Об альтернативной энергетике

Об альтернативной энергетике.
Судари и Сударыни, Господа, вашему вниманию осмелюсь предложить
проект по альтернативной энергетике, с приближением к реальному
исполнению. Поскольку могу что-то не учесть, в чем-то ошибаться, все ваши
дельные замечания по теме будут очень ценными. Поэтому, возможно
больше для себя, чем для вас начну изложение с азбучных истин, несколько
подробнее, чем привел в других публикациях по этой теме.
1. Введение в тему
“…все вещество является смесью
Положительных протонов и отрицательных
электронов, притягивающихся и
отталкивающихся с неимоверной силой. Однако
баланс между ними столь совершенен, что,
когда вы стоите возле кого-нибудь, вы не
ощущаете никакого действия этой силы. А если
бы баланс нарушить всего на один процент, то
силы вашего отталкивания хватило бы, чтобы
поднять “вес” равный весу нашей Земли…!”
Р.Фейман
Считается причиной проявления промышленного электрического тока
(связь ЭДС индукции с магнитным потоком в замкнутом контуре при
изменении магнитного поля, пронизывающего контур) действие сторонних
сил неэлектростатической природы. Это силы падающей воды, силы ветра,
приливных течений, перегретого пара тепловых и атомных электростанций.
Но уже ядерный взрыв (килограмма урана235) явил миру колоссальную
энергию, которая по существу является проявлением статического
расталкивания одноимённых зарядов.
Мысль Р. Феймана, изложенная выше, автор считает в наше время
осуществимой, поскольку, к нашему времени, в научно промышленных
сферах научились отделять положительные и отрицательных заряды и
создавать
из них могучие потоки энергии.
Сермяжные истины
Металлы состоят из положительно заряженных ионов, находящихся в узлах
кристаллической решетки и совокупности свободных электронов. Вне
электрического поля свободные электроны движутся хаотически, подобно
молекулам идеального газа, а потому и рассматриваются в классической
теории как электронный газ, удерживаемый положительными ионами.
Что значит наэлектризовать тело? Это значит сообщить ему электрический
заряд, т. е. прибавить к нему некоторое количество одноименно заряженных
частиц или отнять их от него, В том и другом случае тело будет обладать
определенной степенью электризации, т. е. тем или иным потенциалом,
причем тело, заряженное +g - положительно, обладает положительным
потенциалом  , а тело, заряженное –g - отрицательно, отрицательным
потенциалом  . Из принципа суперпозиции полей, потенциалы
складываются алгебраически
 =  1 +  2 +  3 ....., т.е. суммарная величина поля заряженного тела
пропорциональна сумме единичных зарядов и их распределению по площади
s по поверхности тела с плотностью  = g / s .
Под действием внешнего электрического поля меняется характер
движения свободных электронов внутри металла. Электроны, продолжая
хаотичные движения, вместе с тем смещаются в направлении действия сил
электрического поля. Следовательно, электрический ток в металлах - это
упорядоченное движение электронов. Таким образом, электрическое поле Е
совершает работу (А). Отношение величины работы к величине единичного
заряда g переместившегося из одной точки в другую на расстоянии d
называется электрическим напряжением. Разность потенциалов между этими
точками:
U =А/g. Напряжение U между этими точками в однородном электрическом
поле, расположенными по одной линии
напряженности, равно произведению

модуля вектора напряженности поля  на том же расстояние d между этими
точками, т.е. U = Ed. Поскольку E=U/d, то единицей напряженности E
электрического поля в системе СИ принят вольт на метр (В/м). Если
направление ЭДС и тока через источник совпадают, то мощность,
вырабатываемая источником равна: Pи = E *I. В противном случае мощность
источника отрицательна. Pп = - E *I и её относят к мощности приемника.
Откуда, якобы, следует уравнение баланса мощностей: EI  I 2 R . В левой
части мощность источников, в правой мощности потребителей, т.е. E = U.
