Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / В поисках «энергетической капсулы»
Начало сайта / Раритетные издания / В поисках «энергетической капсулы»

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Биологически активные

Грюндеры и грюндерство

Квантовый мир

Плеяда великих медиков

Приключения великих уравнений

Химия вокруг нас

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

В поисках «энергетической капсулы»

Нурбей Гулиа

Электрическая «капсула»

Глава третья, в которой автор еще раз убеждается во всесилии электричества, равно как в том, что от исполнения своей мечты он пока далек...

Как накопить электроны?

Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то ощутимо отклонили путь моих поисков. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не увлекаться, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня таких устройств у меня значился конденсатор.

Я уже говорил раньше, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, где в середине XVIII века он был построен.

Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды – прибор заряжен.

Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментатора. Правда, это бывало давно, когда люди еще не знали об опасности этого опыта.

Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?

Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатора не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и... По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мои конденсатор далеко от лейденской банки не ушел. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.

Раньше, в XVII...XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» стали определять емкость конденсатора, как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше расстояние, зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет свой заряд, а в худшем – разрушится, причем не исключено, что со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 вольт. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном итоге нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.

И еще очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко изменяться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора, обкладки которого разделены диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора, стекла – до 7, а для воды необычно много – 81. То есть с помощью воды можно получить конденсатор, в 81 раз более емкий, чем воздушный.

Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например, электролитических, которые так широко распространены в радиотехнике, выясняется, что она очень низка, не выше, чем у обычных стальных пружин.

За единицу емкости конденсаторов принята фарада. Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например, шар, диаметр которого равен 18 миллионам километров, то есть в полторы тысячи раз более крупный, нежели наша Земля! Разумеется, емкость существующих конденсаторов значительно меньше, и поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах.

Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 микрофарад при напряжении 300 вольт, то масса его окажется несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее половины джоуля. Стало быть, плотность энергии составит около 10 джоулей на килограмм массы. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в десять больше, но и это очень немного.

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, несколько лет назад был изготовлен конденсатор из... активного угля!

Известно, что активный уголь, приготовляемый кипячением Древесного угля в воде, имеет огромную поверхность в единице объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активного угля и заинтересовала японских ученых.

Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития – в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость одного кубического сантиметра такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости шара в пустоте, имеющего диаметр в 15 тысяч раз больше диаметра Земли, больше чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это почти ничего не дало – конденсатор из активного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии этого конденсатора составила примерно 1 килоджоуль на килограмм, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мало.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокими диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130000 единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 микрофарад заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 вольт плотность его энергии будет порядка 20...200 килоджоулей на килограмм. Этот показатель лучше, чем таковой у газовых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову, что если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой, удельная энергия конденсатора, судя по всему, выросла бы еще раз в сто. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения ста километров, могла бы быть не более одного-двух килограммов!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но... Где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК активный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет внезапный пробой?

Я затруднялся найти ответ на первые вопросы, однако ответ на последний отчетливо представлял себе. Дело в том, что однажды я был страшно перепуган оглушительным взрывом телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше...

И еще меня огорчало одно обстоятельство. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности его энергии в 3,6 килоджоуля на килограмм. А это в тысячи раз ниже плотности энергии, вычисленной мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих прогнозах, и я, кажется, догадывался, кто...

«Капсулу» – в жидкий гелий

Нет, не получилось из конденсатора «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.

Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки в то время, как питание от батареи больше не поступало? И накапливалась эта энергия в магнитном поле тогда, когда, несмотря на то, что энергия отбиралась от батареи, лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.

Итак, очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.

Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все большая и большая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но... от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!

Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?

Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных для меня сведений.

Еще в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что столбик ртути, охлажденный до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,2 градуса, полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно времени, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.

В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не имели. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава металла ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.

В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию, примерно в 7 раз больше, чем в такой же по объему конденсаторной батарее. Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температурах, близких к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.

Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде была накоплена энергия в 10 килоджоулей. Плотность энергии накопителя составила около 40 килоджоулей на килограмм массы.

До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как... механическая прочность.

Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовлена проволока для кольца, увы, совсем не прочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение высокой плотности энергии.

Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь тела пропорциональна квадрату его размеров, объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.

Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе.

Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными при запасе энергии в них свыше миллиона мегаджоулей. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в СССР способны запасти только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн. Чуть больше подобные накопители за рубежом.

Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего?

В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 метров и высотой свыше 20 метров. Сечение обмотки диаметром 17 метров. Криостат заполнен жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключено в медные или алюминиевые оболочки и усилено прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 килоампер, а плотность тока достигает огромной величины – 3 килоампера на квадратный миллиметр сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 миллионов мегаджоулей энергии.

Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 мегаджоулей нужно автомобилю для прохождения пути в 100 километров. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 километров, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания ста тысяч такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.

Немецкие ученые спроектировали накопитель диаметром 250 метров и высотой 50...70 метров. Криостат с жидким гелием и помещенной в него обмоткой из титан-ниобиевого сплава намечено упрятать под землю. Под стать размерам и предполагаемая энергия накопителя. В своем проекте немецкие ученые применили интересное новшество – огромные нагрузки, действующие на обмотку, они попытались частично «переложить» на грунт, в который зарыт накопитель. Специальные распорки должны будут «упираться» в корпус криостата, а он в свою очередь в породы, окружающие его.

Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, они не так далеки от нее. Слишком много здесь всяких узких мест.

Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем покрыть расход его на непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный.

Но это еще ничего, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, надо распорки проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и даже на их изменение реагирует чутко. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее!

И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, неизвестно.

Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда такие накопители начнут строить к XXI веку. Разумеется, при условии, что не будет создана «энергетическая капсула» получше – простая, емкая, надежная. И которую, конечно, можно будет поставить на автомобиль! Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно не пригодны в качестве двигателя автомобиля.

Плюс химия

Теперь мне стало ясно, что конструкторы автомобилей были тысячу раз правы, используя на них обычные электроаккумуляторы, а не конденсаторы или сверхпроводящие магниты.

Действительно, автомобильные аккумуляторы могут месяцами хранить энергию, причем в достаточно большом количестве. Я сам видел, как иногда автомобили «гоняют на стартере»: включают стартер, питаемый от аккумуляторов, вроде бы для заводки двигателя, но привода на колеса при этом не отключают, как положено по инструкции, – и машина катит по улице. А ведь энергия аккумулятора здесь расходуется не только на движение автомобиля, но и на прокрутку двигателя. Не будь этой прокрутки, автомобиль смог бы пройти «на стартере» больше километра – настолько велика емкость аккумуляторов. Похоже, известные всем нам автомобильные электроаккумуляторы пока ближе всего к «энергетической капсуле».

Позвольте, но так ли уж они известны? Однажды ко мне пришел знакомый мальчик лет шести и в разговоре сказал, что знает, как устроен телевизор. На мой вопрос, может ли он нарисовать его схему, мальчик ответил утвердительно. Однако удивление мое быстро прошло, когда вместо схемы он изобразил переднюю панель телевизора. «Это экран, это ручка громкости, это яркость...» – перечислял он.

Вот так же и я представлял себе электроаккумулятор – пластмассовый ящик с клеммами, внутри которого находятся пластины и кислота, часто называемая «аккумуляторной». Что происходит внутри аккумулятора, каким образом он накапливает энергию, – все это было мне невдомек.

Оказалось, что я не одинок в своем неведении. Никто из водителей, которых я расспрашивал о принципе работы аккумулятора, не дал вразумительного ответа. Мне говорили: он накапливает энергию потому, что к клеммам подсоединяется генератор или выпрямитель, которые и подают в аккумулятор ток. После этого уже сам аккумулятор становится источником тока до тех пор, пока не разрядится. Вроде бы понятно. А почему таким свойством обладает именно аккумулятор, а не кирпич, например? Да потому, дескать, что он так устроен.

Этих сведений мне было явно недостаточно. Пришлось в который раз засесть за книги.

История электроаккумуляторов берет начало со знаменитого опыта, проделанного итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1799 году. Ученый опустил медный и цинковый электроды в разбавленную серную кислоту и обнаружил, что между электродами возникла разность потенциалов. Соединив электроды проводником – проволочкой, Вольта получил в ней электрический ток. Тем самым он доказал, что различные металлы, помещенные в растворы кислот, образуют источник тока.

Это был первый в мире гальванический элемент, названный так потом в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани, который еще до Вольты заметил появление тока при взаимодействии двух разных металлов в проводящей жидкости – электролите.

