Часть 3. Цивилизация пружин
[Image credit: By Lothar Spurzem — Own work, CC BY-SA 2.0 de, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39574590]
Предыдущая часть. Краткое содержание предыдущей серии.
Итак, какие же ещё есть способы хранения энергии, помимо химического топлива? Пусть даже не для ракет, а вообще?
Начнём с электрической батари. Вот хотя бы литиево-ионной. Откуда в ней берётся энергия?
Всё просто, там идёт[210] электрохимическая реакция:
LiC6 + CoO2 <-> C6 + LiCoO2
Идёт налево —
Вы, конечно, уже догадались. Поскольку предел энергоёмкости химической реакции нам известен (?20-30 МДж/кг), то такова же и максимальная плотность энергии для любой батарейки/аккумулятора. Хоть свинцового, хоть никель-кадмиевого, хоть серно-натриевого. Простого взгляда на характеристики разных типов батарей в Википедии[340] достаточно, чтобы подтвердить эту догадку. И ещё увидеть: даже лучшие батареи по энергосодержанию (1-3 МДж/кг) до теоретического предела пока не дотягивают целый порядок. Батарейка по джоулям на килограмм не бьёт бензин и никогда его не побьёт — но развиваться ей ещё есть куда.
Окей, давайте попробуем что-нибудь радикально другое. Совсем на батарейку не похожее. Ну вот хотя бы пружину. Как в ней запасается энергия?
К материалу прикладывается нагрузка. Нагрузка смещает атомы относительно друг друга. Из-за смещения электрические облака внешних, валентных электронов перераспределяются и слегка меняют форму… Стоп! "Кажется… сегодня я это уже говорил..."
[Image Credit: фильм День выборов [630]]
Да, именно так. Энергия упругости складируется преимущественно в электрическом поле внешних электронов. А значит, и предел у неё тот же самый: ?20-30 МДж/кг, или 3-4 эВ на атом, соответствующих энергии связи либо валентных электронов с атомом (в ковалентных и ионных решётках), либо атома с электронной «жидкостью» распределённых электронов (в металле, где на самом деле всё сложнее и я срезал тут пару углов, но на ответ это радикально не повлияло).
Как проверить этот вывод? С топливами легко, теплоты сгорания есть в любом справочнике. А какой физический параметр для материала пружины является мерой предельной запасаемой энергии?
Величину ? можно оценить как ? ? ?/E, где E — модуль Юнга для вещества. Но мы поступим проще. Поскольку для абсолютно подавляющего большинства конструкционных материалов ? меньше[358] (и даже существенно меньше) единицы, мы просто загрубим оценку, записав w < ?/2?. Как выяснится в дальнейшем, этой точности вполне хватит для понимания картины.
Ответ: предельная плотность упругой энергии на килограмм не превышает w ? ?/2?, где ? — предельное давление, выдерживаемое материалом без необратимой деформации, а ? — его плотность. И если наше понимание на молекулярном уровне хотя бы приблизительно верно, то это отношение должно быть не больше ?30 МДж/кг. Смотрим прочности[350][355] материалов, сравниваем:
| Материал | Предельная нагрузка на растяжение ?, ГПа (yield strength) | Плотность, кг/м3 | w = ?/2?, МДж на килограмм |
| Нержавеющая сталь | 0.505 | 8000 | 0.031 |
| Титановый сплав Beta C | 1.25 | 4810 | 0.13 |
| Бериллий | 0.345 | 1840 | 0.19 |
| Мартенситно-стареющая сталь [2800 Maraging steel] | 2.617 | 8000 | 0.33 |
| Алмаз | 1.6 | 2800 | 0.57 |
| Кевлар | 3.62 | 2514 | 1.25 |
| Углеродное волокно Toray T1100G | 7.0 | 1790 | 2.96 |
Всё так. Более того, большинство конструкционных материалов не дотягивают до предела 1-3 порядка. Ибо у реальных материалов в кристаллических решётках всегда есть многочисленные дефекты, не позволяющие им достигать даже той прочности, на которую в принципе способны составляющие их атомы и молекулы. А реальные пружины, в свою очередь, не дотягивают даже и до предела по дефектам — потому что «плывут» уже при очень небольших относительных деформациях.
