Химические способы получения электроэнергии

Химические источники электрической энергии

Химические источники электрической энергии

Химическими источниками электрической энергии это устройства, превращающие химическую энергию какой-либо реакции в электрическую. Для такого превращения необходимо, чтобы процессы, связанные с изменением зарядов у электродов (т. е. окислительный и восстановительный процессы), были разделены пространственно, и электроны проходили через внешнюю цепь.

Примером подобного устройства может служить медно-цинко вый источник электрической энергии, предложенный Даниелем и Якоби в 1836 г. Медь, погруженная в раствор медного купороса, отделена диафрагмой от цинка, погруженного в раствор цинкового купороса:

При работе элемента цинк переходит в раствор, отдавая электроны: Zn → Zn 2+ + 2e. Электроны по внешней цепи проходят к меди, на медном электроде из раствора выделяется медь: Cu 2+ + 2e → Сu. Поток электронов, т. е. электрический ток во внешней цепи, может быть использован для работы, что и является целью применения ХИЭЭ. На цинковом электроде происходит реакция окисления, а на медном — реакция восстановления. Цинковый электрод несет отрицательный заряд, а медь — положительный. Химическая реакция, протекающая в медно-цинковом элементе, может быть записана следующим образом:

В электротехнике условно принято считать направление электрического тока обратным направлению движения электронов во внешней цепи (рис 2, а). Анодом служит электрод, на котором идет окислительный процесс, катодом — электрод, на котором идет восстановление.

Для регенерации активных веществ можно после работы медно-цинкового элемента подвести к нему ток от внешнего источника электрической энергии. Направления движения ионов и электронов станут обратными (рис. 2,6). Следует отметить, что хотя окислительный и восстановительный процессы поменяются местами, знак заряда электродов сохранится (медь — плюс; цинк — минус).

Если бы мы не разделяли процессы на электродах пространственно, а, например, опустили палочку цинка в раствор медного купороса, то реакция все равно бы прошла, но химическая энергия процесса превратилась бы не в электрическую, а в тепловую и была бы истрачена на нагрев раствора. Количество тепла, которое выделяется при реакции, и количество электрической энергии, которое может быть от нее получено при пространственном разделении окислительного и восстановительного процессов, связаны между собой уравнением Гиббса —Гельмгольца.

Рис. 2. Схема движения ионов и электронов при работе медно цинкового элемента.

При работе элемента Даниеля — Якоби количество энергии, переходящей в электрическую, меньше величины теплового эффекта реакции. Элемент разогревается, и часть энергии теряется. Температурный коэффициент элемента Даниеля — Якоби равен —3,59 • 10 -4 в /град. Тепловой эффект реакции

Известны элементы, у которых температурный коэффициент положителен, при работе они охлаждаются и поглощают тепло из внешней среды. Получаемое в них количество электрической энергии больше, чем соответствует расчету по формуле Томсона.

Химические источники электрической энергии бывают одноразового и многократного действия. ХИЭЭ одноразового использования называются первичными элементами, а многократного действия вторичными элементами или аккумуляторами. Иногда первичные элементы называют просто «элементами» или «гальваническими элементами». Аккумуляторами могут служить только такие химические источники электрической энергии, основные процессы в которых протекают обратимо.

Вещества, израсходованные в процессе протекания реакции, дающей электрическую энергию, должны регенерироваться при пропускании через разряженный аккумулятор электрического тока от постороннего источника электрической энергии. Направление тока внутри аккумулятора при заряде будет обратным имевшемуся при разряде, на отрицательном электроде реакция окисления заменяется реакцией восстановления, а на положительном электроде реакция восстановления заменяется реакцией окисления. Таким образом, в аккумуляторах запас химической энергии, истраченной на получение электрической энергии при разряде, возобновляется при заряде.

Так как напряжение одного отдельного первичного элемента или аккумулятора очень невелико— они в большинстве случаев применяются последовательно соединенными по несколько штук. В таком виде ХИЭЭ называют «батареей».