Правда, есть сведения, что гальванические элементы существовали и в древности. Во время археологических раскопок были найдены глиняные кувшины с напоминающими электроды цилиндрами из разных металлов, причем некоторые ученые считают, что электролитом тогда служили вино или уксус. И будто бы с помощью этих элементов древние мастера умели делать гальванические покрытия: например, наносили тончайшую пленку золота на украшения.

Так или иначе, огромная заслуга Вольты в том, что он не только построил гальванический элемент, но и объяснил его действие, чего по вполне понятным причинам не могли сделать древние.

Элемент Вольты давал очень маленькое напряжение. Чтобы повысить его, стали изготавливать батареи из медных и цинковых пластин, переложенных прокладками, смоченными серной кислотой. Батареи эти, названные вольтовыми столбами, обеспечивали уже достаточно большое напряжение. После Вольты немало ученых – Лекланше, Грене, Даниэль, Грове и другие – разрабатывали свои, все более и более совершенные гальванические элементы. Элемент Лекланше, например, послужил прообразом современных «сухих» батарей, используемых для питания карманных фонариков, радиоприемников, электрифицированных игрушек и прочих устройств. Электроды таких батарей, как когда-то у Лекланше, твердые – цинковый стаканчик и графитовый стержень. А вот электролит уже не жидкий. Ведь жидкость может в любой момент пролиться, а делать элемент герметичным дорого и сложно. Вот и заменили жидкость желеобразным электролитом. Получился удобный и практичный источник электричества.

Если через разряженную сухую батарею особыми импульсами пропустить ток, ее можно вновь «оживить». Эту операцию порой проделывают по несколько раз. Однако уча ненадолго восстанавливает элемент.

Постойте, постойте... Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?

Оказывается, и так и нет. Прежде всего, не каждый гальванический элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например, с элементом, в котором присутствуют два электролита. Таков элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановишь.

Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию. Но процесс накопления так неэкономичен и неэффективен, что многие считают его излишним. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо «переносить» процесс зарядки. И этого наконец удалось добиться в середине прошлого века.

В 1859 году французский ученый и инженер Гастон Плантэ провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Плантэ построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что элемент Плантэ стал сам вырабатывать электроток и при этом выделяет почти всю энергию, затраченную на зарядку. Зарядку можно было повторять большое число раз – элемент неизменно работал исправно, не разрушался, подобно сухим батареям.

Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором.

Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Плантэ? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.

Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.

Ясно, что энергия в этом аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, как в предыдущих накопителях электрической энергии, а в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, чем в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах и электромагнитах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.

В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит энергоемкость аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляются в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25...35-процентный водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение на клеммах 2...2,2 вольта. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 вольта, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции и пластины, потеряв прочность, рассыплются.

Мне очень хотелось узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности. Однажды я упросил одного знакомого водителя включить стартер, питаемый, как известно, от аккумулятора, при не включенном двигателе. Двигатель, естественно, не завелся, а секунд через 15...20 стартер начал сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановился. Было полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Я думал, водитель рассердится, скажет, мол, видишь, к чему привели твои опыты. Но он неторопливо выключил стартер, а потом, спустя 2...3 минуты, снова включил его. Стартер заработал! Откуда взялись «силы» у аккумулятора? Не мог же он, как живое существо, «отдохнуть»?

В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похоже. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы она восстановилась. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать поравномернее, с постоянной, но небольшой по мощности нагрузкой. Например, если попытаться бегом взбежать на 20-й этаж дома, с одного раза это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и усталость после этого будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особой усталости.

Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая была в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.

Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы – это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов – обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на килограмм массы аккумулятора, так называемая удельная мощность или плотность мощности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота – опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона.

В этих аккумуляторах электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20-процентный раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами в них. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.

Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, положительные их качества преобладают – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они все больше входят в технику. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и в других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, под названием «кнопочные», так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду и переразряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим «похвастать» не могут.

На некоторых спутниках связи и космических станциях применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие, до минус 60 градусов, температуры. Плотность энергии, накапливаемой в них, в пять раз выше, чем у кислотных аккумуляторов, а плотность мощности – вдвое выше.

Всем хороши серебряно-цинковые аккумуляторы, хоть сейчас ставь их на автомобиль. Масса аккумулятора для прохождения стокилометрового пути не превысит ста килограммов...

