ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ. Последнее изменение [ 15.07.03 г.]

Главная страница Статьи о энергии Ссылки на ресурсы

Рассмотрены существующие в природе процессы восстановления топлива из продуктов его "сгорания" за счет "охлаждения" окружающей среды. Одним из таких процессов является фрагментация ядер под действием частиц высоких энергий. В этом случае восстанавливается водород и легкие ядра, которые являются основным источником энергии излучаемой звездами. Другим процессом, который может быть осуществлен на Земле в промышленных масштабах, является энергетически выгодное получение водорода в электролизе растворов кислот и щелочей при низком напряжении на электродах.

Лепехин Ф. Г. 31.01.03 г

ГЛОБАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ Ф. Г. Лепехин А Н Н О Т А Ц И Я   Рассмотрены существующие в природе процессы восстановления топлива из продуктов его "сгорания" за счет "охлаждения" окружающей среды. Одним из таких процессов является фрагментация ядер под действием частиц высоких энергий. В этом случае восстанавливается водород и легкие ядра, которые являются основным источником энергии излучаемой звездами. Другим процессом, который может быть осуществлен на Земле в промышленных масштабах, является энергетически выгодное получение водорода в электролизе растворов кислот и щелочей при низком напряжении на электродах. В этом случае водород получается за счет внутренней энергии электролита ("охлаждения"), при диссоциации воды, являющейся в свою очередь продуктом "сгорания" водорода. Глобальная энергия - это энергия окружающей среды. Только ее использование может предотвратить энергетический кризис, угрожающий человечеству в 21 веке. Э н е р г е т и ч е с к и й     к р и з и с   По данным чл. корреспондента РАН Ю. В. Полежаева [1] дефицит тепловой энергии в России уже перевалил за критическую точку "замерзания". "Россия во мгле ?" -вот в чем еще может быть сомневается ученый. На производство тепла мы расходуем топлива в два раза больше, чем на генерацию электрического тока. Теплофикация и централизованное теплоснабжение неизбежно ведут к огромным потерям в теплосетях. В тысячах мелких котельных эффективность использования топлива еще меньше, чем в крупных энергоблоках, производящих электроэнергию и тепло. Нельзя сказать, что Правительство РФ и Российская Академия Наук не понимают, или недооценивают реальной угрозы национальной безопасности страны со стороны надвигающегося энергетического кризиса. Но энергосбережение, о котором идет речь в документах [2], может только временно отодвинуть последствия этой беды. Становится все более очевидно, что выход из энергетического кризиса надо искать в кардинальном изменении существующей с незапамятных времен концепции энергоснабжения. Но основным реальным препятствием на этом пути являются не только "нефтяные компании" [3], но и вообще все монополисты топливно- энергетического комплекса. Государству, живущему продажей нефти и газа, не нужны никакие "альтернативные источники энергии" [4-5]. Все они не пожалеют усилий, чтобы "закопать" идею отказа от топлива, как основного и единственного источника энергии.   Действительно, начиная от костра в каменном веке, и до атомных станций прошлого века, источником энергии является топливо. Топливо - это вещество, в котором запасена энергия в его предыдущей истории в виде его внутренней энергии. В дровах запасена энергия Солнца, в уране-235 запасена энергия взрыва сверхновых звезд при его синтезе. Сжигая топливо, мы используем его внутреннюю энергию, получая продукты сгорания, "золу".   К. Руббиа [6] предложил "сжигать" торий под действием протонов с энергией 1 ГэВ. Заметим, что под действием нейтронов в обычных реакторах торий не делиться, а протоны приводят к его делению и выделению внутренней энергии, запасенной в тории. Этот процесс К. Руббиа назвал "усилителем энергии", так как при расходе энергии на ускорение протонов 20 Mwh, будет получено 280 Mwh тепловой, или 100 Mwh электрической энергии. Но при этом нужен торий, да и "зола" при делении тория доставит не мало хлопот. Сама же идея "усиления энергии" заслуживает внимания.   