Электродвижущая сила и напряжение при разряде

Основной характеристикой химических источников электроэнергии является их электродвижущая сила, т. е. разность потенциалов электродов, измеренная при отсутствии тока во внешней цепи.

Для практики более важной величиной, чем э. д. с, является напряжение химического источника электрической энергии при замкнутой внешней цепи.

Напряжение при разряде меньше э. д. с. по двум причинам: во первых, потенциалы электродов при отборе тока .от ХИЭЭ заметно отличаются от тех, которые имеют место при разомкнутой внешней цепи и во-вторых, часть э. д. с. теряется на преодоление внутреннего сопротивления элемента. Это можно выразить формулой:

где φ ‘ _a , φ ‘ _к— потенциалы электродов при отборе тока; I — ток разряда; r — внутреннее омическое сопротивление ХИЭЭ; R — внешнее сопротивление (нагрузка) при разряде.

Потенциалы электродов при работе химического источника электрической энергии (разряде или заряде) отличаются от потенциалов, измеренных при разомкнутой внешней цепи, на величину, называемую э. д. с. поляризации:

где Е_пол — э. д. с. поляризации.

Внутреннее сопротивление ХИЭЭ

Напряжение при разряде (заряде), кроме поляризации электродов, зависит также от падения напряжения на преодоление внутреннего омического сопротивления ХИЭЭ. Последняя величина слагается из омического сопротивления проводников первого рода (электродов), электросопротивления электролита и сепараторов. При разряде малыми плотностями тока падение напряжения внутри ХИЭЭ не имеет значения, но при больших плотностях тока оно может оказаться заметным. Например, в свинцовом автомобильном аккумуляторе омическое сопротивление электролита и сепараторов при комнатной температуре приблизительно равно 0,006 ом на 1 дм 2 площади электродов. При плотности тока разряда 12 а/дм 2 падение напряжения составит около 70 мв, т. е. около 3,5% от э. д. с. аккумулятора.

На практике часто представляет интерес произвести приближенные расчеты напряжения при разряде в зависимости от нагрузки ХИЭЭ. Пользуются иногда условной величиной внутреннего сопротивления ХИЭЭ, характеризующей разницу между э. д. с. и напряжением при разряде, происходящую как от поляризации, так и от падения напряжения на преодоление внутреннего омического сопротивления. Тогда:

где V — напряжение, в; Е — электродвижущая сила, в; I— ток разряда, a; R — условное внутреннее сопротивление ХИЭЭ.

Величина К является грубо приближенной, так как омическая составляющая условного внутреннего сопротивления не зависит от нагрузки, а поляризация резко меняется при изменении плотности тока разряда. Величину К находят, производя несколько кратковременных разрядов ХИЭЭ различными токами и принимая среднюю величину. Внутреннее омическое сопротивление ХИЭЭ в принципе можно определить путем замеров переменным током, но, так как эта величина очень мала, результаты получаются ненадежными.

Для вычисления К существуют эмпирические формулы, однако они дают удовлетворительные результаты только в частных случаях. При точных расчетах пользоваться величиной К не рекомендуется, а необходимо произвести экспериментальное определение величины напряжения в зависимости от нагрузки ХИЭЭ.

Емкость и энергия ХИЭЭ

Емкостью ХИЭЭ называют количество электричества, которое можно от него отобрать при разряде в определенных условиях. Для аккумуляторов различают емкость при разряде и при заряде. Емкостью при заряде называют количество электричества, которое требуется израсходовать при заряде аккумулятора в данных условиях.

Емкость при заряде, как правило, больше емкости при разряде, так как часть тока заряда теряется на побочные процессы. Емкость ХИЭЭ зависит от количества заложенных в них активных веществ и степени их использования. Использование активных материалов обычно тем лучше, чем ниже плотность тока разряда и чем выше температура. Повышение температуры имеет некоторый предел, выше которого нормальному использованию ХИЭЭ препятствуют усиливающиеся побочные процессы.

Энергия ХИЭЭ выражается произведением его емкости на среднее напряжение.

Для аккумуляторов отдачей по энергии η называют отношение энергии, отданной при разряде, к энергии, полученной при заряде.

