У физика-изобретателя Николы Теслы сто лет назад была мечта: научиться передавать электрический ток по воздуху, чтобы люди забыли о проводах и розетках. Если бы эта идея достигла успеха, человечество сэкономило бы миллиарды тонн стали. Почему же современные учёные, узнавшие за прошедший век о природе электричества намного больше, до сих пор не воплотили в жизнь мечту Теслы, рассказывает учёный Южного федерального университета.
Начнём с азов
Со школы мы знаем, что электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах – это свободные электроны, а в газах и жидкостях – свободные ионы. Если поместить вещество со свободными носителями зарядов в электрическое поле, то есть приложить с одной стороны положительный заряд, а с другой – отрицательный, облако этих частиц начнет движение в сторону или против направления действия электрического поля.
«В твердых металлах электроны движутся хаотически в пространстве между узлами кристаллической решетки, представляющей собой решетку электростатически связанных атомов, находящихся на фиксированных позициях и колеблющихся около положений равновесия. Электроны изредка сталкиваются с атомами, теряя скорость или изменяя направление своего движения. В жидкостях и газах ионы сталкиваются чаще из-за того, что четкая кристаллическая структура в них отсутствует», — объяснил Павел Астафьев.
Итак, в металлическом проводе электрический ток – это облако электронов, текущее от минуса к плюсу, а в солёной воде – облако ионов, текущее от плюса к минусу или наоборот, в зависимости от того, как заряжен ион. Ионы бывают положительными и отрицательными, положительные называют катионами, отрицательные – анионами.
При этом плюс и минус можно менять местами хоть ежесекундно: направление движения частиц будет меняться, а количество энергии, переносимой частицами, не будет зависеть от направления их движения. И когда проводник становится слишком длинным, эта особенность электрического тока становится полезной.
«Пока электроны движутся по проводу, они неизбежно сталкиваются с атомами, замедляются или меняют направление движения. Чем длиннее провод, тем больше происходит столкновений, тем сильнее сопротивление движению электронов. Поэтому если бы мы хотели создать в длинном проводнике такой же постоянный ток, как и в коротком, пришлось бы приложить более сильное напряжение к концам проводника и затратить больше энергии. Но если периодически менять направление электронного облака на противоположное, то путь, который преодолевают электроны, сократится, сопротивление и потери энергии будут меньше. Поэтому в быту мы пользуемся более эффективным способом передачи энергии по проводам на длинные расстояния — переменным током», — рассказал Павел Астафьев.
На самом деле многие бытовые приборы, в частности все, где есть микросхемы, работают на постоянном токе. С переменным током неудобно, а иногда невозможно работать, его трудно преобразовать в другие виды энергий. Поэтому во многих приборах стоят преобразователи переменного тока в постоянный, например, в светодиодных лампах: светодиоды должны работать только на постоянном токе, в отличие от нити накаливания в лампе накаливания.
Трудности доставки
Итак, в проводах носителем энергии является не электромагнитная волна, а электроны. Прежде чем перейти к волнам, разберемся, можно ли заставить электроны двигаться в свободном пространстве.
«Есть приборы, которые используют подобный принцип, например электронные лампы. Это стеклянная колба с двумя электродами с разных сторон, которая запаяна, из нее откачан воздух, и вместо него закачан разреженный газ. Заряженные частицы вылетают из одного конца провода и летят в неплотной среде на другой под действием внешнего поля. По похожему принципу устроен кинескоп в старых телевизорах», — поделился Павел Астафьев.
На больших расстояниях пучок заряженных частиц просто рассеется на атомах воздуха и не долетит до противоположного электрода. Кроме того, если рядом с приемным электродом будет чужой электрод, заряженный сильнее, электроны или ионы полетят к нему. Электрический ток – это энергия, переносимая материальными носителями, со всеми сопутствующими проблемами.
