишком много воды. Также следует использовать термостойкий и ударопрочный контейнер.
Роль кислорода
В то время как ученые более раннего периода были знакомы с процессом образования воды из водорода и кислорода, французский ученый открыл для себя роль кислорода в горении.
Его исследования в конечном итоге опровергли теорию флогистонов, которая предполагала, что во время горения из вещества выделяется огнеподобный элемент под названием флогистон.
Он показал, что газ должен иметь массу для горения и что масса должна быть сохранена после реакции.
Реакция водорода и кислорода для получения воды была отличной реакцией окисления для изучения, потому что почти вся масса воды поступает из кислорода.
Почему мы не можем просто сделать воду?
https://unsplash.com/photos/eMX1aIAp9Nwhttps://unsplash.com/photos/eMX1aIAp9Nw
Согласно оценкам, приведенным в докладе Организации Объединенных Наций за 2006 год, 20% населения планеты не имеют доступа к чистой питьевой воде.
Если так трудно очистить воду или опреснить морскую воду, вам может быть интересно, почему мы просто не делаем воду из ее элементов.
Реакция водорода и кислорода в основном заключается в сжигании водорода газом, за исключением того, что вместо того, чтобы использовать ограниченное количество кислорода в воздухе, вы разжигаете огонь.
Во время горения кислород добавляется в молекулу, которая в результате этой реакции образует воду.
Горение также высвобождает много энергии. Тепло и свет выделяются настолько быстро, что ударная волна расширяется наружу.
Чем больше воды делать за один раз, тем сильнее взрыв. Это работает для запуска ракет.
Таким образом, мы можем делать воду из водорода и кислорода, а химики и педагоги часто делают это в небольших количествах.
Нецелесообразно использовать этот метод в больших масштабах из-за опасности и гораздо более дорогостоящей очистки водорода и кислорода для протекания реакции, чем для получения воды другими способами, очистки загрязненной воды или конденсации водяного пара из воздуха.
Расщепление воды с эффективностью 100%: полдела сделано / Хабр
Если найти дешёвый и простой способ электролиза/фотолиза воды, то мы получим невероятно богатый и чистый источник энергии — водородное топливо. Сгорая в кислороде, водород не образует никаких побочных выделений, кроме воды. Теоретически, электролиз — очень простой процесс: достаточно пропустить электрический ток через воду, и она разделяется на водород и кислород.
Но сейчас все разработанные техпроцессы требуют такого большого количества энергии, что электролиз становится невыгодным.
Теперь учёные решили часть головоломки. Исследователи из Технион-Израильского технологического института разработали метод проведения второго из двух шагов окислительно-восстановительной реакции — восстановления — в видимом (солнечном) свете с энергетической эффективностью 100%, значительно превзойдя предыдущий рекорд 58,5%.
Осталось усовершенствовать полуреакцию окисления.
Столь высокой эффективности удалось добиться благодаря тому, что в процессе используется только энергия света. Катализаторами (фотокатализаторами) выступают наностержни длиной 50 нм. Они абсорбируют фотоны от источника освещения — и выдают электроны.
В полуреакции окисления производятся четыре отдельных атома водорода и молекула О2 (которая не нужна). В полуреакции восстановления четыре атома водорода спариваются в две молекулы H2, производя полезную форму водорода — газ H2,
Эффективность 100% означает, что все фотоны, поступившие в систему, участвуют в генерации электронов.
На такой эффективности каждый наностержень генерирует около 100 молекул H2 в секунду.
Сейчас учёные работают над оптимизацией техпроцесса, который пока что требует щелочной среды с невероятно высоким pH. Такой уровень никак не приемлем для реальных условий эксплуатации.
К тому же, наностержни подвержены коррозии, что тоже не слишком хорошо.
Тем не менее, сегодня человечество стало на шажок ближе к получению неиссякаемого источника чистой энергии в виде водородного топлива.
Научная работа опубликована в журнале Nano Letters (зеркало).
Переход на водород
Водород и сегодня используют для производства удобрений, повышения качества бензина, улучшения свойств стали, а также в пищевой промышленности для производства маргарина и твердых кондитерских жиров методом гидрогенизации растительных масел. Без него не обходятся все процессы гидроочистки, гидрообессеривания, гидрокрекинга, регенерации катализаторов.
Его также широко применяют для охлаждения генераторов на электростанциях.
С тех пор как появилась перспектива перехода на водородную энергетику с углеводородной, потребность в водороде увеличилась на порядки. Сегодня эта перспектива стала реальностью, поскольку примерно десять лет назад была решена одна из основных проблем с его хранением для дальнейшего использования в качестве автомобильного топлива. Вместо тяжелых, дорогих и небезопасных стальных баллонов для сжатого под высоким давлением водорода стали применять легкие композитные емкости из углепластика, которые прекрасно помещаются в легковых автомобилях. Кроме того, стало возможным получать водород прямо по месту употребления. Появление таких технологий зажгло для водородной энергетики зеленый свет.
Около 20 лет назад во всем мире начали появляться автомобили на водороде, и бывшие выставочные центры пилотных моделей превратились в салоны-магазины серийных образцов. Количество автомобилей на водородном топливе сегодня исчисляется тысячами.
Как получить водород?
Для развития водородной энергетики нужно будет на государственном уровне решить вопрос, в каком виде доставлять водород к месту его получения. Дело в том, что водород содержится в очень многих видах ископаемых топлив.
«Наиболее дешевый водород получается методом паровой конверсии метана,— рассказывает заведующий отделом гетерогенного катализа Института катализа СО РАН Павел Снытников.
А вот получать его лучше всего там же, где будут потреблять, чтобы уйти от проблем транспортировки чистого водорода. Чтобы использовать водород, например, как автомобильное топливо, нужно закачать его в баллоны под давлением 700 атмосфер. Правда, на сжатие нужна дополнительная энергия. Не меньше энергии требуется на сжижение водорода, так что один из подходящих способов его транспортировки — это перевозка в химически связанном состоянии, например в виде метана, из которого водород должен производиться там же, где будет использоваться.
Получать водород можно практически из любого углеводородного топлива: из бензина, дизельного топлива или пропан-бутановых смесей. В Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН ведется работа по гранту РНФ по тематике получения водорода из дизельного топлива. Также разрабатываются методы получения водорода даже из органических носителей, например из бор-гидридов. Главные задачи на будущее развитие водородной энергетики — это не только получение водорода, но и его хранение.
Если отвлечься от автомобилей и обратить внимание на энергообеспечение более крупных стационарных объектов, например жилых или промышленных комплексов, то вся идеология водородной энергетики строится на ее связке с другими источниками энергии. Например, с возобновляемыми — гидро-, ветряными, солнечными электростанциями или с крупными атомными электростанциями. Производство такой энергии идет в одном режиме, а тратится потребителями она в другом, поэтому, когда есть излишки энергии, ее можно тратить на получение водорода даже из обычной воды методом электролиза.
Голубая мечта о зеленом водороде
Электролиз — это способ получения водорода из воды, который, к сожалению, требует больших энергозатрат, поэтому он оправдан только в тех случаях, когда вырабатываемую энергию необходимо запасти, пусть даже и с невысоким КПД.
