Текст книги "Юный техник, 2001 № 01"

Автор книги: Юный техник Журнал

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 6 страниц)

ВОЗВРАЩАЯСЬ К НАПЕЧАТАННОМУ
Небо – источник энергии?

В «ЮТ» № 6 за 2000 г. мы опубликовали статью М.Яблокова «Трос от неба до Земли» у в которой описали перспективы использования подобных систем в космосе. На эту публикацию прислал свой отклик наш давний автор, профессор Ю.М. Евдокимов, который полагает, что механическая прочность систем далеко не самое главное.

Вот его заметки…

Недавно по телевидению в программе «Земля» показали интересный сюжет о том, как в США ловят молнии.

В двух словах идея установки такова. На поле вертикально устанавливается ракетная установка. Как только в небе появляется подходящая грозовая туча, в нее стреляют ракетой, которая тянет за собой медный провод. Как только он достигает грозовой тучи, происходит электрический разряд. Провод при этом, конечно, испаряется, зато разряд ударяет точно в то место, где был закреплен нижний конец проволоки. Таким образом ученые получают возможность «поймать» молниевый заряд, чтобы замерить его параметры.

А кроме того, такая установка используется для испытания в натурных условиях тех или иных конструкций громоотводов и иных подобных систем.

Я же подумал вот о чем. «А ведь нечто подобное можно использовать и для получения электроэнергии в промышленных масштабах».

В атмосфере, как известно, существует градиент электрического потенциала, который с каждым метром высоты возрастает на 100 В. К примеру, на высоте 50 км этот градиент равен 400 кВ!

Ежегодно на Земле происходит около 16 миллионов гроз, то есть около 44 тысяч молний в день ударяет в землю, или сотни молний ежесекундно!

Средний электрический момент, разряжаемый молнией, составляет около 100 кулонов на км, а заряд – 20–30 кулонов. Средняя плотность напряженности электрического поля в облаке – до 4x10⁵ В/м. Разность потенциалов на пути молнии достигает сотен миллионов вольт, а сила тока в молнии доходит до десятков тысяч ампер. Электрическая энергия, выделяемая средним грозовым облаком, составляет 20 млн. кВт, то есть потенциальная электрическая энергия, запасенная такой тучей, равна энергии мегатонной атомной бомбы (10¹³ – 10¹⁴ Дж).

Впрочем, надеяться на сами молнии пока особо не приходится – нет у нас пока для них достаточно эффективных ловушек. Иное дело, если мы воспользуемся возможностями тросовых систем в атмосфере и космосе.

Но почему бы не использовать даровой потенциал электризации, что имеет место при движении летательных и космических аппаратов в электромагнитном поле Земли?

В настоящий момент накоплены огромные знания по электризации при полете самолетов, космических кораблей. К примеру, профессор И. Имянитов в своей книге «Тропинка в атмосфере» (Л., Гидрометеоиздат, 1982) приводит данные о заряжании летательных аппаратов при вхождении в грозовое облако до 1,5 млн. вольт. Досконально исследованы турбулентность и обледенение, электростатическая опасность и струйные течения…

Ныне создаются системы электростатической защиты, электрической смазки, электродвижители и ионолеты… Задел есть, как им лучше воспользоваться?

Зачем мудрить с выбросом различных тросовых систем на огромную высоту, когда можно попытаться использовать электрическую энергию электризации. Ведь при движении с большими скоростями, как сказано, происходит сильная электризация космических объектов, и для нейтрализации статического электричества применяют всевозможные способы.

А что, если использовать это во благо?

Производить «съем» потенциала, тем более что электризация огромна – объекты получат заряды мощностью до десятков киловатт. Возможно использование идей академика Л. Авраменко, которому удалось по одному проводнику (вольфрамовая нить толщиной всего 20 мкм) передать электрический ток мощностью 1,3 кВт!

И если на самолетах сегодня «бесполезный» электрический ветер стекает со специальных остриев, установленных на концах крыльев, то завтра, быть может, эту энергию удастся использовать на пользу людям. Особенно это актуально в космических условиях, где вполне можно использовать электрический ветер, скажем, для работы маневровых двигателей.

Стоит сказать, что мы повсеместно недооцениваем возможности электростатических сил.

В знаменитых Фейнмановских лекциях по физике (т.5. Мир, 1977) приведены интересные выкладки о величине электрической силы: «Если бы в вашем теле или теле вашего соседа, стоящего от вас на расстоянии вытянутой руки, электронов оказалось бы всего на 1 % больше, чем протонов, то сила вашего отталкивания была бы невообразимо большой… Ее хватило бы, чтобы поднять вес, равный весу Земли».