А графен[95], спросите вы? Как же графен, с заявленными характеристиками[355] в 65 МДж/кг? И всякие «колоссальные нанотрубки»? Мы про них мы в четвёртой части поговорим. Пока же ограничимся утверждением, что за парой очень специфических штучных исключений, предел упругой энергоёмкости твёрдой материи действительно не превышает ?30 МДж/кг.
Статья написана для сайта https://habr.com. При копировании просьба ссылаться на исходник. Автор статьи Евгений Бобух.
Но, может, проблема с пружиной в том, что её нельзя сжимать выше предела прочности материала? Однако это можно делать с газами! Что если хранить энергию в сжатом газе?
Итак, дано: сферический баллон радиуса r из металла с прочностью ? с тонкой стенкой. В него закачан газ под давлением p. Какой толщины должна быть стенка, чтобы баллон не разорвало? Простейший подсчёт показывает, что эта толщина ? = (r/2)*(p/?). Сколько весит такой баллон? m = ?V = ?*4?r2? = 2??r3p/?. Сколько в нём запасено энергии? E ? pV = 4?r3p/3. Массой самого газа пренебрежём. Потерями на расширение тоже. Сколько будет джоулей на килограмм? Делим E на массу баллона m, получаем…
w = 2?/3?
Та же пружина. С тем же фундаментальным Пружинным Пределом, не зависящим от давления в баллоне. Конечно, за счёт хитрой геометрии или толстых стенок из этого, наверное, можно выжать ещё пару раз. Но уж никак не пару сотен…
Маховик? Его предел определяется способностью материала сопротивляться нагрузке, создаваемой
Отбросим механику. Есть же более современное электричество, давайте хранить энергию в нём?
Допустим, вакуумный конденсатор. Простейший: две пластины, электрическое поле между ними. Как известно[360, стр. 106], каждый кубосантиметр электрического поля хранит E2/8? единиц энергии (в СГС, электричество я привык считать в ней). Сколько это будет на килограмм? А килограммы возникают неизбежно, поскольку конденсатору нужна прочность. Пластины-то друг к другу притягиваются. Притягиваются так, как будто бы испытывают отрицательное давление электрического поля. Которое равно[360] тем же самым E2/8?! То есть, эта задача эквивалентна задаче о баллоне с газом с отрицательным давлением, удерживаемым от разрушения прочностью стенок. И мы эту задачу только что решили. Ответ известен: всё те же несчастные ?/? плюс-минус пару раз.
А если конденсатор не вакуумный? Если заполнить диэлектриком? Он же примет на себя часть нагрузки. И увеличит объёмную плотность энергии в ? раз, ибо в диэлектрике она равна[650] ED/8? = ?E2/8?. Казалось бы, вот оно, счастье? Но увы, сжимающее давление на конденсатор тоже возрастает в ? раз при фиксированном внутреннем E, и выходит так на эдак. А ведь мы ещё пренебрегли электрическим пробоем. Вероятность которого нарастает катастрофически, как только поле E становится сопоставимым с межатомными полями, создаваемыми внешними валентными электронами. То есть, и здесь всё упирается в Пружинный Предел.
