Российские и немецкие ученые разрабатывают уникальные системы по сжижению природного газа

Необходимость экономии и разумного использования существующих ресурсов сегодня более, чем очевидна. И дело здесь не только в экологической обстановке, но и в ограниченных запасах полезных ископаемых. По сравнению с другими углеводородами, запасов природного газа, являющегося экологически чистым топливом, на нашей планете предостаточно. Ученые Южно-Уральского государственного университета в коллаборации с немецкими коллегами решают задачу повышения безопасности и надежности транспортировки природного газа. В 2018 году на базе ЮУрГУ планируется открытие уникальной международной лаборатории, где будут проводиться экспериментальные исследования в данном направлении.

Экологичный и безопасный сжиженный природный газ

Сергей Таскаев, доктор физико-математических наук, руководитель лаборатории функциональных материалов НОЦ «Нанотехнологии» Южно-Уральского государственного университета, занимается актуальным проектом по созданию систем сжижения природного газа совместно с Объединением им. Гельмгольца и Техническим университетом Дармштадта (Германия).

Перспективной альтернативой природному газу является использование сжиженного природного газа, который имеет ряд преимуществ. Благодаря своим свойствам, он легче транспортируется: при сжижении общий объем топлива уменьшается в сотни раз. Другое его преимущество – это безопасность и невзрывоопасность: сжиженный газ в случае аварийного розлива очень быстро испаряется и не накапливается в углублениях и нишах. Он не токсичен, не подвергает коррозии металл и является самым экологичным видом топлива, поскольку продукты сгорания не вредят окружающей среде.

«Сжиженный природный газ получают путем сжатия и охлаждения природного газа. Процесс этот сложный, многоступенчатый и очень энергозатратный – расходы на сжижение могут составлять около 25% энергии, содержащейся в конечном продукте. Иными словами, нужно сжечь одну тонну сжиженного газа, чтобы получить еще три», – рассказывает Сергей Таскаев.

Кроме того, использование классических установок по сжижению имеет ряд серьезных недостатков: они исключительно энергозатратны и технически сложны.

Технология магнитного охлаждения

Среди разнообразных альтернативных технологий, которые могли бы использоваться в холодильных устройствах для получения сжиженного природного газа, все большее внимание исследователей во всем мире привлекает технология магнитного охлаждения.

«Магнитное охлаждение является альтернативой традиционному компрессорному охлаждению, – поясняет Сергей Валерьевич. – Технология магнитного охлаждения основана на способности любого магнитного материала изменять свою температуру и энтропию (сокращение доступной энергии вещества в результате передачи энергии) под воздействием внешнего магнитного поля.  Такое изменение температуры и энтропии магнитного материала при изменении напряженности магнитного поля, в котором он находится, называется магнитокалорическим эффектом».

Применение магнитных холодильных установок приведет к упрощению конструкции аппарата, так как, например, в отличие от бытовых холодильников, использующих фреон, здесь не будет нужен компрессор. Холодильные машины будут более долговечными и надежными, менее шумными и энергетически более эффективными.

Поиск новых магнитных материалов

В мире созданы десятки прототипов охлаждающих устройств на базе различных семейств магнитных материалов, но пока это примитивные и очень дорогостоящие устройства. До их массового использования пока далеко. Уже существующие материалы имеют свои минусы: некоторые слишком дорогие, другие невозможно циклически использовать продолжительное время, так как они разрушаются.

«Для разработки системы сжижения природных газов необходимо, чтобы материал обладал хорошими магнитокалорическими свойствами при температурах от 10 до 150 K и был способен циклически работать в очень сильных магнитных полях, например, до 20 Тесла. Современные достижения в области сверхпроводимости позволили создавать сверхпроводящие катушки, способные генерировать такие сильные поля, что стало ключевым моментом успешной реализации этого проекта, – признается Сергей Таскаев. – Нашей командой создан значительный задел в области бытового магнитного охлаждения, который мы будем использовать и в области сверхнизких температур».

Ученые Южно-Уральского государственного университета работают над созданием материала в виде ленты, толщина которого будет всего 100-200 микрометров. На данном этапе уже удалось исследовать основные физические свойства пластически деформированных редкоземельных систем.

«Наша сверхзадача – разработать оборудование по сжижению природного газа на основе магнитокалорического эффекта. И сегодня это уже реально, так как использование сверхпроводящих магнитов позволяет выйти на принципиально новый уровень проектирования устройств магнитного охлаждения», – утверждает ученый.

Полученные результаты уже опубликованы в высокорейтинговых научных журналах, в частности в «Journal of Alloys and Compounds», входящем в Топ-10% по версии Scopus.