Как получить энергию из молния. Грозовая энергетика как перспективный источник энергии

Доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук К. БОГДАНОВ.

В каждый момент времени в разных точках Земли сверкают молнии более 2000 гроз. В каждую секунду около 50 молний ударяются в поверхность земли, и в среднем каждый ее квадратный километр молния поражает шесть раз за год. Еще Б. Франклин показал, что молнии, бьющие по земле из грозовых облаков, - это электрические разряды, переносящие на нее отрицательный заряд величиной несколько десятков кулон, а амплитуда тока при ударе молнии составляет от 20 до 100 кА. Скоростная фотосъемка показала, что разряд молнии длится несколько десятых долей секунды и состоит из нескольких еще более коротких разрядов. Молнии издавна интересуют ученых, но и в наше время об их природе мы знаем лишь немного больше, чем 250 лет тому назад, хотя смогли их обнаружить даже на других планетах.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Способность электризации трением различных материалов. Материал из трущейся пары, находящийся выше в таблице, заряжается положительно, а ниже - отрицательно.

Отрицательно заряженный низ облака поляризует поверхность Земли под собой так, что она заряжается положительно, и, кода появляются условия для электрического пробоя, возникает разряд молнии.

Распределение частоты гроз по поверхности суши и океанов. Самые темные места на карте соответствуют частотам не более 0,1 грозы в год на квадратный километр, а самые светлые - более 50.

Зонт с громоотводом. Модель продавалась в XIX веке и пользовалась спросом.

Выстрел жидкостью или лазером по грозовой туче, нависшей над стадионом, уводит разряд молнии в сторону.

Несколько разрядов молний, вызванных пуском ракеты в грозовую тучу. Левая вертикальная прямая - след ракеты.

Крупный «ветвистый» фульгурит весом 7,3 кг, найденный автором на окраине Москвы.

Полые цилиндрические фрагменты фульгурита, образованные из оплавленного песка.

Белый фульгурит из Техаса.

Молния - вечный источник подзарядки электрического поля Земли . В начале XX века с помощью атмосферных зондов измерили электрическое поле Земли. Его напряженность у поверхности оказалась равной примерно 100 В/м, что соответствует суммарному заряду планеты около 400 000 Кл. Переносчиком зарядов в атмосфере Земли служат ионы, концентрация которых увеличивается с высотой и достигает максимума на высоте 50 км, где под действием космического излучения образовался электропроводящий слой - ионосфера. Поэтому электрическое поле Земли - это поле сферического конденсатора с приложенным напряжением около 400 кВ. Под действием этого напряжения из верхних слоев в нижние все время течет ток силой 2-4 кА, плотность которого составляет 1-2 . 10 -12 А/м 2 , и выделяется энергия до 1,5 ГВт. И это электрическое поле исчезло бы, если бы не было молний! Поэтому в хорошую погоду электрический конденсатор - Земля - разряжается, а при грозе заряжается.

Человек не чувствует электрического поля Земли, так как его тело - хороший проводник. Поэтому заряд Земли находится и на поверхности тела человека, локально искажая электрическое поле. Под грозовым облаком плотность наведенных на земле положительных зарядов может значительно возрастать, а напряженность электрического поля - превышать 100 кВ/м, в 1000 раз больше ее значения в хорошую погоду. В результате во столько же раз увеличивается положительный заряд каждого волоска на голове человека, стоящего под грозовой тучей, и они, отталкиваясь друг от друга, встают дыбом.

Электризация - удаление "заряженной" пыли. Чтобы понять, как облако разделяет электрические заряды, вспомним, что такое электризация. Легче всего зарядить тело, потерев его о другое. Электризация трением - самый старый способ получения электрических зарядов. Само слово "электрон" в переводе с греческого на русский означает янтарь, так как янтарь всегда заряжался отрицательно при трении о шерсть или шелк. Величина заряда и его знак зависят от материалов трущихся тел.

Считается, что тело, до того как его стали тереть о другое, электронейтрально. Действительно, если оставить заряженное тело в воздухе, то к нему начнут прилипать противоположно заряженные частицы пыли и ионы. Таким образом, на поверхности любого тела находится слой "заряженной" пыли, нейтрализующий заряд тела. Поэтому электризация трением - это процесс частичного снятия "заряженной" пыли с обоих тел. При этом результат будет зависеть от того, на сколько лучше или хуже снимается "заряженная" пыль с трущихся тел.

Облако - фабрика по производству электрических зарядов. Трудно представить, что в облаке находится пара материалов из перечисленных в таблице. Однако на телах может оказаться различная "заряженная" пыль, даже если они сделаны из одного того же материала, - достаточно, чтобы микроструктура поверхности отличалась. Например, при трении гладкого тела о шероховатое оба будут электризовываться.