Тогда как насчёт супер-конденсаторов[220], с сумасшедшими ёмкостями до сотен фарад? Увы, тоже никак. По принципу действия они разделяются на два класса. Электрохимические — это фактически окислительно-восстановительные батареи, запасающие энергию в химической форме, просто очень быстро. И электростатические, больше похожие на конденсаторы в привычном понимании, только с очень тонким зазором между «электродами», в несколько молекул шириной. У первых запас энергии, очевидно, упирается в химию. У вторых — в величину пробойного электрического поля. Которое не может существенно превышать силой межатомные электрические поля, удерживающие в целостности материю. А это те же единицы эВ на размер атома. Таким образом, и супер-конденсаторы ограничены в хранении энергии величиной ?30 МДж/кг. Википедия свидетельствует[223]: ни одно из этих устройств даже близко не подходит по плотности энергии к этому пределу. И, исходя из нашего понимания, не подойдёт.
В последней попытке перепрыгнуть этот предел электростатикой давайте взглянём на сферический конденсатор в вакууме:
Берём идеально гладкую металлическую сферу радиуса r. Охлаждаем её до (почти) абсолютного нуля. Увозим далеко-далеко в бесконечно глубокий вакуум. И обстреливаем электронным пучком, очень издалека. Электроны, попадая на сферу, придадут ей заряд q и (как можно подсчитать) полную энергию W = q2/2r. Вроде, не зависящую от массы сферы. Оно???
Увы, подобный конденсатор можно заряжать не до бесконечности. А лишь до тех пор, пока созданное им электрическое поле у поверхности не станет сопоставимо по напряжённости с электрическими полями между атомами. Если приблизиться к этой величине отрицательным зарядом — начнётся дикая электронная эмиссия ([390, стр 13], [400]) и заряд улетит в окружающий вакуум за пару минут. Если положительным — потеряет прочность кристаллическая решётка конденсатора, вещество «испарится» или попросту рассыпется.
А если поле не электрическое, а магнитное? Ну вот взяли кольцо из сверхпроводника радиусом R, толщиной проволоки 2r, запустили в нём электрический ток силой I, охладили — и пожалуйста: бежит по кругу вечно ток, энергия в магнитном поле ждёт употребления. Чем не идеальный аккумулятор?
Но вспомним, что противоположно направленные токи отталкиваются. Поэтому на кольцо будет действовать разрывающая сила. Для противостояния которой надо обладать некоторой массой и упругостью. Избавив читателей от подробностей подсчёта, сообщу, что и здесь запасённая в кольце энергия оказывается приблизительно равной всё тому же отношению ?/?.
Тут знающие люди наверняка подумают: «Бессиловая конфигурация! А как же бессиловая конфигурация?!» Есть[380] такая штука. Именно с магнитным полем возможна хитрая геометрия, при которой поле оказывается параллельным току в системе — и, таким образом, не оказывает на этот ток никакого силового воздействия. В простейшем варианте такой конфигурации ток заворачивается по спирали, поле заворачивается в ту же сторону и сила на провода (почти) не действует:
[Image credit: Szabolcs Rembeczki, Design and Optimization of Force-Reduced High Field Magnets, [370]]
Подобная конструкция, на первый взгляд, выводит, наконец, обычную материю из роли пружины и перепрыгивает Пружинный Предел. Однако не тут-то было. Тщательный и аккуратный анализ[370] показывает, что, во-первых, бессиловое состояние возможно лишь в отдельных точках пространства — но не во всём пространстве; и во-вторых, бессиловая система конечного размера всё равно требует внешних подпорок для своего существования. Более того, Szabolcs Rembeczki приводит точный результат другого автора (G. E. March) от 1996 года, где полный запас энергии в подобной системе сравнивается с упругой энергией этих подпорок:
[Image credit: Szabolcs Rembeczki, Design and Optimization of Force-Reduced High Field Magnets, [370]]
Чуть переписав последнее выражение, получаем: E/M ? ?/?. То есть, энергия к массе по-прежнему не превышает Пружинного Предела.
