Добываем атмосферное электричество
Картинка bestanimations
Вся жизнь человечества, так или иначе, построена на использовании энергии, борьба за эффективность источников которой (а также за принципиальную их доступность) — идёт не прекращаясь. Тем не менее существует общедоступный источник, абсолютно бесплатный и многократно описанный в литературе — атмосферное электричество. Здесь подразумевается не добыча энергии, например, с использованием энергии ветра, а непосредственное извлечение её из воздушного океана.
И именно об этом мы и поговорим в этой статье.
▍ Немного теории
Сама планета Земля является хорошим хранилищем энергии, к которому имеет смысл обратиться, так как она окружена мощным электрическим полем, источником которого являются природные явления (однако физика происходящего не до конца понятна даже учёным. Об этом ниже).
Принято считать, что поверхность Земли заряжена отрицательно и величина заряда составляет 5×10^5 Кл, следствием чего является напряжённость электрического поля у поверхности порядка 130 В/м летом и порядка 300 В/м зимой.
Подобная напряжённость не является чем-то выдающимся, так как перед грозой напряжённость может возрастать до десятков киловольт на метр. Однако люди не чувствуют подобное благодаря воздуху, который является хорошим изолятором.
Напряжённость поля уменьшается с увеличением высоты и практически сходит на нет, на высоте порядка 10 км. В свою очередь, на высоте в несколько десятков километров находится слой положительно заряженных ионов (ионосфера), величина заряда которого компенсирует отрицательный заряд поверхности Земли.
Таким образом, можно сказать, что атмосфера является изолятором между двумя обкладками этого своеобразного гигантского «конденсатора». Причём именно с процессами заряда этого конденсатора и связаны основные противоречия расчётов, которые не разрешены до сих пор. Основным противоречием является понимание того, что любой конденсатор имеет токи утечки, которые для Земли, если пересчитать их на площадь её поверхности, составляют порядка 1800 А, в то время как общая величина электрического заряда составляет порядка 5,7×10^5 Кл.
Из этого следует, что полностью земной конденсатор должен был бы по идее разрядиться за период времени не более 10 минут (чего, однако, мы не видим на практике). То есть, налицо наличие существования некоего генератора, который постоянно подзаряжает этот природный конденсатор, причём мощность этого генератора должна составлять более 700 мегаватт! Что это такое и каковы его механизмы функционирования, — наука до сих пор не может сказать определённо, несмотря на наличие множества теорий.
▍ Способы добычи электричества
Все идеи посвящённые добыче атмосферного электричества, так или иначе, базируются на простом изначальном принципе: как можно выше поднять проводник с поверхности земли. Таким образом, верхняя часть проводника будет заряжена положительно, а нижняя часть — отрицательно.
Но тут сразу встаёт в полный рост пара проблем:
- физически затруднительно поднять проводник на более-менее большую высоту;
- ток не потечёт просто так от одного полюса к другому (не забываем, что атмосфера является хорошим изолятором).
Говоря по поводу второй проблемы, можно сказать, что если мы просто поднимем некий токопроводящий предмет на достаточную высоту, то с точки зрения физики он будет выступать всего лишь ещё одной точкой поверхности, а не «перемычкой между полюсами», так как электроны сами по себе просто не смогут покинуть верхушку проводника, несмотря даже на то, что для этого требуется всего лишь порядка 5 электрон-вольт (средняя величина для металлов).
Однако вполне реально им помочь в этом процессе и для этого хорошо сработает коронный разряд, благодаря которому электроны постоянно будут высвобождаться из кончика проводника и улетать атмосферу, а благодаря даже минимальному движению атмосферных масс, поблизости от верхнего кончика проводника не будет происходить насыщение. Как альтернатива, в качестве подобного разрядника может выступить и катушка Тесла (кстати сказать, подобный способ уже запатентован).
Говоря по поводу силы ветра, можно в общем случае сказать, что в среднем, начиная с высот в 160 м — происходит удвоение скорости ветра, по сравнению с высотой в 10 м (одной из причин увеличения скорости ветра является снижение атмосферного давления, и, следовательно, уменьшение силы трения). Причём в приземном слое величина скорости ветра является достаточно плавающей величиной и стабилизируется с высотой, где на отметке в 400–500 м скорость ветра может достигать 17 м/с (летом) и более (зимой).
Нельзя сказать, что эксперименты с атмосферным электричеством начались только сейчас, одними из первых исследователей его принято считать Бенджамина Франклина (в США) и в России, Георга Рихмана (был убит молнией, во время экспериментов).
В дальнейшем эксперименты продолжились, и, например, исследователь Плаузон в ходе своего опыта поднял воздушный шар на 274 м (300 ярдов) и смог с него снять порядка 400 вольт напряжения и 1.8 А тока.
Воздушный шар был изготовлен из тонких алюминиевых листов, утыканных снаружи иголками, для увеличения ионизации вокруг острия которых, они были покрыты солями радия (по сути, аналог подхода с коронным разрядом). Для усиления эффекта — алюминиевые листы были покрыты фотоэлектрическим составом, что позволяло дополнительно генерировать энергию на свету.