На главенствующую роль электростатических сил в природе, даже по сравнению с гравитационными, указывал еще академик А.Д. Сахаров.

Тот же солнечный ветер, исходящий от нашего светила, представляет собой плазму, состоящую из потока различных частиц: электронов, протонов, нейтральных частиц. Так как скорость движения солнечного ветра достигает 700 км/с, может происходить усиление магнитного поля за счет так называемого удвоения магнитных трубок: возникает гидромагнитное динамо.

Первые публикации об ионолетах появились еще лет тридцать тому назад, однако до сих пор сколь-нибудь практичные конструкции пока не созданы. Впрочем, уже сегодня можно предвидеть следующее.

Вместо химического топлива ракеты XXI века будут оснащаться мощными источниками энергии. Мысль ученых сосредоточена сейчас над проектами ракет, работающих на потоке электризованных частиц.

Они хотят наилучшим образом решить техническую задачу, поставленную еще гением К.Э. Циолковского. Старт таких кораблей будет происходить, конечно, не с поверхности Земли, а с перевалочных станций на орбитах. Там солнечного света в изобилии, а гравитация составляет лишь небольшую часть земной тяжести. Это позволяет довольствоваться очень малыми ускорениями, то есть скорость ракеты можно будет накапливать постепенно. Да, продолжительность полетов при этом увеличится, но для грузового транспорта скорость может и не быть решающим фактором.

Я хочу сказать, что перевод грузовых ракет на солнечное электропитание – вполне разумная перспектива. Не исключено, что именно по этому пути пойдет в будущем значительная часть межпланетного транспорта.

Скажем, недавно американское космическое агентство НАСА сделало сенсационное заявление: профессор Вашингтонского университета Роберт Уингли нашел способ значительно увеличить скорость космических кораблей, благодаря чему путешествия за пределы Солнечной системы могут стать реальностью уже через 10 лет.

Несмотря на то, что изобретение ученого существует только в виде прототипа, эксперименты НАСА, намеченные на осень этого года, должны дать окончательный ответ на вопрос, найдет ли практическое применение изобретение Уингли. При этом многих исследователей поражает простота идеи, заложенной в основу данного изобретения.

Она состоит в том, что вокруг космического корабля необходимо создать так называемый «магнитный конверт», который будет отклонять солнечный ветер, способствуя тем самым его ускорению до 80 км в секунду, или 288 тыс. км в час.

Солнечный ветер, как, наверное, знают читатели «ЮТ», представляет собой газообразные потоки, идущие от Солнца, при этом их скорость достигает 3,6 млн. км/ч.

Земля защищена от них магнитным полем. Аналогичное поле и предлагает создать американский профессор вокруг космических кораблей. На такой скорости потребуется лишь 3–4 года, чтобы долететь до границ Солнечной системы, в то время как сейчас для этого необходимо 42 года.

В заключение следует отметить, что изобретение Роберта Уингли основано на давно известных законах физики. Неужто никто не придумает, как использовать «молниевую машину»?

ВЕРСИИ
И вновь о молниях

«Если современному инженеру-высоковольтнику представить данные природного электрического генератора, каковым является грозовое облако, то по его расчетам получится, что молний на свете быть вообще не должно, – пишет нам из Саратова И.В.ПОЛУНИН. – Но на практике это далеко не так. В чем тут хитрость?..»

Слово И. Полунину.

Молния – это природная электрическая искра. В лабораторных условиях для ее возникновения необходимо приложить напряжение в 3 млн. вольт на метр. Если учесть потери, неизбежные в облаке, это число необходимо увеличить как минимум вдвое. Непосредственные же измерения показывают, что в облаке имеет место лишь напряжение в 200 тыс. вольт на метр. И тем не менее молниевая машина облака исправно работает.

Тем более удивительно, что в грозовом облаке энергия аккумулируется на каплях, изолированных друг от друга воздухом, который, как известно, представляет собой неплохой изолятор. Каким же образом за тысячные доли секунды – а именно столько длится молниевый разряд – миллионы миллиардов капель, находящихся в облаке объемом в несколько кубических километров, успевают соединить свои заряды?

Американский профессор Дж. Фоллин считает, что и накопление заряда в туче, и сам разряд молнии происходят под воздействием космического излучения. Исследователь полагает, что именно космические лучи, попадая в атмосферу Земли, разбивают на атомы молекулы воздуха, ионизируя их. При этом из атомов выбиваются электроны, которые, в свою очередь, низвергаются электронной лавиной в нижние слои облака, накапливаются там и за короткий промежуток времени создают потенциал в сотни миллионов вольт. Именно этот потенциал и разряжается в конце концов огромной электрической искрой – молнией.

Причем самому разряду опять-таки способствуют космические лучи, ионизируя молекулы воздуха ниже облака, подготавливая ионизированные каналы. Таких молниевых каналов образуется великое множество, они пересекают друг друга. Поэтому молния, переходя из канала в канал, движется такими странными зигзагами, а не по прямой.

Однако этой гипотезе Фоллина, по-моему, присущ один недостаток. Космическое излучение поступает в атмосферу Земли практически постоянно, а вот грозы бывают не каждый день. Стало быть, тут есть еще какие-то причины.

Интересную гипотезу на этот счет некогда выдвинул один из старейших наших метеорологов И.Е.Воробьев, долгое время работавший на высокогорных метеостанциях. Однажды он стал свидетелем такого явления. Тяжелое грозовое облако надвигалось прямо на метеостанцию, находившуюся на высоте 3250 м над уровнем моря. Оно буквально зацепилось за крышу станции, и туча, дотоле сыпавшая громы и молнии, разразилась…снегопадом. Причем снежинки оказались весьма необычного вида – они представляли собой длинные ледяные иголки, даже нити, переплетавшиеся между собой таким образом, что в воздухе как бы медленно опадали серпантиновые ленты.

А что, если такой «серпантин» – довольно обычное явление в грозовом облаке? Из электростатики известно: на острие того или иного предмета напряженность магнитного поля увеличивается. Заряды стекаются на концы нитей, и, когда они соприкасаются между собой, величина суммарного заряда быстро возрастает. Такое увеличение в конце концов и приводит к пробою – молнии.

ДАВАЙТЕ РАЗБЕРЕМСЯ
Конденсатор по имени Земля

За сто лет человек научился защищаться от молнии. Вот бы еще теперь ее приручить! Эта мысль многим приходит в голову. Однако, как говорится, «стоит ли овчинка выделки»? Чтобы разобраться в энергетике молнии, достаточно обычного курса школьной физики.

На уроках вы знакомились с электрическими конденсаторами и определением их емкости (см. рис. 1).

Для шарового (рис. 1а) она определяется из формулы:

Когда изолятором служит вакуум или воздух, то величина диэлектрической постоянной е = 0,88·10^-13 Фарад/см.

Если неограниченно увеличивать внешний радиус нашего конденсатора R₂, то он превратится в изолированный шар с емкостью:

Вычислим емкость нашей планеты, радиус которой, как известно, составляет около 6400 км, или 64 00х10³х10² см:

С_з.ш.= 4peR₁ = 4x3,14x0,88·10^-13x6400·10³x10²h 700mF.

Как видим, емкость земного шара при чистом небе и космосе совсем не велика, в запасах любого радиолюбителя наверняка найдется электролитический конденсатор в 1000 и даже 5000 микрофарад.

Однако бывают и тучи. Пусть на высоте в 5 км грозовыми облаками покрыт квадрат 10х10 км. В этом случае можно не учитывать кривизну Земли и использовать при определении емкости между почвой и облаком формулы плоского конденсатора (см. рис. 1б).

т. е. 0,17 микрофарады. Совсем небольшая емкость, не правда ли?

Какую же энергию можно в нем запасти, если зарядить его грозовым напряжением, скажем, в 10 MB?

W = C·U²/2 = 0,17·10^-6х10·10⁶х10·10⁶ = 0,17·10⁸ Дж = 24 кВт·ч.

Это даже меньше нормального месячного квартирного расхода.

Как видим, запасов небесной электроэнергии не так уж и много, а вот шума и блеска от молнии достаточно. Она за прошедшие двести лет, после работ М.В.Ломоносова, досконально изучена и исследована. Без этого было бы невозможно использовать высоковольтные воздушные ЛЭП, открытые распределительные подстанции, антенны, многие виды связи, высотные здания, воздушный транспорт, ракеты…

Происхождение гроз – следствие электризации. В атмосфере, насыщенной водяными парами, под действием мощных восходящих воздушных потоков происходит разбрызгивание водяных капель. Образующаяся при этом мельчайшая водяная пыль оказывается заряженной отрицательно, а оставшиеся тяжелые капельки – положительно.

Ветер разносит отрицательно заряженную водяную пыль на значительные расстояния, образуя основной массив грозового облака. Таким образом началом грозового явления служит механическое разделение зарядов противоположного знака и сосредоточение в различных частях облака значительных объемов униполярных зарядов. Такое облако, заряженное с нижней стороны в основном отрицательно, и образует рассмотренный конденсатор, другой обкладкой которого является земля, где на поверхности индуктируются положительные заряды. Средняя напряженность такого конденсатора обычно не превышает 10 кВ на метр.

Разряд между облаком и землей начинается с прорастания от облака к земле слабо светящегося канала – ступенчатого лидера, движущегося толчкообразно со средней скоростью около 100 км/с. Когда он достигнет земли, начинается фаза главного разряда – собственно молнии. Амплитуда импульса тока молнии достигает десятков и даже сотен килоампер, однако длительность его невелика – тысячные и реже сотые доли секунды. Суммарный заряд, переносимый молнией, лежит в пределах 20 – 100 кулон. В расчетах исходной величиной является не напряжение – разве к облаку подключишь вольтметр? – а ток молнии, ибо он может быть измерен специальными регистраторами. Методика таких расчетов давно и хорошо отработана. Проектирование грозозащиты – заурядная операция, простейшая тема курсовых заданий студентам.

Тем не менее, в печати, особенно «желтой», появляются описания этого явления, не соответствующие действительности. Например, сообщается: по конструкции громоотвод проще простого – железная палка на крыше жилого дома!

Это совершенно неверно. Таким советом воспользуется лишь тот, кто желает спалить свое жилище и убить его обитателей. В действительности, главной частью молниеотвода (правильное название) является заземляющее устройство, соединяющее «палку» с почвой. Оно выполняется по определенным правилам, систематически проверяется и обслуживается. Интересно отметить, что американец Франклин предполагал, что «громоотвод» отводит электричество из воздуха, чем и предотвращает поражение строения. Защитная роль этих устройств впервые правильно оценена Ломоносовым, указавшим, что молниеотвод принимает на себя разряд молнии. Такое понятие вполне соответствует современной точке зрения.

Неверны и сообщения о напряжениях в миллиарды вольт! Возможность воздуха как изолятора при применяемых ныне напряжениях порядка тысяч киловольт уже на исходе. Максимальное напряжение воздушной действующей ЛЭП переменного тока – 1200 кВ, и дальнейшее его увеличение связано с огромным ростом стоимости. Это требует расщепления проводов фаз на несколько проводников для снижения потерь на корону, увеличения высоты опор, сложности подстанционного оборудования… Уже начинают проектировать безвоздушные линии передач с элегазовой изоляцией – так называют коробчатые или трубчатые магистрали, наполненные высокопрочным газом, обычно шести фтор и стой серой (SF₆). Начинает применяться и вакуумная изоляция, например, вакуумные выключатели (возможно, «ЮТ» расскажет о них в ближайших номерах).

Часто выдают за чудо расщепление дерева электрическим разрядом. Однако это давно известное явление. Ток молнии, протекая по волокнам дерева, приводит к взрывообразному испарению влаги древесины. Иногда из опоры ЛЭП таким образом вырываются щепы длиной в метр и более.

Механические воздействия вызываются также кулоновым отталкиванием однополярно заряженных предметов. Кратковременное воздействие разряда, особенно высокочастотного, может оказаться безопасным для человека, но отбросить его рубашку или шапку довольно далеко. На таких эффектах основано немало цирковых трюков, которые, понятно, никакого отношения к теории не имеют, как это считают некоторые авторы.

Особенно много рассказывается баек о волшебных шаровых молниях. Но все они основаны на субъективных ощущениях и представлениях. Ни одного материального факта, свидетельства пока нет, и значит, судить о явлении, как это делают некоторые журналисты, не представляется возможным.

Г. ЧЕРНИКОВ

У СОРОКИ НА ХВОСТЕ

ПОЧЕМУ ИГЛУ НЕ ТАЕТ? Снаружи – студеный ветер. Ртутный столбик термометра упал до отметки минус 50 °C. А внутри эскимосского жилища – иглу – тепло и вполне комфортно. А ведь строят его не из камня или бревен, а из спрессованного снега, превратившегося в твердые ледяные глыбы. Почему же лед, из которого сложены стены иглу, не тает?

Все дело в разной способности воздуха и снега (или льда) накапливать тепло. Воздух – хороший теплоизолятор. Уже при небольшом притоке тепла температура в иглу повышается. Присутствие людей в жилище «отопляет» его точно так же, как Московское метро согревает поток пассажиров. Но даже и при повышении температуры внутри иглу стены ее не тают. Ведь для фазового превращения льда в жидкую воду нужно много энергии. А эскимосы берегут свою «избушку ледяную». Они не разводят в ней огонь, да и проводят там не круглые сутки, а лишь часы ночного отдыха. Ну а спят они не на голом льду, а на шкурах животных, которые служат отличным изолятором, сохраняющим тепло тела, и предохраняют лед от таяния.

КОГДА У МУЖЧИН ПОЯВИЛИСЬ ШТАНЫ? Рисунки, найденные на стенах испанской пещеры Эль-Секанс, свидетельствуют, что штаны уже носили в 600 г. до н. э. Первыми их пошили кельты, а некоторое время спустя – германцы. Штаны защищали людей от северных холодов, а кроме того, были удобны при верховой езде. Шили их из шерсти и льна. Пояс талии делали очень широким, чтобы не сползли. Римляне, чванливо считавшие германцев «варварами», до такой одежды и не додумались, а кутались в тоги, заимствованные у античных греков.

ЕСЛИ НЕ ШАРОВАЯ МОЛНИЯ, ТО ЧТО ЖЕ ЭТО? Эксперимент, который затеяли два новозеландских химика из Кентерберийского университета Джон Абрахамсон и Джеймс Диннис, принес неожиданный результат. В своей лаборатории они обстреливали песок электрическими разрядами, пытаясь имитировать грозу. И вдруг прямо перед их глазами на несколько секунд возник огненный шар. Шаровая молния?!

Ученые попытались дать объяснение сотворенному феномену. В момент удара разряда – молнии в песок его температура повышается до многих тысяч градусов. В таком пекле кристаллики кварца превращаются в карбид кремния, слипающийся в ком диаметром до полуметра. Если песок влажный, влага тотчас испаряется. Пары жидкости вырываются наверх, выталкивая раскаленный ком на поверхность. А соприкоснувшись с атмосферным кислородом, кремний окисляется, бурно выделяя свет и тепло.

НАЙДЕНА ГРОБНИЦА АЛЕКСАНДРА МАКЕДОНСКОГО? Египетский археолог Фаузи эль Фахарани уверен, что знаменитый полководец похоронен на Лагинском кладбище в Александрии. Эль-Фахарани реконструировал одну из двух главных улиц античной Александрии. На ее пересечении с главной городской магистралью, там, где теперь разместилось кладбище, считает египетский ученый, в древности располагались дворец и гробница. Когда эту территорию исследовали с помощью радиолокатора, на глубине обнаружились остатки обширного строения. Теперь раскопки покажут, что находилось на этом месте.

ПЕРВЫМИ БРАКОНЬЕРАМИ БЫЛИ… ИНДЕЙЦЫ. Мы привыкли считать, что индейцы жили в согласии с природой. «На самом деле, наши представления о краснокожих неверны, – утверждает американский антрополог Шепард Крех. – Исконные жители Америки безжалостно ее истребляли».

Для добычи нескольких бизонов индейцы племени шайены загоняли в пропасти стала диких быков. А индейцы племени сиу и айова, охотясь, поджигали обширные участки леса. Чероки и кри, по подсчетам ученого, сбыли в свою пору «бледнолицым» миллионы звериных шкур в обмен на оружие, тем самым положив начало массовому истреблению оленей и бобров.

БЕЙ ОПУХОЛЬ ЖЕЛЕЗОМ! По словам Харольда Фукса, руководителя центра наноанализа при одном из университетов ФРГ, вскоре начнутся клинические испытания новой методики лечения некоторых видов рака, в частности, опухолей головного мозга. Во всяком случае, эксперименты на мышах показали следующее. Непосредственно в ткань опухоли вводятся наночастицы окиси железа, а затем пациент повергается воздействию мощного переменного магнитного поля. При этом происходит резкий нагрев наночастиц и окружающих их клеток, вследствие чего опухоль гибнет. Такая методика позволяет прицельно уничтожать злокачественные ткани, не причиняя вреда здоровым клеткам.

ВЕРЬТЕ УЧЕБНИКАМ. Германские археологи доказали, что неандертальцы выглядели именно так, как их изображают в учебниках истории. Группа ученых, после тщательной «переработки» тонн глины и известняка в местечке Неандерталь вблизи Дюссельдорфа, там, где были обнаружены останки доисторического человека, нашла фрагмент височной кости, которая абсолютно подходит и дополняет череп неандертальца, хранящийся с 1877 года в краеведческом музее Бонна и по которому был выполнен ранее скульптурный портрет.