Лучше всего использовать для этого источники, где постоянно возникают достаточно большие излишки энергии. Емкости аккумуляторов для ее сохранения не хватает, кроме того, аккумуляторы быстро разряжаются, а полученный методом электролиза водород — это гарантированный запас энергии, можно сказать, воплощение мечты о чистой энергии, так называемом зеленом водороде. К сожалению, пока всего 2% общего объема водорода в мире производится методом электролиза. 75% водорода получают из природного газа и 25% — сжиганием угля. Цены топлива, полученного по этим технологиям, также несопоставимы: $1,7 за 1 кг водорода из природного газа и $5–10 за водород, полученный электролизом. Впрочем, стоимость зависит от источника энергии. Например, от энергии АЭС зеленый водород вдвое дешевле ($3–5), чем от возобновляемых источников энергии.
Основные организации в России, заинтересованные в получении водорода — это компании «Росатом» и «Газпром». Атомные электростанции нуждаются в сохранении избытка энергии в виде водорода и дальнейшего его использования.
А добывающая компания хочет перерабатывать природный газ в водород, имея соответствующие установки непосредственно в местах использования, например на автомобильных заправках. Для решения проблемы транспортировки водорода можно переводить его в спирты — метанол, диметиловый эфир, чтобы получать из них водород, что называется, «по требованию» для дальнейшего использования на энергоустановках. Это химия получения водородсодержащих компонентов, и она достаточно хорошо освоена.
Как перестать сжигать топливо
Вообще, заявления о том, что водород — это экологически чистое топливо, не совсем справедливы. Из школьного курса химии мы помним, что после сжигания водорода получается вода. Но горит-то он в воздухе, где высокое содержание азота, и в результате реакции кислорода и азота при высоких температурах мы получаем те же токсичные оксиды азота, что и при сжигании бензина, только в меньшем объеме. Собственно, водород здесь ни при чем: любое высокотемпературное горение вызывает в воздухе реакцию взаимодействия кислорода и азота с образованием оксидов.
По этой причине получать электричество с помощью сжигания любого топлива — это не самый экологичный способ. А тем более углеводородного, которое сгорает с выделением выбросов углекислого газа в атмосферу. Чтобы решить проблемы с выбросами в атмосферу, нужно прекратить сжигать топливо и снизить градус его потребления до комнатной температуры. В этом могут помочь топливные элементы.
Применение водорода в топливных элементах является самым экологичным. Разные топливные элементы используют водород при разных температурах и могут быть более или менее привередливы к его чистоте. Низкотемпературные топливные элементы работают на чистом водороде, а высокотемпературные вполне удовлетворяются синтез-газом. Топливный элемент — это электрохимическое устройство, которое преобразует химическую энергию водорода в электрическую (процесс, обратный электролизу) с достаточно высоким КПД. Институт катализа СО РАН сотрудничает с российскими производителями топливных элементов — ГК «ИнЭнерджи» и Институтом проблем химической физики РАН, где были разработаны и созданы сверхлегкие топливные элементы для беспилотных летательных аппаратов.
В настоящее время там ведутся разработки более крупных топливных элементов для автомобильных передвижных платформ. Рынок топливных элементов еще только формируется, поскольку область их применения постоянно растет. Появляются новые возможности в разработке — осваивается новый экономический сектор. Вопросы могут быть самые разные — например, обеспечение дальних трасс или камер видеонаблюдения источниками связи или возможность установки автономных вышек сотовой связи. Источники водородной энергии всегда работают как тандем «топливный элемент на водороде плюс аккумулятор». Аккумулятор способен сглаживать пиковые нагрузки, а топливный элемент обеспечивает длительную выработку электроэнергии.
Сегодня в мире на топливных элементах работают тысячи небольших энергоустановок. В США, Японии и некоторых странах Европы они уже около 30 лет снабжают водородной энергией небольшие частные поселки, большие и удаленные от города супермаркеты или промышленные объекты. В отличие от дизель-генераторов это намного более бесшумные системы, так что их широко используют как запасные источники энергии в случае сбоев в работе основного источника энергообеспечения.
Сколько стоит чистый воздух
В качестве грантового финансирования на развитие индустрии водородной энергетики некоторые страны ЕС ежегодно выделяют сотни миллионов евро, США — сотни миллионов долларов. Совокупные вложения Европы и США в эту отрасль исчисляются миллиардами. Сейчас многие компании во всем мире делают попытки использовать источники энергии на топливных элементах в самых разных областях. В ближайшие десятилетия может измениться сама концепция человеческого энергопотребления.
В России развитие топливных элементов исторически связано с космическими программами в середине ХХ века. Щелочные топливные элементы использовались во многих космических проектах, где требовались автономные энергоустановки.
В 2020 году правительство России утвердило энергетическую стратегию Российской Федерации на период до 2035 года и ключевые меры развития водородной энергетики. В этом же году был создан консорциум по водородной энергетике, куда вошли ведущие научные институты: Томский политехнический университет, Институт катализа СО РАН, Институт проблем химической физики РАН, Институт нефтехимического синтеза РАН, Самарский государственный политехнический университет и Сахалинский государственный университет.
В программе развития водородной энергетики РФ намечено создание водородных кластеров и пилотных проектов по производству и экспорту водорода. Планируется развитие первых коммерческих проектов производства водорода. Сегодня в РФ появляются отдельные пилотные проекты с использованием водородной энергетики, но до массового внедрения пока не дошло: скорее производители демонстрируют свою готовность к реализации подобных проектов в случае выделения финансирования со стороны, например, госкорпораций. Так, в конце 2019 года в Санкт-Петербурге был запущен трамвай на водородном топливе, а ОАО «Газпром» и ОАО «РЖД» в качестве пилотного проекта обсуждают возможность запуска поезда на Сахалине на топливных водородных элементах.
Электричество из лужи, или Как получить энергию из воды — Энергетика и промышленность России — № 19 (327) октябрь 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU
Газета «Энергетика и промышленность России» | № 19 (327) октябрь 2017 года
Без еды человек может прожить от четырех до шести недель, а вот без воды – не более трех дней.
Впрочем, не только человек, все живое нуждается в воде.Однако именно человек пошел дальше всех, ведь людям вода нужна не только для поддержания жизни, приготовления пищи и гигиены, но и для многого другого. Воду мы используем и в быту, и на производстве. И вот теперь человечество всерьез задумалось о том, чтобы добывать из воды энергию!
Конечно, человек давно уже умеет добывать энергию с помощью воды, для чего служит огромное количество гидроэлектростанций, построенных по всему миру. Однако можно ли добывать энергию прямо из воды?
Невозможное возможно?
В принципе, современная физика к подобному относится с изрядным скепсисом. Ведь, в соответствии с фундаментальными физическими законами, нет способа извлекать химическую энергию из воды. У воды отрицательная энтальпия образования, следовательно, для разделения ее на элементы требуется затратить энергию. Не существует соединений кислорода и водорода с большей негативной энтальпией образования, за счет которой мог бы быть получен избыток энергии.
Поэтому многие изобретатели, которые заявляли, что научились добывать энергию непосредственно из воды, получали клеймо мошенников.Однако изобретателей это не останавливает, и раз за разом ученые пытаются добиться невозможного. Вот и опять не так давно была опубликована информация о том, что ученые разработали технологию, благодаря которой из воды стало возможно получать экологически чистую энергию. Якобы этого добился профессор Массачусетского технологического института Дэниэл Носер.