Сегодня известно, что проблему теплоснабжения зданий можно решить и без сжигания всего топлива необходимого для этого. Энергию можно приумножить, забирая ее у окружающей среды, теплонасосом [7]. Основная идея теплового насоса состоит в том, что внутренняя энергия среды (тепло Q), рабочим телом теплового насоса переносится и отдается внутри отапливаемого здания. На это расходуется электрическая энергия W. Отношение Q/W называется коэффициентом преобразования теплового насоса. Это не "КПД", как некоторые полагают. В системах широко распространенных в США, Швеции, Канаде и других странах, коэффициент преобразования тепловых насосов достигает 3 и более. Таким образом, использование внутренней энергии окружающей среды для теплоснабжения, осуществляющееся в тепловом насосе, может быть более выгодным, чем прямое расходование энергии W на отопление. Оказывается, что в Природе существуют процессы, в которых внутренняя энергия среды используется для воссоздания "топлива" из продуктов его сгорания, т. е. из "золы". Это "топливо" снова можно сжигать, получая энергию. Рассмотрим один из таких процессов. Ф р а г м е н т а ц и я    я д е р   Явление фрагментации ядер было открыто боле 50 лет назад. Состоит оно в том, что под действием частиц высоких энергий в космических лучах атомные ядра испускают не только протоны и нейтроны, но и многозарядные частицы, фрагменты этих ядер. С появлением ускоренных частиц высоких энергий этот процесс исследовался боле детально. Сегодня можно сказать, что мы понимаем основные закономерности процесса фрагментации ядер [8]. Они очень просты. Поперечные импульсы фрагментов ядер не зависят от энергии сталкивающихся частиц и определяются импульсом Ферми фрагментирующего ядра. Это ведет к уменьшению углов вылета фрагментов релятивистских ядер с увеличением их энергии, т. е. к появлению все более узких струй фрагментов. Выходы каналов фрагментации определяются распределением Гиббса, где в экспоненте стоит отношение энергии необходимой для разделения первичного ядра на фрагменты в данном канале к "температуре", которая выражается через тот же импульс Ферми. Ясно, что каналы с малым числом фрагментов - нуклонов будут иметь самую большую вероятность. Все это прекрасно подтверждается экспериментом. Это означает, что в процессе фрагментации ядер при высоких энергиях сталкивающихся частиц среди продуктов фрагментации больше всего будет протонов. Нейтроны - фрагменты также быстро превратятся в протоны.   Процесс фрагментации ядер по сути дела является прямо противоположным основному процессу ответственному за энерговыделение в звездах [9]. На Солнце ежесекундно "сгорает" 600 тонн водорода, который превращается в гелий. Видимые размеры Солнца определяются равновесием гравитационного сжатия и внутренним давлением радиации (света) возникающей при "горении" водорода. Примерно через 5 миллиардов лет весь водород на Солнце "сгорит", внутренне давление исчезнет, и Солнце начнет быстро сжиматься под действием сил гравитации. Гелий будет падать на центр Солнца и за счет этого начнется бурное, взрывоподобное выделение энергии. В конце концов, Солнце превратится в красного гиганта. Но в момент сжатия ядра гелия приобретут энергию достаточную для их фрагментации на протоны и нейтроны. Это и есть процесс воссоздания "топлива" (водорода), из "золы" (гелия). На это идет энергия, получающаяся при "охлаждении" окружающей среды. В расширяющейся оболочке Солнца окажется достаточно много водорода, который через миллиарды лет образует новую звезду, где этот водород начнет "гореть". Очевидно, что в процессе воссоздания "топлива" из "золы" во Вселенной существенную роль играют и космические лучи. Если частицы космических лучей рассматривать как частицы некоего "газа", то ясно, что образование "топлива" идет за счет охлаждения этого "газа". Конечно, воспроизвести на Земле превращение водорода в гелий, с целью получения энергии до сих пор не удается. Но использовать водород как рабочее тело теплового насоса для использования внутренней энергии окружающей среды, оказывается вполне возможно. В о д о р о д н а я    э н е р г е т и к а (по материалам http://lepfed.narod.ru/index.html )   О водородной энергетике пишут и мечтают давно. Привлекает высокая удельная теплота сгорания (67.54 больших калорий на грамм- моль), то обстоятельство, что продуктом сгорания ("золой") является вода, которая снова может быть сырьем для получения водорода. Уже в ближайшее время на дорогах Японии можно будет увидеть автомобили, использующие в качестве топлива водород [10]. Корпорация General Motors разрабатывает новый тип автомобиля на водороде [11]. Ссылок такого типа можно собрать и больше. Но, конечно, основным является вопрос о том, где и как получать водород, сколько энергии надо затратить на его получение. Ответов на эти вопросы по существу, во всех известных мне публикациях, нет. В данной работе утверждается, что водород не просто "топливо". Он может быть рабочим телом теплового насоса, и энергия на его получение может черпаться из внутренней энергии окружающей среда при ее охлаждении.   