Можно ли использовать молнию как источник энергии
Содержание статьи
Можно ли использовать энергию молний? Современные достижения и реальные перспективы
Огромные молнии через все небо, пугающие наших предков и удивляющие ученых XXI века, не раз навевали мысли о практическом использовании пропадающих впустую киловаттов энергии. Но, несмотря на отдельные попытки реализовать задуманное, грозовая энергетика пока носит больше теоретический, чем практический характер. Тем не менее ряд стран выделяет немало средств на изучение данного направления и решение отдельных сложностей, связанных с «отловом» молний и их перенаправлением в централизованную сеть электроснабжения с помощью высоковольтных систем оборудования.
Теоретическое обоснование возможности использования энергии молний
Яркая вспышка в небе во время ненастья — результат сразу нескольких физико-химических процессов. Наэлектризованные облака с высоким уровнем влажности служат благоприятной средой для образования электронных лавин, объединенных в разряды. Лавины формируют главный заряд, который направляется к земле. По следам его прохождения образуется горячий ионизированный канал, по которому под влиянием мощного электрического поля проходит главный разряд молнии. Процесс занимает мгновения и может повторяться несколько раз в секунду. Огромное напряжение, характерное для разряда, стало основой идеи грозовой энергетики. И сегодня ее основная цель — научиться улавливать молнию и уменьшать ее вольтаж, чтобы использовать полученную бесплатную электроэнергию для нужд промышленности и быта.
Интересные эксперименты по применению энергии молний
Первым ученым, приблизившимся к изучению характера грозовых разрядов, стал Бенджамин Франклин. Во время грозы в рамках своих физических опытов он запускал в небо воздушных змеев. «Собранный» ими электрический заряд позволил предположить возможность его накопления и применения в отдаленном будущем, когда человечество сумеет сконструировать мощное улавливающее оборудование и научится управлять грозным атмосферным явлением без вреда для себя и окружающей среды.
Более поздние эксперименты помогли ученым узнать, сколько энергии в молнии. Говоря научным языком, энергия молнии в джоулях составляет 5 млрд, что аналогично ее объему от сгорания 145 литров бензина. Специалисты из США, где сегодня ведутся масштабные работы в рамках изучения грозовой энергетики, подсчитали: одного разряда достаточно, чтобы снабдить население страны электричеством на 20 минут. Учитывая климатические особенности Штатов и их «удачное» географическое расположение между двумя океанами, становится понятной стремление местных ученых изучить процесс и наладить его практическое применение в промышленных объемах. А если науке удастся преодолеть расстояние, то тысячи молний, ежедневно наблюдаемых в разных частях света, смогут полностью решить энергетическую проблему в рамках планеты.
Конструкция, позволяющая улавливать молнию и преобразовывать ее под параметры энергосетей, была впервые сконструирована в 2006 году и представлена научной аудитории в виде небольшого макета. Заслуга принадлежит компании Alternative Energy Holdings, заложившей первый камень в основание грозовой энергетики будущего. Согласно проведенным расчетам, оборудование окупится за 5-7 лет, бесперебойно производя электричество стоимостью не более 0,005 долларов. Однако масштабные эксперименты в практических условиях не подтвердили работоспособность предложенной схемы, и проект был свернут.
В 2013 году в университете Саутгемптона удалось смоделировать искусственный разряд, полностью повторяющий разряд молнии по уровню напряжения. С помощью несложной системы оборудования удалось уловить его и направить на зарядку смартфона, аккумулятор которого был пополнен до 100% за две минуты.
Проблемы и перспективы
Несмотря на первые неудачи, ученые настроены позитивно. В случае успеха человечество получит киловатты бесплатной, экологически чистой возобновляемой энергии, область применения которой ничем не ограничена. Но, чтобы открыть для себя столь заманчивые перспективы и научиться использовать энергию молнии, предстоит решить немало проблем:
- Предсказать район и время очередной грозы пока не удается. А монтаж тысяч ловушек пока достаточно накладен даже для экономически развитой страны.
- «Поймать» заряд требуется за доли секунд, что не в состоянии сделать самое быстродействующее оборудование. Мощные конденсаторы, способные справиться с этой задачей, пока не созданы, а их расчетная стоимость будет достаточно велика, что значительно повысит стоимость полученной энергии.
- В зависимости от локализации в верхней или нижней части облаков, молнии могут иметь положительный или отрицательный заряд. Для уловления заряда в первом случае потребуется дополнительная энергия, подачу которой на оборудование нужно обеспечить за доли секунд до появления грозового разряда.