Прототип получил название Sun Catalytix. Для извлечения водорода из воды устройство использует солнечную энергию. Специальный солнечный элемент помещается в сосуд с водой. При попадании на него света образуются пузырьки водорода. Процесс получения дешевой энергии из воды полностью обратим. При помощи солнечного света происходит разложение воды на водород и кислород. Получаемый кислород впоследствии используется при горении водорода. Конечным продуктом горения снова является вода. Получается такой себе «круговорот воды в природе» в пределах энергетической установки. По сути, солнечная энергия преобразуется в удобную для использования форму посредством воды.
Разработчики уверены, что их изобретение сможет применяться не только для обеспечения энергией отдельных домов и учреждений, но даже в транспортных средствах. Их уверенность была подкреплена грантом в размере 4 млн долл. от Агентства исследований в области энергетики и индийского машиностроительного гиганта Tata. Была даже создана «Sun Catalytix Corporation».
По словам разработчиков, их технология обеспечит источниками бесплатной энергии как жилые дома, так и другие объекты в странах третьего мира. Сюда включаются и транспортные решения, и промышленные предприятия и т. д.
Единственное, что смущает в этой «новости» – датирована она 2011 г., а Google даже утверждает, что «по их данным, компания Sun Catalytix Corporation закрыта навсегда».
Топливо из воды
Так что же получается? Неужели физика права, и вода не сможет нам помочь в деле производства энергии? Возможно, это и так, но из воды можно получить топливо.
Например, водород. Сейчас водород получают, главным образом, из природного газа методом каталитической конверсии с водяным паром. Пока это самый дешевый способ, но в конечном итоге такой путь ведет в тупик, ведь запасы газа рано или поздно тоже закончатся. Неиссякаемым источником водорода может служить вода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, – за счет энергии воды, ветра, солнца.Еще в 1935 г. Чарльз Гаррет продемонстрировал «в течение нескольких минут» работу «водяного автомобиля». Как можно увидеть из патента Гаррета, оформленного в том же году, для генерации водорода применялся электролиз. Повторить успех Гаррета пытались и другие изобретатели. Конечно, в этом деле тоже не все так просто. И многие изобретатели, заявлявшие, что добились в вопросе получения топлива из воды существенного прогресса, также оказались мошенниками.
Например, в 2002 г. Genesis World Energy анонсировала готовое к продвижению на рынок устройство, которое извлекало бы энергию из воды путем ее разложения на водород и кислород. Увы, в 2006 г. Патрик Келли, собственник GWE, был приговорен в Нью-Джерси к пяти годам тюрьмы за кражу и выплате возмещений в размере 400 тыс. долл.
Другой изобретатель, Дэниэл Дингел, заявлял, что разработал технологию, позволяющую использовать воду в качестве топлива. В 2000 г. Дингел стал бизнес-партнером компании Formosa Plastics Group с целью дальнейшего развития технологии. Но в 2008-м компания подала на изобретателя иск за мошенничество, и 82‑летний Дингел был приговорен к 20 годам тюрьмы.
В том же 2008 г. СМИ Шри-Ланки сообщили о некоем гражданине этой страны по имени Тушара Приямал Эдиризинге, который утверждал, что проехал около 300 км на «водяном автомобиле», потратив 3 литра воды. Тушара продемонстрировал свою технологию премьер-министру Ратнасири Викреманаяке, который пообещал всемерную правительственную поддержку его усилий по продвижению водяного автомобиля на рынок Шри-Ланки.
Однако несколько месяцев спустя Тушара был арестован по обвинению в мошенничестве.
Шанс все же есть
Вместе с тем, ошибочно думать, что все, кто занимается проблемой получения топлива из воды, – мошенники. Например, авторитетный ученый Джеффри Хьюитт даже стал лауреатом премии «Глобальная энергия» в 2007 г. за идею производства топлива на основе энергии воды. К сожалению, сам ученый считает, что подобные методы добычи топлива еще долго останутся недоступными для будничного использования в связи с их высокой стоимостью. По его мнению, стоимость такой энергии безумно велика, и время, когда экологичные виды топлива можно будет использовать в повседневной жизни, настанет еще не скоро. Так что пока энергия из воды – не конкурент традиционной энергетики. Однако ученый уверен, что эту отрасль энергетики необходимо активно развивать, так как применение, например, водородного сырья может повысить коэффициент полезного действия электростанций до 85 % с текущего уровня в 50 %. И в будущем новое горючее способно заменить все существующие ныне ресурсы.
Так что ученые не зря бьются над этой проблемой. Возможно, в скором времени это принесет свои плоды. Например, в марте этого года пришло сообщение, что в процессе лабораторных исследований ученые из Калифорнийского университета научились создавать топливо из воды. Над созданием альтернативного вида топлива американские специалисты начали работу еще два года назад. На протяжении этого времени ученые обнаружили, что при правильном расщеплении молекул воды получается горючее, которое в будущем способно заменить все существующие ныне ресурсы. Полученный результат не до конца удовлетворил ученых, поэтому исследовательская работа еще продолжается.
Новый метод, который разработали специалисты, способен расщеплять воду на несколько молекул. При правильном синтезе водорода возникают процессы, которые присущи топливу. Однако существует основная проблема, решением которой занимаются ученые. Дело в том, что расщепленные молекулы подвергаются стремительному разрушению, в результате чего синтезировать все элементы не представляется возможным.
На сегодняшний день ученые работают над созданием метода, который бы позволил использовать все полученные элементы. Конечно, это вновь может оказаться уткой, но возможно что и нет. И если результаты научной работы окажутся положительными, то человечество получит новый альтернативный вид топлива, ресурсы которого будут неограниченными.
Как ученым удалось получить кислород на Марсе
Аппарат MOXIE (Фото: NASA / JPL-Caltech)
Марсоход Perseverance, находящийся на Марсе с июля 2020 года, смог впервые добыть кислород из атмосферы планеты.
Разбираемся, что это событие значит для будущих космических путешествий
Атмосфера Марса существенно отличается от земной — она куда менее плотная и почти на 96% состоит из углекислого газа, следовательно, дышать марсианским воздухом люди не смогут. Тем не менее, последние новости доказывают, что кислород на Марсе добыть все-таки возможно. Рассказываем, как удалось получить кислород и приближает ли нас это к путешествию на Красную планету.
Как удалось получить кислород?
Перед отправкой на Марс, робот Perseverance снабдили семью научными разработками, направленными на изучение планеты, но сейчас все внимание направлено на девайс под названием MOXIE.
MOXIE — это целая экспериментальная система, направленная на утилизацию и переработку местных ресурсов, в данном случае — в кислород. Другими словами, MOXIE создает кислород по принципу деревьев — вдыхает углекислый газ, а выдыхает кислород.
Но процесс переработки включает в себя много деталей, а атмосфера Марса более «тонкая», чем у Земли и на 96% состоит из углекислого газа. Сначала MOXIE втягивает в себя марсианский «воздух» специальным насосом, затем с помощью электрохимического процесса отделяет один атом кислорода от каждой молекулы углекислого газа. Для такой конверсии требуются высокие температуры — около 800 °C, поэтому система оборудована термостойкими материалами, а поверхность и вовсе покрыта тонким слоем золота, который отлично отражает инфракрасные лучи и не позволяет высоким температурам повредить другие части Perseverance. Пока газы проходят через систему, MOXIE анализирует, сколько кислорода произведено, насколько он чистый и как эффективно работает сам аппарат. После каждого теста все газы вентилируются обратно в атмосферу Марса.
Внутреннее устройство MOXIE (Фото: NASA / JPL-Caltech)
Теперь мы можем дышать кислородом, созданным на Марсе?
