Удивительная механика - Нурбей Гулиа

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, впервые был изготовлен конденсатор из активированного угля!

Известно, что активированный уголь, приготовленный путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную поверхность на единицу объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активированный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость 1 см3 такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости размещенного в пустоте шара, чей диаметр в 15 тыс. раз больше, чем диаметр Земли, больше, чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это мало что дает – конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии такого конденсатора составляет примерно 1 кДж/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мала.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокой диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130 тыс. единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 мкФ заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 В плотность его энергии составит 20 кДж/кг, что превышает тот же показатель для резиновых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову: что, если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. Удельная энергия конденсатора, судя по всему, вырастет еще раз в 100. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения 100 км, была бы не более 1-2 кг!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК-активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет случайный пробой?

Мне было трудно ответить на поставленные вопросы, кроме последнего. Дело в том, что однажды я чуть не стал заикой от оглушительного взрыва телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше…

И еще одно обстоятельство меня огорчало. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности их энергии, который оказался в тысячи раз ниже по сравнению с вычисленным мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих расчетах, и я, кажется, догадывался, кто… По крайней мере на ближайшее будущее с помощью так называемых «ультраконденсаторов» в США планируют накапливать энергию в количестве всего около 30 кДж/кг.

Между тем современные, так называемые «молекулярные» конденсаторы, несмотря на небольшую плотность энергии, в десятки раз уступающую плотности современных электроаккумуляторов, успешно применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и даже для перемещения транспортных средств на небольшие расстояния. Например, для некоторых типов инвалидных колясок.

«Капсулу» – в жидкий гелий

Нет, не получилось из конденсатора полноценной «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда, – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.

Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к аккумуляторной батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того, чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки тогда, когда питание от батареи уже не поступало? Похоже, эта энергия накапливалась в магнитном поле в то время, когда лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.

Итак, вот он – очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.

Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все бОльшая и бОльшая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!

Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, – вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?

Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных сведений.

Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,1 градуса, она полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.

В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не нашли. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.

В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию; в таком кольце ее примерно в семь раз больше, чем в равной по объему батарее конденсаторов.

Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.

Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде – была накоплена энергия в 10 кДж. Плотность энергии накопителя составляла около 40 кДж/кг.

До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как… механическая прочность.

Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовляют проволоку для кольца, увы, совсем непрочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение энергии высокой плотности.

Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь поверхности какого-либо тела пропорциональна квадрату его размеров, а объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.