Откуда традиционно берется электроэнергия и из чего её получают сегодня? Казалось бы, всё просто и давно изучено. Есть законы физики, что еще можно придумать? А время показывает, что фантазия у людей продолжает работать, и мы не перестаем удивляться новым изобретениям. Вспомним про традиционные способы генерации, чтобы лучше представить новые. И так начнем.
Давным-давно в далекой-далекой... опуская подробности существования природного электричества, давайте вспомним искусственно-созданное человеком. В каждом классе средней школы тёрли эбонитовую палочку о шерсть, чтобы создать разность потенциалов (отделить «плюс» от «минуса»). И после этого все крутили динамо-машину, которая в итоге пробивала молнией пространство между контактами.
200 лет назад Майклом Фарадеем принцип, на долгие годы стал основой получения электричества. Где бы мы ни были, чтобы не изобретали – всегда что-то двигалось для выработки постоянного или переменного тока.
Например, ротор вращается в магнитном поле статора, создавая электродвижущую силу. И долгие годы изменялись только форма ротора и статора, материалы, из которых они сделаны, размер и некоторые мелочи. Велосипедный генератор советских времен, или фонарик, горевший только тогда, когда его ручку ритмично сжимаешь.
Или дизельный электрогенератор, работающий от двигателя внутреннего сгорания, паровая или ветряная турбина – все это по своей сути - ротор и статор, которые вращаются один в другом и создают ЭДС.
Но с некоторых пор способы генерации стали видоизменяться и расширяться.
Тот самый Тесла. И тут совершенно необходимо написать об этой фамилии тесно связанной с электрическими изобретениями и экспериментами, в т.ч. и маркой электромобиля. Никола Тесла - один из величайших ученых Америки конца 19 начала 20 века, который с молодости увлеченно искал альтернативные пути выработки и передачи энергии и находил их. Он обладал невероятным даром и запатентовал более сотни различных изобретений.
Некоторые его опыты и по сей день, «овеяны туманом жуткой таинственности». Например, в 90-е годы двадцатого века была популярна альтернативная версия события под названием «Падение Тунгусского метеорита», в которой говорилось о том, что метеорита в общем-то и не было, а был плачевно закончившийся секретный электрический опыт Теслы. Теорию сейчас никто не подтверждает, но это подчеркивает факт того, что этот ученый двигался в науке самым незаурядным образом. Одним из сильнейших его направлений работ было передача тока на очень большие расстояния беспроводным способом!
В конце 19-го века это изобретение получило название «Катушка Теслы». Этот прибор смог зажечь лампы, которые были не связаны с ним и находились на большом отдалении. Но он по-прежнему являлся прибором, работающим при помощи индукции.
Звезда по имени Солнце. В 19-м веке, французский учёный Александр Эдмон Беккерель обратил внимание на то, что солнечные лучи воздействуют на его опытный раствор с фотопластинами таким образом, что в нем возникает электроэнергия, т.е. фотовольтаический (фотогальванический) эффект. Эти первые опыты, в дальнейшем показали огромный потенциал различных соединений, воздействие излучения на которых создавало всё больший эффект и привело к изобретению солнечных батарей. Это очень эффективный способ генерации, т.к. почти не требует никакого сырья для переработки, кроме чистого, безоблачного неба и яркого солнца. На сегодняшний день во всем мире активно развивается солнечная энергетика, и строятся такие электростанции, мощность которых растет и достигает уже плановых 10 тысяч мегаватт (как, например Солнечный парк Гонге Талатан, в Китае).
Минус состоит лишь в том, что для попадания максимального количества света на панели, необходимо огромное пространство. Поэтому такие крупные объекты выработки располагаются на площадях в сотни квадратных километров. Как альтернативное дополнение большим «футбольным полям» с панелями активно внедряются зарядки от лучей солнца для индивидуального использования людьми, например одежда с фотоэлементами или даже респираторы для индивидуального ношения.
Импульсы и вибрации. Еще одной разновидностью генерации сегодня является применение различных вариантов импульсов. Например, энергия морских волн, раскачивающих подвижную часть плавающей установки и запускающих генератор. Или вибрации углеродных нанотрубок, очень напоминающих своим принципом устройство человеческого уха. В определенной газовой среде эти мельчайшие «ворсинки» колышутся даже от дыхания или разговора и преобразуют свои покачивания в электрический сигнал. Такая технология имеет полную противоположность с большой энергетикой и не сможет генерировать столько энергии, чтобы её можно было бы использовать целыми городами. Напротив, такие микро и нано электростанции будут источниками питания для различной электроники высоких технологий, такой как электронные чипы и т.п.
Биохимическая электростанция? Ну, куда же без человеческого тела – одного из самых древнейших источников электроэнергии. Все помнят, что для собственных нужд человеческое тело вырабатывает ток в митохондриях. Но они работают только на личное благо конкретного человека. А с 2021 года исследования немецких ученых, показывают, что микрочастицы из органики тоже могут трансформировать энергию солнца в электроэнергию! Принцип действия состоит в том, что к определенному шарику из 60 углеродных атомов подсаживается краситель. Он как раз и поглощает солнечное излучение и передаёт его энергию тому самому шарику, который называется «фуллерен». Пока эта разработка еще не доведена до совершенства, но однозначно эти ДНК-батарейки видят, как перспективную, дешевую, прочную замену классическим кремниевым элементам, но с более длительным сроком действия.
Электрический микроб. Продолжая тему биохимии, необходимо описать еще один удивительный способ создания электричества «из воздуха». Учёные Массачусетского университета в Амхерсте исследовали найденный несколько десятилетий назад в реке Потомак микроорганизм семейства Geobacter умеющий производить различные вещества, да еще и без кислорода. Таким оказался магнетит (это оксид железа). Также эта бактерия способна производить нанопроволоку, проводящую энергию. Долгое время учёным не удавалось применить эти полезные свойства во благо науки, но в итоге был придуман прибор под названием Air-gen, вырабатывающий ток круглосуточно, абсолютно не затратно и полностью экологично. Инженер-электрик Цзюнь Яо пояснил, что открыли свойство генерировать ток случайно, заметив, что устройства генерировали электричество, когда нанопроволоки соприкасались с электродами. Они поглощали воду из атмосферы и создавали «градиент напряжения на устройстве».
Электрика из диэлектрика. Да-да. Фантазия ученых из Швейцарии в направлении экспериментов привела к тому, что в 2021 году они ухитрились превратить древесину в источник энергии. Прекрасно понимая, что само по себе дерево, как материал нельзя использовать для выработки они решили сделать его – не совсем деревом и изменить его структуру с помощью определенного гриба-трутовика, который был подсажен на дерево и с течением времени плавно изменил его состав, превратив в пористую, хорошо сжимаемую губку.
Губка превратилась в пьезоэлектрическую древесину, а такой материал преобразовывает механическую энергию в ток. Получились гибкие целлюлозные слои, которые хорошо смещаются при сжатии, относительно друга. При этом на поверхности материала создается электрический заряд. В качестве теста исследователи из ETH Zurich и EMPA создали по новой технологии маленький деревянный губкообразный кубик, на который постоянно нажимали, каждый раз получая стабильное напряжение около 0.63 Вольта. Было проведено более 600 циклов успешной нагрузки. Эксперимент показал, что если взять и объединить такие кубики в группы по 30 шт, то под собственным весом человека при постоянной ходьбе уже сможет работать небольшой дисплей.
С развитием технологий возможности учёных только ускоряются. Интересно, куда повернет мысль изобретателей в будущем?