Грозовое облако - это огромное количество пара, часть которого конденсировалось в виде мельчайших капелек или льдинок. Верх грозового облака может находиться на высоте 6-7 км, а низ нависать над землей на высоте 0,5-1 км. Выше 3-4 км облака состоят из льдинок разного размера, так как температура там всегда ниже нуля. Эти льдинки находятся в постоянном движении, вызванном восходящими потоками теплого воздуха от нагретой поверхности земли. Мелкие льдинки легче, чем крупные, увлекаются восходящими потоками воздуха. Поэтому "шустрые" мелкие льдинки, двигаясь в верхнюю часть облака, все время сталкиваются с крупными. При каждом таком столкновении происходит электризация, при которой крупные льдинки заряжаются отрицательно, а мелкие - положительно. Со временем положительно заряженные мелкие льдинки оказываются в верхней части облака, а отрицательно заряженные крупные - внизу. Другими словами, верхушка грозы заряжена положительно, а низ - отрицательно. Все готово для разряда молнии, при котором происходит пробой воздуха и отрицательный заряд с нижней части грозовой тучи перетекает на Землю.

Молния - привет из космоса и источник рентгеновского излучения. Однако само облако не в состоянии так наэлектризовать себя, чтобы вызвать разряд между своей нижней частью и землей. Напряженность электрического поля в грозовом облаке никогда не превышает 400 кВ/м, а электрический пробой в воздухе происходит при напряженности больше 2500 кВ/м. Поэтому для возникновения молнии необходимо что-то еще кроме электрического поля. В 1992 году российский ученый А. Гуревич из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) предположил, что своеобразным зажиганием для молнии могут быть космические лучи - частицы высоких энергий, обрушивающиеся на Землю из космоса с околосветовыми скоростями. Тысячи таких частиц каждую секунду бомбардируют каждый квадратный метр земной атмосферы.

Согласно теории Гуревича, частица космического излучения, сталкиваясь с молекулой воздуха, ионизирует ее, в результате чего образуется огромное число электронов, обладающих высокой энергией. Попав в электрическое поле между облаком и землей, электроны ускоряются до околосветовых скоростей, ионизируя путь своего движения и, таким образом, вызывая лавину электронов, движущихся вместе с ними к земле. Ионизированный канал, созданный этой лавиной электронов, используется молнией для разряда (см. "Наука и жизнь" № 7, 1993 г.).

Каждый, кто видел молнию, заметил, что это не ярко светящаяся прямая, соединяющая облако и землю, а ломаная линия. Поэтому процесс образования проводящего канала для разряда молнии называют ее "ступенчатым лидером". Каждая из таких "ступенек" - это место, где разогнавшиеся до околосветовых скоростей электроны остановились из-за столкновений с молекулами воздуха и изменили направление движения. Доказательство для такой интерпретации ступенчатого характера молнии - вспышки рентгеновского излучения, совпадающие с моментами, когда молния, как бы спотыкаясь, изменяет свою траекторию. Недавние исследования показали, что молния служит довольно мощным источником рентгеновского излучения, интенсивность которого может составлять до 250 000 электронвольт, что примерно в два раза превышает ту, которую используют при рентгене грудной клетки.

Как вызвать разряд молнии? Изучать то, что произойдет непонятно где и когда, очень сложно. А именно так в течение долгих лет работали ученые, исследующие природу молний. Считается, что грозой на небе руководит Илья-пророк и нам не дано знать его планы. Однако ученые очень давно пытались заменить Илью-пророка, создавая проводящий канал между грозовой тучей и землей. Б. Франклин для этого во время грозы запускал воздушный змей, оканчивающийся проволокой и связкой металлических ключей. Этим он вызывал слабые разряды, стекающие вниз по проволоке, и первым доказал, что молния - это отрицательный электрический разряд, стекающий с облаков на землю. Опыты Франклина были чрезвычайно опасными, и один из тех, кто их пытался повторить, - российский академик Г. В. Рихман - в 1753 году погиб от удара молнии.

В 1990-х годах исследователи научились вызывать молнии, не подвергая опасности свою жизнь. Один из способов вызвать молнию - запустить с земли небольшую ракету прямо в грозовую тучу. Вдоль всей траектории ракета ионизирует воздух и создает таким образом проводящий канал между тучей и землей. И если отрицательный заряд низа тучи достаточно велик, то вдоль созданного канала происходит разряд молнии, все параметры которого регистрируют приборы, расположенные рядом со стартовой площадкой ракеты. Чтобы создать еще лучшие условия для разряда молнии, к ракете присоединяют металлический провод, соединяющий ее с землей.