Наконец, кратко коснёмся расплавленной соли, ибо тема эта популярна. Сколько энергии может хранить килограмм расплава? Очевидно, это энергия, потребная на разогрев до температуры плавления, плюс удельная теплота этого самого плавления. Первая из двух ничтожна: поскольку 1 эВ на этом — это 11600 градусов, то, очевидно, никакое твёрдое тело не может содержать более ?0.4 эВ/атом тепла. Вторая определяется энергией связи твёрдой решётки и по этой причине не превышает единиц эВ на атом. Например, у поваренной соли NaCl (вещества близкого к полной ионности и относительно безвредного) теплота плавления составляет[660] 0.52 МДж/кг, или порядка 0.3 эВ на атом. На чём данную тему можно закрыть.
Итог получается грустный и немного забавный.
Несмотря на тысячелетний инженерный прогресс; несмотря на громадное, вроде бы, разнообразие способов хранения энергии, большинство этих способов опираются один и тот же принцип. Принцип, положенный в основу устройства, известного нам уже сотни лет.
Это устройство — пружина:
Мы — цивилизация пружин.
Наши ракеты дороги и тяжелы, потому что, фактически, пружина хранит движущую их энергию, плотности которой едва хватает на преодоление земного гравитационного колодца. Пружинный Предел определяет механическую прочность ракет, противостоящую массе взведённой химической пружины топлива. Пружинный предел диктует предельную высоту наших зданий, длину пролётов мостов, ёмкость аккумуляторов, толщину кузовов грузовиков.
Всё, что запасает энергию в перераспределении электрических полей внешних, валентных электронов обычной материи, упирается в Пружинный Предел: 3-4 эВ на атом, или 20-30 МДж/кг. Материя, которой мы повседневно пользуемся, подобна жадному брокеру. Все транзакции идут строго через него: энергия => материя => электрические поля => материя => энергия. Но брокер запрещает хранить на одном счету больше 3-4 электроновольт на атом, и дерёт колоссальную комиссию в виде массы тяжёлого атома за каждый счёт.
И хотя внутренние электроны атома обладают энергиями связи в сотни и тысячи электронвольт, а ядра — в миллионы и миллиарды, работать мы с этими силами лишь едва-едва начинаем. Пока мы хорошо научились манипулировать лишь тонкой внешней оболочкой атома. В ней, в виде напряжённости электрического поля, и хранятся почти все энергетические запасы нашей цивилизации.
Какие-нибудь марсиане, глядишь, от осознания подобного давно опустили бы
Продолжение следует.
[95] Про графен: https://en.m.wikipedia.org/wiki/Graphene
[210] Литиево-ионная батарейка, электрохимия: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium-ion_battery#Electrochemistry
[220] Суперконденсаторы: https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor
[223] https://en.wikipedia.org/wiki/Supercapacitor#Comparison_with_other_storage_technologies
[340] Параметры разных типов батарей: https://en.wikipedia.org/wiki/Comparison_of_commercial_battery_types
[350] Прочности материалов: https://en.wikipedia.org/wiki/Specific_strength#frb-inline
[355] Прочности материалов: https://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_tensile_strength#Typical_tensile_strengths
[358] Лекция по теории прочности и пределы разрушения материалов: https://ocw.mit.edu/courses/materials-science-and-engineering/3-11-mechanics-of-materials-fall-1999/modules/MIT3_11F99_ss.pdf
[360] Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. Теория поля. Издания пятое, исправленное и дополненное. Издательство «Наука», Главная Редакция физико-математической литературы, Москва, 1967.
