РОЗДІЛ 20. Використання енергії атмосферної електрики

Усе різноманіття електричних явищ, що відбуваються в атмосфері Землі, дає, що одержала найбільше розповсюджене в цей час, теорія Пельтье-Экснера. Згідно із цією теорією, земна куля містить великий надлишок негативної електрики, яким заряджені й усі предмети, що перебувають на ньому. Звідси випливає, що електричне поле, що оточує Землю, повинне мати негативний потенціал, що поступово зменшується в міру видалення нагору від поверхні. Якщо прийняти потенціал на поверхні Землі рівним нулю, то в атмосфері буде поступово зростаючий позитивний заряд, що дійсно й спостерігається у високих шарах атмосфери. У шарах же, близьких до поверхні Землі постійно присутні в атмосфері пари води і пил, наелектризовані негативно, повинні зменшувати напруженість поля й порушувати правильність його розподілу. Згідно із цією теорією добовий і річний хід атмосферної електрики є залежним від кількості пару, що знаходиться в атмосфері. Слід зазначити, що донедавна атмосферне повітря вважалося дуже гарним діелектриком, і лише роботи новітнього часу показали, що повітря при деяких особливих умовах стає провідним ( при нагріванні, при розріджуванні, під дією іонізуючого випромінювання і т.д.). Електричні струми повітря часом досягають і в середніх широтах значної сили, особливо ж вони великі в полярних країнах. Наприкінці вісімдесятих років минулого сторіччя було відкрито й вивчене явище електроактинічності. Це явище полягає в тому, що під впливом ультрафіолетових променів провідник, заряджений негативною електрикою, швидко втрачає свій заряд. В атмосферних явищах це проявляється в тому, що дія ультрафіолетових променів, що знаходяться у

Рис. 20.1. Атмосфера Замлі, як діелектрик сферичного конденсатора.

сонячному спектрі, сприяє переходу негативного заряду Землі в атмосферу. Дослідження показали, що актинічна радіація має річний і добовий хід, зворотний ходу потенціалу, як це й було очікувано. У термінах статичної електрики, наша планета являє собою подобу сферичного конденсатора, зарядженого приблизно до 300 000 вольт. Внутрішня сфера - поверхня Землі - заряджена негативно, зовнішня сфера - іоносфера - позитивно. Ізолятором служить атмосфера Землі. На Рис. 1.20. умовно показаний такий сферичний конденсатор.

Напруженість електричного поля нашої планети становить у поверхні приблизно 130 в/м. З висотою напруженість цього поля падає. На висоті 10 км значення напруженості поля становить близько 3% від його значення у поверхні Землі. Через атмосферу постійно протікають іонні й конвективні струми витоку конденсатора, які досягають багатьох тисяч амперів. Але, незважаючи на це різниця потенціалів між обкладками конденсатора не зменшується. Щоб скористатися енергією цього зарядженого конденсатора, потрібно підключити до нього споживач енергії. Для підключення до від'ємному полюсу – до Землі досить зробити надійне заземлення. Підключення до позитивного полюса генератора - до іоносфери - є складним технічним завданням, розв'язком якої займаються багато дослідників. Один із проектів по використанню енергії атмосферної електрики полягав у наступному. На поверхні Землі встановлюється металева щогла з гарним заземленням. Конструкція такого пристрою показано на Рис. 20.2. При висоті щогли h=l 00 метрів, різниця потенціалів між Землею й верхівкою щогли буде чисельно рівна приблизно 10 000 вольт. Під впливом зовнішнього електричного поля негативні заряди (електрони) починають рухатися нагору, до верхівки щогли, створюючи там надлишок негативних зарядів. А надлишок негативних зарядів на верхівці щогли створить своє електричне поле, спрямоване назустріч зовнішньому полю. Наступає момент, коли ці поля зрівняються по величині, і рух електронів припиняється. Це значить, що в провіднику, з якого зроблена щогла, електричне поле дорівнює нулю. Однак, якщо видаляти електрони з вершини щогли, то електричне поле усередині щогли не буде скомпенсованої у ній постійно буде текти струм.

