Галушка О.А.

Харьковская государственная академия дизайна и искусств

Экологическая энергетика будущего

Основой развития современной цивилизации является энергетика. От состояния энергетики зависит темп развития научно-технического прогресса (НТП). Способы добычи и использования энергии существенно влияют на состояние окружающей природной среды (ОПС). На рис.1 показана взаимосвязь развития НТП, источников энергии и загрязнения ОПС.

Рис. 1. Взаимосвязь энергетики, НТП и экологии

До новой эры и в новой эре вплоть до XVI ст. человечество использовало возобновляемые источники энергии: древесину, ветер, текущую воду, животных. Такая энергетика на ОПС не влияла. В XVI ст. зарождается высокопроизводительное машинное производство, требующее более мощного источника энергии. Таким источником стал ископаемый каменный уголь. С этого периода начинается история развития НТП и накопления экологических проблем. В ХIХ ст. по настоящее время в нарастающих масштабах кроме каменного угля используется нефть и природный газ, с середины ХХ ст. — ядерное топливо, водород. В [1] приведена интегральная характеристика НТП, рассчитанная с учетом модели планетарного развития Д.Медоуза «Пределы роста». Она свидетельствует о том, что в ХХ ст. кривая развития НТП приобрела характер экспоненциальной функции. Это означает, что в ХХI ст. будут, в основном, вычерпаны все ископаемые источники сырья и энергии, наступит глобальный экологический кризис. Энергетика в этом процессе играет ключевую роль. Из этого следует, что необходимо расширить применение известных альтернативных и поиск новых экологически чистых источников энергии.

Рассмотрим все возможные на сегодня варианты экологически чистой энергетики (рис. 2):

Рис. 2. Альтернативные экологические источники энергии

· Энергия Солнца.

Солнце – самый мощный экологический источник энергии на Земле. Но интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли зависит от многих факторов: географической широты, времени суток, погоды и др. Солнечные батареи малых мощностей успешно применяются для получения электроэнергии в промышленности, на транспорте, обогрева бытовых помещений. Создание мощных электростанций сдерживается их высокой стоимостью и отчуждением больших земельных площадей.

· Энергия ветра.

Ветер – также мощный источник энергии. Существующие электроветряные установки все шире применяются в небольших хозяйствах. Их эффективность существенно зависит от географического места и погодных условий. Для получения больших мощностей требуется множество установок на отчуждаемых полигонах. Ветряные установки излучают низкочастотный шум, который вреден даже для животных.

· Гидроэнергия рек.

Гидроэлектростанции вырабатывают в наше время около 20% электроэнергии в мире [2]. Они не загрязняют атмосферу вредными выбросами. Но при их сооружении затапливаются огромные площади плодородных земель.

· Биотопливо.

Его можно получать из множества органических отходов сельскохозяйственного производства, перерабатываемой древесины, отходов жизнедеятельности людей и др. Сейчас ведутся бурные дискуссии о целесообразности его широкого применения. По расчетам ученых [3] этанол, производимый из зерновых культур, снижает выбросы парниковых газов на 12% и дает энергии лишь на 25% больше затраченной на его производство. Его использование может смягчить экологический кризис, но вызвать кризис продовольственный.

· Тепло Земли.

У земной коры на глубинах 7-10 км аккумулировано тепло, количество которого в тысячи раз превышает теплоемкость всех видов ископаемого топлива. Но технологии его массового использования еще не отработаны.

· Энергия морей и океанов.

Мировой океан содержит огромный энергетический потенциал: энергия волн, приливов и отливов, морских течений, разность температур слоев морской воды. Но широкое внедрение морских электростанций разных типов сдерживается относительно высокой их стоимостью.

· Водород

Водород как топливо является перспективным. Вложены немалые средства в разработку водородных двигателей для космических ракет и автомобилей. Но, если в циркуляции водорода главную роль будет играть атмосфера, существует вероятность разрушения озонового слоя атмосферы [3].

· Термоядерное топливо.

Топливом для термоядерного реактора являются изотопы водорода, запасы которых в водах мирового океана неисчерпаемы. В термоядерном реакторе реализуется синтез химических элементов при температуре порядка 150млн.⁰С. Эта температура значительно выше температуры внутри Солнца. Невероятно сложно осуществить реактор технологически и конструктивно. Над этой проблемой ученые работают безуспешно уже более 50 лет. Потрачены сотни млрд.долларов, и в ближайшее время осуществление управляемой термоядерной реакции невозможно. Существует также теория, которая вообще отрицает возможность термоядерной реакции в земных условиях.

Краткий анализ приведенных земных источников экологической энергии показывает, что, за исключением термоядерного топлива, все остальные не могут гарантировать надежное энергетическое обеспечение в будущем. В целом, они могут обеспечить не более 30% энергетических потребностей в современной цивилизации.