Но, увы, стоимость этого аккумулятора будет во много раз выше стоимости самого автомобиля. И надежд на его удешевление никаких – серебра на Земле становится все меньше и меньше, и дорожает оно на мировом рынке все больше и больше. Не лишне сказать, что подобная участь ждет в недалеком будущем многие металлы, в том числе столь необходимый для аккумуляторов свинец. Чтобы аккумулятор мог стать поистине массовым и перспективным, он должен содержать материалы, которых на Земле вдоволь.

Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары «сера – натрий» и «хлор – литий». Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300...800 градусов, они получили название горячих.

Мне происходящее внутри горячих аккумуляторов почему-то сразу напомнило мифологический ад, о котором я в детстве немало начитался. Достаточно было представить расплавленную серу, в которой «варится» расплавленный же натрий, тот самый натрий, что и от воды-то загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при восьмистах градусах! Недаром ученые который уж год бьются над созданием корпуса к этому «адскому» накопителю – мало какой материал выдерживает такую начинку.

Однако к чести горячих аккумуляторов, они при низкой своей стоимости развивают плотность энергии раз в десять большую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в килограмме своей массы 64 килоджоуля энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400...700 килоджоулей!

Автомобилю для пробега в 100 километров хватило бы всего 50 килограммов серно-натриевого аккумулятора. 150 килограммов на 300 километров пробега – это неплохие результаты. Но... горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, оболочка их не выдерживает долго «адское» содержимое. Да и при аварии машины с этим аккумулятором присутствовать даже зрителем никому не пожелаешь.

Более спокойный «характер» у новых, медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии в опытных образцах этих аккумуляторов в полтора раза выше, чем у серебряно-цинковых, но, что самое важное, у них возможно получение высоких удельных мощностей. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, всего до нескольких минут, что также очень существенно.

Интересны аккумуляторы на основе цинка и... обыкновенного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в батарее обусловлен только количеством цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока.

Своеобразие этих батарей заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но плотность энергии элемента при этом получается почти вдвое большей, чем у аккумулятора.

Однако как ни хороши описанные выше аккумуляторы-рекордсмены, специалисты все-таки считают, что проблему создания современного электромобиля с дальностью пробега 120...150 километров должны решить не они, а дешевые и недефицитные никель-цинковые аккумуляторы. По плотности энергии и мощности такие аккумуляторы находятся между обычными и серебряно-цинковыми аккумуляторами. Возникли они в результате замены у серебряно-цинковых элементов дорогого серебра на сравнительно дешевый никель.

Тем не менее будущее, хотя и отдаленное, все же за горячими аккумуляторами, несмотря на все трудности и неудобства, связанные с их постройкой. Их разработкой занимаются сейчас самые солидные фирмы и институты, в том числе и у нас в стране. Успехи же весьма скромны – создать конструкцию такого накопителя для серийного производства ученым до сих пор не удалось. Из лабораторий горячий аккумулятор пока не вышел. Вряд ли мне будет под силу тягаться в этом с целыми научными коллективами.

Особенно смутило меня то обстоятельство, что теоретический предел у электрохимических аккумуляторов уже близок. По расчетам ученых, основной показатель аккумулятора – плотность энергии здесь можно повысить по сравнению с уже достигнутыми результатами максимум раза в 3...4. Безусловно, маловато получается для «капсулы». Кроме того, как я хорошо знал, подойти вплотную к теоретическому пределу невероятно сложно. Вспомнить хотя бы, сколь трудным оказалось подобраться к абсолютному нулю температуры, к полному вакууму, к совершенно чистым материалам. Подобных примеров можно привести множество из самых разных областей человеческой деятельности.

Поэтому, отдавая должное всесилию электричества и бесспорным преимуществам электроаккумуляторов, я все-таки мечтал найти такой накопитель, теоретический предел которого если не бесконечен, то хотя бы отодвинут достаточно далеко. Лишь тогда можно будет всерьез говорить об «энергетической капсуле».

Электромобили

Прежде чем расстаться с электроаккумуляторами, я решил испытать их на электромобиле. Все прочитанное мною про электромобиль было настолько противоречиво, что мне захотелось непременно составить о них собственное мнение.

На электромобили иногда смотрят как на какую-нибудь новинку. А ведь они были созданы задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х годах прошлого столетия появился первый электродвигатель, его сразу же поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 году, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 метра, с метровыми колесами – то есть достаточно крупное сооружение. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.