- Мощность разрядов имеет диапазон от 5 до 200 кА. Любая величина требует адаптации столь значительного количества энергии к стандартной сети на 220В.
- Плотность заряженных ионов снижается по мере приближения разряда к земле. Поэтому улавливающее оборудование необходимо поднять на значительную высоту от поверхности планеты. Но здесь возникает другая проблема — самопроизвольное образование молнии, процесс формирования которой нужно научиться контролировать и предотвращать. В противном случае чувствительное оборудование выйдет из строя от перегрузки, и огромные финансовые затраты на создание технических устройств окажутся напрасными.
Несмотря на преграды, мешающие запустить проекты практической реализации грозовой энергетики, работы по ее всестороннему исследованию продолжаются. Возможно, уже через десятки лет можно будет говорить о первых успехах, а спустя пару веков электричество от молнии станет столь же доступным, как энергия солнца или ветра.
Источник
Можно ли использовать энергию из молнии?
Человек научился использовать энергию воды — строя гидроэлектростанции, энергию ветра — строя ветряные станции и даже энергию атома — строя атомные электростанции. Сейчас активно используется солнечная энергия, аккумулируемая в солнечных батареях. А вот энергия от молнии? В истории люди пытались устроить подобные опыты, к примеру-
В 1750-х годах Ломоносов активно занимается темой электричества, изучая его проявление в атмосфере. Совместно с коллегой Георгом Рихманом он конструирует первый электроизмерительный прибор — «электрический указатель», а также «громовую машину», позволяющую улавливать молнии во время грозы.На проведение электрических экспериментов Ломоносова подвигли работы американского изобретателя и политика Бенджамина Франклина.
«В Филадельфии, в Северной Америке, господин Вениамин Франклин столь далеко отважился, чтобы вытягивать из атмосферы тот страшный огонь, который часто целые земли погубляет», — писал Ломоносов.
И вот 26 июля 1753 года с севера Петербурга поднялась большая грозовая туча и оба ученых поспешили в лабораторию. Однако Ломоносова задержали домашние дела, а вот Рихман успел. Дальше слово ассистенту Рихмана: «Бело-голубой шар, размером с кулак, который отделился от стержня электрометра и ударил профессора Рихмана, стоявшего примерно в полушаге от установки, прямо в лоб». Рихман моментально погиб, а ведь жертвой молнии мог оказаться и Ломоносов.
В будущем человечество еще будет искать альтернативные источники энергии. Природные ресурсы планеты Земля рано или поздно иссякнут, надо будет осваивать новые источники энергии. Возможно, человечество научится использовать энергию молнии. В молнии сосредоточена большая сила тока и большое напряжение. Один удар молнии содержит около 5 миллиардов джоулей энергии. Такого заряда хватит на беспрерывную работу частного дома в течении месяца. Энергия крупной грозы равна энергии от взрыва атомной бомбы. Так, если человечество научилось использовать самые неожиданные источники, чтобы заменить ископаемое топливо, почему бы не забирать электричество просто из воздуха?
Шаровая молния вообще не имеет научных обоснований, хотя явление очень интересное и не предсказуемое. Я видел, как она при разряде забила металлическую шестерёнку в землю на несколько метров, только тоннель остался.
К одной жительницы поселка эта штука залетела в окно, побродила по комнате, мягко отпружинила от ковра, и вылетела обратно в никуда… Ни хлопка, ни взрыва…
А у другой соседки так же мирно залетела, пошарахалась по кухне, а потом в хлам разнесла стиральную машину.
Здесь имеет место новая теория: перед разрядом на земле формируются зоны с обратным потенциалом, притягивающие удар. Чем и как объяснить этот феномен, пока затрудняюсь сказать, это лишь факт.
Считаю, что явление не изученное, поймать или обмануть возможным не представляется. Лучше не испытывать судьбу.
К сожалению, использовать молнии, чтобы включить фен или посмотреть телевизор будет экономически затратно.Проблема состоит в том, что энергия молнии концентрируется очень небольшой промежуток времени, около нескольких микросекунд, и даже если решить эту проблему, ученым придется столкнуться с напряжением силой в несколько миллионов вольт. Это настоящий вызов для ученых: не просто поглотить молнию, а превратить эту силу в полезную энергию. Для начала, потребовалась бы специальная система улавливания, хранения и распределения, чья себестоимость вряд ли покроется получаемым результатом. Пусть на первый взгляд и кажется, что может быть проще, чем высокий металлический стержень, который подобно рыболовному крючку будет ловить электрические разряды. Но на практике стоит учесть, что подобный механизм должен быть достаточно прочным и надежным, чтобы сдержать сильный удар молнии и не разлететься на куски.