Вот только при этом размерности левой и правой части не совпадают. В
вольтамперной характеристике источников постоянного тока E  U  R0 I ,
где R0 - внутреннее сопротивление источника, то же самое. Что-то, видимо, я
не могу осмыслить или профессор из «Оренбургского государственного
университета» в своих лекциях, что-то не очень корректно излагает. Ну, и
ладно, - это не особо важно. Потери неизбежны, но я их и не собираюсь
учитывать в оценочном расчете моего предложения, поскольку это задача со
многими, для меня, неизвестными. Принимаю: E = U.
По теории Гаусса. Если за Гауссову поверхность принять прямоугольный
ящик, пересекающий некую бесконечную плоскость. Поле Е нормально к
двум граням площадью s и параллельно к остальным. Суммарный поток
равен Е, умноженному на площадь обеих граней. От остальных граней, - ни
каких слагаемых. Уравнение потока с зарядом запишется: 2Еs =  s/  0 , т.е.
Е =  /2  0 . Но любая реальная рассматриваемая поверхность какого – либо
тела электрически нейтральна. Закон сохранения заряда для этого тела
должен соблюдаться! Если мы бомбардируем поверхность какого–то тела
ионами, то, из электрически нейтральных атомов тела электроны уходят в
электронный газ этого тела. Ссылаясь на это, Фейнман делает вывод: “В
действительности для того, чтоб в проводнике Е было равно 0, в нем
обязательно должны присутствовать какие-то заряды. В непосредственной
близости от какой-то рассматриваемой точки на поверхности тела заряды
действительно создают поле Е =  /2  0 как внутри, так и снаружи
поверхности. Но все прочие заряды устраивают “заговор”, чтобы создать в
рассматриваемой точке добавочное поле равное по величине Е - суммарное
внутреннее поле обращается в нуль, а наружное удваивается Е =  /  0 ”.
Утраченные надежды
По, изложенным выше понятиям и бомбардировкой поверхность тела
ионами, был создан магнитогидродинамический преобразователь (МГД –
генератор).
Где “сторонними силами” является давление сгораемого топлива при
температурах порядка 2500 К, что превращает его в квазинейтральную
плазму. При её пролете
в однородном магнитном поле (показано пунктиром),

силы Лоренца FМ направляют ионы на положительный электрод, а
электроны на отрицательный электрод. Электрический постоянный ток от
этих электродов идет к потребителям RН в замкнутом контуре. Оставшийся
горячий газ греет воду и крутит турбины.
Расчетное КПД таких установок около 50% и должны экономить порядка
25% топлива по сравнению с ТЕЦ. Все разработчики этого направления
энергетики столкнулись с одной и той, же проблемой – материалы не
выдерживают агрессии высоких температур.
2. О технологии разделения разноимённых зарядов
Проблема перемещения в космосе стоит перед человечеством с момента
начала орбитальных полетов. Ракета, взлетая с земли, расходует практически
все свое топливо, И если ракету еще можно оторвать от земли, заправив её
огромным количеством топлива, на космодроме, то в открытом космосе
заправляться попросту негде и нечем. А ведь после выхода на орбиту нужно
двигаться дальше. А топлива нет.
Проблема была решена в 1955 году, когда Алексей Иванович Морозов
опубликовал статью «Об ускорении плазмы магнитным полем». В ней он
описывал концепцию принципиально нового космического двигателя.
Устройство двигателя
Принцип действия ионного двигателя (ИД) состоит в том, что рабочим
телом выступает не сгорающее топливо, как в реактивных двигателях, а
разогнанный магнитным полем до безумных скоростей поток ионов.
Источником ионов служит газ, как правило, это аргон или водород, бак с
газом стоит в самом начале двигателя, оттуда газ подается в отсек ионизации.
Электрический ток в газах на первый взгляд не может существовать из-за
отсутствия свободных заряженных частиц (электроны в атомах и молекулах
газов прочно “связаны” с ядрами электростатическими силами). Однако, при
передаче атому энергии порядка 10эВ (энергия, приобретаемая электроном
при прохождении через разность потенциалов в 10 В), последний переходит
в ионизированное состояние (электрон уходит от ядра на сколь угодно
большое расстояние). Получается холодная плазма, которая разогревается в
следующем отсеке посредством ионного циклотронного нагрева. После
нагрева, высокоэнергетическая плазма подается в магнитное сопло, где
формируется в поток посредством магнитного поля, разгоняется и
выбрасывается. Таким образом, достигается тяга.