[370] Szabolcs Rembeczki, Design and Optimization of Force-Reduced High Field Magnets: https://research.fit.edu/media/site-specific/researchfitedu/hep/heplaba/documents/theses/DissertationSzabolcsRembeczki.pdf
[380] Википедия про бессиловые поля: https://en.wikipedia.org/wiki/Force-free_magnetic_field
[390] Формулы для расчёта полевой электронной эмиссии: http://www2.avs.org/conferences/IVNC/pdfs/Forbes-Tutorial.pdf
[400] Физическое описание полевой электронной эмиссии (с битыми формулами явно из [390], но пояснениями в предыдущих параграфах, позволяющими таки понять механизм): https://en.wikipedia.org/wiki/Field_electron_emission
[630] Режиссёр Олег Фомин, фильм День выборов: https://ru.wikipedia.org/wiki/День_выборов_(фильм)
[640] Про маховики и предел их плотности энергии: https://en.wikipedia.org/wiki/Flywheel_energy_storage#Specific_energy
[650] Лекция про электростатику диэлектриков: http://physics.usask.ca/~hirose/EP464/ch4-09.pdf (вообще-то, всё это во множестве совестких учебников ещё написано, у того же Тамма или Ландау).
[660] Теплота плавления поваренной соли: https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_chloride_(data_page)
Комментарии (83)
GiperBober
01.02.2019 09:19Химики найдутся? Вот у этого вот
LiC6 + CoO2 <-> C6 + LiCoO2
сколько выход в электронах, потом с учётом молей вещества, валентностей и прочих атомных масс…
Короче, сколько конкретно ёмкость условного аккумулятора, состоящего только из этого вещества и со 100% КПД?
Просто 20-30 МДж/кг — это 5-8 кВт*ч, но мне смутно припоминается расчёт по выходу электронов, показывающий, что там максимум чота в районе 500 ватт/кг чтоли…unclejocker
01.02.2019 13:41+1Мегаджоули тут выводятся как теоретический предел. У конкретной реакции выход может быть (и есть) во много раз ниже.
eugeneb0 Автор
01.02.2019 21:37Если судить по графику №5 вот в этой работе (https://arxiv.org/pdf/1607.05658.pdf), то по крайней мере у первой полуреакции (LiC6 <-> Li + C6) энергия на молекулу составляет эдак 0.3 эВ. Что должно соответствовать примерно 2 МДж/кг.
Mad__Max
02.02.2019 06:30+3В реальных литиевых аккумуляторах уже достигли выхода в электронах порядка 50-70%.
И энергия этих электронов практически на самом пределе для химических реакций находится — рабочее напряжение в 4 с хвостиком Вольта это и есть по ~4 эВ на каждый переносимый между электродами электрон.
«Рабочий» (валентный во внешней оболочке) электрон у лития только одни, так что на 1 атом — столько же — до ~4 эВ.
Вообще конкретно по литию отдельно это дает огромную удельную энергоемкость, т.к. элемент очень легкий и энергия связи на 1 элемент около теоретического максимума.
Но получить ее всю можно что разве сжигая его в каком-нибудь сильном окислителе — с кислородом или фтором например. Собственно во 2й части связка «литий-фтор» фактически лидер среди всех химических топлив (3.2 эВ на молекулу, 23.7 МДж/кг).
С аккумуляторами вся проблема, что приходится использовать огромное количество «балласта», чтобы манипулировать литием управляемо, контролируемого и безопасно.
Конкретно в этом простейшем варианте химии литевыех аккумуляторов на 1 атом лития («топливо») и половинку кислорода (окислитель) приходится еще 8.5 других атомов (6 углерода, кобальт, 1.5 кислорода), причем кобальт еще и тяжелый элемент.
1 моль подобной «смеси» имеет массу: 7+12*6+59+16*2 = 170 г
Запасаемая энергия в на 1 моль при 100% эффективности использования активной массы 96485 (постоянная Фарадея) на 3.7 В (средне-взвешенное напряжение / работа совершаемая при переносе 1 электрона)
96485*3.7=356994 Дж
или на 1 кг активной массы 356994/0.17=2099964.70 ~ 2.1 МДж/кг ~ 580 Вт*ч/кг
При этом собственно на сам литий из этого 1 кг приходится всего ~7/170 ~4% массы.
Это из активной хим. массы. От общей массы готового к использованию аккумулятора соответственно еще меньше, обычно что-то уровня 2-3%.