Для сравнения различных типов ХИЭЭ пользуются удельными величинами: емкостью, энергией или мощностью, отнесенными к единице веса или объема ХИЭЭ.

Саморазряд и сохранность ХИЭЭ

Активные материалы ХИЭЭ частично расходуются и на бесполезные побочные процессы. К таким процессам относятся, например, утечки тока через случайные замыкания в ХИЭЭ, растворение электродов в элекролите и др.

Потери емкости, происходящие из-за вредных побочных процесс сов, называются саморазрядом, имеются некоторые специальные конструкции элементов, у которых саморазряд настолько велик, что электролит в них приходится заливать только перед самым на чалом работы. Например, в свинцово-цинковом элементе, приводи мом в действие путем заполнения раствором серной кислоты, бесполезно теряется при разряде 10—30% цинка, растворяющегося в серной кислоте с выделением водорода. Сохранность ХИЭЭ тесно связана с их саморазрядом. Сохранностью называют время, в течение которого ХИЭЭ годен к употреблению, т. е. сохраняет определенный запас электрической энергии.

Для аккумуляторов, кроме сохранности, важной характеристикой является также срок службы. Срок службы выражают либо во времени, в течение которого аккумулятор пригоден для разрядов и зарядов, либо в числе циклов заряда и разряда, в течение которых аккумулятор способен отдавать емкость не ниже предусмотренной для данного типа.

Применение химических источников электрической энергии и требования, предъявляемые к ним

Химические источники электрической энергии в настоящее время широко применяют в промышленности и быту. Это вызвано тем, что большое количество современных машин и аппаратов нуждается в автономных источниках электрической энергии, не связанных с неподвижными электрическими станциями.

Для промышленного применения ХИЭЭ должны обладать рядом свойств, редко встречающихся одновременно в одной системе. ХИЭЭ должны отвечать следующим требованиям:

1 ) иметь возможно большую э. д. с;

2) отдавать большие токи без резкого падения э. д. с, т. е. не сильно поляризоваться в процессе работы;

3) активные вещества должны иметь возможно малый эквивалентный вес и высокую степень использования;

4) обладать малым саморазрядом, хорошей сохранностью;

5) производство ХИЭЭ должно быть технологичным и доступным по цене.

Аккумуляторы, кроме того, должны иметь высокую отдачу по энергии и большой срок службы.

Выбор электрохимических систем для ХИЭЭ

Для получения ХИЭЭ с наибольшей э. д. с. следовало бы взять электроды, наиболее далеко отстоящие друг от друга в таблице стандартных потенциалов.

Очень высокой э. д. с. обладал бы элемент с электродами, изготовленными из лития и фтора, но осуществить его невозможно, так как эти вещества мгновенно вступают в реакции с водными растворами и водой.

В качестве материала для отрицательного электрода все щелочные металлы в чистом виде применить крайне трудно, так как они слишком энергично реагируют с водными растворами. При приведении в соприкосновение электродов из щелочных металлов с электролитом весь материал расходуется на химическую реакцию настолько быстро (со взрывом), что не удается отобрать во внешнюю цепь существенное количество электричества.

При замене водных растворов электролитов на неводные реакции щелочных металлов с электролитом замедляется, но соответственно снижается и электродный потенциал. Попытки использовать для отрицательного электрода магний или алюминий затруднены тем, что эти металлы находятся либо в пассивном состоянии и имеют потенциал значительно более положительный, чем соответствует стандартных потенциалов, либо при активации начинают слишком бурно реагировать с электролитом. Первичные элементы с электродами из магния все же удалось осуществить.

Наиболее распространены первичные элементы с отрицательным электродом из цинка. Применение цинка объясняется тем, что он не сильно поляризуется, дает хороший коэффициент использования металла и хорошо сохраняется.

Статья на тему Химические источники электрической энергии

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

Новая технология для полностью экологичного получения электричества

Все мы много раз задумывались над тем, откуда берётся то самое электричество, благодаря которому возможна работа твоего компьютера, Интернета, огромного количества всевозможного оборудования, и, конечно, Хабрахабра.