Картинка Елена Ветрова
Как отмечал Плаузон, «сто подобных шаров должны генерировать порядка 70 кВт летом, и до 280 кВт зимой».
В дальнейшем он продолжил свои эксперименты и построил в Альпах между двумя вершинами более мощный вариант своего коллектора атмосферной энергии и даже получил патент на него (US1540998):
Картинка Елена Ветрова
Желающие ознакомиться с устройством, могут найти книгу, где он подробно изложил суть технологии в целом: «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» (1920 г.)
Ещё один исследователь, Жюль Гийо, смог построить в 1920-х годах так называемый «электрический сифон», который смог вырабатывать порядка 2,5–3 кВт при подъёме антенны на высоту около 20 м.
Антенна настольного типа, с высотой порядка 2 м давала около 300 Вт выходной мощности.
Картинки Елена Ветрова
Как заявлял сам изобретатель, подобного типа сифоны служат для сбора электричества из воздуха, при помощи создания магнитного поля. Для запуска системы использовалась катушка Румкорфа — электромеханического преобразователя постоянного низкого напряжения в высокое переменное напряжение.
В наше время испытатели также проводят эти увлекательные опыты, которые дают пищу для размышлений. Например, основатель ресурса lasersaber провёл эксперимент, в ходе которого он с использованием дрона-гексакоптера поднял конец тонкого электрического провода на высоту порядка 30 м, при этом второй конец провода был подсоединён к электростатическому двигателю, часть коронирующих электродов которого была заземлена. Этого оказалось достаточно, чтобы привести двигатель в движение:
Небольшая справка: принцип действия подобного двигателя заключается в перетекании зарядов по поверхности вращающегося ротора, от одного коронирующего электрода — к другому, с использованием вращающегося ротора, который выступает переносчиком зарядов (показано ниже, на схеме). От угла наклона электродов зависит направление вращения ротора двигателя:
Некоторые из подобных двигателей выглядят весьма впечатляюще:
В показанном выше опыте с подъёмом провода с использованием гексакоптера является довольно любопытным то, что коронный разряд возникает в основании вертикального проводника, в двигателе, а не на его макушке (как, по идее, положено). Видимо, здесь просто теоретически эффективность могла бы быть выше (с разрядом наверху), но даже такого достаточно для работы системы.
Тем не менее — сам принцип является вполне рабочим и даже российские изобретатели не обходят его своим вниманием. Например, известен следующий патент системы извлечения энергии из атмосферы, который на схеме достаточно подробно объясняет суть функционирования устройства:
Картинка otlad.ru
И даже строят полноразмерные устройства (вполне работающие!):
Как уже озвучивалось выше, одной из существенных проблем является необходимость подъёма приёмной антенны на более-менее значительную высоту, чтобы воспользоваться преимуществами градиента поля на данном промежутке.
Некоторые из российских учёных пытаются бороться с этим, разрабатывая устройства, которые не требуют подъёма антенны на существенные высоты.
Устройство, рассмотренное в статье Касьянова Г.Т., как раз и обладает указанным преимуществом:
Картинка natural-sciences.ru
Где на картинке: 1 — антенна; 2 — генератор переменного напряжения, запитанный от аккумулятора; 3 — высоковольтный трансформатор; 4 — полезная нагрузка (по умолчанию — резистор в несколько кОм); 5 — заземление.
В качестве антенны в указанном устройстве использована пластина площадью порядка одного квадратного метра (металлическая или металлизированная), расположенная на такой низкой высоте, что об использовании градиента электрического поля Земли говорить не приходится (конкретная высота в статье не уточняется).
Работает устройство, если вкратце, следующим образом: на антенну продаётся ток высокого напряжения 800–1000 В, с частотой порядка нескольких десятков кГц.
При этом антенну начинает окружать высоковольтное электрическое поле, поляризующие молекулы воздуха, благодаря чему они превращаются в диполи, и упорядочиваются согласно линий напряжённости этого поля, что, в свою очередь, вызывает увеличение плотности заряда у поверхности антенны.
В практических опытах создателям устройства удавалось снять с него порядка 20 Вт выходной мощности, при этом потребление устройства составило не более 9,5 Вт.
Подобное небольшое устройство в теории существенно упрощает процесс извлечения атмосферного электричества и делает его более надёжным.
Подытоживая рассказ, хочется сказать, что использование атмосферного электричества в качестве источника энергии является очень интересным, ввиду его потенциала и незадействованности должным образом в деятельности человека на данный момент. Тем не менее — проработка подобных способов генерации электроэнергии может дать человечеству потенциально чистый источник бесконечной (условно) энергии.
Однако существуют и потенциальные сложности, из-за необходимости подъёма на большие высоты токосъёмных антенн (что само по себе проблемно, так как погода имеет переменчивый характер, конечно, если рассматривается высотный вариант), а также ввиду того, что, как отмечают некоторые из исследователей, подобные устройства хорошо притягивают молнии.
Незадействованный потенциал такой интересной темы вполне заслуживает того, чтобы присмотреться к ней внимательнее.
Telegram-канал с полезностями и уютный чат
