Гибкое квантовое сито фильтрует топливо звездолета Энтерпрайз

Дейтерий, тяжелый брат водорода, считается многообещающим материалом будущего из-за его широкого спектра применения — в науке, для производства энергии или в производстве фармацевтических препаратов. Однако извлечение дейтерия из его природной смеси изотопов до сих пор было сложным и дорогим. С пористым материалом, разработанным в Техническом университете Дрездена, вскоре это можно было сделать более эффективно и с меньшими затратами. Новый метод был опубликован в научном журнале Science Advances. Звездолет «Энтерпрайз» пролетел через галактику, используя дейтерий в качестве топлива. Даже если это была научная фантастика 1960-х и 70-х годов, исследования реального применения изотопа водорода для производства энергии продолжаются и сегодня.

Главной задачей здесь является извлечение изотопа. Дейтерий (хим. аббревиатура D, «тяжелый» водород) — один из трех природных изотопов водорода, наряду с протием (H, «нормальный» водород) и тритием (T, «сверхтяжелый» водород). И дейтерий, и протий являются стабильными изотопами водорода. Обычная вода и тяжелая вода из дейтерия одинаково стабильны. Тритий (Т) чрезвычайно многообещающ с технической точки зрения, но не лишен проблем с безопасностью из-за своей радиоактивности. Дейтерий извлекают из тяжелой воды, т. е. воды, содержащей дейтерий, которого в естественных водных ресурсах нашей земли содержится до 0,15 промилле. Для этого сначала выделяют тяжелую воду с помощью химических и физических процессов, а затем производят газообразный дейтерий. Эти процессы настолько сложны и энергозатратны, что один грамм дейтерия дороже грамма золота, хотя в природе его встречается во много раз больше.

Но спрос на чистый дейтерий продолжает расти, потому что его уникальные физические свойства означают, что его потенциальное применение далеко не исчерпано: при использовании в медицине дейтерий уже показал продлевающий жизнь эффект, хотя первоначально только в качестве активного ингредиента. сам. Лекарства, содержащие дейтерий, можно назначать в более низких дозах, что также снижает их побочные эффекты. В ядерных реакторах дейтерий играет важную роль замедлителя. Кроме того, смесь дейтерия и трития или 3-гелия планируется использовать в качестве топлива в будущих термоядерных реакторах. Другие области применения включают медицину, науки о жизни, анализ и новые телевизионные дисплеи.

В рамках междисциплинарного сотрудничества группы профессоров Стефана Каскеля и профессора Томаса Хайне из Технического университета Дрездена вместе с доктором Михаэлем Хиршером из MPI for Intelligent Systems Stuttgart разработали новый механизм разделения изотопов водорода на основе гибкого металлоорганический каркас «ДУТ-8», разработанный в ТУ Дрездена. «Наш материал позволяет отделить газообразный дейтерий от водорода. Уникальный металлоорганический каркас DUT-8 обладает высокой гибкостью и может динамически изменять размер своих пор. оставляет каркас закрытым. Это высокоизбирательное распознавание приводит к высокой селективности разделения в сочетании с высоким поглощением дейтерия», — объясняет Стефан Каскель, профессор неорганической химии Технического университета Дрездена. Вместе со своей группой он специализируется на новых наноструктурированных и пористых функциональных материалах для хранения и преобразования энергии и уже разработал несколько запатентованных материалов.

В его материале ДУТ-8, опубликованном в 2012 году, изначально не было обнаружено поглощения водорода ни при высоком давлении, ни при очень низких температурах. «Во время наших измерений в MPI в Штутгарте мы впервые наблюдали раскрытие структуры DUT-8 в атмосфере дейтерия при очень низких температурах. Впоследствии нам также удалось экспериментально разделить смеси изотопов водорода, при этом материал действовал как своего рода гибкое и, следовательно, чрезвычайно эффективное «квантовое сито», — объясняет доктор Майкл Хиршер, который в течение нескольких лет исследует эффективные механизмы разделения изотопов водорода в MPI for Intelligent Systems. Расчеты из первых принципов в сочетании со статистической термодинамикой предсказывают изотопно-селективное открытие и рационализируют их с помощью ярко выраженных ядерных квантовых эффектов.

Однако существуют и другие так называемые изотопологи (молекулы тех же элементов, но разные изотопы) водорода, а именно HD, HT, DT и T2, которые необходимо учитывать при разделении, а те, которые содержат T, являются радиоактивными. В группе Томаса Гейне, заведующего кафедрой теоретической химии Технического университета Дрездена, было смоделировано поведение этих изотопологов. «В этой совместной работе нам удалось заменить проблемные эксперименты с радиоактивным материалом, связанные с безопасностью, проверенным компьютерным моделированием и, таким образом, сделать прогнозы для потенциальных применений этого изотопно-зависимого открывающего эффекта DUT-8», — объясняет профессор Хайне. Его моделирование показывает, что DUT-8 открывается только для изотопологов без легких изотопов H. Для HD эти предсказания уже были экспериментально подтверждены группой доктора Хиршера.

Источник