Сейчас у нас есть ТЭЦ, АЭС, ГЭС и довольно большое количество других технологий получения энергии. У большей части из этих технологий есть очень существенные недостатки — это либо значительный вред окружающей среде, либо расход медленно возобновляемых природных ресурсов, либо низкая эффективность. Некоторые технологии кажутся почти идеальными, но только до того момента, пока не знаешь их стоимость.

Но что, если бы у нас появилась возможность найти такой способ получения энергии, который не имел бы всех этих недостатков? И что, если бы он также давал дополнительные преимущества, такие как, например, чистая питьевая вода? И если бы он стоил около ста долларов (около трёх тысяч рублей) на человека и всё необходимое оборудование при этом имело бы очень длительный срок эксплуатации (то есть заплатив единожды $100 можно было бы много лет не задумываться о счетах за электричество и воду), а установить такой комплекс можно было бы в любом месте на Земле?

У нас есть этот способ. И мы скоро будем готовы к производству. Поэтому, если вам интересно, читайте дальше.

(Девочка на картинке неодобрительно смотрит на тех, кто не хочет ничего слышать.)

Постановка задачи

Итак, у нашей страны есть огромный, немыслимых масштабов недостаток. Она прочно подсажена на наркотическую нефтегазовую иглу, и это губит её, и губит её народ. Пока весь мир зависим от нефти, и цены на нее только постоянно растут, нет никаких реальных перспектив оторвать эту пиявку увещеваниями и мирными протестами немногочисленной совестливой интеллигенции. Это пора прекращать — что мы и хотим сделать. Обрушить цены на энергоносители, т.е. избавить человечество от углеводородной энергетической зависимости.

Сущность решения

Известно, что солнечная энергия, доходящая до нашей планеты, примерно в 20000 раз превосходит потребности человечества (см. Энергетика. Проблемы и перспективы. — М.А.Стырикович, Э.Э.Шпильрайн, М: Энергия, 1981, с. 38). Из неё примерно четверть уходит на испарение воды и фактически постоянно более-менее равномерно аккумулируется в атмосфере над любой точкой мира. Стандартная гидроэнергетика принципиально способна использовать только малую часть этой энергии, так как все осадки теряют основную часть своей потенциальной энергии по пути к земле на преодоление сопротивления воздуха и удар об землю. Для того, чтобы использовать эту потенциальную энергию более рачительно, надо собирать воду на той высоте, где она конденсируется, и срабатывать в ГЭС весь перепад высот. Именно это и составляет сущность данного решения.

Интересно, что когда решение уже было придумано, то при поиске похожих идей в Интернете по ключевым словам было неожиданно обнаружено, что ещё в 1919 году в одной из статей гениальный Никола Тесла практически был в полушаге до реализации этой идеи, правильно принципиально оценив необходимый ресурс, но так и не найдя схему для его реализации, для чего всё было готово ещё сто лет назад. Обидно. Если бы он тогда докрутил эту идею, то мы все жили бы совсем в другом мире — чистом, экологичном, изобильном, без войн за нефть, без власти нефтебаронов и так далее… увы, человечество потеряло сто лет!

Как реализовать решение — Аэро ГЭС.

Схема одного из вариантов решения показана на рисунке. Аэро ГЭС содержит нижний бьеф 1, верхний бьеф 2, водовод 3, турбогенератор 4, сетчатые, тканные или плёночные поверхности 5, дирижабль 6 и крепёжные тросы 7.

Дирижабль 6 поднимает поверхности 5 на высоту вблизи или выше точки росы для данных атмосферных условий (обычно это 2—3 км). Там переохлаждённая атмосферная влага начинает активно конденсироваться на поверхностях 5. Дренажная система на поверхностях 5 отводит эту воду в небольшой резервуар (верхний бьеф 2), откуда вода под напором всего перепада высот (2—3 км) поступает по напорному или безнапорному водоводу 3 в нижний бьеф 1 на земле, производя электроэнергию в турбогенераторе 4.