В настоящее время основным потребителем водорода, получаемого в мощных электролизерах [12] является химическая промышленность. В этих установках затраты на получение водорода окупаются при продаже того, что с его помощью производится химической промышленностью. К энергетике такое производство водорода отношения не имеет. Ведь для того, чтобы использование водорода как топлива стало бы массовым, и всерьез можно было бы говорить о конкуренции его с нефтью и газом, производство водорода должно стать энергетически выгодным. Иначе говоря, количество энергии W, получаемой при сгорании водорода должно быть существенно больше всей энергии Q затраченной на его получение. Отношение W/Q должно быть существенно больше единицы. Известные законы физики [13] такой возможности не противоречат. Работа тока при электролизе воды в растворе серной кислоты на диссоциацию воды не расходуется. Количество водорода, выделяющегося на катоде, зависит только от количества прошедшего через электролит электричества (=I t), и не зависит от напряжения на электродах V. Легко получаем, что W/Q=1.458/V, если Q=I V t. Значит при напряжении 50-100 милливольт при сгорании водорода выделится энергии в 30-15 раз больше, чем израсходовано электроэнергии непосредственно на электролиз при его получении. Откуда же в этом случае берется энергия необходимая для разрыва молекул воды на водород и кислород? Она ведь и выделяется при сгорании водорода. Рассмотрим этот ключевой вопрос более детально.   При растворении серной кислоты в воде, еще до пропускания тока, все молекулы кислоты расщеплены на ионы водорода 2H+ и остаток SO4--. Приготовлено много ионов водорода. Они химически не активны. При сколь угодно малом напряжении (вплоть до 0.001 вольта), положительные ионы водорода пойдут к катоду, там нейтрализуются, и выделятся на катоде в виде молекулярного водорода. А отрицательные ионы остатка серной кислоты подойдут к аноду, там нейтрализуются, и превратятся химически активный остаток серной кислоты. Этот остаток не может присоединить к себе ион водорода, хотя их в растворе и много - ионы водорода не активны, и в химические реакции не вступают. Единственная возможность остатку серной кислоты завладеть водородом, это отнять его у молекулы воды при столкновении с ней. А для этого надо совершить работу по разрыву молекулы воды на кислород и водород. Энергия для совершения этой работы берется за счет полной энергии в системе центра масс сталкивающейся молекулы воды и остатка серной кислоты. Происходит неупругое соударение двух частиц. Естественно, это возможно только тогда, когда энергия в СЦИ сталкивающихся частиц больше энергии необходимой для разрыва связи водорода и кислорода в молекуле воды. А энергия в СЦИ будет достаточно большой только тогда, когда скорости сталкивающихся частиц перед соударением были больше некоторой пороговой величины, т. е. они должны быть быстрыми. Именно эти быстрые молекулы воды и будут разрушены. Их убыль приведет к уменьшению средней энергии молекул воды, температура раствора понизится. Образуется поток тепловой энергии от среды, окружающей ванну с электролитом, в электролит. Внутренняя энергия среды в нем будет расходоваться на образование водорода. Конечно, все это будет только при малом напряжении на электродах. Как только напряжение превысит критическую величину, внутренняя энергия раствора, как и прежде будет расходоваться на диссоциацию воды, но тепло, выделяющееся при прохождении тока через раствор компенсирует уменьшение внутренней энергии раствора и он даже начнет нагреваться. Получение водорода станет энергетически не выгодным. Никакого противоречия со вторым законом термодинамики и "вечного двигателя" [14] здесь нет. Охлаждение электролита при низком напряжении на электродах происходит не само по себе, а в результате прохождения тока и непрерывного нарушения равновесной концентрации ионов водорода.   Вот и ответ на вопрос, откуда берется энергия для разрыва молекулы воды на водород и кислород.   