У цьому випадку досить розрізати щоглу в будь-якому місці й включити туди навантаження. Для видалення надлишкових електронів передбачалось кілька способів. Один з таких способів засновується в наступному, якщо обдувати потоком пари заряджену негативно металеву пластину, то пара буде захоплювати з поверхні пластини частина вільних електронів і нести їх із собою. Пропонована конструкція показано на Рис. 20.3. На цьому Рис.: З - струмінь пари; Е - джерело напруги; А - іонізуючий ізольований електрод. Емітер являє собою щілинне сопло, на якому поміщений ізольований електрод А. На цей електрод подається позитивний потенціал від джерела Е. Минаючий через сопло пара, зриває електрони із країв сопла й несе їх в атмосферу. Таким чином, електрод А, з позитивним потенціалом на ньому є свого роду електродом, що активує Міняючи потенціал на цьому електроді, можна добитися потрібної величини сили струму емітера. На Рис. 4.20. показана принципова схема іншого емітеру. На цьому Рис.: 1 – верхівка щогли; 2 – генератор високовольтних імпульсів; 3 – іскровий проміжок. Цей емітер заснований на одержанні іскрового розряду. Від генератора високовольтних імпульсів негативні імпульси подаються на щоглу, а позитивні - подаються на електрод, який утворює іскровий проміжок з верхівкою щогли. Головна гідність такого пристрою - можливість регулювати струм емітера за допомогою частоти розрядів, величини іскрового проміжку.

Рис. 20.2. Різниця потенціалів між землею й верхівкою щогли

Рис. 20.3. Один з варіантів емітера.

Але існує один недолік - іскрові розряди створюють радіоперешкоди. Тому верхівку щогли з іскровими проміжками потрібно екранувати циліндричною сіткою, обов'язково ізольованої від щогли. Емітер може бути побудований також на базі високовольтного генератора невеликий потужності, який здатний створити коронний розряд навколо випромінюючого електрода на верхівці провідника. Такі високовольтні Генератори використовуються в промисловості в димовловлювачах, іонізаторах повітря, установках для електростатичного фарбування металів і різних побутових приладах.

Генератор створює навколо випромінювача коронний або кистьовий розряд. Такий розряд є провідним плазмовим каналом, по якому електрони провідності вільно йдуть в атмосферу вже під дією електричного поля Землі. На Рис. 20.5. показаний пристрій електричної станції, що використовує атмосферну електрику. Існують і інші проекти. Як приклад можна привести електростатичний генератор Єфименко. У його установці циліндричний ротор обертається в потенційному електричному полі, створюючи за допомогою звичайного динамо потужність близько 70 Вт. Джерелом поля (я 6000 В) служить електричне поле Землі, для чого установка має антену й заземлення. Дослідження Фернандо Галембека (Fernando Galembeck), представлене на 240-й зустрічі Американського хімічного суспільства (ACS), присвячене питанням формування електричних зарядів в атмосфері. Практичним застосуванням отриманих результатів, за словами ученого, могла б стати утилізація атмосферної електрики. Атмосферна електрика утворюється, зокрема, коли водяна пара конденсується на частках пилу, зважених у повітрі. Але, за словами Галембека, учені дотепер не мають достатніх знань про процеси формування заряду і його "життєвому циклі", який іноді завершується спалахом блискавки. Раніше вважалося, що краплі

Рис. 20.4. Схема іскрового емітера

Рис. 20.5. Пристрій електростанції, що використовує атмосферну електрику.

води в атмосфері залишаються електрично-нейтральними навіть після контакту із зарядженими частками пилу й інших рідин. Однак нові дані свідчать, що це не так.