Эмиттер и ускорители ионов
Эмиттер – электрод, который является источником электронов при
воздействии на него электрического поля. В ИД положительные ионы
рабочего вещества ускоряются в электростатическим полем. ИД состоит из
эмиттера ионов 4, ускоряющего электрода 5 с отверстиями (щелями), сквозь
них проходят ускоренные ионы, и внешнего электрода 6 (экрана), в роли
которого обычно используют корпус ИД. Ускоряющий электрод находится
под отрицательным потенциалом (~103-104B) относительно эмиттера.
Электрический ток и пространственный электрический заряд реактивной
струи должны быть нулевыми, поэтому выходящий ионный пучок
нейтрализуется электронами, которые эмитирует нейтрализатор 7 (катодная
трубка). Внеш. электрод находится под потенциалом, отрицательным
относительно эмиттера и положительным относительно ускоряющего
электрода; положительное смещение потенциала выбирается таким, чтобы
сравнительно малоэнергичные электроны запирались электрическим полем и
не попадали в ускоряющий промежуток между эмиттером и ускоряющим
электродом. Энергия ускоренных ионов определяется разностью
потенциалов между эмиттером и внеш. электродом. Наличие
положительного пространственного заряда в ускоряющем промежутке
ограничивает ионный ток из эмиттера. Степень ионизации рабочего вещества
0,9 0,95
Схема ионного двигателя: 1 - катод
газоразрядной камеры; 2- анод газоразрядной камеры; 3 -магнитная катушка
циклотрона; 4-эмитирующий электрод; 5 - ускоряющий электрод; 6 внешний электрод; 7 - нейтрализатор. В камере образуется смесь из
положительных ионов и отрицательных электронов. Для
«отфильтровывания» электронов в камеру выводится трубка с катодными
сетками, которая притягивает к себе электроны. Положительные же ионы
притягиваются к системе извлечения 5, состоящей из 2 или 3 сеток. Между
сетками поддерживается большая разница электростатических потенциалов
(+1090 вольт на внутренней против – 225 на внешней). В результате
попадания ионов между сетками, происходит их разгон до скоростей, свыше
100000 км/сек, и они выбрасываются в пространство, ускоряя корабль,
согласно третьему закону Ньютона.
Российские ИД.
Видны катодные трубки, направленные в сторону сопла для нейтрализации
ионного потока. Электроны, пойманные в катодную трубку, выбрасываются
из двигателя под небольшим углом к соплу и потоку ионов, чтобы корпус
корабля оставался нейтрально заряженным и чтобы ионы
«нейтрализованные» таким образом не притягивались обратно к кораблю.
Чтобы ионный двигатель работал, нужны всего две вещи – газ и
электричество. Аппарат Dawn, который стартовал осенью 2007-го, для полета
в течении почти 6 лет израсходовал всего 425 килограммов ксенона. Для
сравнения для корректировки орбиты МКС с помощью обычных ракетных
двигателей каждый год затрачивается 7,5 тонн горючего.
Ионные двигатели имеют очень небольшую тягу, порядка 50-100
миллиньютонов, что абсолютно недостаточно при перемещении в атмосфере
Земли. Но в космосе, где нет практически никаких сопротивлений, ионный
двигатель при длительном разгоне может достигнуть значительных
скоростей. Общее приращение скорости за всё время миссии Dawn составило
порядка 10 километров в секунду.
Тест ионного двигателя для корабля.
Проблемный вопрос – электричество. Тот же VX-200 потребляет 201 кВт
энергии. Солнечных батарей такому двигателю просто мало. Следовательно,
необходимо изобретать новые способы получения энергии в космосе. Тут
есть два пути – заправляемые батареи, например тритиевые, выводимые на
орбиту вместе с кораблем, либо автономный атомный реактор, который и
будет питать корабль на протяжении всего полета.
Вот, пожалуй, и все для понимания высказанного автором предложения.
3. Моё предложение.