Молния: подарившая жизнь и двигатель эволюции . В 1953 году биохимики С. Миллер (Stanley Miller) и Г. Юри (Harold Urey) показали, что одни из "кирпичиков" жизни - аминокислоты могут быть получены путем пропускания электрического разряда через воду, в которой растворены газы "первобытной" атмосферы Земли (метан, аммиак и водород). Спустя 50 лет другие исследователи повторили эти опыты и получили те же результаты. Таким образом, научная теория зарождения жизни на Земле отводит удару молнии основополагающую роль.

При пропускании коротких импульсов тока через бактерии в их оболочке (мембране) появляются поры, через которые внутрь могут проходить фрагменты ДНК других бактерий, запуская один из механизмов эволюции.

Почему зимой грозы очень редки? Ф. И. Тютчев, написав "Люблю грозу в начале мая, когда весенний первый гром…", знал, что зимой гроз почти не бывает. Чтобы образовалось грозовое облако, необходимы восходящие потоки влажного воздуха. Концентрация насыщенных паров растет с повышением температуры и максимальна летом. Разница температур, от которой зависят восходящие потоки воздуха, тем больше, чем выше его температура у поверхности земли, так как на высоте нескольких километров его температура не зависит от времени года. Значит, интенсивность восходящих потоков максимальна тоже летом. Поэтому и грозы у нас чаще всего летом, а на севере, где и летом холодно, грозы довольно редки.

Почему грозы чаще над сушей, чем над морем? Чтобы облако разрядилось, в воздухе под ним должно быть достаточное число ионов. Воздух, состоящий только из молекул азота и кислорода, не содержит ионов, и его очень тяжело ионизировать даже в электрическом поле. А вот если в воздухе много инородных частиц, например пыли, то и ионов тоже много. Ионы образуются при движении частиц в воздухе аналогично тому, как электризуются при трении друг о друга различные материалы. Очевидно, что пыли в воздухе гораздо больше над сушей, чем над океанами. Поэтому-то грозы и гремят над сушей чаще. Замечено также, что прежде всего молнии бьют по тем местам, где в воздухе особенно велика концентрация аэрозолей - дымов и выбросов предприятий нефтеперерабатывающей промышленности.

Как Франклин отклонил молнию. К счастью, большинство разрядов молнии происходят между облаками и поэтому угрозы не представляют. Однако считается, что каждый год молнии убивают более тысячи людей по всему миру. По крайней мере, в США, где ведется такая статистика, каждый год от удара молнии страдают около 1000 человек и более ста из них погибают. Ученые давно пытались защитить людей от этой "кары божьей". Например, изобретатель первого электрического конденсатора (лейденской банки) Питер ван Мушенбрук (1692-1761) в статье об электричестве, написанной для знаменитой французской Энциклопедии, защищал традиционные способы предотвращения молнии - колокольный звон и стрельбу из пушек, которые, как он считал, оказываются довольно эффективными.

Бенджамин Франклин, пытаясь защитить Капитолий столицы штата Мериленд, в 1775 году прикрепил к зданию толстый железный стержень, который возвышался над куполом на несколько метров и был соединен с землей. Ученый отказался патентовать свое изобретение, желая, чтобы оно как можно скорее начало служить людям.

Весть о громоотводе Франклина быстро разнеслась по Европе, и его выбрали во все академии, включая и Российскую. Однако в некоторых странах набожное население встретило это изобретение с возмущением. Сама мысль, что человек так легко и просто может укротить главное оружие "божьего гнева", казалась кощунственной. Поэтому в разных местах люди из благочестивых соображений ломали громоотводы. Любопытный случай произошел в 1780 году в небольшом городке Сент-Омер на севере Франции, где горожане потребовали снести железную мачту громоотвода, и дело дошло до судебного разбирательства. Молодой адвокат, защищавший громоотвод от нападок мракобесов, построил защиту на том, что и разум человека, и его способность покорять силы природы имеют божественное происхождение. Все, что помогает спасти жизнь, во благо - доказывал молодой адвокат. Он выиграл процесс и снискал большую известность. Адвоката звали Максимилиан Робеспьер. Ну а сейчас портрет изобретателя громоотвода - самая желанная репродукция в мире, ведь она украшает известную всем стодолларовую купюру.