Галембек і його колеги експериментально підтвердили ідею про те, що насправді частки води в атмосфері є носіями електричного заряду. Дослідники використовували частки кремнезему і фосфату алюмінію, які часто втримуються в повітрі у вигляді пили, щоб змоделювати контакт часток води й зважених речовин. Виявилося, що при підвищеній вологості кремній здобуває більший негативний заряд, а фосфат алюмінію - більший позитивний заряд, чому в сухій атмосфері. "Вода в атмосфері може виступати в ролі носія електричного заряду й передавати його інший речовинам, з якими вступає в контакт" - пояснює Галембек. Ми називаємо це "гігрострум" У майбутньому буде можливо створити колектори, які збирають гігрострум й направляють його на потреби офісів і житлових будинків. Подібно тому, як сонячні батареї щонайкраще працюють у районах з переважно ясною погодою, "грозові батареї" будуть ефективні у вологих регіонах, наприклад, у тропіках. Група Галембека тестує різні матеріали для виявлення тих з них. які можна буде використовувати з найбільшою ефективністю для утилізації атмосферної електрики. Однак, за словами вченого, до практичної реалізації ідеї пристрою, що збирає гігрострум, ще далеко. Ученими з науково- дослідного інституту Електрифікації сільського господарства Росії вдалося перетворити енергію статичної електрики в електроенергію, використовувану нами повсякденно. Основою для цього служить люстра Чижевського, яка генерує статичну електрику за рахунок іонізації повітря. У результаті досліджень, проведених у лабораторії інституту, була розроблений пристрій, який служить перетворювачем, що акумулюють потік енергії, що виходить віл люстри. Отриманий потік по проводах перенаправляється в розроблений блок і на виході виходить електрика напругою близько 40 вольтів. За заявою вчених їх НДІ електрифікації сільського господарства, можна одержати напругу й більше. Для цього необхідно з кулі, підвішеного над землею, знімати статичну електрику, яка згодом, розроблений прилад перетворить у звичайну електрику.

В одному із проектів системи для використання атмосферної електрики, для підвищення ефективності пропонується використовувати куполообразні трибоелементи, які додатково електризуються під впливом дощу, заметілі або снігопаду. (Трибо – від грецького слова - тертя, трибоелемент – пристрій, який електризується за рахунок механічного тертя, ступінь електризації тим більше, чим більше поверхня взаємодіючих тіл). Це пропонуємий пристрій містить трохи вертикально орієнтованих і сполучених між собою кулолообразних елементів, до крайки нижнього з яких приєднаний голчастий електрод розрядника, а інший його електрод виконаний у вигляді заземленого металевого диска. Конструкція цієї системи проказана на Рис. 20.6. На цьому Рис.: 1 - приймальня хрестоподібна антена; 2 - куполообразні трибоелементи; 3 - голчатий електрод розрядника; 4 – корпус; 5 - заземлений металевий диск. Камера конденсатора виконана у вигляді тіла обертання з конічною верхньою частиною. Корпус виготовлений з діелектричного матеріалу. На вершині корпуса розмішена нижня металева террела – трибоелемент, що має довгий металевий "ніс", на якому жорстко закріплені послідовно (за допомогою металевого "носа") з'єднані між собою трибоелементи, порожнини яких і камери повідомлені. На верхньому трибоелементі закріплена хрестоподібна антена. Від крайки нижнього трибоелементу вертикально опускається голка. На підставі камери розташований нижній дископодібний металевий електрод, що мас заземлення. Пристрій працює в такий спосіб террели-трибоелементи, розташовані вертикально й з'єднані з антеною хрестоподібної форми.

Рис. 20.6. Установка із трибо елементами.

дозволяють при мінімумі обсягу створити максимальну поверхню ДЛЯ здійснення трибоелектризації різними атмосферними факторами. У результаті виникає різниця потенціалів між верхнім електрично зарядженим голчастим електродом і нижнім електродом. У період заметілей, дощу, гроз процес нагромадження електричних зарядів значно підсилюється за рахунок використання розвитому поверхні трибоелементів. Установка функціонує в будь-яку погоду, підсилюючи дію в період гроз, а також при розташуванні на піднесеному місці поблизу водойми, де електрична зарядженість хмар збільшується. На думку авторів, пропонуємий пристрій відкриває можливість одержання в значних кількостях електричної енергії з атмосфери.

На Рис. 20.7. показане окремий пристрій для акумуляції атмосферної електрики. На цьому Рис.: 1 - приймач; 2 - ізолятор; 3 - високовольтний кабель; 4 - щогла; 5 - відтягнення щогли; 6 - перетворювач напруги; 7 - відвід до споживача. На Рис. 8.20. показаний пристрій проектованої енергетичної станції, що полягає з декількох пристроїв для акумуляції атмосферної електрики.

Спосіб акумулювання атмосферної електроенергії за допомогою літальних апаратів. Цей спосіб реалізується за допомогою запуску літального апарата й передачі електроенергії через провідний канал, електрично пов'язаний з накопичувачем електроенергії. У якості літального апарата пропонується використовувати аеростат. Цей аеростат міститься в електропровідну оболонку сферичної форми й утримується, на висоті найбільшої кількості атмосферно?

Рис. 20.7. Пристрій для акумуляції атмосферної електрики.