Молния как природная электростанция
Яркая вспышка молнии представляет собой одно из самых мощных проявлений природного электричества. Средний разряд переносит колоссальное количество энергии — около пяти миллиардов джоулей, что теоретически могло бы обеспечить питание смартфона в течение двухсот лет непрерывной работы. Однако между теорией и практикой лежит непреодолимая пропасть физических ограничений.
Молния — это гигантский искровой разряд с параметрами, выходящими за рамки привычных нам электрических явлений (смотрите - Что такое молния и как она возникает). Напряжение достигает миллиарда вольт, сила тока колеблется от тридцати до ста тысяч ампер. Вся эта колоссальная энергия выделяется за невероятно короткий промежуток времени — от одной тысячной до одной десятой секунды. В результате мгновенная мощность разряда достигает тераватта, что сопоставимо с одновременной работой десяти миллионов электрочайников.
Непреодолимые препятствия для использования молний
Попытки приручить энергию молний предпринимались ещё со времён экспериментов Бенджамина Франклина с воздушными змеями в XVIII веке. Однако современные инженеры сталкиваются с рядом принципиальных трудностей, делающих эту задачу практически неразрешимой.
Основная проблема заключается в крайней непредсказуемости молниевых разрядов. Они бьют в случайные точки пространства, и гарантировать попадание в специальный приёмник невозможно. Даже если предположить возможность точного предсказания места удара, остаётся проблема экстремальных параметров разряда. За доли секунды необходимо принять энергию, эквивалентную взрыву тонны тротила, что неизбежно приводит к разрушению любых известных накопителей.
Физические аспекты молниевого разряда
Когда молния поражает какой-либо объект, происходит комплекс физических процессов колоссальной мощности. Температура в канале разряда достигает тридцати тысяч градусов по Цельсию, что в пять раз превышает температуру поверхности Солнца. Одновременно возникают мощные электродинамические силы — магнитное поле создаёт давление около шести тонн на каждый метр проводника.
Энергетические потребности современного смартфона выглядят смехотворно малыми на этом фоне. Для полной зарядки устройства требуется всего пятнадцать ватт-часов энергии. Теоретически, одного молниевого разряда хватило бы для одновременной зарядки ста тысяч телефонов. Однако на практике практически вся энергия молнии рассеивается в виде тепла и света, около одного процента уходит на создание ударной волны (грома), и лишь ничтожная доля могла бы быть использована при наличии идеальных накопителей.
История попыток использования молний
В 2007 году компания Alternative Energy Holdings предприняла амбициозную попытку реализовать проект по сбору энергии молний во Флориде — штате с самой высокой грозовой активностью в США. Детальные расчёты показали, что для обеспечения энергией одного среднестатистического дома потребовалось бы около тысячи точных попаданий молний в приёмник ежегодно.
Финансовые расчёты оказались ещё более обескураживающими. Стоимость оборудования для безопасного приёма всего одного удара оценивалась в пятьсот тысяч долларов. При этом вероятность попадания молнии в конкретный приёмник составляла примерно один к десяти тысячам. После тщательного анализа проект был закрыт, так как даже за десятилетний период он не мог окупить и одного процента необходимых инвестиций.
Современные научные разработки
Учёные Массачусетского технологического института предложили альтернативный подход к проблеме. Вместо попыток улавливания непосредственно молниевых разрядов, они сосредоточились на сборе статического электричества, накапливающегося в облаках перед грозой.
Исследования показали, что в грозовых облаках перед разрядом может накапливаться потенциал до ста миллионов вольт. Специально разработанные высотные дроны теоретически могли бы снимать этот заряд небольшими порциями. Расчёты показывают, что КПД такой системы мог бы достигать двадцати процентов, что на порядки превышает эффективность попыток прямого улавливания молний.
В 2020 году экспериментальный дрон смог получить около половины ватта энергии, чего хватило для часовой работы одного светодиода. Хотя эти цифры выглядят скромно, они демонстрируют принципиальную возможность постепенного сбора атмосферного электричества.
Почему телефон не выдержит
Прямое подключение мобильного устройства к молниеприёмнику привело бы к катастрофическим последствиям. Температура в несколько тысяч градусов мгновенно испарила бы все микросхемы. Сопровождающий разряд электромагнитный импульс стёр бы все данные в памяти устройства. Гидродинамический удар разорвал бы корпус телефона как воздушный шарик.
Даже специализированные промышленные конденсаторы, рассчитанные на экстремальные нагрузки, не выдерживают параметров молниевого разряда. Современные технологии просто не имеют средств для безопасного преобразования и хранения энергии такой плотности и мощности.
Природа устанавливает границы
Хотя энергетический потенциал молний впечатляет — один разряд эквивалентен энергии двухсот баррелей нефти — практическое использование этого явления остаётся недостижимой мечтой. Крайне короткое время разряда, огромные пиковые мощности и принципиальная непредсказуемость делают молнии скорее разрушительной силой, чем потенциальным источником энергии.
Как образно выразились некоторые физики, молния — это способ природы показать, какая энергия останется для нас недоступной. Современные альтернативные источники, такие как солнечные панели, демонстрируют гораздо лучшие перспективы. За год один квадратный метр солнечных батарей собирает количество энергии, сопоставимое с пятьюдесятью молниевыми разрядами, но делает это безопасно, предсказуемо и с приемлемой эффективностью.
Поэтому во время грозы разумнее использовать традиционные способы зарядки телефона. Попытка воспользоваться энергией молнии скорее приведёт к разрядке не только устройства, но и его владельца, причём в самом буквальном смысле этого слова.
А что выдумаете по этому поводу?
Андрей Повный, редактор сайта Школа для электрика
Подписывайтесь на наш новый канал в Telegram: Мир электричества