Не совсем.
Дело в том, что сам MOXIE является экспериментальным прототипом размером с тостер, встроенным в Perseverance, а не полноценной отдельной системой. Конкретно этот аппарат не сможет выработать достаточно кислорода для длительной миссии: за год работы на поверхности Марса четырем астронавтам понадобится примерно 1 т кислорода, а в свой первый заход MOXIE произвел, даже по мнению NASA, довольно скромную массу — около 5 г, чего хватит на 10 минут дыхания одного человека. Но нынешний прототип и не рассчитан на большие объемы, главная цель ученых — посмотреть, справится ли он с основным техзаданием, а именно — минимум десять раз произвести около 6 г кислорода 98%-чистоты за час.
Первый запуск прошел вполне успешно, но дальше MOXIE ждут более сложные задачи. Поскольку в будущем полноценной системе придется работать при любых погодных условиях Марса, следующие девять тестовых циклов MOXIE пройдут в разное время суток, различных температурных режимах и, если удастся, даже во время пылевых бурь, которые могут быть очень опасны не только для будущих астронавтов, но и для роботов: в 2019 году из-за гигантской бури марсоход Opportunity перестал выходить на связь, и NASA была вынуждена завершить миссию.
Пылевая буря на Марсе, 2001 год (Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS)
Что это даст космическим экспедициям?
По сути, речь идет о реальной возможности не только отправить, но и вернуть астронавтов домой с Марса. Конечно, кислород нужен самому экипажу, но научный руководитель проекта MOXIE Майкл Хэтч считает это лишь приятным бонусом, а главной целью — обеспечение достаточным количеством кислорода ракеты, чтобы произвести запуск с поверхности планеты. Чтобы сжечь топливо во время запуска, космическому кораблю понадобится около 25 т кислорода.
Везти такой объем с Земли на Марс очень дорого и небезопасно.
Поэтому успех маленького MOXIE показал ученым самое главное — технология работает, а значит пилотируемая экспедиция NASA на Марс к 2030 году становится все более реальной. Разработки нового прототипа уже ведутся, и в ближайшем будущем обновленный MOXIE будет почти как сам Perseverance — весом около 1 т, размером чуть больше бытовой печки, а вырабатывать аппарат станет уже тонны кислорода.
Еще одно важное последствие успеха MOXIE — шаг в сторону усовершенствования систем утилизации и переработки местных ресурсов. В будущем такие устройства смогут производить из внеземных продуктов не только кислород, но и, например, питьевую воду, строительные материалы, топливо для ракет, гигиенические продукты и даже создавать условия для выращивания растений. Это значит, что люди, находящиеся на других планетах, не будут зависеть от земных ресурсов, а смогут получать все необходимое самостоятельно на других планетах, что критически важно для длительных космических миссий.
NASA рассчитывает продемонстрировать и протестировать перед экспедицией на Марс такие технологии во время миссии на Луну «Артемис» в 2024 году — в рамках программы Lunar Surface Innovation Initiative планируется создавать продукты, используя лунные материалы — например, конвертировать лед на Луне в питьевую воду.
Существуют другие способы получить кислород на Марсе?
Альтернативные подходы есть — например, ученые из Государственного исследовательского университета Северной Каролины предполагают, что кислород можно будет получать из растений, выращенных непосредственно на Марсе. Уже ведутся работы по созданию таких растений, которые смогут выжить в условиях Красной планеты. В основе лежит идея совместить особенности микроорганизмов экстремофилов, которые могут жить в самых неблагоприятных условиях на Земле, с растениями. Для этого используется техника генетического разделения — необходимые гены отделяются от экстремофилов и внедряются в растения. Но даже такие гибриды невозможно посадить в саму почву Марса, но предположительно, удастся вырастить в теплице на марсианской базе, хотя и там условия все равно будут далеки от земных.
Если эксперимент пройдет успешно, и гибриды приживутся на Марсе, они смогут обеспечить астронавтов кислородом, едой и даже лекарствами.
Фото: North Carolina State University
Другой возможный способ получения кислорода на Марсе придумали ученые из Университета Вашингтона в Сент-Луисе: профессор Виджей Рамани и его команда предлагают использовать для этого соленые озера под поверхностью Марса. В 2020 году сеть соленых озер была обнаружена под ледниками на Южном полюсе планеты — из-за высокой концентрации соли снижается точка замерзания, и вода может находиться в жидкой форме.
Методика, над которой работает Рамани, предполагает забор воды из таких озер и ее электролиз — разделение на водород и кислород. Ученые рассчитывают, что через 10-15 лет их разработки могут дополнить MOXIE и другие системы переработки ресурсов.
Полярная шапка Марса (Фото: NASA / JPL-Caltech / MSSS)
Тестовое оборудование для установок по производству водорода электролизом воды
Водород является уникальным энергоносителем, обладающим высокими эксплуатационными и технологическими показателями.
Он имеет очень высокой теплоту сгорания, а продуктом горения в кислороде является вода, которая может вновь использоваться для получения водорода. Низкая вязкость и плотность газа позволяют практически без потерь давления транспортировать его по трубопроводам. Водород может транспортироваться и храниться как в газообразном, так и сжиженном состоянии. А кроме того он безопасен для окружающей среды и не токсичен.
Однако в чистом виде водород в природе не встречается. Существует целый ряд методов его получения. Разнообразие этих методов — одно из преимуществ водородной энергетики. Нет сильной зависимости от какого-либо отдельного вида сырья.
Наиболее распространенным способом получения водорода является паровая конверсия посредством реакции углеводородов (природный газ) с паром при высоких температурах. При этом в качестве побочного продукта выделяются парниковые газы, выброс которых в настоящее время стараются минимизировать. Другой способ производства водорода – электролиз воды.
Здесь отсутствуют вредные выбросы. А цена и эффективность процесса электролиза сопоставима с технологией паровой конверсии.
В электролизере под воздействием подаваемого напряжения вода разделяется на водород и кислород. Для получения более чистого водорода оба газа должны быть отделены друг от друга разделительной мембраной. При создании электролизеров стоит задача определения характеристик пропускания таких мембран. Испытательное оборудование должно обеспечивать точную подачу чистых водорода и кислорода, а измерять расход и состав прошедшего через мембрану газа.
Специалистами Bronkhorst было предложено следующее решение. Подача кислорода к испытуемой мембране осуществлялась кориолисовым регулятором массового расхода серии miniCORI-FLOW, а водорода – тепловым регулятором расхода серии EL-FLOW Prestige. Часть подаваемого газа, которая проходит через мембрану, поступает в трехходовой кран. В одном положении крана можно измерять расход прошедшего газа с помощью теплового расходомера EL-FLOW Prestige.
В другом – состав газа с помощью двойного датчика водород/кислород. Особенность использованного датчика состояла в том, что для его работы требовался определенный расход газа.
Высокая точность и стабильность поддержания расхода использованными расходомерами позволила с успехом решить поставленную задачу. Позже было принято решение об установке четвертого расходомера для измерения части подаваемого газа, не прошедшего через мембрану и имеющего высокую концентрацию кислорода. Выбор был сделан в пользу кориолисового расходомера серии miniCORI-FLOW.
Метод получения кислорода из воды в условиях невесомости вселяет надежду на дальние космические путешествия
Следующее эссе перепечатано с разрешения The Conversation, онлайн-публикации, посвященной последним исследованиям.