Всю установку можно легко смонтировать в любом удобном для потребителя электроэнергии и воды месте, просто подняв и переместив её целиком с помощью того же дирижабля 6.

Если в данной точке дуют постоянные устойчивые ветры, или это портативная установка (например, для туристов или военных), то можно обойтись без дирижабля 6 и использовать поверхности 5 как параплан для самостоятельного удержания всей конструкции в воздухе (как это происходит при запуске воздушного змея).

Также поверхности 5 могут быть выполнены с полной или частичной металлизацией (например, вплетением металлических проводников). Это позволит увеличить прочность конструкции, снизить солнечный нагрев, усилить конденсацию водяного пара за счёт подачи электрического поля (например, имеются эксперименты по использованию для этого коронного разряда), а также при необходимости уменьшить обледенение за счёт подачи тока.

Вообще, обледенение может использоваться как стандартный режим, так как система обладает автоматической устойчивостью — при накоплении льда вся конструкция самостоятельно снизится в область более высоких температур атмосферы, а после таяния льда сама поднимется на необходимую высоту.

Как это работает

С точки зрения генерации электроэнергии всё работает точно так же как и в обычной ГЭС, но у обычных ГЭС есть принципиальные общие недостатки: они требуют значительных капитальных затрат на сооружение плотины, занимают значительные территории под водохранилище, наносят ущерб экологии и обычно удалены от потребителя. Кроме того, всегда существует потенциальная опасность возможного разрушения плотины. В известной мере, все эти недостатки являются следствием сравнительно небольших перепадов высот при огромных объёмах воды, характерных для большинства равнинных рек.

Тем не менее и перепады высот в 2 км, как в Аэро ГЭС, не являются экстраординарными. В мире есть несколько электростанций, работающих с такими перепадами. При этом используют очень простые ковшовые турбины, изобретённые ещё в 1889 г. американским инженером Алланом Пелтоном.

Принципиальным отличием Аэро ГЭС является конденсация влаги из воздуха, что на первый взгляд кажется забавным и практически неосуществимым курьёзом. Тем не менее и тут нет ничего необычного. На свете существует несколько прекрасно работающих установок, называемых сборщиками тумана. Например, установка для сбора питьевой воды в Чили была испытана ещё в 1987 г. и прекрасно описана со всеми техническими характеристиками.

Что это даёт

• практически вечную и ничем не ограниченную дармовую электроэнергию и чистую воду для питья и орошения, причём в любой точке планеты, где это надо потребителю
• минимальный расход места на земле (как под ЭС, так и под ЛЭП), а также возможность использования любых поверхностей (включая огромные территории пустынь, морей, океанов и т.п.)
• модульность (можно собирать системы любой мощности из стандартных модулей, например, по 1 МВт)
• мобильность (в том числе и для использования на транспорте, например, для снабжения электроэнергией и водой океанских судов)
• чистоту и экологичность из-за сравнительно небольших локальных гидропотоков по сравнению с обычными ГЭС и полным отсутствием тепловых, химических или ядерных выбросов в окружающую среду
• увеличение удельной мощности ГЭС (т.е. мощности на единицу расхода воды) путём использования максимально возможного перепада высот между верхним и нижним бьефом (от высоты конденсации атмосферной влаги до уровня земли)
• существенно более низкие капитальные затраты на единицу мощности и издержки по сравнению с любыми другими известными видами возобновляемой и невозобновляемой энергетики
• возможность дополнительного использования для сетевой связи, видеонаблюдения, высотной рекламы, грозозащиты, климатической защиты (например, против ураганов и торнадо в США по берегу Мексиканского залива), регулирования климата (например, отсечением дождей в Питере по дамбе при преобладающей юго-западной розе ветров), ПВО (например, для Израиля), затенения в жарких странах и многое другое…

Технико-экономические расчёты

Работоспособная установка может быть даже портативной. Например, турист или дачник может соорудить это просто в виде параплана или воздушного змея, причём в промозглом Питере, откуда мы родом, это начнёт давать воду уже с высоты полкилометра. 🙂

На самом деле, есть сайты и расчётные модели, которые позволяют даже рассчитать высоту точки росы в любой реальный момент времени в любом месте планеты по аэрологическим диаграммам. Кроме того, есть и прекрасные теоретические модели, разрабатываемые в Гатчине нашими физиками В.Г.Горшковым и А.М.Макарьевой. Для расчёта турбины можно использовать сайт М.Н.Розина.

