Измельченная банка из-под газировки исчезает в облаке пара и — хотя это не видно — водорода. «Я могу продолжать эту реакцию просто добавляя больше воды», — говорит Питер Годарт, впрыскивая немного в кипящий стакан. «Это вода комнатной температуры, и она немедленно закипает. Делать это на плите было бы медленнее».
Годарт — основатель и генеральный директор Found Energy, бостонского стартапа, цель которого — использовать энергию алюминиевого лома для обеспечения промышленных процессов без использования ископаемого топлива. С 2022 года компания разрабатывает способы быстрого высвобождения энергии из алюминия в малых масштабах. Теперь они запустили гораздо более крупную версию своего алюминиево-водного двигателя, который, по утверждению Годарта, является крупнейшим из когда-либо созданных алюминиево-водных реакторов.
В начале следующего года этот реактор будет установлен для обеспечения теплом и водородом завода по производству инструментов на юго-востоке США, используя в качестве топлива отходы алюминия, производимые самим заводом. (Производитель не пожелал быть названным до официального анонса проекта).
Если все пойдет по плану, эта технология, использующая катализатор для высвобождения энергии, запасенной в алюминии, может превратить растущую долю алюминиевого лома в безуглеродное топливо. Высокая температура, генерируемая двигателем, может быть особенно ценной для снижения значительных выбросов парниковых газов, образующихся в результате промышленных процессов, таких как производство цемента и переработка металлов, которые трудно запитать напрямую электричеством.
«Мы изобрели топливо — это и благословение, и проклятие», — говорит Годарт, окруженный трубами и проводами экспериментального реактора. «Это огромная возможность для нас, но это также означает, что нам приходится разрабатывать все сопутствующие системы. Мы переопределяем, что вообще такое двигатель».
Инженеры давно присматривались к использованию алюминия в качестве топлива из-за его превосходной энергоемкости. После переработки и выплавки из руды металлический алюминий содержит более чем в два раза больше энергии, чем дизельное топливо по объему, и почти в восемь раз больше, чем водород. При реакции с кислородом в воде или воздухе он образует оксиды алюминия. Эта реакция высвобождает тепло и водород, который можно использовать для получения безуглеродной энергии.
Жидкий металл
Проблема алюминия как топлива — и причина, по которой ваша банка газировки не воспламеняется самопроизвольно — заключается в том, что как только металл начинает реагировать, на его поверхности образуется оксидный слой, который препятствует дальнейшей реакции. Это похоже на огонь, который тушит сам себя, вырабатывая пепел. «Люди пробовали это и отказывались от этой идеи много-много раз», — говорит Годарт.
Некоторые считают использование алюминия в качестве топлива пустой затеей. «Этот потенциал использования алюминия всплывает каждые несколько лет и не имеет никаких шансов на успех, даже если в качестве источника топлива используется алюминиевый лом», — утверждает Джефф Скеманс, металлург из Лондонского университета Брунеля, который провел десятилетие, работая над использованием алюминия для питания транспортных средств в 1980-х годах. Он говорит, что реакция алюминия с водой недостаточно эффективна, чтобы металл имел смысл как топливо, учитывая, сколько энергии уходит на переработку и выплавку алюминия из руды: «Безумная идея всегда остается безумной идеей».
Но Годарт считает, что он и его компания нашли способ заставить это работать. «Настоящим прорывом было взглянуть на катализ по-другому», — говорит он: вместо того, чтобы пытаться ускорить реакцию путем совмещения воды и алюминия на катализаторе, они «перевернули подход» и «нашли материал, который мы могли бы фактически растворить в алюминии».
Жидкий металлический катализатор, лежащий в основе подхода компании, «проникает в микроструктуру» алюминия, говорит Годарт. Когда алюминий вступает в реакцию с водой, катализатор заставляет металл вспениваться и расщепляться , обнажая больше не прореагировавшего алюминия для взаимодействия с водой.
Состав катализатора является коммерческой тайной, но Годарт утверждает, что это «жидкий металл с низкой температурой плавления, который не является ртутью». Его диссертационное исследование было посвящено использованию жидкой смеси галлия и индия в качестве катализатора, и он говорит, что принцип действия нынешнего материала тот же.
Во время визита в начале октября Годарт продемонстрировал основную реакцию в лаборатории Found R&D, которая после того, как компания привлекла 12 миллионов долларов в рамках посевного раунда в прошлом году, теперь занимает бо́льшую часть двух этажей промышленного здания в бостонском районе Чарльзтаун. Используя щипцы, чтобы избежать начала реакции от влаги на пальцах, он поместил гранулу алюминия, обработанную секретным катализатором, в стакан, а затем добавил воду. Немедленно металл начал пузыриться водородом. Затем вода испарилась, оставив после себя пенистую серую массу гидроксида алюминия.
«Одним из препятствий для распространения этой технологии было то, что [реакция алюминия с водой] была просто слишком вялой», — говорит Годарт. «Но вы можете видеть здесь, как мы производим пар. Мы только что сделали котел».
От Европы до Земли
Годарт был ученым в НАСА, когда впервые начал думать о новых способах высвобождения энергии, запасенной в алюминии. Он работал над созданием алюминиевых роботов, которые могли бы потреблять себя в качестве топлива во время исследований ледяного спутника Юпитера — Европы. Но эта работа была прекращена, когда Конгресс сократил финансирование миссии.