Оно достаточно прозрачно. Бомбардируем потоком одноименного заряда
из устройства, разработанного по принципу ИД, металлическую плиту
(электрод), Замыкаем цепь через потребители с фланцем эмиттера. Еще раз
повторю. В научно промышленных сферах научились отделять
положительные и отрицательных заряды - ионные двигатели. Где очень
важны бешеные скорости ионного потока и масса выбрасываемых
положительных ионов для создания реактивной тяги. Именно для этого
применяются коллоидные растворы и даже пары металлов, при прохождении
которых через пористый или щелевой эмиттер происходит их конденсация на
материал эмиттера (обычно выбирается вольфрам). Чтобы этого избежать эмиттер подогревается до температуры 1500 oK. А вот электрические заряды
ионного потока, создающего реактивную тягу, нейтрализуются потоком
электронов от эмиттера через катодные трубки, из которых выбрасываются в
ионный поток.
В моём предложении ничего этого не надо. Не собираясь покидать матушку
Землю, можем не ограничивать себя весом конструкции. Корпус ускорителя
должен быть размещен в гильзе из материала с хорошими
электроизоляционными свойствами (металлокерамика), чтобы не допускать в
процессе эксплуатации электрический пробой между корпусом ускорителя и
электродом установки, на который будет направлен ионный поток.
Нам ни к чему тяжелые ионы и бешеные скорости ионного потока, поскольку
не создаём реактивной тяги. Используем газ (водород), состояние плазмы
которого это протоны и электроны. Поэтому нет необходимости разогревать
эмиттер до1500 oK из-за отсутствия конденсации в порах (щелях) эмиттера.
Большое уменьшение скорости ионного потока значительно сократит
затраты энергии по ускорению ионов, определяемой разностью потенциалов
между эмиттером и внеш. электродом. Нет необходимости в катодных
трубках, поскольку не собираемся к нейтрализации ионного потока.
Наоборот, нас интересует именно электрический заряд потока, направленный
на положительный электрод энергоустановки. И, пожалуй, самое главное,
такая энергоустановка, вырабатывая большие мощности, будет обеспечивать
своё собственное энергопотребление.
Немаловажные проблемы:
Большие мощности энергоустановки будут обеспечивать многочисленных
потребителей. Аварийное или профилактическое отключение (допустим по
замене катодов, анодов газоразрядной камеры) может пагубно отразится на
потребителях электроэнергии. Поэтому следует ставить две установки с
параллельным подключением. Для физпуска предлагаемой энергоустановки
потребуется стартер-генератор постоянного тока мощностью порядка в
сотню киловатт.
Предполагаемая энергоустановка должна быть размещена в сухом
помещении с надежной защитой от грозовых разрядов, на грязестойких
опорно-стержневых изоляторах. К примеру: на польском заводе LAPP были
разработаны и производятся опорные грязестойкие изоляторы с переменным
вылетом ребер типа ИОС-35-500, ИОС-35-1000,
ИОС-35-2000 на напряжение 35кВ, диаметром 0.5, 1, 2 метра. Готовятся к
производству изоляторы на напряжение 110 кВ. Поскольку энергоустановка
будет вырабатывать постоянный ток, то потребуется подстанция с
делителями напряжения и двигателями постоянного тока с соосными
генераторами переменного. И все-таки, я думаю, это будет намного дешевле
стоимости нефтяных платформ при шельфовой добыче нефти, а об экологии,
и говорить не стоит.
4. Оценочный расчет (без посягательства на КПД).
Оценку скорости ионного потока следует делать по энергии выхода
электронов ( АВЫХ ), которая приводит к разрушению материала электрода.
Электроны из электронного газа металла не могут его покинуть, т. к.
удерживаются в нем силами кулоновского притяжения со стороны
положительных ионов. Для преодоления этих сил электрону необходимо
затратить определенную энергию, которая называется работой выхода АВЫХ .
Энергию, большую или равную работе выхода, электроны могут получить от
кинетической энергии движущихся в окружающем пространстве частиц
mv 2
 АВЫХ , либо при разогреве металла до высоких температур.
2
АВЫХ зависит
от химической природы материала и состояния его поверхности. Поэтому, не
вдаваясь в теорию проводимости можно пользоваться результатами
проведенных исследований.