· Гравитация

Гравитация – это неисчерпаемый космический экологический источник энергии, к овладению которым человечество еще только приближается. Это обусловлено кризисом физики в ХХ ст. [4]. Наметились пути выхода из кризиса. Украинские ученые А.Киндеревич и Л.Кича разработали единую теорию поля и предложили ряд проектов по использованию гравитационной энергии [5].

Рассмотрим суть данной теории, ее основные постулаты:

· все массы материи и причинно-следственные процессы в материальном мире излучают потоки времени-пространства (ВП);

· сила гравитации направлена против этого потока;

· потоки ВП абсолютно проницаемы;

· потоки ВП изотропны, их свойства независимы от направления;

· через всякую точку пространства силовые линии потока ВП проходят как прямые, проходящие через одну точку;

· плотность потока обратно пропорциональна квадрату расстояние от источника;

· противонаправленные потоки ВП компенсируют друг друга;

· «черные дыры» и другие массы Вселенной создают фоновую плотность энтропийного потока ВП (ВПэ);

· сила гравитации, вызванная противонаправленными потоками ВП, определяется разностью этих потоков, так на всякое тело на Земле действует сила земного тяготений вследствие превышения плотности потока ВП от земли (ВПз) над потоком ВПэ;

· управление потоками ВП возможно с помощью линз фокусации ВП.

Известны линзы фокусации, наблюдаемые в природе:

· космические вихри плазменной материи, например, выбрасываемые Солнцем вопреки огромным силам собственного гравитационного притяжения;

· атмосферные вихри (смерчи) и циклоны, вращающиеся атмосферные вихри вызывают перегравитацию и подъем огромных масс вещества вверх;

· материальный вращающийся диск как аналог атмосферного вихря;

· ядерные взрывы.

Авторы теории предлагают рукотворные линзы фокусации:

· электромагнитные линзы, в которых создаются «вихри» электронных потоков, подчиняющиеся законам Ампера и Лоренца;

· те же электромагнитные линзы с использованием сверхпроводимости, в которых усиливаются эффекты перегравитации;

· электродинамические линзы, состоящие из вращающихся металлических дисков.

Устройство и принцип действия электромагнитной линзы, работающей по закону Ампера, представлены на рис. 3.

Рис. 3. Устройство электромагнитной линзы фокусации

Согласно рис.3 линза фокусации содержит:

1 – верхний железный диск;

2 – нижний железный диск;

3 – спиралевидная обмотка плоской катушки;

4 – подковообразные магниты (4 шт.);

5 – катушки намагничивания (8 шт.);

6 – немагнитное соединение дисков.

Если через катушки намагничивания подковообразных магнитов пропускать постоянный ток, то диски становятся полюсами мощного магнита. Пусть его полярность будет такой, как показано на рис.3. Пусть направление электрического тока I в спиралевидной плоской катушке будет против часовой стрелки (на разрезе D-D – направление тока «от нас»). В соответствии с правилом левой руки по закону Ампера, при магнитной индукции, входящей в ладонь, и направлении тока вдоль четырех пальцев, большой палец указывает направление силы, действующей на поток электронов в спирали – от центра. Тогда энтропийный поток ВПэ, пройдя через линзу, будет направлен к центру, т.е. будет фокусироваться. И, наоборот, для гравитационного потока от Земли ВПз ток по спирали будет направлен по часовой стрелке, сила будет направлена к центру, а поток ВПз – от центра, т.е. будет расфокусирован.

Величина силы, действующей на проводник с током в магнитном поле по закону Ампера, определяется формулой:

,

где В – индуктивность; I – сила тока; l – длина провода; - угол между силовыми магнитными линиями и направлением тока (в нашем случае sin=1).

Из формулы следует, что в линзе при изменении индуктивности и силы тока в широких пределах возможно управление силой и гравитационными потоками. Использование таких линз фокусации предложено в проекте гравитационной электростанции.

На рис.4 представлен один из вариантов функциональной схемы такой станции.

Рис. 4. Функциональная схема гравитационной электростанции

Основные элементы станции:

1 – верхняя линза фокусации;

2 – нижняя линза фокусации;

3 – инерционный маховик (ротор электрогенератора);

4 – статор электрогенератора;

5 – компенсационные линзы;

6 – электрогенератор (8 шт.).

Если обе силовые линзы будут работать в режиме расфокусации противонаправленных потоков ВП, возникает колоссальная сила, способная вращать маховики (роторы генераторов). Роторы под воздействием сил вращаются в направлении, противоположном падающим потокам ВП.