Заметим, что "тепло", а при неупругом столкновении это кинетическая энергия хаотического движения молекул, никогда не может быть полностью превращено в "работу" по разрыву молекулы (воды). Иначе после соударения импульсы продуктов неупругого соударения в СЦИ должны быть равны нулю. А фазовый объем конечного состояния пропорционален импульсу частиц в конечном состоянии. Он стремится к нулю, когда импульсы частиц уменьшаются вблизи нуля. Значит, вероятность такого состояния будет равна нулю. Эта вероятность растет с увеличением энергии в СЦИ, т. е. с увеличением кинетической энергии сталкивающихся частиц. Вот почему из раствора будут исчезать с большой вероятностью самые "горячие" молекулы воды. По сути дела это второй закон термодинамики на микроскопическом уровне. Хотя в кинематике физики частиц высоких энергий все это хорошо известно.   Столь детальное обсуждение механизма охлаждения электролита при малом напряжении на электродах вызвано тем, что при обсуждении материалов [15] на форуме scientific.ru основное возражение состояло в том, что в этом процессе нарушается второй закон термодинамики. Но этот закон, как и все законы физики, имеет свои пределы справедливости. Дискуссия по этому вопросу велась на первой международной конференции по этому вопросу [16]. В тех пределах, где второй закон термодинамики установлен и справедлив, никакого его нарушения в рассмотренных процессах получения водорода за счет охлаждения окружающей среды нет. Если из тепловой энергии, полученной при сжигании водорода W и будет потом получена работа А, то ее всегда будет < W. Невозможно осуществить процесс, в котором бы A=W. Но А может быть и больше Q, т. е. той энергии, которая использовалась для перемещения внутренней энергии среды в теплотворную способность водорода.   Практическое осуществление всех этих процессов определяется уже не общими законами физики, а их техническими и технологическими особенностями реализации. Нагревать воду и отапливать помещение за счет охлаждения окружающей среды, в принципе, возможно, но над практическим осуществлением этого еще придется поработать. Здесь есть проблемы. Т е х н о л о г и я    п о л у ч е н и я    в о д о р о д а   Изобретатель Стэнли Мэйер [3] запатентовал в США электрическую ячейку, в которой идет электролиз обыкновенной водопроводной воды, и в результате ее работы получается водород и кислород. Утверждается, что при этом затрачивается гораздо меньше энергии, чем при обычном электролизе. Хотя и не понятно, что это означает. Суть изобретения состоит в том, что на электроды подается напряжение от специального генератора. Это напряжение меняется с некоторой частотой. Данных о количестве энергии взятой из сети для питания этого генератора не приводится, но расчеты показывают, что отношение W/Q в ячейке Мэйера получается около 0.75. Значит эффективное напряжение на электродах около 2 вольт. На нагрев воды энергии затрачивается больше, чем ее получается при сгорании водорода.   В. В. Студенников в [17] описывает запатентованный им с соавторами "электроводородный генератор" (ЭВГ), который способен давать самый дешевый водород. Он не потребляет из внешней сети электроэнергию, а сам ее вырабатывает. Используется явление Толмэна - Стьюарта [13], состоящее в том, что при вращении сосуда с электролитом в нем возникает ЭДС, пропорциональная квадрату угловой скорости, и направленная против искусственного "гравитационного" ускорения. Процесс электролиза, и сжигание полученного водорода здесь рассматривается как замкнутый цикл теплового насоса, о чем и говорилось выше. Экспериментально установлено, что вращающийся электролит действительно охлаждается, т. е. он поглощает внутреннюю энергию окружающей среды. Тепловой насос при электролизе на всасывание энергии действительно работает. Значит напряжение на электродах меньше 1.458 вольт. Но расчетный общий расход электроэнергии на производство одного кубометра водорода составляет 14.42 Мдж. Это много. При сгорании этого водорода выделится только 12.6 Мдж. Это означает, что вращающийся со скоростью 40000 оборотов в минуту сосуд с серной кислотой размерами порядка метра работает с той же эффективностью, как и неподвижная ванна с электролитом при напряжении на электродах 1.7-1.8 вольт. Производство водорода в ЭВГ не является энергетически выгодным, хотя может быть и действительно более дешевым, чем в промышленных электролизерах, где затраты энергии на производство одного кубометра водорода составляют 21.6 Мдж.   