К тому же, еще нет технологий позволяющих предсказать положительный или отрицательный заряд несет с собой молния.Но даже это еще не все проблемы с которыми сталкиваются ученые. По данным национального управления океанических и атмосферных исследований молния ударяет примерно 44 раза в секунду, но предсказать место удара можно лишь с вероятностью 44%. Чаще всего от гроз страдают тропики и отдаленные горные районы, что затрудняет научные разработки.
Но, если энергию молнии не используют сегодня, это не значит, что через 10 лет кто-нибудь не придумает, как это сделать.
Источник
Грозовая энергетика как перспективный источник энергии
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.
Преимущества
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.
Источник
Почему человечество до сих пор не приручило энергию молний и гроз?
Учёные всего мира давно мечтают использовать энергию гроз на благо человечества. Лишь представьте: тепла, суммарно выделяющегося при ударе молний за весь день, хватит на то, чтобы обеспечить электричеством десятки и сотни миллионов домов. И это экологично, а главное, бесплатно! Так почему же над каждым домом до сих пор не стоят «молниеуловители»? Давайте разбираться!
Немного цифр
Примечание: расчёты довольно приблизительны! кВт*ч (киловатт-час) — единица измерения количества энергии
В среднем каждая молния несёт в себе энергию 277 кВт*ч. Средняя семья из 3 человек потребляет 300 кВт*ч в месяц. С учётом того, что на планете происходит около 4 миллионов (!) ударов молний ежедневно, получаем:
Если ловить все молнии, то можно обеспечить бесплатной энергией более 100 миллионов квартир или частных домов! Казалось бы, не так и много, но нужно будет тратиться лишь на покупку подобной установки. Согласитесь, неплохо для бесплатной энергии? Итак, где покупать, куда вставать в очередь?
И тут есть одна проблема. Точнее, 3 главные проблемы…
Нет работающей установки
Дьявол, как известно, кроется в деталях. Во-первых, необходимо создать установку, которая смогла бы ловить молнии. И мы до сих пор не разработали её! бы была достаточно доступна для каждого человека на земле, а также достаточно эффективна, чтобы можно было ее успешно применять.
Почему человечество до сих пор не приручило энергию молний и гроз?
Первые инженерные решения были предложены в 2006 году компанией Alternative Energy Holdings, когда инженеры компании предсказывали дешевизну и быструю окупаемость получаемой энергии. Эта компания действительно создала прототип приспособления, которое смогло бы улавливать молнии и конвертировать их энергию в электрическую, но финальные опыты не оказались убедительными. Проект закрылся.
Негде хранить
Во-вторых, энергию таких сумасшедших размеров еще нужно где-то хранить, а человечество еще не располагает такими технологиями. Всё, что у нас есть — это литий-ионные аккумуляторы, самые надежные на данный момент. Они попросту не выдержат напряжения молний!
Разработки в этой сфере могут затянуться на десятки лет, тем более производителям невыгодно создавать батареи с возможностью не разряжаться долгое время…
Фактор случайности
В-третьих, как мы знаем, молния бьет в случайное место, а значит, почти невозможно предугадать, куда она ударит. А ведь нужно предугадывать 44 удара молний в секунду. Из этого вытекает, что нам затруднительно установить оборудование таким образом, чтобы оно могло регулярно ловить молнии.
Знаменитый физик Никола Тесла также грезил идеями о ловле и приручении молний, о бесплатной энергии всему человечеству. Однако создал ли он установку, неизвестно: учёный уничтожил большинство своих наработок.
Установка Теслы, которая была способна создавать молнии длиной до 40 метров. Сегодня это устройство носит название «катушки Теслы»
Что в итоге?
Как же мы сможем аккумулировать колоссальную грозовую энергию, если не обладаем надежными батареями, способными эту мощь вместить и удержать, а потом еще и отдавать постепенно, небольшими порциями, которые и требуются нашим домам?
Даже если человек и сможет всегда находиться в эпицентре грозы с необходимым прибором улавливания, то какой кабель сможет передать эту энергию? Да любые имеющиеся сгорят от перенапряжения!
По итогу мы получаем то, что пока еще человечество не готово к тому, чтобы рационально добывать грозовую энергию и эффективно применять ее на практике. Более того, ловить молнии становится бессмысленно, когда мы можем применять энергию Солнца или ветра. На грозы лучше смотреть, а не пытаться их приручить.
Возможно, в будущем мы всё-таки сможем научиться добывать энергию из гроз и молний. Но пока до этого далеко!
