Вся жизнь человечества, так или иначе, построена на использовании энергии, борьба за эффективность источников которой (а также за принципиальную их доступность) — идёт не прекращаясь. Тем не менее существует общедоступный источник, абсолютно бесплатный и многократно описанный в литературе — атмосферное электричество. Здесь подразумевается не добыча энергии, например, с использованием энергии ветра, а непосредственное извлечение её из воздушного океана.
И именно об этом мы и поговорим в этой статье.
▍ Немного теории
Сама планета Земля является хорошим хранилищем энергии, к которому имеет смысл обратиться, так как она окружена мощным электрическим полем, источником которого являются природные явления (однако физика происходящего не до конца понятна даже учёным. Об этом ниже).
Принято считать, что поверхность Земли заряжена отрицательно и величина заряда составляет 5*10^5 Кл, следствием чего является напряжённость электрического поля у поверхности порядка 130 В/м летом и порядка 300 В/м зимой.
Подобная напряжённость не является чем-то выдающимся, так как перед грозой напряжённость может возрастать до десятков киловольт на метр. Однако люди не чувствуют подобное благодаря воздуху, который является хорошим изолятором.
Напряжённость поля уменьшается с увеличением высоты и практически сходит на нет, на высоте порядка 10 км. В свою очередь, на высоте в несколько десятков километров находится слой положительно заряженных ионов (ионосфера), величина заряда которого компенсирует отрицательный заряд поверхности Земли.
Таким образом, можно сказать, что атмосфера является изолятором между двумя обкладками этого своеобразного гигантского «конденсатора». Причём именно с процессами заряда этого конденсатора и связаны основные противоречия расчётов, которые не разрешены до сих пор. Основным противоречием является понимание того, что любой конденсатор имеет токи утечки, которые для Земли, если пересчитать их на площадь её поверхности, составляют порядка 1800 А, в то время как общая величина электрического заряда составляет порядка 5,7*10^5 Кл.
Из этого следует, что полностью земной конденсатор должен был бы по идее разрядиться за период времени не более 10 минут (чего, однако, мы не видим на практике). То есть, налицо наличие существования некоего генератора, который постоянно подзаряжает этот природный конденсатор, причём мощность этого генератора должна составлять более 700 мегаватт! Что это такое и каковы его механизмы функционирования, — наука до сих пор не может сказать определённо, несмотря на наличие множества теорий.
▍ Способы добычи электричества
Все идеи посвящённые добыче атмосферного электричества, так или иначе, базируются на простом изначальном принципе: как можно выше поднять проводник с поверхности земли. Таким образом, верхняя часть проводника будет заряжена положительно, а нижняя часть — отрицательно.
Но тут сразу встаёт в полный рост пара проблем:
- физически затруднительно поднять проводник на более-менее большую высоту;
- ток не потечёт просто так от одного полюса к другому (не забываем, что атмосфера является хорошим изолятором).
Говоря по поводу второй проблемы, можно сказать, что если мы просто поднимем некий токопроводящий предмет на достаточную высоту, то с точки зрения физики он будет выступать всего лишь ещё одной точкой поверхности, а не «перемычкой между полюсами», так как электроны сами по себе просто не смогут покинуть верхушку проводника, несмотря даже на то, что для этого требуется всего лишь порядка 5 электрон-вольт (средняя величина для металлов).
Однако вполне реально им помочь в этом процессе и для этого хорошо сработает коронный разряд, благодаря которому электроны постоянно будут высвобождаться из кончика проводника и улетать атмосферу, а благодаря даже минимальному движению атмосферных масс, поблизости от верхнего кончика проводника не будет происходить насыщение. Как альтернатива, в качестве подобного разрядника может выступить и катушка Тесла (кстати сказать, подобный способ уже запатентован).
Говоря по поводу силы ветра, можно в общем случае сказать, что в среднем, начиная с высот в 160 м — происходит удвоение скорости ветра, по сравнению с высотой в 10 м (одной из причин увеличения скорости ветра является снижение атмосферного давления, и, следовательно, уменьшение силы трения). Причём в приземном слое величина скорости ветра является достаточно плавающей величиной и стабилизируется с высотой, где на отметке в 400-500 м скорость ветра может достигать 17 м/с (летом) и более (зимой).
Нельзя сказать, что эксперименты с атмосферным электричеством начались только сейчас, одними из первых исследователей его принято считать Бенджамина Франклина (в США) и в России, Георга Рихмана (был убит молнией, во время экспериментов).
