В поисках «энергетической капсулы»

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.

Часть II. Держу мечту!

Мечте – 5500 лет!

Глава первая, в которой автор, запутавшись в сложности поиска «энергетической капсулы», решил искать ее самым простым путем и, кажется, не ошибся...

Метеорит на привязи

Итак, я перебрал почти все идеи, казавшиеся мне сколь-нибудь перспективными, но «капсулы» не нашел. Каждый раз все складывалось вроде бы отлично, появлялись радужные надежды, а затем возникали непредвиденные осложнения, они громоздились друг на друга, и мои надежды в конце концов рушились.

Неужели всякая победа в технике достается только многолетним кропотливым трудом? Известно, что так работал, например, великий Эдисон, тратя на сон и другие «бесполезные», с его точки зрения, занятия минимум времени. Но ему же принадлежат слова: «Огромное большинство людей предпочитает безмерно трудиться, лишь бы немного не подумать».

Разумеется, я был совсем не против того, чтобы найти в природе какой-нибудь аналог накопителя и, отталкиваясь от него, «немного подумать». Однако попробуй найди такой аналог.

Раскаленное Солнце? Было, это же тепловой аккумулятор. Сила гравитации? Тоже было – аккумулятор Армстронга, или попросту поднятый груз. Упругие ветви деревьев? Пружина. Электрический скат? Электроаккумуляторы. Грозовые облака? Конденсаторы.