«Я переживал своего рода маленький кризис, подумав: мне нужно что-то сделать с изменением климата, с проблемами Земли», — говорит Годарт. «И я подумал: знаете, я уверен, что эта алюминиевая технология будет еще лучше для земных применений». Завершив диссертацию об алюминиевом топливе в Массачусетском технологическом институте, он основал Found Energy в своем доме в Кембридже в 2022 году (в следующем году он вошел в ежегодный список „35 инноваторов до 35 лет“ по версии MIT Technology Review).
До этого года компания работала в микромасштабе, настраивая катализатор и тестируя различные условия в небольшом 10-киловаттном реакторе, чтобы реакция высвобождала больше тепла и водорода быстрее. Затем, в январе, они приступили к проектированию двигателя в 10 раз большего размера, достаточного для обеспечения полезной мощности для промышленных нужд вне лаборатории.
Этот более крупный двигатель занял большую часть лаборатории на втором этаже. Корпус реактора напоминал котел, лежащий на боку, с трубами и проводами, подключенными к мониторинговому оборудованию, которое занимало почти столько же места, сколько и сам двигатель. С одной стороны была труба для впрыска воды и поршень для подачи топливных гранул алюминия в реактор с переменной скоростью. С другой стороны отводящие трубы уносили продукты реакции: пар, водород, гидроксид алюминия и регенерированный катализатор. Годарт утверждает, что в ходе реакции катализатор не теряется, поэтому его можно использовать повторно для производства большего количества топлива.
Компания впервые запустила двигатель для начала испытаний в июле. В сентябре им удалось разогнать его до целевой мощности в 100 киловатт — примерно столько же может выдавать дизельный двигатель небольшого грузовика. В начале 2026 года они планируют установить этот 100-киловаттный двигатель для обеспечения теплом и водородом завода по производству инструментов. Этот пилотный проект должен послужить доказательством концепции, необходимой для привлечения средств на реактор мощностью 1 мегаватт, что в 10 раз больше.
Первоначальный пилот будет использовать двигатель для подачи горячего пара и водорода. Но энергия, высвобождаемая в реакторе, может быть использована различными способами в широком диапазоне температур, по словам Годарта. Горячий пар может вращать турбину для выработки электроэнергии, а водород — производить электричество в топливном элементе. Сжигая водород внутри пара, двигатель может производить перегретый пар температурой до 1300 °C, который можно использовать для более эффективной выработки электроэнергии или переработки химикатов. Сжигание одного только водорода может генерировать температуру до 2400 °C, достаточную для выплавки стали.
Сбор лома
Годарт говорит, что он и его коллеги надеются, что двигатель в конечном итоге будет питать множество различных промышленных процессов, но первоначальная цель — сама индустрия переработки и рециклинга алюминия, поскольку она уже работает с цепочками поставок металлолома и оксида алюминия. «Переработчики алюминия приходят к нам, просят забрать их отходы алюминия, которые трудно переработать, а затем превращают их в чистое тепло, которое они могут использовать для повторной плавки другого алюминия», — говорит он. «Они умоляют нас внедрить это для них».
Ссылаясь на соглашения о неразглашении, он не назвал компании, предлагающие свой неперерабатываемый алюминий, что, по его словам, является своего рода «грязным секретом» для отрасли, которая должна перерабатывать все, что собирает. Но оценки Международного института алюминия, отраслевой группы, показывают, что в мире ежегодно около 3 миллионов метрических тонн алюминия, собранного для переработки, не перерабатывается; еще 9 миллионов метрических тонн не собираются для переработки или сжигаются вместе с другими отходами. Вместе это составляет чуть менее трети от оценочных 43 миллионов метрических тонн алюминиевого лома, который в настоящее время перерабатывается ежегодно.
Даже если бы весь этот неиспользованный лом был использован в качестве топлива, он по-прежнему обеспечивал бы лишь небольшую долю общего промышленного спроса на тепло, не говоря уже об общем промышленном спросе на энергию. Но план не ограничивается доступным ломом. В конечном итоге, по словам Годарта, есть надежда «перезарядить» гидроксид алюминия, выходящий из реактора, используя чистую электроэнергию для преобразования его обратно в металлический алюминий и повторной реакции. По оценкам компании, такой подход с «замкнутым циклом» может обеспечить весь мировой спрос на промышленное тепло, используя и повторно используя около 300 миллионов метрических тонн алюминия — около 4% от обильных запасов алюминия на планете.
Однако вся эта перезарядка потребует много энергии. «Если вы это делаете, [алюминиевое топливо] — это технология хранения энергии, а не столько технология производства энергии», — говорит Джеффри Риссман, изучающий промышленную декарбонизацию в Energy Innovation, аналитическом центре в Калифорнии. Как и в случае с другими формами хранения энергии, такими как тепловые аккумуляторы или зеленый водород, он считает, что это все равно может иметь смысл, если топливо можно перезаряжать с помощью недорогой чистой электроэнергии. Но этого будет все труднее получить на фоне ажиотажа вокруг чистой энергии для всего, от центров обработки данных с искусственным интеллектом до тепловых насосов.
Несмотря на эти препятствия, Годарт уверен, что его компания найдет способ заставить это работать. Возможно, существующий двигатель уже способен выжать из алюминия больше энергии, чем предполагалось изначально. «Мы на самом деле считаем, что он, вероятно, может выдавать полмегаватта», — говорит он. «Мы его еще не форсировали до предела».
Джеймс Диннин — научный и экологический журналист из Нью-Йорка.