По данным чилийской установки такие сетчатые поверхности давали от 3 до 13 литров с квадратного метра в сутки. Учитывая, что в Чили установки были полностью пассивными, а мы можем активно управлять Аэро ГЭС, меняя положение поверхностей 5 по высоте (для максимальной конденсации) и ориентации на ветер (для максимального потока атмосферной влаги), можно надеяться, что выход воды будет значительно увеличен. Но даже приняв его для простоты на том же уровне

10 л/м 2 /сутки, мы получаем, что всего лишь кусок нейлоновой сетки 10 х 10 м (100 м 2 ) полностью обеспечивает потребности одного человека в воде (

1000 л/сутки) и бытовой электроэнергии (

Прикинем, например, технико-экономические данные небольшой Аэро ГЭС для посёлка в 100 человек. Такая установка будет давать воды до 100 м 3 /сутки (1.16 л/с) и иметь мощность 20—50 кВт (в зависимости от высоты подъёма).

Пусть минимум — высота 2000 м, 20 кВт — 10000 м 2 сети (100 х 100 м)
Цена нейлоновых сетей от $0.5/м 2 , вес от 10 г/м 2 — $5000, 100 кг
Аэростат 500 м 3 (водород, примерно как в блокадном Ленинграде) поднимает 500 кг — оболочка пусть $2000, водород всего $10 (по $2/кг) — гелий бы стоил около $5000.
Шланг нужен внутренним диаметром всего 3 мм, скорость воды в нём 200 м/с (примерно то же самое, что и на вышеупомянутой швейцарской ГЭС), вес всей воды в шланге 10—20 кг (в зависимости от геометрии).
Общий вес воды в шланге, на сетях и в верхнем резервуаре — пусть 100—200 кг
Простейшая ковшовая турбина + генератор на 20 кВт + нейлоновые тросы и прочее — пусть ещё $3000

Итого даже при такой предельно малой мощности имеем:
Общая цена

$10000 (по $100 с каждого жителя посёлка), вес 200—300 кг при грузоподъёмности аэростата до 500 кг. Удельная капиталоёмкость $500/кВт. Издержки близки к нулю.

самые дешёвые в сегодняшней энергетике ТЭЦ с газовыми турбинами

$500—700/кВт при самых больших издержках

5 центов за кВт-час,
обычные ТЭЦ

$1500/кВт при издержках

2.5 цента за кВт-час,
ГЭС

$1000—3000/кВт при издержках

0.5 цента за кВт-час,
АЭС

$5000/кВт при издержках

2.5 цента за кВт-час.

Ясно, что при увеличении мощности, показатели должны только улучшаться. Для типичных мощностей в сотни и тысячи МВт, можно ожидать снижение удельной капиталоёмкости до $200—300/кВт.

Итого

Аэро ГЭС может решить все энергетические проблемы человечества и заодно решить огромные социальные пробемы. Примерный рынок: как минимум 7 млрд. людей на планете по $100 = 700 млрд. Если кто-то хочет начать производство, осчастливить человечество и заодно стать самым богатым человеком на Земле — пожалуйста, пишите нам.

Текст на английском языке опубликован на сайте airhes.com. Также там есть текстовое поле, в которое вы можете ввести свой адрес электронной почты, чтобы мы могли написать вам, когда у нас появятся готовые устройства.

В 2013 году был получен патент — RU 2500854.

Ответы на ваши вопросы

В комментариях прозвучало очень большое количество различных вопросов и мнений. Некоторые из них сильно удивляют. А некоторые наоборот весьма полезны.

Так или иначе, давайте по пунктам разберём основные доводы.

1. «Водород взрывоопасен, необходимо использовать гелий».