Авторы проекта приводят основные конструктивные особенности и расчеты элементов станции:

· Силовые линзы. Линзы диаметром 6 м состоят из двух железных дисков толщиной 10 мм, внутренней спиралевидной обмотки, набранной изолированным алюминиевым проводом пластинчатого типа сечением 1х10 мм. Длина спирали 28050 м, масса 737 кг. Спираль разбита на 85 участков с длиной провода каждого участка 330 м и сопротивлением 0,9 Ом. Участки спирали подключаются к питанию параллельно. При напряжении постоянного тока 12 В сила тока будет 13,3 А на каждом участке. Для усиления магнитного воздействия силу тока можно увеличивать до 200 А. При номинальном режиме необходимая мощность, подаваемая на участок спирали – 160 Вт, на всю спираль – 13,6 кВт, на спирали 2-х линз – 27,2 кВт.

· Подковообразные электромагниты. Они состоят из железных подковообразных сердечников толщиной 30 мм. На концы сердечников надеты катушки длиной 400 мм. Каждая катушка имеет 12 слоев по 500 витков в одном слое провода 1 мм². Сопротивление одной катушки 50 Ом. Катушки подключаются в сеть напряжением 500 В параллельно. Сила тока в катушке 10 А. мощность, потребляемая одной катушкой, 5 кВт, магнитом с двумя катушками — 10 кВт, 4-мя магнитами линзы — 40 кВт, 2-мя линзами суммарно — 80 кВт.

· Система погашения боковых потоков ВП. Система необходима для погашения мощных боковых потоков ВП вдоль линз. Они будут притягивать к себе все, что попадает в область распространения этих потоков. Гашение производится после их использования для вращения инерционных маховиков (роторов) генераторов и реализуется противонаправлением потоков друг к другу. Линзы имеют квадратную форму со стороной 0,6 м, а поверхность цилиндрическую, соответствующую диаметру кольца гашения. Мощность одной линзы 1,7 кВт. При диаметре кольца гашения 8 м понадобится для каждой силовой линзы 40 линз гашения, для 2-х линз — 80. Потребляемая мощность системой погашения 136 кВт.

При всех перечисленных параметрах получено, что общая входная мощность, потребляемая данной гравитационной электростанцией, составляет 243,2 кВт. Такую мощность для запуска станции легко может обеспечить, например, автономный дизельный генератор или блок аккумуляторов. Выходная мощность одного генератора, преобразующего механическую энергию в электрическую, по данным [5] составляет 85 кВт. Тогда выходная мощность 8-ми генераторов станции будет 680 кВт. Коэффициент полезного действия (КПД) станции равен 2,8. При этом авторы проекта подчеркивает, что для повышения эффективности работы линз фокусации силу тока в спиралях линз можно повышать до 200 А, тогда потребляемая мощность для спиралей линз достигнет значения 408 кВт, а суммарная потребляемая мощность станции 624 кВт. Оказалось, что увеличение силы тока в спиралях линз в 15 раз от номинала существенно повышает эффективность станции. Действительно, по закону Ампера пропорционально величине силы тока в обмотке линзы растет величина силы взаимодействия электрического и магнитного поля, а также плотность потоков ВП и механической энергии маховика генератора. Но, так как современные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую, имеют КПД порядка 0,4, увеличение выхода электрической энергии можно ожидать не более, чем в 6 раз. Тогда мощность одного генератора станет 510 кВт, а суммарная выходная мощность данной станции достигнет значения около 4 МВт, КПД – 6,4. Заметим, что первая в СССР Обнинская атомная станция (1954 г.) имела мощность 5 МВт, и мощность гравитационной электростанции можно существенно повышать путем применения криогенных технологий.

Анализ и исследование данного проекта гравитационной электростанции показал ее основные достоинства:

· неисчерпаемость источника энергии;

· высокий КПД;

· компактность;

· возможность установки в любом поселке, районе города;

· нет отчуждения площадей для высоковольтных ЛЭП;

· простота эксплуатации;

· экологическая чистота и др.

Кроме того, рассмотренный принцип получения электроэнергии может широко применяться для создания минигенераторов, вплоть до карманных.

Таким образом, гравитационная энергетика имеет прекрасную перспективу в будущей космической цивилизации человечества.

Литература:

1. Галушка О.О. Науково-технічний прогрес і екологія //Наукова конференція професорсько-викладацького складу за підсумками роботи у 2005/2006 н.р. – Харків: ХДАДМ, 2006. – С.6-9.

2. Білявський Г.О. Основи загальної екології. – К.: Либідь, 1995. – 368с.

3. Жданов В. Разумная альтернатива //Корреспондент. - №29/218, 2006.

4. Галушка О.А. Парадигма научно-технического прогресса в ХХI в. //Теорія і практика матеріально-художньої культури. – Харків: ХДАДМ, 2003. - №3. – С.23-27.

5. Киндеревич А., Кича Л. Теория поля. Элементы теории чисел. – К., 2000. – 528 с.