В России первый электромобиль сконструировал инженер И. Романов в 1896 году. Машина имела скорость 25 километров в час и запас хода 40 километров. Вскоре тот же Романов построил первые электрические автобусы, на 15 пассажиров каждый. Талантливый инженер мечтал создать в Петербурге широкую сеть электробусных перевозок пассажиров, им был составлен подробный план всех необходимых работ. Однако этому плану не суждено было сбыться.

В самом начале нашего века электромобилей было уже так много, что в американском городе Чикаго, например, их число вдвое превышало число автомобилей! Электромобилисты чувствовали себя тогда весьма уверенно – даже мировые рекорды скорости принадлежали им, а не автомобилистам. Еще в 1898 году этот рекорд был равен 63 километрам в час, а годом позже – 105,9 километра в час. По тем временам это было совсем немало.

Впоследствии, когда стали добывать много дешевого бензина (он поначалу даже считался побочным продуктом перегонки нефти, и его просто сжигали!), автомобили вытеснили своих электрических собратьев. Для подзарядки электромобилей, число которых сильно возросло, уже не хватало мощности электростанций.

Сегодняшний возврат к электромобилям (как и к паромобилям, воздухомобилям и т.п.) вызван отнюдь не тем, что у инженеров появились какие-нибудь принципиально новые идеи, могущие коренным образом улучшить электромобили. Нет, просто стало трудно дышать в крупных городах из-за выхлопных газов двигателей, и к тому же быстро кончаются мировые запасы топлива. Отсюда возникла необходимость спешно найти замену автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. Вот и вспомнили про электромобили.

Как я уже сказал, меня удивляла противоречивость сообщений об электромобилях. Например, в одной из публикаций я прочел, что японские инженеры построили электромобиль с дальностью пробега 500 километров, а скорость и разгон у него – ну прямо как у спортивных автомобилей. Спустя какое-то время после этого сообщения американские специалисты решительно заявили, что электромобили пока способны проходить лишь 50...60 километров с одной зарядки, максимальная скорость у них не выше 80 километров в час, а разгон – из рук вон плохой. В гору такой электромобиль вообще не может быстро двигаться. По своим характеристикам это скорее не электромобиль, а электрокар – аккумуляторная тележка, какие ездят по территории заводов.

Чего только не приходилось читать и про зарядку аккумуляторов. Писали, например, что уже созданы электронные установки для зарядки аккумуляторов за считанные минуты и чуть ли не секунды. Но тем не менее до сих пор аккумуляторы еще заряжают в течение многих часов.

Короче говоря, я задумал построить модель электромобиля, чтобы все проверить самому. Признаться, осуществить задуманное оказалось нелегко. Постоянно вставали вопросы: где раздобыть то? Где найти это? Но раз уж взялся за дело, нужно было доводить его до конца.

В своей конструкции я использовал раму от маленького спортивного автомобиля – карта. Задние колеса взял побольше, от мопеда, а передние – от детского самоката. На раму позади сиденья поставил одну аккумуляторную батарею от автомобиля МАЗ (там две такие батареи), которую выпросил на время у знакомого водителя. Масса этой батареи – около 40 килограммов, батарея была совершенно новая и очень емкая.

В качестве тягового двигателя я применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Правда, пришлось двигатель разобрать и заменить в нем шестерню такого же размера стальным цилиндром с накаткой, как у напильников, для большей шероховатости. Впоследствии я убедился, что можно было и не снимать шестерню, а посадить на зубья стальное кольцо с накаткой, залив пространство между зубьями эпоксидным клеем. Такие цилиндры или кольца, передающие движение трением, в технике называются фрикционами.

Стартерный двигатель я установил у одного из задних колес, на качающемся рычаге. Вместе с фрикционом двигатель прижимался к колесу пружиной. С аккумуляторной батареей он был соединен несколькими толстыми проводами так, чтобы к нему можно было подключать различное напряжение: 6, 8, 10 и 12 вольт. Один провод – общий, а другие подключались к клеммам стартера через соответствующие переключатели. Каждому напряжению соответствовал отдельный переключатель. Получилась своеобразная коробка скоростей.

Управление машиной было несложным – руль и переключатели, которые обеспечивали нужную скорость. Тормоза я взял от мопеда. Задние колеса посадил на ось на подшипниках, привод был только на одно колесо. Это давало возможность автомобилю свободно поворачивать вправо и влево. Такие приводы характерны для микромобилей.