Космические агентства и частные компании уже разработали планы по отправке людей на Марс в ближайшие несколько лет — окончательной его колонизации.
А с ростом числа открытий планет, похожих на Землю, вокруг ближайших звезд, дальние космические путешествия никогда не казались более захватывающими.
Однако людям нелегко выжить в космосе в течение длительного периода времени. Одна из основных проблем, связанных с космическими полетами на большие расстояния, — это транспортировка достаточного количества кислорода, чтобы астронавты могли дышать, и достаточного количества топлива для питания сложной электроники. К сожалению, в космосе очень мало кислорода, а большие расстояния затрудняют быстрое пополнение запасов.
Но теперь новое исследование, опубликованное в Nature Communications, показывает, что можно производить водород (в качестве топлива) и кислород (для жизни) только из воды, используя полупроводниковый материал и солнечный свет (или звездный свет) в условиях невесомости, обеспечивая устойчивый космические путешествия реальная возможность.
Использование неограниченных ресурсов солнца для питания нашей повседневной жизни — одна из самых больших проблем на Земле.
Поскольку мы постепенно уходим от нефти к возобновляемым источникам энергии, исследователей интересует возможность использования водорода в качестве топлива. Лучший способ сделать это — расщепить воду (h3O) на составляющие: водород и кислород. Это возможно с помощью процесса, известного как электролиз, который включает пропускание тока через образец воды, содержащий некоторое количество растворимого электролита.Это расщепляет воду на кислород и водород, которые отдельно выделяются двумя электродами.
Хотя этот метод технически возможен, он еще не стал легкодоступным на Земле, поскольку нам нужно больше инфраструктуры, связанной с водородом, такой как станции заправки водорода, для его масштабирования.
Солнечная энергия
Водород и кислород, полученные таким образом из воды, также можно использовать в качестве топлива на космических кораблях. На самом деле запуск ракеты с водой был бы намного безопаснее, чем запуск ее с дополнительным ракетным топливом и кислородом на борту, который может быть взрывоопасным.
Оказавшись в космосе, специальная технология могла бы разделить воду на водород и кислород, которые, в свою очередь, можно было бы использовать для поддержания жизни или для питания электроники через топливные элементы.
Для этого есть два варианта. Один из них включает в себя электролиз, как мы делаем на Земле, с использованием электролитов и солнечных элементов для захвата солнечного света и преобразования его в ток.
Альтернативой является использование «фотокатализаторов», которые работают за счет поглощения световых частиц — фотонов — полупроводниковым материалом, помещенным в воду.Энергия фотона поглощается электроном в материале, который затем подпрыгивает, оставляя дыру. Свободный электрон может реагировать с протонами (которые вместе с нейтронами составляют атомное ядро) в воде с образованием водорода. Между тем дыра может поглощать электроны из воды с образованием протонов и кислорода.
Процесс также можно обратить. Водород и кислород можно собрать вместе или «рекомбинировать», используя топливный элемент, возвращающий солнечную энергию, полученную в результате «фотокатализа» — энергию, которая может использоваться для питания электроники.
В результате рекомбинации в качестве продукта образуется только вода, то есть вода также может быть переработана. Это ключ к дальним космическим путешествиям.
Процесс с использованием фотокатализаторов — лучший вариант для космических путешествий, поскольку оборудование весит намного меньше, чем то, которое необходимо для электролиза. По идее должно работать легко. Отчасти это связано с тем, что интенсивность солнечного света намного выше, поскольку атмосфера Земли не поглощает большие количества на своем пути к поверхности.
Управление пузырьками
В новом исследовании исследователи сбросили всю экспериментальную установку для фотокатализа на 120-метровую башню, создав среду, похожую на микрогравитацию.По мере того, как объекты ускоряются к Земле в свободном падении, влияние гравитации уменьшается, поскольку силы, действующие под действием гравитации, компенсируются равными и противоположными силами из-за ускорения. Это противоположно силам G, которые испытывают космонавты и летчики-истребители, когда они ускоряются в своих самолетах.
Исследователям удалось показать, что расщепление воды в этой среде действительно возможно. Однако, когда вода расщепляется для образования газа, образуются пузырьки. Важно избавиться от пузырьков из однажды образовавшегося материала катализатора — пузырьки препятствуют процессу образования газа.На Земле гравитация заставляет пузыри автоматически всплывать на поверхность (вода у поверхности более плотная, чем пузыри, что делает их буйонантными), освобождая пространство на катализаторе для образования следующего пузыря.
В условиях невесомости это невозможно, и пузырек останется на катализаторе или рядом с ним. Однако ученые скорректировали форму наноразмерных элементов катализатора, создав зоны пирамидальной формы, в которых пузырек мог легко отделиться от наконечника и улететь в среду.
Но остается одна проблема. В отсутствие силы тяжести пузырьки останутся в жидкости, даже если они были оттеснены от самого катализатора. Гравитация позволяет газам легко выходить из жидкости, что имеет решающее значение для использования чистого водорода и кислорода.
Без силы тяжести пузырьки газа не всплывают на поверхность и не отделяются от смеси — вместо этого весь газ остается для образования пены.
Это резко снижает эффективность процесса из-за блокировки катализаторов или электродов.Технические решения этой проблемы будут ключом к успешному внедрению технологий в космос. Одна из возможностей заключается в использовании центробежных сил, возникающих при вращении космического корабля, для отделения газов от раствора.
Тем не менее, благодаря этому новому исследованию мы на шаг приблизились к длительным полетам человека в космос.
Эта статья изначально была опубликована на сайте The Conversation. Прочтите оригинальную статью.
Почему люди не могут дышать под водой?
Одна вещь о химических веществах заключается в том, что, реагируя определенным образом, они образуют соединения, которые не имеют ничего общего с исходными элементами.Например, если вы взаимодействуете вместе углерод, водород и кислород одним способом, вы получите глюкозу (C6h22O6) (см.
Как работает еда). Если вы отреагируете на них по-другому, вы получите уксус (C2h5O2). Если вы отреагируете на них иначе, вы станете толстым (см. Как работает жир). Если вы отреагируете на них по-другому, вы получите этанол (C2H5OH). Глюкоза, жир, этанол и уксус не похожи друг на друга, но все они сделаны из одних и тех же элементов.
В случае водорода и газообразного кислорода, если вы прореагируете вместе одним способом, вы получите жидкую воду (h3O).Причина, по которой мы не можем дышать жидкой водой, заключается в том, что кислород, используемый для создания воды, связан с двумя атомами водорода, и мы не можем дышать полученной жидкостью. В этой форме кислород бесполезен для наших легких.
Кислород, которым дышат рыбы, не является кислородом в h3O. Вместо этого рыба вдыхает кислород (газообразный кислород), растворенный в воде. Многие разные газы растворяются в жидкостях, и мы постоянно видим пример в газированных напитках. В этих напитках содержится столько углекислого газа, растворенного в воде, что он выбрасывается в виде пузырьков.
Рыбы «выдыхают» растворенный кислород из воды с помощью своих жабр . Оказывается, добыть кислород непросто — в воздухе примерно в 20 раз больше кислорода, чем в том же объеме воды. Кроме того, вода намного тяжелее и гуще воздуха, поэтому для ее перемещения требуется гораздо больше усилий. Основная причина, по которой у рыб работают жабры, заключается в том, что они хладнокровны, что снижает их потребность в кислороде. Теплокровные животные, такие как киты, дышат воздухом, как люди, потому что было бы трудно извлечь достаточное количество кислорода с помощью жабр.