В дальнейшем эксперименты продолжились, и, например, исследователь Плаузон в ходе своего опыта поднял воздушный шар на 274 м (300 ярдов) и смог с него снять порядка 400 вольт напряжения и 1.8 А тока.
Воздушный шар был изготовлен из тонких алюминиевых листов, утыканных снаружи иголками, для увеличения ионизации вокруг острия которых, они были покрыты солями радия (по сути, аналог подхода с коронным разрядом). Для усиления эффекта — алюминиевые листы были покрыты фотоэлектрическим составом, что позволяло дополнительно генерировать энергию на свету.
Картинка Елена Ветрова
Как отмечал Плаузон, «сто подобных шаров должны генерировать порядка 70 кВт летом, и до 280 кВт зимой».
В дальнейшем он продолжил свои эксперименты и построил в Альпах между двумя вершинами более мощный вариант своего коллектора атмосферной энергии и даже получил патент на него (US1540998):
Картинка Елена Ветрова
Желающие ознакомиться с устройством, могут найти книгу, где он подробно изложил суть технологии в целом: «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» (1920 г.)
Ещё один исследователь, Жюль Гийо, смог построить в 1920-х годах так называемый «электрический сифон», который смог вырабатывать порядка 2,5-3 кВт при подъёме антенны на высоту около 20 м.
Антенна настольного типа, с высотой порядка 2 м давала около 300 Вт выходной мощности.
Картинки Елена Ветрова
Как заявлял сам изобретатель, подобного типа сифоны служат для сбора электричества из воздуха, при помощи создания магнитного поля. Для запуска системы использовалась катушка Румкорфа — электромеханический преобразователь постоянного низкого напряжения в высокое переменное напряжение.
В наше время испытатели также проводят эти увлекательные опыты, которые дают пищу для размышлений. Например, основатель ресурса lasersaber провёл эксперимент, в ходе которого он с использованием дрона-гексакоптера поднял конец тонкого электрического провода на высоту порядка 30 м, при этом второй конец провода был подсоединён к электростатическому двигателю, часть коронирующих электродов которого была заземлена. Этого оказалось достаточно, чтобы привести двигатель в движение:
Небольшая справка: принцип действия подобного двигателя заключается в перетекании зарядов по поверхности вращающегося ротора, от одного коронирующего электрода — к другому, с использованием вращающегося ротора, который выступает переносчиком зарядов (показано ниже, на схеме). От угла наклона электродов зависит направление вращения ротора двигателя:
Некоторые из подобных двигателей выглядят весьма впечатляюще:
В показанном выше опыте с подъёмом провода с использованием гексакоптера является довольно любопытным то, что коронный разряд возникает в основании вертикального проводника, в двигателе, а не на его макушке (как, по идее, положено). Видимо, здесь просто теоретически эффективность могла бы быть выше (с разрядом наверху), но даже такого достаточно для работы системы.
Тем не менее — сам принцип является вполне рабочим и даже российские изобретатели не обходят его своим вниманием. Например, известен следующий патент системы извлечения энергии из атмосферы, который на схеме достаточно подробно объясняет суть функционирования устройства:
Картинка otlad.ru
И даже строят полноразмерные устройства (вполне работающие!):
Как уже озвучивалось выше, одной из существенных проблем является необходимость подъёма приёмной антенны на более-менее значительную высоту, чтобы воспользоваться преимуществами градиента поля на данном промежутке.
Некоторые из российских учёных пытаются бороться с этим, разрабатывая устройства, которые не требуют подъёма антенны на существенные высоты.
Устройство, рассмотренное в статье Касьянова Г.Т., как раз и обладает указанным преимуществом:
Картинка natural-sciences.ru
Где на картинке: 1 — антенна; 2 — генератор переменного напряжения, запитанный от аккумулятора; 3 — высоковольтный трансформатор; 4 — полезная нагрузка (по умолчанию — резистор в несколько кОм); 5 — заземление.
В качестве антенны в указанном устройстве использована пластина площадью порядка одного квадратного метра (металлическая или металлизированная), расположенная на такой низкой высоте, что об использовании градиента электрического поля Земли говорить не приходится (конкретная высота в статье не уточняется).
Работает устройство, если вкратце, следующим образом: на антенну подаётся ток высокого напряжения 800-1000 В, с частотой порядка нескольких десятков кГц.
При этом антенну начинает окружать высоковольтное электрическое поле, поляризующее молекулы воздуха, благодаря чему они превращаются в диполи, и упорядочиваются согласно линий напряжённости этого поля, что, в свою очередь, вызывает увеличение плотности заряда у поверхности антенны.
