Сам себе нефтяная скважина: как добывать топливо из воздуха?

Мы живём в постоянно дорожающем мире: с каждым годом какой-либо очередной компонент нас «радует» своей повысившейся стоимостью. 

Не исключение и моторное топливо — которое у многих, имеющих машину, уже превратилось в отдельный «объект инвестирования», так же как и «работа на фаянсового друга» :-D

Но на самом деле смешного здесь мало.

Тем не менее, потенциально есть практически неисчерпаемый океан энергии, для доступа к которому не нужно быть «правильным человеком, знающим правильных людей и владеющим правильным участком с запасами нефти в правильной стране», так как к этому океану имеют доступ все: это воздушный океан над нашей головой!

Он содержит просто огромное количество потенциального топлива в виде газов! 

Конечно, не всё так просто, однако, даже известная нефть является «углеводородом» — чуете, куда ветер, то бишь «газ» дует? ;-) 

Горючие вещества можно получать из газов! Попробуем прикинуть, как это можно было бы осуществить, и есть ли в мире подобные аналоги, так как получить собственную «нефтяную скважину», которая качает «просто из воздуха», уж очень заманчиво... 

Но для начала давайте прикинем: какие газы есть в воздухе, то есть насколько он богат ресурсами для наших целей?

Итак, вот чем мы примерно дышим: 

• Азот: 78%

• Кислород: 21%

• Аргон: 0,93%

• СО₂: 0,94%

• Инертные газы (гелий, неон, криптон, ксенон) — ведьма незначительные количества (так называемые «следовые»).

Это «классическая» раскладка состава атмосферы. Однако в общем объёме атмосферы могут содержаться и другие газы — например, тот же самый метан. Но принято считать, что, относительно других газов, их количество незначительно (хотя локально это количество может быть и довольно значительным — например, в болотистой местности), и поэтому обычно их даже не упоминают. Что, впрочем, не исключает того, что более точный состав атмосферы изучается специалистами и более подробно — например, с целью прогнозирования изменений климата.

Кстати, любопытный факт: приблизительно 300 млн лет назад количество кислорода в атмосфере доходило до 35 %. Следствием этого, по дошедшим до нас данным, были мегапожары — растительность легко загоралась: молнии, вулканы, капли воды в роли линз, прение влажной листвы и т.д.

По ряду теорий, каменный уголь, который мы сейчас используем в качестве топлива, — это как раз последствия тех самых мегапожаров, оставивших большое количество угля, который со временем просто окаменел.

Ещё такое большое количество кислорода благоволило появлению и триумфу на исторической арене больших (в размерах) животных. Но, это всё в прошлом...

Как можно видеть по составу компонентов атмосферы, они не особо годятся в качестве, собственно, топлива для сжигания, а некоторые (CO₂) даже являются производными от него и будут всячески мешать.

Например, Air Company из США, которая занялась производством спиртного прямо из воздуха ^[4], для чего был реализован процесс по связыванию CO₂, и преобразованию его в спирт. 

Интересно, что процесс может идти практически при комнатной температуре и даже при атмосферном давлении. Однако для повышения эффективности и увеличения площади контакта газа с электродом давление и температуру могут повышать — до примерно 5 атмосфер и 80 °C — с целью увеличения эффективности реакции, в результате которой удаётся получить до 50 % выхода полезного продукта.

Была использована, так называемая «протонообменная мембрана (PEM)» ^[5] в составе специального элекролизера (по ссылке есть хорошая анимированная картинка и описание для тех, кому интересно, что это такое), где один из электродов мембраны может быть выполнен из меди высокой пористости: нанопорошок (50-500 нм) металлической меди, который можно легко получить путём осаждения меди из раствора медного купороса. Для этого в раствор добавляют лимонную кислоту — она сразу вызывает выпадение металлической меди в виде частиц наноразмера.

После чего медный порошок фильтруется от воды, высушивается, прессуется и прямо в таком спрессованном виде кратковременно нагревается индукционными токами с помощью индуктора (надо подбирать время, силу тока и т.д.). 

К чему это должно привести? Частицы меди слегка оплавляются по поверхности, склеиваясь друг с другом — и в итоге мы имеем пористый медный электрод огромной внутренней площади, с порами наноразмера!

