Эффективный сенсор по обнаружению утечки водорода разрабатывают учёные МАИ

В 2023 году коллектив Московского авиационного института завершит разработку селективного сенсора, способного с высокой эффективностью определять водород. Об этом в интервью RT сообщил доктор технических наук, профессор МАИ Александр Баранов. По его словам, создание такого датчика — непростая, но важная задача, особенно в контексте растущих масштабов применения Н2 в качестве энергоносителя. По сравнению с российскими и зарубежными аналогами новый сенсор станет более чувствительным к утечкам водорода, будет иметь низкую температуру работы и небольшую потребляемую мощность.

Прежде чем начать обсуждение особенностей водородного сенсора, который разрабатывается в МАИ, хотелось бы поговорить с вами о том, какое вообще значение приобретает водород как энергоноситель в современном мире, особенно в контексте курса на углеродную нейтральность, по которому развиваются технологии в России и практически во всём остальном мире.

Человечество нацелено на переход к экологически чистым видам энергии. В этом контексте водороду как энергоносителю уготовано перспективное будущее. Он непременно потеснит уголь, мазут, дизельное топливо, бензин и природный газ.

Последнее время объёмы потребления H2 растут и будут увеличиваться в ближайшие десятилетия. Важным стимулом является как раз политика достижения углеродной нейтральности, то есть отказа от выбросов углекислого газа в атмосферу.

Если говорить более конкретно, то можно предвидеть появление большого количества ТЭС, работающих на водороде. КПД такой станции будет достигать 60%. Примерно такой же хороший показатель дают и нынешние газовые ТЭС, работающие на метане, но у водорода есть ряд преимуществ.

В первую очередь он обладает самой высокой теплопроводностью среди газообразных веществ и, что крайне важно, позволяет без лишних трудностей регулировать работу газовых турбин, соответственно, быстро менять выходную мощность. На АЭС, например, в короткие сроки сделать это совершенно невозможно. Более гибкими в плане изменения мощности являются ГЭС, однако построить их можно далеко не везде.

Водородные ТЭС очень удобно использовать в периоды, когда резко меняется объём потребления. Пожалуй, наибольшее значение водородные энергостанции и энергетический потенциал H2 в целом имеет для Европы, которая пытается как можно шире использовать возобновляемые источники энергии (ВИЭ), но испытывает трудности в обеспечении энергобаланса в пасмурную погоду и когда нет ветра.

В контексте грядущей водородной революции определённые амбиции есть и у нашей страны. Достаточно сказать, что почти все недавно построенные трубопроводы, включая «Северный поток — 2», выполнены с применением материалов и технологий, позволяющих перекачивать H2. Россия гипотетически может стать крупным мировым производителем и экспортёром водорода.

Правда, в целях безопасности всё равно пока лучше смешивать «транзитный» водород с другими веществами, например, с метаном. На выходе из трубы на территории страны-потребителя эта смесь будет разделяться на два газа. И для экспорта проще всего использовать именно подводную магистраль, потому что для прокачки через сухопутную артерию неизбежно придётся создавать достаточно обширную инфраструктуру перекачки и обслуживания.

Широкие перспективы открываются перед водородом и в сегменте автомобильной техники. Эта тенденция коснулась и нашей страны. Известно, что в скором времени в Москве планируется создать обширный парк водородных электробусов.

Однако, насколько я понимаю, амбициозные планы по более масштабному использованию водорода как энергоносителя сдерживает фактор безопасности?

Не только. Не решён ряд вопросов по выбору наиболее оптимальных способов получения водорода. Есть так называемый зелёный водород, который извлекается из воды путём электролиза. В этом случае не образуется выбросов CO2, но этот метод энергоёмкий и достаточно затратный. Есть голубой водород — он добывается из метана, но при нём образуется CO2.

По поводу безопасности. С одной стороны, к этому вопросу в любом случае необходимо относится очень серьёзно, с другой — не стоит преувеличивать риски массового применения водорода. Например, промышленность, которая давно использует водород в качестве элемента для химических реакций, вопросы безопасности, в сущности, решила.

Определённые пробелы в плане обеспечения безопасности есть у новых секторов промышленности, которые как раз нацелены на использование H2 в качестве энергоносителя. В быту и вовсе, как я думаю, водород будет использоваться ещё нескоро.

Конечно, рассуждая о привлекательности и грядущем расширении сфер применения водорода, невозможно игнорировать его недостатки, которые самым непосредственным образом влияют на безопасность.

Первый — это сложность хранения. H2 обладает свойством проникать даже сквозь твёрдые поверхности. Его распространение сдерживает только оболочка из металлов, да и то далеко не всех.

Второй — воспламеняемость, предел которой значительно шире, чем у углеводородов и метана. Чтобы произошёл взрыв, концентрация H2 в окружающей среде должна составлять от 4 до 75%. Для сравнения: у метана этот диапазон намного уже — от 4 до 15%.

Собственно, по этой причине и важно проводить точные и своевременные замеры концентрации H2. В чём проблемы современных датчиков измерения уровня водорода? Почему в МАИ решили создать новое изделие?

В настоящее время в России и за рубежом широко распространены датчики, которые ориентированы на определение концентрации разных горючих газов и паров. У них есть как преимущества, так и недостатки. Подход коллектива МАИ заключается в том, чтобы использовать селективный сенсор, замеряющий только H2 и не чувствующий другие газы.

Создать сенсор, детектирующий (определяющий) только водород из многообразия смесей других веществ, — задача весьма непростая. Но, с нашей точки зрения, такое изделие необходимо и востребованно, так как будет гораздо лучше учитывать важнейшие свойства водорода: его текучесть, взрывоопасность, температуру горения.