Источник
Грозовая энергетика, как перспективный источник энергии
Это направление пока еще можно назвать теоретическим. Его суть состоит в том, чтобы улавливать энергию молний с последующим перенаправлением ее в электросети. Такой источник энергии является возобновляемым, специалисты относят его к альтернативным, иначе говоря, экологически безопасным.
Как мы помним из школьного курса, образование молний представляет собой довольно сложный процесс. Из наэлектризованных облаков по направлению к земле устремляется главный разряд, сформированный электронными лавинами, объединенными в стримеры (разряды). За этим разрядом-лидером образуется горячий ионизированный канал. В свою очередь, по этому каналу в направлении от Земли движется главный разряд молнии, который вырывается с поверхности под действием мощного электрического поля. Процесс протекает молниеносно, повторяясь по несколько раз за долю секунды. Главная задача — уловить этот разряд и направить его в электросеть.
О преимуществах
Небесным электричеством люди заинтересовались очень давно. Стоит вспомнить Бенджамина Франклина, который в своих опытах запускал во время грозы воздушных змеев и в результате понял, что они собирают электрические заряды.
Если говорить об энергии молний, то в одном разряде собрано пять миллиардов джоулей чистейшей энергии, эквивалентной 145 литрам бензина. Ученые рассчитали, что один разряд молнии может обеспечить энергией население Соединенных Штатов на 20 минут. А если учесть, что каждый год по всей Земле ударяет полтора миллиарда разрядов (от 40 до 50 разрядов за секунду), то перспективы открываются поистине потрясающие.
Об экспериментах
Представители компании Alternative Energy Holdings в 2006 году сделали заявление, что ими успешно создан прототип конструкции, при помощи которой можно наглядно показать, как происходит захват молнии и ее преобразование в энергию для бытовых нужд. Как сказали в Alternative Energy Holdings, действующий промышленный аналог способен окупить себя за 4-7 лет, если розничная стоимость энергии будет составлять 0,005 $ за киловатт/час. Но проведенная серия опытов, видимо, не продемонстрировала впечатляющих результатов, и руководители проекта закрыли его. После чего энергия молний и энергия атомной бомбы были поставлены в один ряд (по словам Мартина А. Умани).
Через несколько лет (в 2013 году) сотрудники саунгемптонского университета смоделировали в лаборатории искусственный заряд, совпадающий с параметрами естественных молний. Используя сравнительно простое оборудование, ученые сумели уловить заряд и с его помощью целиком зарядить аккумулятор смартфона за считанные минуты.
О перспективах
Фермы по «отлову» молний пока еще просто мечта. На них можно было бы бесконечно получать дешевую энергию, не нанося вреда экологии. Главная проблема, препятствующая развитию этого направления, заключается в невозможности предсказания места и времени очередной грозы. То есть даже в местах с установленным максимальным числом ударов молний необходимо монтировать большое количество «ловушек».
Есть еще другие проблемы, которые заключаются в следующем:
- молнии представляют собой кратковременные энергетические всплески длительностью в доли секунды, которые необходимо осваивать очень быстро. Решить эту задачу можно при наличии мощных конденсаторов. Однако такие устройства еще не созданы, а если и будут разработаны в будущем, то окажутся очень дорогими. Не исключено применение и различных колебательных систем с наличием контуров 2 и 3 рода, которые позволяют проводить согласование нагрузки с внутренним сопротивлением генераторов;
- молнии могут образовываться из энергии, скопившейся в верхней и нижней частях облаков. В первом случае они будут положительными, во втором — отрицательными. Это тоже необходимо учитывать, оборудуя молниевую ферму. Кроме того, для «ловли» заряда со знаком плюс потребуется дополнительная энергия, наглядным доказательством чего служит люстра Чижевского;
- по своей мощности заряды тоже сильно различаются. У большинства молний данный параметр составляет от 5 до 20 кА, однако у некоторых всполохов может достигать 200 кА. Для бытового использования каждый из разрядов необходимо стандартизировть (50-60 Гц, 220 В);
- заряженные ионы в кубометре атмосферы имеют низкую плотность, а сопротивление воздуха, наоборот, высокое. Это говорит о том, что для улавливания молний необходимы ионизированные электроды, приподнятые над землей на максимальную величину, однако и они улавливают энергию лишь в виде микротоков. Но если электрод будет расположен слишком высоко (т.е. близко к облакам), то возможно самопроизвольное образование молнии, проще говоря, возникнет мощный и кратковременный всплеск напряжения, создающий риск поломки оборудования.
И все же такие проблемы не останавливают людей, мечтающих создать молниевые фермы. Ведь мечта об укрощении природы и получении доступа к возобновляемым энергетическим ресурсам существует сотни лет и становится все более реальной.
Источник