Люди не могут дышать под водой, потому что наши легкие не имеют достаточной площади поверхности для поглощения достаточного количества кислорода из воды, а внутренняя оболочка наших легких приспособлена для работы с воздухом, а не с водой. Однако были эксперименты с людьми, дышащими другими жидкостями, такими как фторуглероды. Фторуглероды могут растворять достаточное количество кислорода, и наши легкие могут вытягивать кислород — см.
Последнюю ссылку ниже, чтобы узнать некоторые интересные подробности!
Вот несколько интересных ссылок:
Студент утверждает, что создал рабочие искусственные жабры | Инновация
Загадочная концепция под кодовым названием «Тритон» представляет собой небольшой мундштук, предназначенный для механического захвата кислородного газа, присутствующего в воде, и его хранения в резервуаре со сжатым воздухом.Чжэбюн ЁнИз всех атрибутов, которые отделяют людей от рыб, способность дышать под водой вызывает у нас, обитателей суши, большую зависть. Так что на прошлой неделе трудно не волноваться из-за слухов о том, что корейский студент-дизайнер, возможно, придумал план носимого устройства, которое может извлекать достаточное количество воздуха из морской воды, позволяя практически любому дышать, как рыба.
Это замечательное заявление, учитывая, что еще никто не придумал ничего похожего на настоящие «искусственные жабры».Загадочная концепция под кодовым названием «Тритон» представлена в виде небольшого мундштука, напоминающего «ребризер», который Джеймс Бонд использует в Thunderball (1965) и Die Another Day (2002).
Он предназначен для механического захвата газообразного кислорода, присутствующего в воде, и его хранения в резервуаре со сжатым воздухом. Как описывает на своем веб-сайте создатель Джеабьюн Ён, вода фильтруется с помощью пары жабр цилиндрической формы, в которых расположены тонкие нити с «отверстиями меньше, чем молекулы воды». Встроенный микрокомпрессор, работающий от миниатюрной батареи с возможностью быстрой зарядки, затем конденсирует кислород, делая его доступным при вдыхании.
С тех пор вмешались несколько скептиков, указав на определенные технологические проблемы, которые в конечном итоге сделают идею Ён, как она подробно описана, от неправдоподобной до смехотворно надуманной. Чтобы понять, почему искусственные жабры до сих пор были не чем иным, как несбыточной мечтой, нужно понять некоторые внутренние биологические различия между человеком и плавниковым морским существом. Во-первых, и это наиболее очевидно, у рыб есть жабры, которые эволюционировали, чтобы поглощать кислород и не пропускать отходящие газы; дыхательные системы человека способны получать кислород из воздуха.
Рыбы также хладнокровны, а это значит, что им требуется гораздо меньше энергии. Эта адаптация важна, поскольку концентрация растворенного кислорода в воде мала, примерно в 20 раз меньше, чем в том же объеме воздуха.
В блоге ZidBits объясняется, что искусственные жабры должны быть огромными, чтобы обеспечивать человека достаточным количеством кислорода:
Эта проблема усугубляется тем, что морская вода содержит всего 7 частей на миллион кислорода. В результате такой низкой концентрации 1000 тонн морской воды содержат всего 14 фунтов.O2. Так как среднему дайверу требуется 1 литр кислорода в минуту, вам потребуется 51 галлон морской воды в минуту , чтобы пройти через «жабры».
Блог DeepSeaNews раскритиковал технологию Ён, оценив, что даже на низком уровне такая система должна перекачивать и извлекать кислород из примерно 24 галлонов воды за каждую минуту, проведенную под водой. Более того, вдыхание чистого кислорода, отфильтрованного из воды, может быть очень токсичным.
Хотя 20 процентов воздуха состоит из кислорода, ученые обнаружили, что вдыхаемый воздух, состоящий на 100 процентов из кислорода, может вызывать такие симптомы, как помутнение зрения, припадки и судороги из-за накопления жидкости в легких.
Тем не менее, эти проблемы не помешали другим попыткам избавиться от герметичных резервуаров для подводного плавания. Израильский изобретатель Алон Боднер разработал прототип с батарейным питанием, в котором используется высокоскоростная центрифуга для снижения давления захваченной морской воды, которое заставляет кислород пузыриться и уходить в отдельную камеру, почти так же, как углекислый газ выделяется при выбросе углекислого газа. открывая банку с газировкой. Недостатком является то, что устройство, получившее название «LikeAFish», требует для работы мощного (и, вероятно, тяжелого) источника питания.
Другой, более экзотический подход ученых из Университета Ноттингем Трент в Англии был вдохновлен большим ныряющим жуком, насекомым с анатомическими особенностями, которые позволяют ему выжить под водой.
Крошечные волоски, расположенные на его брюшке, удерживают воздушный карман между его дыхательным отверстием и окружающей водой. Этот защитный слой воздуха также действует как фильтр, позволяя газам кислорода, заблокированным в воде, проходить внутрь, а углекислому газу диффундировать наружу. В одном эксперименте исследователи смогли в некоторой степени имитировать этот эффект, используя материал «пористая пена с супер-водоотталкивающими свойствами», обернутый вокруг устройства для вдыхания кислорода.
Но, как бы вы это ни описали, похоже, что пройдет некоторое время, прежде чем человек сможет слиться с рыбами.
Тело Океаны Плавание Технические часыРекомендованные видео
растворенного кислорода | Программа Чесапикского залива
vimeo.com/video/15851381?title=0&byline=0&portrait=0″/>
Растворенный кислород (DO) — это количество кислорода, которое присутствует в воде.Он измеряется в миллиграммах на литр (мг / л) — количестве миллиграммов кислорода, растворенного в литре воды.
Почему растворенный кислород важен?
Как и люди, все живые существа Чесапикского залива — от рыб и крабов, которые плавают в его водах до червей, зарывающихся в его илистое дно, — нуждаются в кислороде, чтобы выжить.
Люди используют свои легкие, чтобы вдыхать кислород из воздуха. Но черви, рыбы, крабы и другие подводные животные используют жабры для получения кислорода из воды.Когда вода движется по жабрам животного, кислород удаляется и попадает в кровь.
Жабры работают лучше, когда в окружающей воде больше кислорода. По мере снижения уровня растворенного кислорода животным становится все труднее получать кислород, необходимый им для выживания.
Сколько растворенного кислорода нужно животным?
Ученые в целом согласны с тем, что обитателям залива необходима концентрация растворенного кислорода 5,0 мг / л или более для жизни и процветания.
Однако количество кислорода, в котором нуждается животное, варьируется в зависимости от размера или сложности животного и от того, где оно живет.
- Черви и моллюски, обитающие на илистом дне залива, где уровень кислорода естественно низкий, нуждаются в концентрации растворенного кислорода не менее 1 мг / л.
- Рыбы, крабы и устрицы, которые живут или кормятся на дне, требуют концентрации растворенного кислорода 3 мг / л или более.
- Нересту перелетным рыбам, их икре и личинкам необходимо до 6 мг / л на этих чувствительных этапах жизни.
Чтобы увидеть уровни растворенного кислорода в Чесапикском заливе, посетите Eyes on the Bay (для вод Мэриленда) или Систему наблюдений за устьем и прибрежными районами Вирджинии (для вод Вирджинии).
Как кислород попадает в воду?
Кислород может попасть в воду несколькими способами:
- Кислород из атмосферы растворяется и смешивается с поверхностью воды.