Я немало поездил на своем электромобиле. Выбирал и ровные, и наклонные дороги, развивал на некоторых участках скорость до 40 километров в час. Единовременный пробег в разных дорожных условиях составлял около десяти километров, дальше разряжать аккумулятор было ни к чему – он мог испортиться. Соотношение массы аккумулятора и мощности двигателя (стартера) с массой электромобиля (а он весил со мной вместе до 100 килограммов) оказалось примерно таким же, как и у стандартных зарубежных электромобилей. Поэтому мои выводы могли быть применимы для всех этих машин. А выводы были следующие: электромобиль прекрасно идет по ровным дорогам с постоянной скоростью; дальность пробега электромобиля в этих условиях может быть достаточно большой, в расчете, конечно, на емкие аккумуляторы; разгоняется электромобиль очень вяло, медленно набирает скорость. Он не может вписаться в городское движение. У светофора, например, он будет сдерживать всю колонну автомобилей позади себя; в гору электромобиль либо не едет вообще, либо едет очень медленно и очень недолго; аккумуляторы при этом мгновенно «садятся»; торможения и разгоны катастрофически сокращают дальность пробега электромобиля; десяток торможений и разгонов до предельной скорости поглощают всю энергию аккумулятора; зарядка аккумуляторов удручающе длительна.

Я привел свои выводы лишь потому, что они почти полностью согласовались с мнениями специалистов по электромобилям, которые я прочел гораздо позже. Видимо, к тому же пришли и конструкторы электромобилей в начале века – идея электромобиля за это время не претерпела каких-либо существенных изменений. Вот если бы электромобиль смог по резвости соревноваться с обычным автомобилем, тогда ему, как говорится, цены бы не было!

В чем тут дело? Казалось бы, электродвигатель обладает всеми положительными качествами, необходимыми для автомобиля, – способностью переносить перегрузки, удобством управления, экономичностью. Троллейбус, который приводится в движение электромотором, при разгонах оставляет далеко позади себя автобусы с двигателем внутреннего сгорания, перегоняет их при движении на подъемах. Почему же электромобиль отстает от троллейбуса?

Да потому, что троллейбус получает энергию извне, от электросети, а электромобиль – от собственной батареи. А электроаккумуляторы, даже с большой плотностью энергии, обеспечивающей долгий пробег, имеют очень небольшую плотность мощности. Этот показатель у электроаккумуляторов во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей.

Например, хороший двигатель массой в сто килограммов может развить до 80...100 киловатт мощности. А аккумуляторная батарея той же массы – не более восьми киловатт! И то при этом она достаточно быстро разрядится. Для того чтобы полностью сравняться с автомобилем, электромобиль должен иметь аккумулятор, основные показатели которого – плотность энергии и мощность – в пять – десять раз выше. Что ж, видимо, этим и придется заняться специалистам.

Водородные генераторы

В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в других его произведениях встречается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова.

Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика.

А что, если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.

В таком примерно виде этот метод был разработан полвека назад известным изобретателем А.Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же А.Г. Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 процентов. К тому же на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей работать не будет – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет нам желаемого результата, отдача энергии здесь будет очень мала.

Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или подсоленная, является здесь проводником тока, электролитом. Нельзя ли, подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?

Оказывается, ученые работают над этим давно. Еще в прошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток. Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.

Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100...200 градусов по Цельсию. Электролитами могут служить и щелочь и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 процентов, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.

Как же все-таки работает современный топливный элемент?

В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии.

Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль. Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.

Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около мегаджоуля на килограмм. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.

Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 50 ватт на килограмм массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Накопители энергии, имеющие в основе своей работы принцип водородного аккумулирования, могут появиться в промышленности и на транспорте в лучшем случае к самому концу нашего века.

Очень уж сложна и трудоемка их разработка, слишком дорогими получаются пока составляющие их устройства.

Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб: например, электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.

Электрические органы ската, расположенные по бокам головы, весят около пуда. По своему строению они поразительно похожи на батарею гальванических элементов. Состоят эти органы из многочисленных пластинок, несущих положительные и отрицательные заряды, причем пластинки расположены столбиками (как бы соединены последовательно), а столбики связаны между собой. Каждый электрический орган покрыт «электроизолирующей» тканью.