Вероятно, основной причиной препятствующей использованию электролиза при низком напряжении, является возникновение ЭДС поляризации электродов почти сразу же после начала электролиза. Это сложный процесс, зависящий от многих причин, включая состав электролита, материал электродов, наличие примесей и т. д. Поляризация электродов может быть уменьшена самыми разнообразными способами. Это может быть механическая их очистка, и даже простое встряхивание электродов. ЭДС поляризации может быть уменьшена выбором подходящей технологии электролиза. Собственно, это и делается в ячейке Мэйера и ЭВГ Студенникова если более внимательно разобраться в их работе. В ячейке Мэйера используется прерывистое напряжение подбираемой частоты. И что бы не говорили, о каком то "резонансе" с частотой собственных колебаний молекул воды, главное это "обновление" электродов в паузах прохождения тока, и микро колебаниях электродов возникающих как следствие электрострикции. А в ЭВГ Студенникова очевидно, что между внешним барабаном и жидкостью в нем существует разрыв скоростей. По поверхности барабана, а это анод, течет жидкость, которая непрерывно обновляет поверхность анода. Конечно, это удачное решение, но оно не является единственным. Несомненный успех ЭВГ может служить только стимулом для поиска новых технологических решений уменьшения ЭДС поляризации и без вращения электролита. З а к л ю ч е н и е   Итак, природа нам подсказывает, что существуют процессы восстановления "топлива" из "золы". Энергию на это восстановление можно взять "охлаждая" окружающую среду. Поиск взаимосвязи различных явлений в природе является основным содержанием науки. Один из таких процессов может быть использован для кардинального решения наших энергетических проблем. Тогда "топливо" перестанет быть единственным источником энергии. Вся энергетика может быть перестроена. Отпадет необходимость ее чрезмерной централизации выработки и передачи ее на большие расстояния потребителю по ЛЭП, нефте- и газо- проводам, по теплотрассам. Источники энергии будут приближены к потребителю. Например, в каждой квартире можно установить "квартирный усилитель" энергии, потребляющий из сети на получение водорода одну единицу энергии, а выделяющий тепла для отопления и бытовых нужд в 10 раз больше. Необходимое для этого электричество можно получать в газовых турбогенераторах, получая энергию при сгорании водорода в тех же районных котельных, которые сегодня нас снабжают теплом и горячей водой, сжигая газ. В городах с населением 100-200 тыс. жителей должно быть 2-3 газовых турбогенератора на водороде для централизованного снабжения города электроэнергией. И никаких ЛЭП, передачи водорода по трубопроводам - энергия становится глобальной. Она вырабатывается там же где и потребляется без всякого завоза топлива. Конечно, решать проблемы технологии, производства и сбыта не нам, физикам. Население же быстро поймет преимущества новой системы своего теплоснабжения и начнет вкладывать средства в новую глобальную энергетику. Л и т е р а т у р а 1. Ю. В Полежаев, Россия во мгле? (http://hitechno.ru/polezhaev.htm) 2. Распоряжение Президиума РАН (http://www.aces.ru/problems/n1/raspr.htm) 3. Электролиз, или вода вместо бензина (http://www.skyzone.ru/tech/meyer_h2.html) 4. Альтернативная энергетика (http://www.skif.biz/energy/index.shtml) 5. В. С. Лаврус, Источники энергии (http://lib.ru/NTL/rel03_w6.txt) 6. The Energy Amplifier (http://www.kernshinkan.com/FWHersman/energy_amplifier.html) 7. О. С. Попель, Тепловые насосы (http://www.aces.ru/problems/n1/popel.htm) 8. Фрагментация релятивистских ядер (http://www.pnpi.spb.ru/ofve/nni/itis.htm) 9. Нуклеосинтез во Вселенной (http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/n0.htm) 10. Япония - вода вместо бензина (http://www.pnpi.spb.ru/ofve/nni/iar.htm) 11. Проект автомобиля будущего (http://www.compulenta.ru/2002/7/16/32188/) 12. Н. А. Долежаль и др., Атомно-водородная энергетика... вып. 2, М., Атомиздат,1979, с.5. 13. О. Д. Хвольсон, Курс физики, т.4, Берлин, 1923, с.515. 14. Определения "вечного двигателя" второго рода (http://www.scientific.ru/cgi-bin/dforum/forum.pl?forum=altern&id=1038730300) 15. Водородная энергетика (http://lepfed.narod.ru/) 16. Конференция в Сан-Диего о втором законе термодинамики (http://phys.web.ru/db/msg.html?mid=1184695) 17. В. В. Студенников, Электроводородный генератор (http://www.skif.biz/energy/arhiv3-3.shtml) Н о в ы е м а т е р и а л ы, появившиеся после отправки статьй в печать Президент Буш - Америку спасет водород Лепехин Ф. Г. 31.01.03 You can Return to : NNI Home Page HEP Division Home Page PNPI Home Page

Название

Автор

Проверка текста

Возврат в cписок

© Оширов В. 2002 г.