Эффективность электрода можно даже повысить, если его прокалить горелкой — для покрытия поверхности лёгким красным налётом Cu₂O.

Второй электрод должен быть устойчив к коррозии, для чего медь не годится, так как придётся такой электрод очень часто менять. 

Поэтому одним из вариантов является использование платины (но мы же не такие богачи, верно? :-). К тому же, ещё нужно что-то сделать с пористостью, то бишь, её ещё нужно умудриться добиться у платины...) 

Поэтому остаётся один-единственный и, в принципе, весьма неплохой вариант — графен. Из графена делают очень неплохие электроды: прессованные электроды из чешуек графена позволяют получить площадь поверхности до 1500 м²/грамм!

Нет, это не опечатка — площадь поверхности чешуек в чайной ложке графена будет примерно равна площади футбольного поля! О_о 

Хотя, если вдуматься в суть того, что такое графен, то в этом нет ничего удивительного — это же решётка толщиной в один слой из атомов углерода! Почему бы им и не занимать большую площадь...

К настоящему времени энтузиасты разработали множество простых способов получения графена в больших количествах — я как-то в прошлом даже рассматривал один из них, где смесь из молока и порошкового графита взбивали в бытовом кухонном миксере: механическая сила миксера расслаивает графит на чешуйки, а молоко их обволакивает и не даёт слипнуться снова — таким образом, взбив эту смесь в бытовом миксере, собрав с его поверхности пену и промыв её от молока, можно получить графен, которым второй компонент пены и является (помимо первого — молока). 

Альтернативным вариантом является взбивание в ультразвуковой ванне того же самого порошка графита с поверхностно-активным веществом, например, жидким мылом (механизм расслоения и обволакивания чешуек тот же, что и в варианте с миксером выше).

Хотя для обволакивания лучше использовать специальные вещества ^[6]. Вот тут ^[7] есть довольно подробная статья на эту тему, если кому интересно.

Дальше, чтобы этот электрод не имел слишком большого сопротивления, нужно получившийся графен как минимум промыть в ацетоне, после чего высушить, прокалить горелкой — чтобы уничтожить остатки органических загрязнителей, спрессовать и, так же, кратковременно нагреть его индукционным нагревателем для соединения чешуек (не спекание, а усиление соединения за счёт ван-дер-ваальсовых сил).

Чтобы при взбивании графен не был загрязнён соединениями металлов из УЗ-ванны (что ухудшает проводимость), взбивать нужно в ванне, залитой водой, в которую помещён полиэтиленовый пакет со смесью жидкого мыла, воды и порошкового графита. Таким образом, взбиваемая смесь будет изолирована от металлической ванны — в противном случае потребовалась бы дополнительная очистка графена с помощью кислот.

Однако это были всего лишь электроды, которые не будут иметь смысл без использования ещё одного центрального компонента — собственно самой протонообменной мембраны (РЕМ) ^[8] — специальной пластины из модифицированного (сульфированного — обработанного хлорсульфоновой кислотой) фторопласта малой толщины (50-200 мкм, производится компанией DuPont, под маркой Nafion), которая будет служить для пропускания протонов к катоду. 

Пластина содержит наноразмерные каналы, которые пропускают только протоны. 

Такую пластину сделать самостоятельно довольно бесполезное занятие (сложно), проще купить — стоит в среднем до 800 $ за 1 м² (но не обязательно покупать такие большие куски, продаются и более мелкие).

Далее собирается «бутерброд» из пористого медного электрода, протонообменной мембраны и второго пористого электрода из графена. 

Затем электроды подключаются к источнику тока, который может обеспечить питание до 4В с плотностью тока до 50 мА/см²: к минусу подключается медный электрод, а к плюсу — графеновый. 

Далее мембрана пропитывается электролитом, в качестве которого может выступать раствор KHCO₃ или «ионная жидкость» ^[9] — для этого положительный электрод (графеновый) заливается этим раствором или ионной жидкостью. 

На этом электроде идёт электролиз воды, выделение ненужного кислорода и забор протонов Н+, которые проникают в мембрану и проходят сквозь неё к катоду. 

Далее в пространство пористого медного электрода (катода) вдувается СО₂, который, получая протон и электрон, вступает с ними в реакцию на поверхности медного электрода, в результате чего одновременно образуется целая куча разных веществ: этанол (8)*, метанол (4), муравьиная кислота (2), метан (6) и т.д.