А вот электромагнитные волны — это другое дело, их уже можно назвать в каком-то смысле «чистой энергией», и их уже можно передавать направленно по воздуху, но есть масса других трудностей.
«В частности, электромагнитная волна тоже затухает в среде, правда уже немного по другим физическим причинам. Условно можно объяснить это так: переменное электрическое и магнитное поле электромагнитной волны заставляет колебаться, вращаться и двигать заряженные частицы среды, в которой она распространяется, поэтому энергия электромагнитной волны при движении в среде теряется, частично превращаясь в кинетическую энергию частиц, в конечном счете в тепло», — объяснил Павел Астафьев.
Огромная катушка Теслы
Те, кто бывал на Фестивале науки Юга России или любой другой научной выставке, наверняка своими глазами видели, как электричество передаётся по воздуху без проводов. В этом помогает опыт с люминесцентной лампой и катушкой Теслы.
Внутри такой лампочки, в инертном газе с парами ртути или других металлов, легко сгенерировать свободные ионы за счет электромагнитного поля и создать электрический разряд. При обычном подключении такой лампы через провода ионизация происходит за счет электронов, движущихся через газ в лампе с одного электрода на другой. Возле катушки Теслы ионизация происходит за счет переменного электромагнитного поля, которое Катушка Теслы генерирует.
Но это поле сильно ослабевает с расстоянием, поэтому лампочка загорается только рядом с катушкой. При этом энергия электромагнитной волны направлена не узким пучком, а во все стороны, а значит, чтобы зажечь лампочку с помощью катушки, требуется в несколько раз больше энергии, чем при помощи проводного подключения.
«К тому же электромагнитные волны очень большой мощности могут создавать помехи средствам связи и оказывать вредное влияние на живые организмы. Поэтому в промышленности не используют беспроводную передачу энергии – большой рост потерь с ростом расстояний, и сложность фокусировки электромагнитной волны. Можно было бы реализовать беспроводную передачу энергии узконаправленным пучком, например, лазера, но это возможно только в отсутствие атмосферы, например в космосе, или на некоторых спутниках планет», — рассказал Павел Астафьев.
Никола Тесла же хотел как раз передавать энергию на большое расстояние через атмосферу. Для этого в 1901 году он начал строить один из своих самых амбициозных своих проектов — башню Ворденклиф. Она должна была излучать электромагнитные волны и заряжать все устройства с приемным электродом в окрестности. Но электромагнитная волна радиодиапазона очень быстро затухала в среде по мере распространения. Тесла хотел продолжать и повторить эксперимент с большей мощностью, но у него закончились деньги. Не исключено, что продолжи он упорствовать, башня Ворденклиф, расположенная в окрестностях курорта Лонг-Айленд, стала бы огромной катушкой Теслы, способной навредить отдыхающим.
Не стоит думать, что провал эксперимента с башней Ворденклиф перечеркивает другие блестящие открытия изобретателя Николы Теслы. Большие учёные не расстраиваются, когда некоторые из их гипотез опровергаются в ходе экспериментов. Всего у Теслы насчитывается более 700 изобретений и патентов, некоторые из которых являются важнейшими историческими вехами современного электричества.
Электрический заговор
Конспирологические теории в интернете развивают версию, что и эксперименты с беспроводным электричеством у Теслы удались, но тайное мировое правительство прячет от всех эту технологию. Сторонники этих теорий верят, что электромагнитная волна не затухает в атмосфере, а перемещается на любое расстояние в Эфире.
«Эфир, как невидимое вещество – жидкость или газ — содержащее в себе электромагнитную энергию, был придуман Рене Декартом в XVII веке для того, чтобы объяснить природу электромагнитного поля. В те времена еще не было современной электромагнитной теории Максвелла и понятия электромагнитных волн, и люди пытались разными способами объяснить наблюдаемые явления. Со временем люди выяснили, что для существования электромагнитных полей не нужна никакая материя и что электромагнитные волны могут существовать в вакууме сами по себе. В настоящее время вся физика придерживается теории Максвелла. Все современные технологии – спутники, телефоны, бытовые приборы, автомобили, интернет – все исправно работает на теории электромагнетизма», — подчеркнул Павел Астафьев.