Как можно защититься от молнии с помощью водяной струи и лазера . Недавно был предложен принципиально новый способ борьбы с молниями. Громоотвод создадут из... струи жидкости, которой будут стрелять с земли непосредственно в грозовые облака. Громоотводная жидкость представляет собой солевой раствор, в который добавлены жидкие полимеры: соль предназначена для увеличения электропроводности, а полимер препятствует "распаду" струи на отдельные капельки. Диаметр струи составит около сантиметра, а максимальная высота - 300 метров. Когда жидкий громоотвод доработают, им оснастят спортивные и детские площадки, где фонтан включится автоматически, когда напряженность электрического поля станет достаточно высокой, а вероятность удара молнии - максимальной. По струе жидкости с грозового облака будет стекать заряд, делая молнию безопасной для окружающих. Аналогичную защиту от разряда молнии можно сделать и с помощью лазера, луч которого, ионизируя воздух, создаст канал для электрического разряда вдали от скопления людей.

Может ли молния сбить нас с пути? Да, если вы пользуетесь компасом. В известном романе Г. Мелвила "Моби Дик" описан именно такой случай, когда разряд молнии, создавший сильное магнитное поле, перемагнитил стрелку компаса. Однако капитан судна взял швейную иглу, ударил по ней, чтобы намагнитить, и поставил ее вместо испорченной стрелки компаса.

Может ли вас поразить молния внутри дома или самолета? К сожалению, да! Ток грозового разряда может войти в дом по телефонному проводу от рядом стоящего столба. Поэтому при грозе старайтесь не пользоваться обычным телефоном. Считается, что говорить по радиотелефону или по мобильному безопасней. Не следует во время грозы касаться труб центрального отопления и водопровода, которые соединяют дом с землей. Из этих же соображений специалисты советуют при грозе выключать все электрические приборы, в том числе компьютеры и телевизоры.

Что касается самолетов, то, вообще говоря, они стараются облетать районы с грозовой активностью. И все-таки в среднем раз в год в один из самолетов попадает молния. Ее ток поразить пассажиров не может, он стекает по внешней поверхности самолета, но способен вывести из строя радиосвязь, навигационное оборудование и электронику.

Фульгурит - окаменевшая молния. При разряде молнии выделяется 10 9 -10 10 джоулей энергии. Большая ее часть тратится на создание ударной волны (гром), нагрев воздуха, световую вспышку и другие электромагнитные волны, и только маленькая часть выделяется в том месте, где молния входит в землю. Однако и этой "маленькой" части вполне достаточно, чтобы вызвать пожар, убить человека и разрушить здание. Молния может разогреть канал, по которому она движется, до 30 000° С, в пять раз выше температуры на поверхности Солнца. Температура внутри молнии гораздо больше температуры плавления песка (1600-2000°C), но расплавится песок или нет, зависит еще и от длительности молнии, которая может составлять от десятков микросекунд до десятых долей секунды. Амплитуда импульса тока молнии обычно равна нескольким десяткам килоампер, но иногда может превышать и 100 кА. Самые мощные молнии и вызывают рождение фульгуритов - полых цилиндров из оплавленного песка.

Слово "фульгурит" происходит от латинского fulgur, что означает молния. Самые длинные из раскопанных фульгуритов уходили под землю на глубину более пяти метров. Фульгуритами также называют оплавленности твердых горных пород, образованные ударом молнии; они иногда в большом количестве встречаются на скалистых вершинах гор. Фульгуриты, состоящие из переплавленного кремнезема, обыкновенно представляют собой конусообразные трубочки толщиной с карандаш или с палец. Их внутренняя поверхность гладкая и оплавленная, а наружная образована приставшими к оплавленной массе песчинками. Цвет фульгуритов зависит от примесей минералов в песчаной почве. Большинство из них имеют рыжевато-коричневый, серый или черный цвет, однако встречаются зеленоватые, белые или даже полупрозрачные фульгуриты.

По-видимому, первое описание фульгуритов и их связи с ударами молнии было сделано в 1706 году пастором Д. Германом (David Hermann). Впоследствии многие находили фульгуриты вблизи людей, пораженных разрядом молнии. Чарльз Дарвин во время кругосветного путешествия на корабле "Бигль", обнаружил на песчаном берегу вблизи Мальдонадо (Уругвай) несколько стеклянных трубочек, уходящих в песок вертикально вниз более чем на метр. Он описал их размеры и связал их образование с разрядами молний. Известный американский физик Роберт Вуд получил "автограф" молнии, которая чуть не убила его:

"Прошла сильная гроза, и небо над нами уже прояснилось. Я пошел через поле, которое отделяет наш дом от дома моей свояченицы. Я прошел ярдов десять по тропинке, как вдруг меня позвала моя дочь Маргарет. Я остановился секунд на десять и едва лишь двинулся дальше, как вдруг небо прорезала яркая голубая линия, с грохотом двенадцатидюймового орудия ударив в тропинку в двадцати шагах передо мной и подняв огромный столб пара. Я пошел дальше, чтобы посмотреть, какой след оставила молния. В том месте, где ударила молния, было пятно обожженного клевера дюймов в пять диаметром, с дырой посередине в полдюйма…. Я возвратился в лабораторию, расплавил восемь фунтов олова и залил в отверстие… То, что я выкопал, когда олово затвердело, было похоже на огромный, слегка изогнутый собачий арапник, тяжелый, как и полагается, в рукоятке и постепенно сходящийся к концу. Он был немного длиннее трех футов" (цитируется по В. Сибрук. Роберт Вуд. - М.: Наука, 1985, с. 285).