Работа выхода (в эВ)
Приравнивая принятую энергию АВЫХ к кинетической энергии W протона в
ионном потоке, находим скорость потока. Материалом электрода принимаю
медь. АВЫХ < 4, 4 эВ. Принимаю 4эВ. 1эВ = 1,6 * 10 19 Дж. Масса протона
2w
2 * 4 * 1,6 * 10 19
1,673 * 10 кг. v 

 27650 м/сек. Это в 3617 раз
m
1,673 * 10 27
меньше потока ИД и в 84 раза больше скорости звука. Эта скорость должна
быть обеспечена разностью потенциалов между эмиттером и внешним
электродом в ускорителе. Если, к примеру, электрод установки разместить в
метре от внешнего электрода ускорителя, то это расстояние протон
преодолеет за 36 микросекунд, что в 27650 раз меньше одной секунды.
Зададимся мощностью проектируемой электроустановки в 1 ГВт.
Данные для сравнения: некоторые крупнейшие ГЭС России.
Наименование
Мощность в ГВт
Саяно-Шушенская ГЭС.......2,56
Волжская ГЭС.......................2,58
Жигулёвская ГЭС................. 2,32
Бурейская ГЭС..................... 2,01
Чебоксарская ГЭС.............. 1,40
Саратовская ГЭС.................1,36
Зейская ГЭС..........................1,33
Нижнекамская ГЭС.............1,25
Загорская ГАЭС....................1,20
Воткинская ГЭС....................1,02
Чиркейская ГЭС...................1,00
27
Электродом энергоустановки принимаю медную прямоугольную плиту
толщиной 0,02м с размером плоскости 1м на 1,5м. Для соединения электрода
с потребителями подстанции принимаю 6 комплектов медных шин размером
сечения 120мм на 10мм. По 4 шины в каждом комплекте. Комплекты шины
от электрода расходятся в разные стороны. Рекомендуемый стандартом
постоянный ток для принятого комплекта при длительной эксплуатации
6800 А. Следовательно, номинальное напряжение принятого устройства
электрода при заданной мощности и допустимой величины тока
1 * 10 9
токосъемников может быть равно: U 
 24,51 кВ. Выступающий
6 * 6800
фланец узла с эмиттером следует соединить такими же шинами для
замыкания электрического контура с потребителями в подстанции.
Принятое стандартом номинальное напряжение в рабочих сетях допускается
до 30кВ. Из выше приведенных рассуждений по балансу мощностей для 
распределения плотности заряда на электроде – запишем:   Е 0 , где Е=U
 0 = 8,8542*10 12 Ф/м.   8,8542 * 10 12 * 24510  22 * 10 8 Кл/ м 2
Площадь поверхности электрода S =1,5*1*2 = 3 м 2
Электрический заряд электрода Q = 22 *10 8 * 3 = 66 * 10 8 Кл.
Заряд протона g =1,6022 *10 19 Кл.
Ежесекундная доставка ускорителем числа n протонов на электрод
установки.
66 * 10 8
 0,412 * 1013 протонов.
19
1,6022 * 10
Величину числа протонов поступающих на электрод установки за время 36
n
микросекунд назовем плотностью потока  
 1.5 * 10 8 .
27650
Не знаю, можно ли это регистрировать современными приборами, но
ускоритель ионов надо настроить на эту величину.
Масса атома водорода mн  1.674 *10 27 кг.
Ежесекундный расход водорода
n* mн =1,674 * 10 27 * 0,412 * 1013  0,69 * 10 14 кг
n = Q/g =
В году 83,4 * 10 6 сек.
Годовой расход водорода 83,4 * 10 6 * 0,69 * 10 14 = 57,55 * 10 8 г.
То есть одного баллона с килограммом водорода хватит на “веки вечные”.
Вот мы и пришли к согласию с мыслью Ричарда Фейнмана, приведенную
в эпиграфе. Собственно это ни что иное, как энергия термоядерного взрыва
огромной мощности растянутоя во времени.
Литература
1. Найденно в Интернете. Материалы от физических институтов,
2. Р. Фейнмана Лекции по электричеству и магнетизму.
3. Л.А.Сена Единицы физических величин и их размерности М. Наука 1988г.
С уважением, Анатолий Кислицын.