- Водоросли и подводные травы выделяют кислород во время фотосинтеза.
- Вода поступает в залив из ручьев, рек и океана. В океанских водах обычно больше кислорода. Речные воды стремительны, что способствует подмешиванию кислорода из воздуха.
Как образуются участки с низким содержанием кислорода?
Гипоксические или бедные кислородом области — это регионы с менее чем 2 мг / л растворенного кислорода.Бескислородные или бескислородные области — это регионы с менее 0,2 мг / л растворенного кислорода. Эти области часто называют «мертвыми зонами», потому что большинство животных не могут там выжить. Области в заливе с низким уровнем растворенного кислорода являются результатом сложного взаимодействия нескольких природных и антропогенных факторов, включая температуру, загрязнение питательными веществами, водные потоки и форму дна залива.
Высокие температуры
Температура ограничивает количество кислорода, который может растворяться в воде: вода может удерживать больше кислорода зимой, чем в жаркие летние месяцы.
Однако даже при самых высоких температурах, наблюдаемых в заливе (около 91 градуса по Фаренгейту), вода способна иметь концентрацию растворенного кислорода от 6 до 7 мг / л. Таким образом, хотя высокие температуры могут влиять на уровень растворенного кислорода, температура — не единственная причина того, что каждое лето в заливе обнаруживаются области с низким содержанием кислорода.
Загрязнение питательными веществами
Избыток питательных веществ в воде (известный как эвтрофикация) может способствовать росту цветения водорослей. Устрицы, менхаден и другие фильтраторы съедают часть лишних водорослей, но большая их часть не попадает в употребление.Оставшиеся водоросли погибают и опускаются на дно залива, где их разлагают бактерии. Во время этого процесса бактерии потребляют кислород до тех пор, пока в придонных водах не остается совсем мало или совсем ничего.
Поток воды
Разделение воды, вытекающей из океана и пресноводных рек и ручьев залива, также может влиять на уровень растворенного кислорода.
Вода, текущая из океана, обычно более соленая и прохладная, а речная вода более теплая и свежая. Из-за этих различий речная вода весит меньше воды океана и плавает на ней, хотя ветер и другие сильные перемешивающие силы могут изменить эту картину.
Граница, где слой пресной воды встречается с нижним слоем соленой воды, называется пикноклином. Пикноклин действует как физический барьер, препятствующий смешиванию двух слоев. Летом, когда бактерии, потребляющие водоросли, наиболее активны, пикноклин отделяет бедные кислородом придонные воды от богатых кислородом поверхностных вод. Это может создать большие области с низким или нулевым содержанием кислорода на дне залива.
Форма дна бухты
Дно залива не плоское, а скорее мелкое и глубокое.В определенных чашеобразных областях на дне залива пикноклин может действовать как «крышка», которая закрывает придонные воды от поступления кислорода. Это явление часто происходит каждое лето в:
.- Середина центральной части залива, от моста через залив на юг до устья реки Потомак,
- Нижнее течение рек Честер, Потомак и Раппаханнок, и
- Нижняя часть Восточной бухты, недалеко от острова Кент.
Ресурсы для преподавателей: Позвоночные, дышащие в воде
© Марк Дж.Thomas / Dembinsky Photo Associates
Рыбы — одни из немногих позвоночных, способных дышать под водой. Как и людям, рыбам для выживания нужен кислород, но вода содержит гораздо меньше кислорода, чем равный объем воздуха. Кислород, которым дышат рыбы, — это не кислород, который химически соединяется с водородом с образованием молекул воды, а кислород из воздуха, растворенный в воде.Чтобы извлечь небольшое количество кислорода, растворенного в морской воде, рыба должна проталкивать большие объемы воды через свои жабры.
Жабры содержат множество волокон, каждая из которых имеет тысячи крошечных складок, называемых ламелями, которые значительно увеличивают площадь поверхности, контактирующей с водой.Растворенный кислород в морской воде проходит через тонкие мембраны в ламелях и попадает в кровь рыб, а углекислый газ выводится. Внутри пластинок кровь течет в направлении, противоположном движущейся воде — противоточная система, которая делает газообмен чрезвычайно эффективным. Около 75 процентов кислорода, проходящего через жабры, извлекается, что вдвое превышает процент кислорода, который наши легкие удаляют при вдохе воздуха.
Другие способы дыхания
Тарпон дополняет свое жаберное дыхание, используя свой газовый пузырь, как легкое.Тарпон на самом деле утонет, если он не может периодически подниматься на поверхность, чтобы глотать воздух.
У китов и других морских млекопитающих нет жабр. Вместо этого они выходят на поверхность, чтобы вдохнуть легкими воздух, богатый кислородом.
ОБЩИЙ MUDSKIPPER Periophthalmus kalolo
Грязевые прыгуны надолго вылезают из воды, неся запас воды в мешочке на жабрах.Как и большинство рыб, они могут дышать кислородом через кожу даже под водой.
Новая технология может получать кислород, топливо из соленой воды Марса — Источник
Когда дело доходит до воды и Марса, есть хорошие и не очень хорошие новости. Хорошие новости: на Марсе есть вода! Не очень хорошие новости?
На Марсе воды .
На Красной планете очень холодно; Незамерзшая вода почти наверняка полна соли марсианской почвы, что снижает ее температуру замерзания.
Нельзя пить соленую воду, и обычный метод с использованием электричества (электролиз) для разложения ее на кислород (для дыхания) и водород (для топлива) требует удаления соли — обременительное и дорогостоящее мероприятие в суровых и опасных условиях. .
Однако, если бы кислород и водород можно было извлекать непосредственно из соленой воды, этот процесс электролиза рассола был бы намного менее сложным и менее дорогостоящим.
Рамани Инженеры Инженерной школы Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе.Луи разработал систему, которая делает именно это.
Их исследование было опубликовано сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Исследовательская группа под руководством Виджая Рамани , Рома Б. и Раймонда Х. Витткоффа, заслуженного профессора факультета энергетики, окружающей среды и химической инженерии, не просто проверила свою систему электролиза рассола в типичных земных условиях; Система была исследована в смоделированной марсианской атмосфере при -33 ⁰F (-36 ⁰C).
«Наш марсианский электролизер солевого раствора радикально меняет логистический расчет миссий на Марс и за его пределы», — сказал Рамани. «Эта технология одинаково полезна на Земле, где она открывает океаны как жизнеспособный источник кислорода и топлива».
Летом 2008 года спускаемый аппарат НАСА Phoenix Mars « коснулся и попробовал » марсианской воды, испарений растаявшего льда, выкопанного спускаемым аппаратом. С тех пор Mars Express Европейского космического агентства обнаружил несколько подземных водоемов с водой, которые остаются в жидком состоянии благодаря присутствию перхлората магния — соли.
Чтобы жить — даже временно — на Марсе, не говоря уже о возвращении на Землю, астронавтам нужно будет производить на Красной планете некоторые предметы первой необходимости, включая воду и топливо. Марсоход НАСА Perseverance сейчас находится на пути к Марсу с инструментами, которые будут использовать высокотемпературный электролиз. Тем не менее, Марсианский эксперимент по использованию ресурсов кислорода на месте (MOXIE) будет производить кислород только из углекислого газа в воздухе.
«Наш марсианский электролизер солевого раствора радикально меняет логистический расчет миссий на Марс и за его пределами.”