Это не так. Сам по себе водород безопасен, взрываться может только так называемый гремучий газ, который представляет из себя смесь водорода и кислорода. Тем не менее, чтобы внутри дирижабля образовалось подобное вещество, надо ещё сильно постараться. Даже если намеренно обстреливать его, и даже при использовании снарядов, вызывающих горение. Дело в том, что целиком дирижабль так или иначе не взорвётся — он только может гореть по поверхности.

Во время войны над Москвой и Санкт-Петербургом летали сотни таких дирижаблей, примерно на той же высоте, и они были наполнены водородом. И да, конечно же, все понимали, что их будут обстреливать вражеские самолёты.

Смысл тут в том, что даже если дирижабль сгорит и упадёт, то он, фактически, не может нанести ущерб из-за очень небольшого веса (основной вес составляют сетки, собирающие воду). Это всё равно что беспокоиться из-за занавески, которая может оторваться у жителя верхнего этажа небоскрёба и упасть не землю.

2. «Но что, если поднимается ураган?»

Поднимается, и что. Разве с теми дерижаблями над Москвой и Санкт-Петербургом что-то происходило? Они привязывались к земле канатами и отлично удерживались вокруг определённой точки. А материалы сейчас, надо заметить, куда лучше, чем в те времена. На счёт того, выдержат ли тросы — да без проблем. Это не теории, это уже многократно испытывалось. И дирижабль эти тросы отлично удерживают.

Но вообще-то мы можем и опускать их в случае урагана — это нормальное состояние для дирижаблей, опускание и подъём всегда предусматриваются. В тексте статьи написано, что система является абсолютно управляемой — мы можем не только опускать дирижабль вниз, но и ориентировать конструкцию таким образом, чтобы ветер не наносил ей какого-либо ущёрба, точно так же, как это делают с парусами на кораблях.

Кстати, тогда, во время войны, для того, чтобы не допустить образование внутри дирижаблей гремучего газа (предполагается, что кислород в любом случае в каком-то количестве проникает внутрь), их периодически скускали вниз, выпускали оттуда водород, и закачивали по новой.

Но сейчас возможны и другие решения. Мы можем поставить газоанализаторы и проверять уровень кислорода. Как только он достигнет определённой отметки, мы отправляем сообщение на землю, и применяется стандартная процедура перезакачки водорода.

Кстати, для этого можно предусмотреть использование того же шланга, передавая водород в обратном направлении.

Но можно сделать ещё интереснее — для кислорода есть катализатор, палладий. Если мы разместим внутри дирижабля (можно снизу, можно по бокам, можно вообще подвесить по центру — молекулы кислорода с ней в любом случае столкнутся) палладиевую решётку, то кислород с водородом смогут соединятся, но без огня. Таким образом мы получаем воду. Эта вода под действием силы тяжести скапливается внизу дирижабля, и ничто не мешает предусмотреть механизм автоматического слива (это, разумеется, абсолютно безопасная, обыкновенная вода).

Таким образом часть водорода будет просто расходоваться на образование воды, и дирижабль будет постепенно снижаться. Как только потребуется поднять его обратно, достаточно будет закачать в него дополнительный водород.

Ещё мы можем использовать простейший электролизёр, который будет разделять часть воды, взятой с сетки, на кислород и водород. Соответственно, водород мы сразу можем закачивать в дирижабль, а кислород выпускать в воздух. Тогда мы можем существенно упростить обслуживание установки, так как регулярные процедуры по обеспечению достаточного уровня водорода вообще не потребуются — водород будет производиться самой установкой.

Кстати, низкая стоимость водорода — не единственное его преимщество для подобной установки. Водород находится в молекулярном состоянии, в отличие от гелия, который существует в виде атомов. Это означает, что проницаемость вородода значительно меньше. Иными словами, водород не будет просачиваться через дирижабль так же легко, как это делал бы гелий.

3. «В вашу конструкцию может ударить молния!»