*Объяснение цифр в скобках будет ниже.

Почему так: одновременно на поверхности медного электрода идёт много химических реакций, соревнующихся друг с другом, и временно одерживающих верх в тот или иной момент времени. 

И получение разных веществ зависит от того, сколько электронов было захвачено в данный конкретный момент (далее перечисление электронов, необходимых для того, чтобы получить вещества выше; они указаны в скобках, около веществ выше): 8, 4, 2, 6 и т.д.

Таким образом, можно сказать, что основным электродом, который играет главную роль, является медный, так как именно от него зависит, какое вещество(ва) мы получим на выходе.

И здесь существует целый ряд интересных возможностей (парочку из них мы уже знаем — нанопористая структура, полученная из металлической меди, осаждённой из медного купороса, обожжённая горелкой). 

Одним из самых простых способов улучшения отдачи этанола (для пористого электрода, как у нас) является пропитка его водным раствором хлорида олова (SnCl₂) с последующим прокаливанием горелкой, что приводит к окислению олова до SnO₂ (который начинает покрывать всю поверхность электрода) и увеличению процентного выхода этанола в 2-3 раза за счёт подавления других реакций (но не убирания их полностью).

Это не единственная возможность, существует и много других, но от всех других этот вариант отличается относительной простотой. 

Например, из интересных есть вариант покрытия поверхности наноразмерными медными кубами, и он достаточно легко осуществляется: для этого нужно составить раствор из 25 г медного купороса, 75 г серной кислоты (электролит для автомобильных аккумуляторов из автомагазина — он будет служить для защиты меди от окисления до CuO и улучшения токопроводимости) и 1 л воды. 

Далее целевой электрод, на котором мы хотим вырастить микрокубы, вешается на катод (минусовой электрод), и на оба электрода вешаем медные пластины, где на аноде медь будет растворяться и постоянно пополнять раствор. 

Далее обе пластины подключаются к источнику тока, который может обеспечить напряжение в 3 вольта с плотностью тока в 1-5 мА/см² через резистор в 100 Ом. 

Электролиз осуществляется в течение примерно 15 минут, в результате чего пластина катода покрывается миниатюрными (до 5 мкм) медными кубами, которые вырастают на гранях уже имеющейся кубической кристаллической решётки медной пластины. 

При этом относительно высокое содержание серной кислоты в растворе и низкое напряжение препятствуют быстрому росту меди, другими словами, она успевает нарасти на гранях кристаллов, повторив их форму с острыми гранями, только уже в относительном макроразмере. 

Что даст покрытие поверхности микрокубами: увеличит выход этанола в два-три раза за счёт уменьшения выхода других компонентов (которые нам неинтересны — метанол, метан и т.д. и т.п.). 

Однако следует отметить, что этот вариант (с микрокубами) подходит больше для плоских электродов, а у нас пористый — который уже идеален (: , так как мы изначально пошли по правильному пути — сначала создали электрод с огромной площадью за счёт сборки его из наночастиц, после чего покрытием его частиц SnO₂ (оксидом олова) увеличили выход этанола.

Таким образом, что мы имеем: электролизер, который может производить генерацию водорода с одновременной его реакцией с СО₂ в целях генерации этанола (то бишь, спирта).

Однако нам ещё необходим этот СО₂, который тоже откуда-то надо брать! 

Покупать его в баллонах не вариант, так как это сразу удорожает весь процесс.

И тут нам приходит на помощь замечательный способ, о котором я уже писал ранее ^[10] — использование замечательного изобретения академика П.Л.Капицы, который в 1930-е годы совершил настоящую революцию в получении жидких газов — изобрёл «турбодетандер».

Читатель, который не особо в курсе всех этих тонкостей, скажет «ну и что тут такого? В чём здесь революция? Наверняка, в промышленности и раньше делали что-то подобное!» 

На самом деле, именно так — не делали! Уникальность его изобретения заключается в том, что оно впервые позволило производить сжатые и сжиженные газы в огромных количествах с относительно малыми затратами энергии и полностью перевернуло всю криогенную промышленность!