Виджай Рамани
Система, разработанная в лаборатории Рамани, может производить в 25 раз больше кислорода, чем MOXIE, используя такое же количество энергии. Он также производит водород, который может быть использован для поездки космонавтов домой.
«Наш новый электролизер для рассола включает в себя анод из рутената свинца и пирохлора, разработанный нашей командой в сочетании с катодом из платины на угле», — сказал Рамани.
«Эти тщательно спроектированные компоненты в сочетании с оптимальным использованием традиционных принципов электрохимической инженерии обеспечили такую высокую производительность.”
Тщательная конструкция и уникальный анод позволяют системе работать без необходимости нагревания или очистки источника воды.
«Парадоксально, но растворенный в воде перхлорат, так называемые примеси, действительно помогает в такой среде, как Марс», — сказал Шрихари Санкарасубраманян, ученый-исследователь из группы Рамани и первый автор статьи.
«Они предотвращают замерзание воды, — сказал он, — а также улучшают производительность системы электролизера за счет снижения электрического сопротивления.”
Обычно в водных электролизерах используется деионизированная вода высокой степени очистки, что увеличивает стоимость системы. Система, которая может работать с «неоптимальной» или соленой водой, такая как технология, продемонстрированная командой Рамани, может значительно повысить экономическую ценность водных электролизеров повсюду — даже прямо здесь, на планете Земля.
«Продемонстрировав эти электролизеры в сложных марсианских условиях, мы намерены также развернуть их в гораздо более мягких условиях на Земле, чтобы использовать источники соленой или соленой воды для производства водорода и кислорода, например, путем электролиза морской воды», — сказал Пралай Гайен, докторант. научный сотрудник группы Рамани, а также первый автор этого исследования.
Такие приложения могут быть полезны в оборонной сфере, например, для создания кислорода по запросу на подводных лодках. Он также может обеспечивать кислородом, поскольку исследователи исследуют неизведанную среду ближе к дому, в глубоком море.
Технологии, лежащие в основе системы электролизера солевого раствора, являются предметом патентной регистрации Управления технологического менеджмента и доступны для лицензирования университетом.
Инженерная школа Маккелви Вашингтонского университета в Сент-Луисе.Луи продвигает независимые исследования и образование с упором на научное превосходство, инновации и сотрудничество без границ.
McKelvey Engineering имеет ведущие исследовательские и аспирантские программы на различных факультетах, особенно в области биомедицинской инженерии, экологической инженерии и вычислений, а также имеет одну из самых избирательных программ бакалавриата в стране. Имея 140 штатных преподавателей, 1387 студентов бакалавриата, 1448 аспирантов и 21000 ныне живущих выпускников, мы работаем над решением некоторых из самых серьезных проблем общества; подготовить студентов к тому, чтобы стать лидерами и внедрять инновации на протяжении всей своей карьеры; и стать катализатором экономического развития Санкт-Петербурга.Регион Луи и за его пределами. Кислород — самый распространенный элемент на Земле. Кислород существует как O 2 и O 3 (озон) и присутствует в ряде соединений, включая молекулы воды. Его можно найти растворенным в воде в виде молекул O 2 . Следовательно, содержание кислорода в морской воде составляет 85,7%. Газообразный кислород не реагирует с водой.Он растворим в воде и действует как окислитель: O 2 + 2 H 2 O + 4 e — -> 4 OH — Кислород может окислять органические вещества. Это в основном биологический процесс. Каждое отдельное соединение имеет механизм реакции, который можно описать с помощью электронного баланса. Примеры приведены ниже (H 2 O исключен): Fe 2+ + 0,25 O 2 -> Fe (OH) 3 + 2,5 H + Эти механизмы показывают, что аммоний и метан применяют большое количество кислорода, и в результате реакции окисления образуются большие или меньшие количества кислоты. Растворимость кислорода в воде при 25 o C и давлении = 1 бар соответствует 40 мг / л воды.В воздухе нормального состава парциальное давление кислорода составляет 0,2 атм. Это приводит к растворению 40 . 0,2 = 8 мг O 2 / л в воде, контактирующей с воздухом. Как было описано ранее, кислород растворяется естественным образом при контакте воды с воздухом. Кислород также применяется в коммерческих целях. Для промышленных целей элемент извлекается из воздуха примерно 100 млн тонн ежегодно. Из общего количества 55% применяется в производстве стали, 25% — в химической промышленности, а оставшаяся часть применяется в больницах, для запуска ракет и для резки металла. В химической промышленности применяется реакция кислорода и этилена, и образующийся оксид этилена применяется в качестве антифриза и полиэфира.Кислород очень реактивен, поэтому его можно использовать для разложения опасных веществ. Его также можно применять в качестве отбеливателя. Кислород в соединениях озона применяется для обеззараживания питьевой воды. При промышленном применении воды не загрязняются кислородом. Кислород окисляет другие вещества. Это происходит, например, во время пожаров, но также и внутри организмов, при уничтожении бактерий и превращении металлов. Общая концентрация кислорода в организме человека составляет около 60% от общей массы тела. Одна из причин, по которой можно удалить кислород из воды, заключается в том, что это может привести к коррозии водопроводных труб. Эту проблему могут решить различные физические и химические процессы, например, ионообменные смолы. Основным принципом этого метода является реакция водорода с кислородом: 2H 2 + O 2 -> 2H 2 O.Эта реакция может декатализироваться различными соединениями, вызывая ее самопроизвольное завершение. Ионные смолы с добавлением палладия могут снижать концентрацию кислорода в воде при наличии достаточного количества водорода. Гидразин — еще одно возможное восстанавливающее соединение, которое может применяться вместо водорода: O 2 + N 2 H 4 -> N 2 + 2 H 2 O. |
В нормальных условиях кислота в воде реагирует с HCO 3 — , образуя CO 2 . 
Микроорганизмы могут разлагать органические вещества в воде с помощью кислорода. Подача кислорода в единицу времени обозначается BOD (биохимическая потребность в кислороде). Органические загрязнители могут отрицательно влиять на водные организмы, поскольку они снижают БПК. Тепловое загрязнение вызывает ту же проблему, потому что растворимость кислорода ниже в более теплой воде.Это может быть следствием сброса охлаждающей воды на поверхностные воды. 
Они производят большое количество кислорода при высоких температурах, в результате чего вода насыщается кислородом. Эти растения довольно быстро отмирают и разлагаются микроорганизмами с применением кислорода, которого сейчас много в поверхностных слоях источника воды. Однако органическое вещество часто оседает и остается на дне водоема в виде осадка. Это может вызвать дефицит кислорода в результате разложения. Когда в озерах установится экологическое равновесие, эти проблемы могут быть решены.Однако при выделении, чрезмерном удобрении и т. Д. Добавляются питательные вещества, которые необходимо разложить, и увеличивается цветение водорослей, концентрация кислорода может снизиться до уровня, при котором ни один организм не выживает. Это явление широко известно как эвтрофикация (эвтрофия = богатая питательными веществами, олиготрофная = бедная питательными веществами). Критическая концентрация кислорода для рыб достигается при 4 мг O 2 / л воды. 
Теоретически такие концентрации достижимы, а критическое парциальное давление зависит от вида. 
Это значение может сильно варьироваться, поскольку оно в основном присутствует в молекулах воды. 
У спортивных дайверов, которые дышат чистым кислородом, часто возникают судороги. Дети, получающие слишком много кислорода в инкубаторах, обычно слепнут. 
