Под красной землёй Западной Австралии находятся одни из крупнейших железорудных формаций планеты. Обычно их рассматривают как источник сырья для металлургии. Но новое исследование показывает, что содержащийся в этих породах магнетит может участвовать ещё в одном процессе — производить молекулярный водород при контакте с горячей водой.
Идея выглядит заманчиво: вместо того чтобы получать водород из природного газа или тратить электричество на электролиз, его можно было бы извлекать из геологических систем, где он образуется естественным путём. Однако между лабораторным экспериментом и новым энергетическим сектором пока лежит немалая дистанция.
Как камень производит водород
Магнетит — оксид железа с формулой Fe₃O₄. В его кристаллической структуре присутствует железо в разных степенях окисления. При определённых температуре, давлении и химическом составе воды часть железа окисляется, а вода восстанавливается с образованием молекулярного водорода. Одновременно магнетит постепенно превращается в более окисленный минерал — гематит.
Чтобы проверить, как геометрия породы влияет на эту реакцию, исследователи из Университета Эдит Коуэн, CSIRO и Университета науки и технологий имени короля Абдаллы поместили природный магнетит в воду с pH 9. Эксперимент продолжался 60 дней при температуре 200 °C и давлении около 103 бар — условиях, приближённых к гидротермальной среде глубоко под землёй.
Учёные сравнили измельчённый магнетит и цельный фрагмент породы. Порошок произвёл 0,052 миллимоля водорода на грамм — примерно в пять раз больше, чем цельный образец, который дал 0,0105 миллимоля на грамм.
На первый взгляд преимущество порошка очевидно: чем больше поверхность контакта с водой, тем активнее идёт реакция. Но для практического применения важнее результат цельного образца. Под землёй магнетит находится не в виде лабораторного порошка, а внутри массивной породы, поэтому скорость образования водорода будет зависеть от трещин, пор и других путей, по которым вода сможет добраться до свежей минеральной поверхности.
Почему реакция может замедляться
Исследование выявило и естественное ограничение процесса. По мере реакции на поверхности магнетита образуется гематит. Этот слой способен изолировать ещё не прореагировавший минерал от воды и постепенно снижать производство водорода.
После эксперимента доля гематита в исследованном цельном образце выросла с 58,5 до 89,1 процента. Одновременно поверхность стала более шероховатой и пористой: минерал растворялся, преобразовывался и повторно кристаллизовался.
Получается своеобразное соревнование двух процессов. Новые микропоры и трещины открывают воде доступ к реактивным участкам, а слой гематита, наоборот, блокирует их. Поэтому одного знания о количестве магнетита недостаточно. Чтобы оценить конкретную формацию как источник водорода, необходимо понимать её структуру, проницаемость, температуру, состав подземных вод и скорость обновления минеральных поверхностей.
При чём здесь Пилбара
Регион Пилбара известен гигантскими полосчатыми железистыми формациями — древними слоями пород, богатыми оксидами железа. Их масштаб делает Западную Австралию очевидным местом для поиска геологического водорода и экспериментов с его стимулированным производством.
Авторы предполагают, что реакцию можно усиливать, закачивая раствор в проницаемые участки железистых формаций. В таком сценарии подземная порода превращается не только в резервуар, но и в своеобразный геохимический реактор: вода достигает магнетита, а образующийся водород собирается и выводится на поверхность.
Пока это концепция, а не готовая технология. Исследование не обнаружило промышленное месторождение, не измерило общий запас водорода под Пилбарой и не показало, сколько газа можно стабильно получать из скважины. Оно установило более фундаментальную вещь: природный магнетит действительно способен производить водород в условиях, похожих на подземные, а доступ воды к свежей поверхности радикально влияет на результат.
Почему геологический водород вызывает интерес
Сегодня большая часть промышленного водорода производится из ископаемого топлива, прежде всего из природного газа. Такой процесс сопровождается выбросами углекислого газа. Электролиз воды с использованием низкоуглеродной электроэнергии позволяет сократить выбросы, но требует большого количества электричества и пока обходится дорого.
Геологический водород потенциально может стать первичным источником энергии: его не нужно сначала производить из другого энергоносителя. Геологическая служба США оценивает возможное количество водорода в недрах Земли как огромное, но подчёркивает чрезвычайно широкий диапазон неопределённости. Большая часть предполагаемого ресурса, вероятно, окажется слишком глубокой, рассеянной или удалённой для экономически оправданной добычи.
Кроме объёма газа остаются вопросы скорости его образования, миграции через породы, утечек, очистки, хранения и транспортировки. Потребуется также оценить расход воды и последствия закачки растворов: стимулированное производство нельзя автоматически считать экологически безопасным только потому, что при использовании водорода образуется вода.
От красивой реакции — к проверке в недрах
Работа австралийских исследователей не доказывает, что под красной почвой Пилбары уже лежит готовая «водородная Саудовская Аравия». Зато она помогает понять, какие именно свойства породы могут превратить теоретический ресурс в работающую систему.
Следующим шагом должны стать полевые измерения: поиск водорода в конкретных формациях, изучение трещиноватости и движения подземных вод, моделирование реакции на протяжении лет и испытания в скважинах. Только после этого можно будет оценивать производительность, стоимость и экологический след технологии.
Если эти проверки окажутся успешными, привычные железорудные регионы могут получить вторую энергетическую жизнь. Но пока главный результат гораздо скромнее и научно интереснее: исследователи показали, как вода, магнетит и структура древней породы вместе управляют образованием водорода глубоко под землёй.