Скат способен давать ток силой 8 ампер при напряжении в 300 вольт, то есть развивать мощность почти 2,5 киловатта, что больше трех лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Подсчитав плотность мощности электрических органов ската, получим свыше 150 ватт на килограмм! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100...150 ватт на килограмм открыло бы широкие возможности для применения электрохимических источников тока на транспорте, в частности для привода электромобилей. Сегодняшним аккумуляторным батареям это пока не под силу. Браво, скат!

Но хотя скат и обогнал аккумуляторную технику, не разводить же его специально для накопления энергии. Нет, скат – не «капсула», он и не захочет быть ею, даже если попытаться одомашнить его для целей электроснабжения. Это все, скорее, из области фантастики...

Неразгаданная тайна шаровой молнии

Поиски «энергетической капсулы» заставили меня поближе познакомиться и с таким загадочным 70 явлением природы, как шаровая молния. По правде говоря, никто пока точно не знает, накопитель это или нет. Но я с некоторой долей риска все-таки решил считать шаровую молнию аккумулятором энергии.

Вот кратко те характеристики шаровой молнии, которые составлены на основе большого количества свидетельств очевидцев: энергия, заключенная в молнии, – от 0,1 до 4 кВт·ч; время существования – от нескольких секунд до минут; масса – от 0,5 до 50 г; плотность – от 0,0013 до 0,015 г/см3.

Конечно, у шаровой молнии есть и другие характеристики, например, сила свечения, скорость движения и т.д., но меня прежде всего интересовали ее аккумулирующие возможности.

В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, естественно, отличающихся друг от друга. Однако особенно примечателен так называемый «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.

Шаровая молния размером с большой апельсин (10...15 см диаметром) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было погрузить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, что она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.

В бочонке помещалось около 16 литров воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч. В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку молния пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.

Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 литра и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см3, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5...50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 мегаджоулей на килограмм массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!

«Опыт с бочонком» не был единичным. Попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой во все последующие времена везде вызывало вскипание содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран учеными.

Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 мегаджоулей на килограмм, но, в общем-то, и это чрезвычайно много!

Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Мне же наиболее любопытными показались две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в прошлом веке знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии – «грозовой материи» – вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.

К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение искусственной «грозовой материи» по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.

Известный советский физик Я.И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.

Недавно открытое советскими учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждают, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование – ХЛО, которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.

Так или иначе, но эта гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, нравилась мне больше остальных. Может быть, потому, что она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.

Совершенно противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П.Л. Капица. Прежде всего он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П.Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

При этом П.Л. Капица ссылается на так называемое высвечивание, то есть прекращение сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 метров высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 сантиметров (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!

Исходя из этого, П.Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной от 35 до 70 сантиметров. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.

Хотя эта теория нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35...70 сантиметров, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком», описанному профессором Б. Гудлетом. Дело в том, что вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало бы сколько-нибудь заметного нагрева ее.

Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает при соприкосновении толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие «силовые» трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести в куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния «нырнула» в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же шаровой молнии по своему эффекту напоминало бы скорее лопающийся резиновый воздушный шарик. Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как аккумулятора выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так например, литр легкого газа ацетилена, медленно сгорая в воздухе, обеспечивает яркое свечение, соизмеримое с силой света шаровой молнии, в течение нескольких десятков секунд. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз большую.

Я уже почти не сомневался, что шаровая молния несет свою энергию внутри себя. То есть она и есть настоящая «энергетическая капсула», только созданная не человеком, а искусницей природой.

Однако загадка шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной, пока не удалось получить шаровую молнию искусственно. Возможно, что, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии! Но в нынешнем виде «грозовая материя» показалась мне слишком опасной, чтобы строить «капсулу» на ее основе.

 

См. также:

  1. Носков Н.К. Физическая модель шаровой молнии. НиТ, 1999.
  2. Чинарёв И.П. Подходы к объяснению шаровой молнии. НиТ, 1999.
  3. Маханьков Ю.П. Условия образования шаровой молнии. НиТ, 2000.
  4. Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.
  5. Федосин С.Г., Ким А.С. Шаровая молния: электронно-ионная модель. НиТ, 2000.
  6. Резуев К. Шаровая молния. НиТ, 2002.

 

Мечте – 5500 лет!

Оглавление


Дата публикации:

20 февраля 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика