Если бы я не был уверен в том, что энергию получить из ничего нельзя, то обязательно занялся бы этим явлением. Но, во-первых, в правильности законов физики я не сомневался, а во-вторых, моей основной целью был все же энергетический накопитель. Так что снова на поиски «капсулы»!
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.