Появление стеклянной трубочки в песке при разряде молнии связано с тем, что между песчинками всегда находятся воздух и влага. Электрический ток молнии за доли секунд раскаляет воздух и водяные пары до огромных температур, вызывая взрывообразный рост давления воздуха между песчинками и его расширение, что слышал и видел Вуд, чудом не ставший жертвой молнии. Расширяющийся воздух образует цилиндрическую полость внутри расплавленного песка. Последующее быстрое охлаждение фиксирует фульгурит - стеклянную трубочку в песке.

Часто аккуратно выкопанный из песка фульгурит по форме напоминает корень дерева или ветвь с многочисленными отростками. Такие ветвистые фульгуриты образуются, когда разряд молнии попадает во влажный песок, который, как известно, имеет бo"льшую электропроводность, чем сухой. В этих случаях ток молнии, входя в почву, сразу начинает растекаться в стороны, образуя структуру, похожую на корень дерева, а рождающийся при этом фульгурит лишь повторяет эту форму. Фульгурит очень хрупок, и попытки очистить от прилипшего песка нередко приводят к его разрушению. Особенно это относится к ветвистым фульгуритам, образовавшимся во влажном песке.

Обычно когда говорят о альтернативной энергетике, то традиционно подразумевают установки по производству электрической энергии из восстанавливаемых источников – солнечного света и ветра. При всем этом статистика исключает создание электроэнергии на гидроэлектростанциях, станциях, использующих мощь морских и океанических приливов, также геотермальные электростанции. Хотя, данные источники энергии кроме того считаются восстанавливаемыми. Но, они классические, используются в промышленных масштабах уже долгие и длительные годы.

Альтернативный источник энергии считается восстанавливаемым ресурсом, он подменяет собой классические источники энергии, функционирующие на нефти, добываемом природном газе и угле, которые при сгорании выделяют в атмосферу углекислый газ, способствующий подъему парникового эффекта и глобальному потеплению.
Первопричина поиска альтернативных источников энергии — необходимость получать её из энергии восстанавливаемых либо фактически неистощимых естественных ресурсов и явлений. Во внимание сможет браться помимо прочего экологичность и экономичность.

Главными источниками энергии для такого вида систем считаются энергии Солнца, ветра и природное состояние грунта на поверхности Земли (для грунтовых термических насосов). Используя восстанавливаемые источники энергии, мы значительно влияем на экологию и энергетический кризис на Земле, также получаем автономию от обычных видов энергии, значительную экономию средств и уверенность в завтрашнем дне.

Отрасли альтернативной энергетики

Гелиоэнергетика

Очень зависима гелиоэнергетика от погоды и времени суток: в пасмурный день и, особенно, ночью электроэнергию получить не удастся. Приходится обзаводиться аккумуляторными батареями, что умножает стоимость установки солнечных панелей, к примеру, на даче, а кто муже создает неблагоприятные моменты для окружающей среды в связи с необходимостю утилизации тех же отработавших аккумуляторов.
Помимо фотоэлементов и фотобатерей, широко применяются и солнечные коллекторы и солнечные водонагреватели, они используется как для нагрева воды для отопления, так и для производства электроэнергии.
Фаворитами в популяризации гелиоэнергетики считаются Германия, Япония и Испания. Ясное дело, что превосходство здесь имеют южные державы, где солнце горячо освещает практически и зимой и летом.

Ветроэнергетика

Есть у ветроэнергетики как весомые достоинства, так и настолько же весомые недостатки. По сравнению с солнечными панелями «ветряки» стоят дешево и не зависят от времени суток, посему часто встречаются на загородных участках. Значимый минус у ветрогенераторов исключительно один – они изрядно шумят. Установку такового оборудования придется согласовывать не только лишь с родимыми, но и обитателями близлежащих домов.