Как только в XIX веке Максвелл и другие ученые открыли явление электромагнитных волн, разработали строгие математические теории, сразу начинали возникать вопросы: а где и как это можно использовать? И где-то в конце XIX – начале XX века, Попов, Резерфорд и другие ученые работают над созданием устройств передачи электромагнитной энергии.
Пока Никола Тесла продолжал исследования в сфере силовых электромагнитных устройств, другие учёные поняли, что задача передачи энергии таким способом пока нереализуема, зато электромагнитные волны можно использовать для передачи информации. Сегодня у нас есть беспроводная связь, беспроводной интернет, радио и телевидение. Да, беспроводного электричества пока нет, но с учётом всего, что стало известно науке о том, насколько это опасно, может, это и к лучшему.
Когда электричество станет бесплатным?
В ближайшем будущем удешевление энергии произойдёт не за счет её беспроводной передачи, а за счёт появления новых средств её хранения, считает Павел Астафьев. Мощные аккумуляторы, способные работать в суровых погодных условиях, сохранять заряд очень длительное время и имеющие большую емкость, позволят более эффективно использовать электроэнергию — это та технология, над которой сегодня работают учёные, в том числе Южного федерального университета.
«Следующее, что может быть разработано в скором времени — это технология добычи энергии термоядерного синтеза. Сейчас строятся термоядерные реакторы, которые, как обещают, будут впервые давать положительный выход электроэнергии, например международный проект ITER. Термоядерная энергия хороша тем, что она легче контролируется, при ее производстве отсутствуют радиоактивные отходы, и для ее производства нужно более простое топливо, типа водорода и лития, в отличие от атомной энергии, где нужен уран», — рассказал Павел Астафьев.
Самыми мощными электростанциями сейчас являются гидроэлектростанции. Например, мощность Саяно-Шушенской ГЭС – самой большой в России – 6400 МВт. А мощность ГЭС «Три ущелья» в Китае — самой большой мире электростанции вообще – больше 20000 МВт.
А в далеком будущем, когда все ресурсы Земли будут истощены, последним источником энергии останется Солнце. Поскольку речь о совсем далёком будущем, это лишь тема для творчества фантастов. Например, есть идея создания роя солнечных зеркал на орбите Солнца, для создания которых потребуется разобрать на материалы какую-нибудь планету целиком, например Меркурий. Эти зеркала будут фокусировать солнечный свет в одну точку, энергия которого потом будет преобразована в электричество.
В наше время солнечная энергия не такая уж и эффективная: с одной стороны, Солнце – практически бесконечный источник энергии, с другой стороны, солнечная постоянная – мощность солнечного излучения, приходящаяся на квадратный метр поверхности Земли без учета атмосферы — составляет всего 1,3 кВт.
«Это значит, что, если я запущу на орбиту земли солнечную батарею размером 1 м2 с КПД близким к 80%, я смогу получить примерно 1 кВт. Хватит, чтобы запитать пылесос. Если я запущу 2,3 миллиона таких батарей, то есть сделаю полотно из солнечных батарей на орбите площадью 230 Га, что эквивалентно площади, занимаемой Ростовской АЭС, которая вырабатывает около 4000 МВт энергии, то я получу всего 2300 МВт энергии. В два раза меньше, чем от Ростовской АЭС – не так уж и много», — подытожил Павел Астафьев.
Если еще учесть, сколько ракет нужно запустить, чтобы вывести всю эту солнечную электростанцию на орбиту, идея получения солнечной энергии кажется пока дороговатой, хотя с учетом нынешних темпов разработки многоразовых ракетоносителей все может измениться.