Как выглядит такой сенсор?

Наш датчик представляет собой компактное изделие, которое будет помещаться в корпусе объёмом менее одного кубического сантиметра. Реальный размер изделия меньше, а «чувствительная» часть датчика совсем небольшая — это спираль длиной примерно 0,5 мм и диаметром около 0,3 мм.

Отдельно такой сенсор не используется, он является одним из компонентов аппаратуры готовых измерительных устройств, в нашем случае это газоанализатор. Чтобы легко встраивать наш датчик в газоанализатор, был выбран типовой корпус диаметром 8 мм и высотой 10 мм.

На самом деле мы могли бы сделать датчик ещё более компактным, но «мельчить» пока нет смысла, так как его необходимо встраивать в стандартные газоанализаторы.

А кто конкретно работает над этим сенсором?

Над проектом работает группа аспирантов, сотрудников и выпускников кафедры «Радиоэлектроника, телекоммуникации и нанотехнологии» института № 12 «Аэрокосмические наукоёмкие технологии и производства» МАИ. Я являюсь её руководителем.

В прошлом году наш проект стал победителем конкурса на получение грантов Российского научного фонда по направлению «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

В чём ещё заключаются особенности сенсора, над которым работает группа под вашим руководством?

Наш датчик относится к типу термокаталитических сенсоров. Помимо данного класса сенсоров, есть электрохимические, полупроводниковые и оптические. В силу ряда особенностей с высокой эффективностью детектировать водород они не могут.

Например, электрохимические и полупроводниковые датчики грешат тем, что хорошо улавливают «безобидные» с точки зрения взрывоопасности концентрации водорода и, наоборот, часто «захлёбываются», то есть теряют чувствительность, когда уровень Н2 приближается к действительно угрожающему порогу.

В этом отношении термокаталитические изделия выгодно отличаются от других типов сенсоров. Именно они наиболее оптимально подходят для измерения водорода в воздухе в диапазонах от 0,1 до 2% и выше, что наиболее эффективно позволяет предотвратить взрывоопасные ситуации.

Суть работы термокаталитического сенсора заключается в том, что водород проникает через мембрану датчика, за которой размещён чувствительный элемент, который нагревается током. Этот элемент, в свою очередь, имеет поверхность, покрытую катализатором.

Нагревать газ необходимо, чтобы вызвать химическую реакцию и таким образом обнаружить водород. В нагревании как раз заключается принцип работы термокаталитического сенсора. Без катализатора требуется температура примерно 900 °C, а с платиновым катализатором, который сейчас повсеместно используется, — около 300–400 °C.

Проблема современных термокаталитических датчиков заключается в том, что при столь высоких температурах трудно полностью исключить вероятность ситуаций, когда в ходе замыкания и других неисправностей произойдёт реакция, которая может спровоцировать взрыв.

Гораздо безопаснее будет, если температуру нагревания удастся существенно понизить. Сегодня наиболее продвинутые датчики дают результаты при 200 °C. Наша же задача состоит в том, чтобы ещё больше сократить температуру измерения водорода.

Стратегической целью проекта МАИ является проведение селективных измерений водорода в воздухе или в смеси с другими горючими газами при температурах, близких к комнатной. Помимо повышения безопасности, удастся снизить расход электроэнергии. Как следствие — увеличится время автономной работы сенсора.

Снижать рабочую температуру совсем до комнатной нет смысла. Хорошим результатом, с нашей точки зрения, станет изделие, функционирующее при нагревании до 60–70 °C. В прошлом году мы разработали катализатор, работающий при чуть более чем 100 °C, но сейчас мы близки к тому, чтобы создать более совершенный датчик.

Катализаторами в нынешних газовых сенсорах являются металлы платиновой группы, но не все из них ранее использовались для мониторинга водорода. Новизна нашей работы заключается в применении иридия (Ir) и родия (Rh) в чистом виде, форме или в смеси с платиной (Pt) и палладием (Pd).

Такое сочетание материалов должно улучшить параметры и характеристики нашего термокаталитического сенсора. Это достаточно низкая температура работы, небольшая потребляемая мощность, селективность, чувствительность, уменьшенное время отклика (реакции на водород), долговременная стабильность работы.

Корпус изделия будет выполнен во взрывозащитном исполнении. Если всё-таки произойдёт резкое повышение концентрации водорода, замыкание или иной казус, то он предотвратит детонацию.

Когда планируете завершить проект и какие у коллектива МАИ есть планы по производству сенсора?

В этом году работы будут продолжаться и завершатся в 2023-м. Результаты, которые мы получим в ходе реализации проекта, имеют важное значение в контексте разработки и оптимизации параметров термокаталитических сенсоров водорода. Также они позволят расширить диапазон их практического применения на новые перспективные области.

Если говорить непосредственно о планах по датчику, то, конечно же, мы уверены, что он найдёт своё применение в готовых изделиях. В настоящее время мы тесно сотрудничаем с Научно-техническим центром измерительных газочувствительных датчиков им. Е.Ф. Карпова, который занимается производством и поставками сенсоров, детектирующих горючие газы — прежде всего метан и пропан-бутан.

Таким образом, наш расчёт заключается в том, что это предприятие расширит поле своей деятельности, предлагая заказчикам конечную продукцию, способную эффективно детектировать водород.

Естественно, мы ожидаем интереса к новому сенсору и со стороны других производителей оборудования. Рынок газовых датчиков не стоит на месте, постоянно развивается и растёт.