Геотермальная энергетика

Большим плюсом геотермальной энергии считается её фактическая неиссякаемость и абсолютная автономия от условий окружающей среды, времени суток и года.
Есть следующие принципиальные возможности применения тепла земных глубин. Воду либо смесь воды и пара зависимо от их температуры возможно направлять для горячего водоснабжения и теплоснабжения, для выработки электричества или сразу для этих всех целей. Высокотемпературное тепло околовулканического региона и сухих горных пород желательно применять для выработки электричества и теплоснабжения. От того, какой источник геотермальной энергии используется, зависит устройство станции.
Основная из проблем, которые возникают при применении подземных термальных вод, заключается в потребности повторяемого цикла поступления (закачки) воды (традиционно отработанной) в подземный водоносный горизонт. В термальных водах находится много солей разных токсичных металлов (к примеру, бора, свинца, цинка, кадмия, мышьяка) и хим соединений (аммиака, оксибензолов), что исключает сброс этих вод в естественные водные системы, находящиеся на поверхности.

Альтернативная гидроэнергетика

Приливные электростанции имеют существенно меньшую мощность, нежели волновые, зато их куда проще и комфортнее возводить в прибрежной зоне морей. Гравитационные силы Луны и Солнца два раза в сутки заменяют уровень воды в море (разница сможет достигать 2-ух десятков метров), что дает возможность использовать энергию приливов и отливов для выработки электро энергии.

Биотопливо

Перспектива за жидким и газообразным биотопливом: биодизелем, биоэтанолом, биогазом и синтез-газом. Они все производятся на базе богатых сахаром либо жирами растений: сладкого тростника, кукурузы причем даже морского фитопланктона. Последний вариант так и вовсе имеет бескрайние возможности: растить водные растения в синтетических условиях дело не хитрое.

Грозовая энергетика

Молния считается сложным электрическим процессом и разделяется на несколько видов: негативные — накапливающиеся в нижней части тучи и позитивные — собирающиеся в высшей части тучи. Это также нужно учесть при разработке молниевых приемников.
По данным ученых, при одной мощной грозе высвобождается примерно столько энергии, сколько все жители США в среднем потребляют за 20 минут.

Водородная энергетика

На сегодня для производства водорода потребуется более энергии, нежели возможно обрести при его применении, потому считать его источником энергии невозможно. Он считается только средством сохранения и доставки энергии.
Но есть и большая опасность массового производства водорода, если водород будит просачиваться из баллона или других резервуаров хранения, будучи легче воздуха он безвозвратно покинет атмосферу Земли, что при массовом применении технологий, может привести к глобальной потере воды, если водород будет производится электролизом воды.

Космическая энергетика

На 2012 год альтернативная энергия (не считая гидроэнергии) составляла 5.1% всей потребляемой человечеством энергии.

Буранов Разиф Расимович
Студент УГАТУ,
Россия, Республика. Башкортостан. г. Уфа

Научный руководитель:
Терегулов Т.Р. Уфимский Государственный Авиационный
Технический Университет
филиал в г. Туймазы
E-mail: [email protected]

В статье будут описаны основные параметры молнии, перспективы развития грозовой энергетики, интересные факты, проблемы в этой сфере.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: МОЛНИЯ, ГРОЗОВАЯ ЭНЕРГЕТИКА, ГРОЗА, ЭНЕРГИЯ, РАЗРЯД, ЭЛЕКТРИЧЕСТВО.

Грозовая энергетика - это способ получения энергии путём поимки и перенаправления энергии молний в электросеть. Данный вид энергетики использует возобновляемый источник энергии и относится к альтернативным источникам энергии. Молния - гигантский электрический искровой разряд в атмосфере, обычно может происходить во время грозы, проявляющийся яркой вспышкой света и сопровождающим её громом. Сила тока в разряде молнии на Земле достигает 10-500 тысяч ампер, напряжение - от десятков миллионов до миллиарда вольт. Мощность разряда - от 1 до 1000 ГВт. Количество электричества, расходуемого молнией при разряде - от 10 до 50 кулон. 11 октября 2006 года компания Alternative Energy Holdings объявила об успешном развитии прототипа модели, которая может продемонстрировать возможности «захвата» молнии для дальнейшего её превращения в электроэнергию. Такой вид энергии не приносит не какого вреда окружающей среде. Удешевит цену на электроэнергию. Такая установка окупаться такая установка будет за 4–7 лет. В разное время разные изобретатели предлагали самые необычные накопители - от подземных резервуаров с металлом, который плавился бы от молний, попадающих в молниеотвод, и нагревал бы воду, чей пар вращал бы турбину, до электролизёров, разлагающих разрядами молний воду на кислород и водород.