В практических опытах создателям устройства удавалось снять с него порядка 20 Вт выходной мощности, при этом потребление устройства составило не более 9,5 Вт.
Подобное небольшое устройство в теории существенно упрощает процесс извлечения атмосферного электричества и делает его более надёжным.
Подытоживая рассказ, хочется сказать, что использование атмосферного электричества в качестве источника энергии является очень интересным, ввиду его потенциала и незадействованности должным образом в деятельности человека на данный момент. Тем не менее — проработка подобных способов генерации электроэнергии может дать человечеству потенциально чистый источник бесконечной (условно) энергии.
Однако существуют и потенциальные сложности, из-за необходимости подъёма на большие высоты токосъёмных антенн (что само по себе проблемно, так как погода имеет переменчивый характер, конечно, если рассматривается высотный вариант), а также ввиду того, что, как отмечают некоторые из исследователей, подобные устройства хорошо притягивают молнии.
Незадействованный потенциал такой интересной темы вполне заслуживает того, чтобы присмотреться к ней внимательнее.
Telegram-канал с полезностями и уютный чат
Комментарии (33)
Gryphon88
10.11.2022 13:21+3Я не понимаю чего-то очень важного. Конструкция очень простая и дешевая, а те же 3кВт вполне хватит для обеспечения домохозяйства. Вопрос — почему же так не делают? Ветряки какие-то, солнечные батареи, прости Шворц…
DAN_SEA Автор
10.11.2022 13:31+3У меня есть несколько ответов, которые мне удалось накопать:
1) сложно поднять и удерживать на большой высоте конструкцию - если она высотная (и даже в ураган, дождь). Плюс, наверняка на это потребуется разрешение;
2) Высотная конструкция притягивает молнии во время работы
3) Если рассматривать невысотные конструкции (где идёт стимуляция окружающей среды с помощью высокого напряжения - для ионизации) - ответов нет. Мне самому это интересно.
4) я уже убедился за свои годы жизни (вот и я говорю как старик:-) ) что "многие вещи такие" - не потому что "всё продумано и другого варианта нет". А просто "потому что":
ещё не изобрели;
у изобретателя не хватило запала поставить это на поток (потому что интроверт);
сложно продать - т.к. на рынке присутствует инертное мышление у людей, принимающих решения + они связаны массой бумаг и нормативов. Им проще "делать как всегда", чем придумывать целую кучу регламентов и согласований для случая, который ещё не встречался. Кроме того: может бедный изобретатель дать им откат? :-) А маститые производители - могут ;-);
занимает большую площадь (несмотря на бесплатность), а с той же площади готовые решения позволяют снимать больше мощности (я не утверждаю, это просто для примера); нерентабельно для промышленного внедрения (хотя рентабельно, например, для домохозяйства - но "всё равно отбрасываем");
-
и т.д. и т.п.
Поэтому часто комплексный ответ на вопрос "почему так" - может лежать совершенно в иной плоскости, а не только в технической...
LevOrdabesov
11.11.2022 13:02+1Вот что касается притягивания молний:
по идее активное потребление с такой антенны должно снижать атмосферное напряжение вокруг, т.е. вероятность молнии как локального пробоя на участке с максимальной напряжённостью?
jar_ohty
12.11.2022 20:28В принципе, идеальный случай такого рода -- это молниеотвод, объемный заряд коронного разряда с которого как раз и снижает вокруг острия, чем и снижает вероятность удара молнии, в том числе и в сам молниеотвод. Тем не менее, чаще всего молниеотвод защищает здание именно тем, что молния ударяет в него, как в наивысшую точку. Поэтому в подобную конструкцию будут бить молнии, разрушая конструкции коллекторов заряда, представляющих собой тонкие проволоки или острия.
Lazytech
10.11.2022 15:29+4Смутно подозреваю, что предлагаемый способ выработки электроэнергии крайне непрактичен по сравнению с теми же ветряками и фотовольтаикой. Что касается упомянутой в статье вырабатываемой мощности в 3 кВт, никаких доказательств тому я не нашел. Похоже на какую-то газетную утку столетней давности.
GiperBober
10.11.2022 16:37+5Подозреваю, что главная цифра в статье всё же прозвучала.
То есть, налицо наличие существования некоего генератора, который постоянно подзаряжает этот природный конденсатор, причём мощность этого генератора должна составлять более 700 мегаватт!
Т.е. эта цифра и есть максимум, сколько можно выжать из установки, теоретически охватывающей всю планету. А это меньше, чем одна крупная электростанция.