Может. Но если в тросы будет вплетён металл или они будут целиком металлическими, и, разумеется, тросы будут заземлены, то электрический заряд просто уйдёт в землю, так же, как по любому обыкновенному громоотводу. Поэтому на практике установка не просто защищена от молний, а она несёт в себе молниезащиту, так как молния скорее ударит по тросу, чем по чему-либо другому (тем самым защищается то, что находится на земле вблизи установки). Что касается удара молнии по поверхности дирижабля — точно так же, как молния не причиняет ущерба самолётам, так и наша конструкция может быть целиком металлизирована и заземлена, чтобы являться громоотводом для всей близлежащей территории.

4. «Вы собираетесь разместить это над городом и создать гигантскую тень?»

Конечно, нет! Установки предполагается размещать прежде всего над океаном, озёрами, в пустыне, и так далее. Речь не идёт о том, чтобы поднимать их в воздух непосредственно над жилыми пунктами (кроме, возможно, портативных вариантов — при необходимости).

Поверхности предполагается делать вертикальными, для того, чтобы собирать горизонтальный поток.

Поэтому ни о каких тенях в городе речь не идёт.

5. «Это нарушает естественный круговорот воды в природе».

Очень большое количество дождей не используется природой. К примеру, вода собирается над океаном, и выпадает обратно в виде дождя. Что будет, если мы соберём 1% (а речь идёт о таких цифрах) из этой влаги? Ничего. Эта вода в итоге испарится точно так же, как она испарилась бы, упав в виде дождя.

Для того, чтобы разобраться в этой теме, нужно подробнее ознакомиться с научной литературой на тему экологии. Но суть в том, что тут влияние на много порядков ниже, чем влияние от сжигания нефти. Если хотя бы часть энергии будет получена таким образом, мы уже снизим негативное влияние на окружающую среду, и чем больше такая технология будет набирать популярность, тем это влияние будет становиться меньше.

6. «Водовод не выдержит такого большого давления!»

Водовод может быть напорным и безнапорным. В напорном водоводе скорость воды обычно невелика, но потенциальная энергия перепада высот образует внизу значительное давление (2 км — 200 атм) и только в сопле это давление преобразуется в скорость воды 200 м/с (кинетическую энергию), которая ударяет в ковшовую лопатку турбины Пелтона. В нашем случае больше подходит безнапорный водовод. Это вообще может быть даже не труба, а лоток по которому струя воды разгоняется силой тяжести сразу преобразуя потенциальную энергию перепада высот в кинетическую энергию струи (подобно струйному водопаду), ударяющей в лопатку. Конечно определённые потери скорости при этом будут иметь место от контакта боковой поверхности потока с трубой, но это значительно большие скорости, чем те, что может достичь капля воды, так как в струе вода не испытывает лобового сопротивления воздуха. Теоретически эта скорость может доходить до скорости звука в воде (1348 м/с) и даже выше при использовании сопла Лаваля.

7. «При конденсации выделяется тепло. Для отвода этого тепла потребуется мощный холодильник».

Вообще-то тут ни о каком холодильнике речи не было. Возможно комментаторы не заметили, что поверхности должны находиться вблизи или выше точки росы. Для физика это обозначает, что воде в этой точке становится энергетически выгоднее находиться в жидкой фазе вместо газообразной, т.е. процесс микроконденсации уже пошёл, но капли ещё ничтожны. Собственно в природе так и происходит — по мере укрупнения капель образуется туман (который мы с земли видим как облако). Разумеется при этой конденсации выделяется огромная тепловая энергия, которую просто уносит окружающий воздух, но с этим нам придётся просто смириться — кстати, именно эта энергия создает восходящие потоки под формирующимися кучевыми облаками, которые активно используют дельта и просто планеристы. Тем не менее сам процесс конденсации может быть очень сильно ускорен разными методами, например, коронным разрядом (за счёт дипольных свойств молекул воды) или искусственным созданием центров микроконденсации (введением ничтожного количества пыли или углекислоты, что активно используют для управления выпадением осадков — так называемый «разгон облаков»). В нашем случае роль этих центров конденсации играет нейлоновая сеть, которая просто собирает этот микротуман. Без неё мы бы просто в конце концов получили обычный дождь, а так можем хоть эту потенциальную энергию преобразовать в электричество.

Источник