В 2006 году специалисты, работающие со спутником NASA «Миссия измерения тропических штормов», опубликовали данные по количеству гроз в разных регионах планеты. По данным исследования стало известно, что существуют районы, где в течение года происходит до 70 ударов молний в год на квадратный километр площади. Из этого следует что Грозовая энергетика имеет свое будущие. По некоторым данным, при одной мощной грозе высвобождается столько же энергии, сколько все жители США потребляют за 20 минут

Проблем тут масса. Нужно предугадать где случиться гроза.

Разряд молнии длится доли секунд. За это время нужно успеть запасти его энергию. Для этого нужны мощные и дорогостоящие конденсаторы. Также могут применяться различные колебательные системы с контурами второго и третьего рода, где можно согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора. Молния является сложным электрическим процессом и делится на несколько разновидностей: отрицательные - накапливающиеся в нижней части облака и положительные - собирающиеся в верхней части облака. Это тоже надо учитывать при создании молниевой фермы.

Итак подведем итоги.

Из плюсов можно сказать, что грозовая энергетика более дешёвой и экологический чистый вид энергии.

Во-первых, есть районы где молнии бьют часто и ловить их будет легче.

Во-вторых Они будут окупаться за 4-7 лет.Конечно, какую бы станцию по ловле молний мы ни придумали, её КПД при преобразовании тока будет далеко не 100%, да и поймать, видимо, удастся отнюдь не все молнии, ударившие в окрестностях молниевой фермы.

Одной из первой компанией по использованию энергии из грозовых облаков стала американская компания Alternative Energy Holdings. Она предложила способ использования даровой энергии путем ее сбора и утилизации, возникающей из электрических разрядов грозовых облаков. Экспериментальная установка была запущена в 2007 году и называлась “сборщик молний”. Разработки и исследования грозовых явлений содержат огромные скопления энергии, которые американская компания предложила использовать в качестве источника электроэнергии.

Грозовая электростанция

Грозовая электростанция, по сути, представляет собой классическую электростанцию, которая преобразует энергию молний в электричество. На данный момент грозовая энергетика активно исследуется, и возможно в ближайшем будущем появятся в больших количествах грозовые электростанции наряду с другими электростанции на базе чистой энергии.

Молния как источник грозовых перенапряжений

Грозовые молнии представляют собой электрические разряды, накапливающиеся в больших количествах в облаках. За счет потоков воздуха в грозовых облаках происходит накопление и разделение положительных и отрицательных зарядов, хотя вопросы по данной теме до сих пор исследуются.

Одно из распространенных предположений образования электрических зарядов в облаках связано с тем, что данный физический процесс происходит в постоянном электрическом поле земли, которое обнаружил еще М. В. Ломоносов во время проведения опытов.

Рис. 3.1.

Наша планета всегда имеет отрицательный заряд, при этом напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет около100 В/м. Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхности. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движутся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический сантиметр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положительно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверхности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличивается в 3 млрд. раз и достигает проводимости пресной воды.

Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных размеров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, находящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослойкой между этими обкладками служит мало-проводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряжения, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхности Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

Молния, как носитель электрических зарядов, является наиболее близким к электричеству источником, по сравнению с другими АИЭ. Заряд, который накапливается в облаках, имеет потенциал в несколько миллионов вольт относительно поверхности Земли. Направление тока молнии может быть как от земли к облаку, при отрицательном заряде тучи (в 90% случаев), так и от облака к земле (в 10% случаев). Длительность разряда молнии составляет в среднем 0,2 с, редко до 1…1,5 с, длительность переднего фронта импульса - от 3 до 20 мкс, ток составляет несколько тысяч ампер, до 100 кА, температура в канале достигает 20000 ?С, появляется мощное магнитное поле и радиоволны. Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов.

альтернативный энергия грозовой электростанция

Принцип действия грозовой электростанции

Основан на все том же процессе, что и другие электростанции: преобразование энергии источника в электричество. По сути, молния содержит то же электричество, то есть ничего преобразовывать не надо. Однако указанные выше параметры “стандартного” грозового разряда настолько велики, что если это электричество попадет в сеть, то все оборудование просто сгорит в считанные секунды. Поэтому в систему вводят мощные конденсаторы, трансформаторы и различного рода преобразователи, подстраивающие данную энергию под требуемые условия применения в электросетях и оборудовании.

Преимущества и недостатки грозовой электростанции

Преимущества грозовых электростанций:

Земельно-ионосферный суперконденсатор постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии -- солнца и радиоактивных элементов земной коры.

Грозовая электростанция не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей.

Оборудование грозовых станций не бросается в глаза. Воздушные шары находятся слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом. Для этого понадобится телескоп или бинокль.

Грозовая электростанция способна вырабатывать энергию постоянно, если поддерживать шары в воздухе.