Если бы из этого реально можно было что-то выжать в киловаттах на обычную вышку, то давным-давно бы использовалось на всевозможных вышках, в первую очередь, сотовых, где приходится ставить генераторы и питание, не говоря уже об небоскрёбах, телевышках и горных районах.
DAN_SEA Автор
10.11.2022 16:43+2Сказано резонно, тем не менее, судя по опытам людей в видео (спокойно горит лампочка на 14-20 ватт примерно, а также крутится двигатель - и это всё даже без ионизации высоковольтным напряжением!), имеет смысл обдумать эту технологию, как мне кажется.
Lazytech
10.11.2022 16:44Всего 700 МВт на всю планету? Сдается мне, суммарная мощность этого "природного генератора" все-таки поболее будет. Другое дело, что извлекать ее в сколько-нибудь крупных масштабах вряд ли оправдано с экономической точки зрения.
iShrimp
10.11.2022 18:26На сотовых вышках размещать эту штуку может быть опасно, т.к. она повышает проводимость воздуха и в неё часто будут бить молнии.
Lazytech
10.11.2022 13:48+2Ещё один исследователь, Жюль Гийо, смог построить в 1920-х годах так называемый «электрический сифон», который смог вырабатывать порядка 2,5-3 кВт при подъёме антенны на высоту около 20 м.
Антенна настольного типа, с высотой порядка 2 м давала около 300 Вт выходной мощности.
Ссылочкой на надежные источники не поделитесь?
DAN_SEA Автор
10.11.2022 14:05+2Я думаю в настоящее время имеет смысл искать не эти старые свидетельства (потому что 100% уверенности всё равно не будет, - может он это писал для инвесторов своего проекта, в 1920-е годы?), а скорее изучать опыты современных экспериментаторов по всему миру, которые на базе современной элементной базы, подходов - пытаются что то делать в этой области. Как раз поэтому я и привёл несколько видео в статье.
jar_ohty
12.11.2022 20:31Если поглядеть на видео вечнякостроителей, у которых на этих видео работают вечные двигатели в стиле "а мы возьмем генератор и двигатель, соединим их шкивом и запитаем один от другого", доверие к видеосвидетельствам современных экспериментаторов поубавится.
Chelidonium
10.11.2022 14:21то что из разности потенциалов отсасывалось из атмосферы можно сравнить
с электрофорной машинкой, в которой тоже дофига киловольт но нельзя от неё
даже лампочку на 12 вольт зажечь, сколько ручку ни крути )
доставить потребителю 'не расплескав' и чтобы он включил нагрузку - проблема
vadimk91
11.11.2022 07:59Надо использовать специально обученные лампы :) например неоновые (газоразрядные). Понятно, что освещение от них так себе.
tormozedison
11.11.2022 16:41Как я понял, в таких устройствах применяют релаксационный генератор из конденсатора и разрядника, за которым следует понижающий трансформатор, согласующий источник с нагрузкой. Если эту конструкцию подключить даже к электрофорной, машине, можно попробовать от неё и лампочку зажечь.
diogen4212
10.11.2022 17:39Нашёл вот такой источник. Как я понял, значение электрического поля сильно меняется в зависимости от погоды, сезона, времени суток и местности, т.е. та же проблема, что у других возобновляемых альтернативных источников энергии, и нужны аккумуляторы, чтобы сглаживать неравномерность выработки (потому и 100 лет назад не взлетело). Наверное, сейчас можно попробовать совместить атмосферные электростанции с ветряками.
Далее цитата из книгиВ ряде случаев устанавливается связь между напряженностью поля и ветром. При достаточно большой скорости ветра с земной поверхности отрываются заряженные частички пыли, и образующиеся объемные заряды оказывают влияние на поле. Иногда ветром приносятся объемные заряды со стороны, от мест их образования (большой город, фабрично-заводские районы и т. п.). Напряженность поля сильно изменяется и претерпевает нерегулярные колебания в туманах, при наличии облаков и в особенности при выпадении осадков и при грозах. Так как в туманах и облаках проводимость значительно (в среднем в 3 раза) меньше, то при небольшой их вертикальной мощности напряженность поля в них соответственно увеличивается.
DAN_SEA Автор
10.11.2022 17:56+2Да, всё это требует конечно выяснения. Но вот лично мне вот что понравилось: тонкий провод стоит явно дешевле, чем любая солнечная батарея. Да и повредится - не жалко. Поэтому можно теоретически такие источники использовать много где.
DmitryVasiliev
10.11.2022 21:41Для ионизации наверное можно не только высокое напряжение использовать, но и какую нибудь горелку?