Стоит только отметить один факт: даже маленький турбодетандер с диаметром крыльчатки в 8-10 см позволяет производить сжиженные газы ТОННАМИ в день! О_о

Кстати говоря, неплохая идея для бизнеса — производство сжатых и сжиженных газов, где ресурсов просто навалом — весь воздушный океан вокруг! :-) 

Причём не обязательно для прямой продажи: эти газы можно использовать для производства иных компонентов — полезных для человечества химических веществ! 

Причём, опять же повторюсь, что ресурсов просто навалом: они вокруг каждого из нас... 

Или, ещё проще: использовать сжатые газы для работы пневматических двигателей! О_о

То есть сжижать газы, затем испарять их, наполняя ёмкости под высоким давлением, а уже от этих ёмкостей крутить обычные поршневые двигатели авто!

Энергоёмкость этого способа намного хуже бензина, однако, учитывая огромные возможности производства таких газов с помощью турбодетандера, можно на этот вопрос посмотреть совсем под другим углом — вряд ли даже при активной езде на автомобиле вы сможете тратить тонны сжатого газа в день! :-) 

К слову, это может стать ещё одним стартапом: производить компактную установку для гаража, которая позволяет генерировать сжатые газы в промышленных количествах (и быстро!) для заполнения баллона автомобиля. 

Никакого грохота сжимающих малопроизводительных компрессоров, малошумно, эффективно, высокий выход продукта…

Далеко не все живут в городах-миллионниках, проезжая «сотню километров по МКАД за парой болтов в хозмаг» (реальный кейс, кстати, от меня лично) — многие живут в маленьких городах, где избавление от потребности в бензине одновременно, не переходя на дорогие электрические авто, может быть интересным вариантом! 

Для работы стандартного ДВС от такого сжатого газа потребуется совсем немного трансформаций — только несколько переделать систему впрыска. 

А, учитывая, что средний пользователь авто проезжает в течение рабочей недели не так много — этого вполне может хватить.

На заметку: к тому же, это чистые выбросы в атмосферу. По сути, выбрасываем те же компоненты атмосферы, которые взяли. И даже мало того — можно даже выбрасывать с повышенным содержанием кислорода! 

А что это значит? Очищение атмосферы городов! 

А что это значит, в свою очередь? Возможность получить субсидии от государства для развития этого направления! Есть о чём подумать... ;-) 

Некоторые расчёты показывают, что, при использовании возобновляемых источников энергии (например, ветрогенерации электричества) стоимость этанола, произведённого по такому методу, может быть сравнимой со стоимостью бензина! 

При этом не нужно «связываться» с массой проблем, которые возникают в индустрии производства топливных углеводородов:

• геологоразведка;

• бурение скважин;

• производство, доставка и монтаж добывающего оборудования;

• обеспечение производства и добычи электроэнергии;

• борьба с попутными проблемами производства оборудования для добычи и самого процесса добычи;

• переработка нефти.

Вместо этого, всего лишь:

• сборка электролизерной установки-реактора;

• сборка турбодетандера;

• сборка системы солнечной и (или) ветрогенерации электричества;

• разделение готовых компонентов (фильтрация того же этанола от метанола и прочего).

На этом всё! :-) И никаких проблем, сопутствующих процессу стандартной нефтедобычи и переработки! 

В том числе, самой главной — «где взять ресурсы?», потому что воздушный океан содержит ресурсов более чем достаточное количество! 

К тому же, это полезное для природы занятие (несмотря на его обратимость, но всё же): хотя бы на некоторое время, но избавление атмосферы от СО₂!

Попутно, любопытный факт: не обязательно производить собственно этанол — по примерно схожим технологиям можно производить и углеводороды, только будут несколько отличаться катализаторы и условия протекания реакций.

Будет довольно опрометчивым отнестись к вопросу производства топлива из воздуха как «да ну, какая-то гиковская тема, всё равно не выйдет ничего», так как, например, вышеупомянутая компания Air Company не ограничилась только производством этанола из воздуха, но и в 2023 году заключила контракт с Пентагоном ^[11] на 65 млн долларов о поставке искусственного керосина, произведённого из воздуха, для нужд армейской авиации. 

Кроме неё, существуют и другие компании с аналогичной сферой деятельности, например, Prometheus Fuels ^[12]. 

Таким образом, учитывая происходящее и интересные возможности, которые даёт такой тип производства, имеет смысл приглядеться к нему повнимательнее. Может быть, именно вы станете следующим «топливным гением» 21 века? ;-)

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»