Недостатки грозовых электростанций:

Грозовое электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать.

Высокое напряжение в системах грозовых электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала.

Общее количество электроэнергии, которую можно получать из атмосферы, ограниченно.

В лучшем случае грозовая энергетика может служить лишь незначительным дополнением к другим источникам энергии.

Таким образом, грозовая энергетика в настоящее время достаточно ненадежна и уязвима. Однако это не уменьшает ее значимости в пользу перехода на АИЭ. Некоторые районы планеты насыщены благоприятными условиями, что может значительно продолжить изучение грозовых явлений и получение из них необходимого электричества.

Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Суть методики заключается в поимке энергии молний и перенаправлении ее в электросеть. Данный источник энергии возобновляем и относится к альтернативным, т.е. экологически безопасным.

Процесс образования молний весьма сложен. Изначально из наэлектризованного облака к земле устремляется разряд-лидер, который был сформирован электронными лавинами, слившимися в разряды (стримеры). Этот разряд оставляет за собой горячий ионизированный канал, по которому в обратном направлении движется главный разряд молнии, вырванный с Земли мощным электрическим полем. За доли секунды процесс повторяется несколько раз. Основная проблема – это поймать разряд и перенаправить его в сеть.

За небесным электричеством охотился еще Бенджамин Франклин. Во время грозы он запустил воздушного змея в облако и понял, что тот собирает электрический заряд.

Энергия молний – это 5 млрд джоулей чистой энергии в одном ударе, что сопоставимо со 145 л бензина. Считается, что 1 разряд молнии содержит в себе такое количество энергии, которое все население США потребляет в течение 20 минут.

Ежегодно по всему миру регистрируется около 1,5 млрд разрядов, т.е. молния бьет по поверхности Земли примерно 40-50 раз в секунду.

Эксперименты

11 ноября 2006 г. компания Alternative Energy Holdings заявила о своих успехах в деле создания прототипа конструкции, которая могла бы продемонстрировать «захват» молнии с последующим преобразованием ее в «бытовую» электроэнергию. Компания заявила, что окупаемость действующего промышленного аналога составит 4-7 лет при розничной цене 0,005 долл. США за 1 кВт-ч. К сожалению, руководство проекта после серии практических опытов было вынуждено сообщить о провале. Тогда Мартин А. Умани сравнил энергию молний с энергией атомной бомбы.

В 2013 г. силами сотрудников университета Саунгтгемптона в лабораторных условиях был смоделирован искусственный заряд, аналогичный по всем параметрам молнии естественного происхождения. Благодаря сравнительно простому оборудованию ученые смогли «поймать» его и всего за несколько минут полностью зарядить аккумулятор смартфона.

Перспектива

Молниевые фермы пока являются мечтой. Они бы стали неиссякаемыми экологически безопасными источниками весьма дешевой энергии. Развитию данного направления энергетики препятствует ряд фундаментальных проблем:

• предсказать время и место грозы невозможно. Это означает, что даже там, где установлен максимум по ударам молний, нужно смонтировать достаточно много «ловушек»;
• молния – это кратковременный энергетический всплеск, длительность которого равна долям секунды, и его нужно очень быстро осваивать. Для решения этой задачи нужны мощнейшие конденсаторы, которых еще не существует, а цена их, вероятно, будет очень высока. Можно применить и разнообразные колебательные системы с контурами 2-го и 3-го рода, позволяющие согласовывать нагрузку с внутренним сопротивлением генератора;
• мощность разрядов также сильно отличается. Большинство молний – это 5-20 кА, но бывают всполохи силой тока в 200 кА, а каждый из них нужно привести к стандарту в 220 В и 50-60 Гц переменного тока;
• молния бывает отрицательной, образующейся из энергии, скопившейся в нижней части облака, и положительной, накапливающейся в верхней его части. Данный фактор также нужно принимать во внимание при оборудовании молниевой фермы. Более того, чтобы уловить положительный заряд, потребуются затраты энергии, что доказано на примере люстры Чижевского;
• плотность заряженных ионов в 1 куб.м атмосферы низка, сопротивление воздуха велико. Соответственно «поймать» молнию сможет только ионизированный электрод, максимально приподнятый над поверхностью земли, но он сможет улавливать энергию только в виде микротоков. Если же поднять электрод слишком близко к наэлектризованным облакам, это может спровоцировать молнию, т.е. получится кратковременный, но мощный всплеск напряжения, который приведет к поломке оборудования молниевой фермы.

Несмотря на очевидные сложности идея создания молниевых ферм жива: очень хочется человечеству укротить природу и получить доступ к огромным возобновляемым запасам энергии.