DAN_SEA Автор
10.11.2022 21:46+1Да, читал про такую метОду;-) Расточительно только...Хотя, если приделать к трубе, где сжигают попутный газ на месторождениях/заводах из отрасли нефтянки...
Или так - разжечь костёр на какой то площадке стальной, от которой вниз идет труба и воткнута в землю. Трубу посередине разрезаем и майним электричество :-)
"Это тебе не какой то Пельтье" ©
red_dragon
11.11.2022 13:24Радиоактивные элементы хорошо для ионизации подходят. Только, как всегда есть нюанс. Ионизация увеличивает проводимость и пропорционально ослабляет напряжённость поля. Шило на мыло.
vashu1
10.11.2022 23:05+2мощность этого генератора должна составлять более 700 мегаватт
Тоесть порядка ватта на км2
источник бесконечной (условно) энергии.
Современная мощность мировой энергетики - тысячи гигаватт.
и для этого хорошо сработает коронный разряд, благодаря которому электроны постоянно будут высвобождаться из кончика проводника и улетать атмосферу,
И будут экранировать электрод от поля, что в сумме с их низкими скоростями дает ничтожный ток. Все рассказы про снятие единиц ампер с такой установки явное вранье.
См например расчеты ионолета.
http://popadancev.net.s3-website-us-east-1.amazonaws.com/ionolet/ - характерный ток в несколько мА на м2 при напряжении порядка МВ/м
fk0
11.11.2022 01:53На картинках везде "контура", индуктивности, трансформаторы... Статья точно об атмосферном электричестве, т.е. о статических зарядах? А не о электромагнитном поле случайно? Так энергия переносимая электромагнитной волной -- это ни разу не атмосферное и вообще не электричество. И то, что волна распространяется на границе поверхности земли (гигантского проводника) и воздуха -- к атмосфере отношения не имеет. Или что волна отражается от ионосферы и земли (КВ радиосвязь).
jar_ohty
12.11.2022 20:21На мой взгляд, на этих картинках понарисовано как можно больше всего, чтобы запутать экспертов патентного ведомства, чтобы оно выглядело оригинальным и сложным.
ibnteo
11.11.2022 04:54-2Солнечный ветер поставляет на Землю электроны, они через атмосферу просачиваются в землю, часто в виде молний, в ядре планеты они распадаются. Атмосферное электричество это источник экологически чистой энергии, которая не закончится в обозримом будущем. Используя эту энергию на собственные нужды, можно уменьшить количество молний, снизить количество лесных пожаров.
hogstaberg
11.11.2022 13:42+3Электроны. Распадаются. В ядре планеты.
Звучит очень убедительно.
ibnteo
11.11.2022 14:19-1И не только электроны, ещё и атомы, их распад и создаёт гравитацию. Молнии это поток электронов из атмосферы в землю. В механистической эфирной теории Антонова нет проблем с объяснением любых электрических явлений.
ciuafm
11.11.2022 12:57Основной недостаток конструкции - притягивает молнии. Его можно превратить в достоинство. Нужно только добавить контур по переработке энергии молний.
Я это вижу как расплавление большого количества металлического сплава в термо изолированной ёмкости. Затем этот сплав постепенно отдает тепло и питает термогенератор. Сопротивление этого сплава должно быть достаточно высоким для того чтобы максимально использовать энергию атмосферного электричества, ведь по грозозащитный цепи будет утечка. Но при расплавлении сопротивление должно сильно падать чтобы не доводить до испарения металла.
Как альтернатива можно просто ловить молнии для поджига термоядерного реактора ;-)
tormozedison
11.11.2022 16:42А это, кстати, идея, почему термоядерщики ещё ни разу не пробовали так делать?
SOUNDMAN1
12.11.2022 15:26Приходится 2 ШИМа ставить! Лист металла нормально заряжается, как я делал на 9м этаже, но нужна очень высокоомная нагрузка относительно заземления! Поэтому первый шим заряжает канденсатор, а с него 2й уже питает потребителей. Штука работает для питания квартиры, но в промышленном масштабе будет тяжело делать низкоомное заземление и большую площадь высотного электрода!
say_TT_plz
использование атмосферного электричества может привезти к уменьшению напряжённости электрического поля у поверхности. Что в свою очередь уменьшит испарение влаги с поверхности, так как напряженность электрического поля вносит вклад в отрыв молекул воды в атмосферу.
penetration
Плюсик к комменту, но я уверен, что найдутся и те, кому это в выгоду.