Это и есть теоретический предел для подобной химии. На практике результаты меньше существенно, т.к. и эффективность не 100% и кроме активной массы нужны корпус, сепаратор для разделения электродов, электролит и токосъемники.
Но уже где-то 50% от теор. максимума в самых хороших и современных аккумуляторах выжали (~280 Вт*ч)
Все «прорывы» которые обещают емкость литиевых элементов в разы больше — связаны с принципиально другими схемами лития.
Например электрод из углеродных или кремниевые нанотрубок на которые литий вешается «гроздями» — по несколько атомов лития на 1 атом углерода/кремния, вместо матрицы из 6 атомов углерода (в виде графита) удерживающей максимум 1 атом лития.
Либо литий-воздушные элементы — когда окислитель (кислород) берется из воздуха, а не хранится в связанном виде в самом аккумуляторе вообще.
Либо электроды из чистого металлического лития (как в литиевых «батарейках») вместо соединений лития с оксидами кобальта/никеля/железа/титана — от которых в свое время отказались, т.к. в многоразовом варианте такой вариант оказывается опасен. Но периодически делаются попытки «реанимировать» цельнолитиевые электроды путем разных ухищрений.
vassabi
01.02.2019 10:01Да, когда читаешь, что теоретический предел теоретической пружины — выше, чем теоретический предел аккумулятора и теоретически равен теоретическому пределу топлива, то думаешь: «ЧТОООО? ОХ УЖ ЭТИ ТЕОРЕТИКИ !»
А потом прикидываешь, что ведь таки да — все твердые и жидкие и даже газообразные предметы вокруг нас — это электромагнитная сила, и я даже припоминаю видео Фейнмана на эту тему, и у них один общий принцип (накачаешь слишком много электронов — и привет) %)
poznawatel
01.02.2019 10:08Вес грузовика в наших широтах определяется не прочностью стали, а глупостью тех, кто бездумно его использует круглый год. Что представляет собой современная фура или жд вагон? — это балка полуприцепа, опёртая на балки мостов концами. Рационально используются свойства материалов? Нет!
Есть решение получше? Да. Русские люди большую часть года использовали сани, которые за счёт некоторой эластичности имеют грузоподъёмность в разы большую, чем масса сани+лошадь+возница. В переделе — берём стальной лист, грузим всё на него и цепляем лебёдкой к внешнему якорю- весовая и энергетическая эффективность будет запредельная.
Аналогично можем сделать хоть баржу высокой эффективности, хоть жд вагон, хоть дирижабль, хоть замену первой ступени РН.
Только вот нестандартные массо- и энергоэффективные решения в текущих обстоятельствах не востребованы, востребовано шаблонное, но предсказуемое мышление ((GiperBober
01.02.2019 10:18+1Вам слова «трение качения — трение скольжения» о чём-нибудь говорят?..
Кстати, опишите свою «рационализацию» первой ступени РН и дирижабля в свете своей концепции. Любопытно.poznawatel
01.02.2019 15:14-2«Качение- скольжение» — абстрактно ложное противопоставление, когда везём груз не по идеально ровной и идеально упругой поверхности, а режем снег покрышками. У снегоходов лыжи колёсами никто уже не пробует заменять. Вдобавок на грузовике назад возвращаемся порожняком таща половину полной массы, плюс большая часть перемещений — с недогрузом. Реальная картинка очень далека от теоретической физики.
С РН — ещё проще — цепляемся к стратостату тросом — делаем стратосферный лифт (энергией, естественно, питаемся от электростанции), не тащим вверх ни топливо, ни рабочее тело.
С дирижаблем — ещё проще за сто лет полимерные материалы стали _на разрыв_ прочнее на три порядка — при правильном подходе вес современного дирижабля будет относиться к дирижаблю столетней давности как вес пластикового пакета к весу чемодана.
LevOrdabesov
01.02.2019 16:53+1Это одни из первых мыслей, что приходят в голову.
Считал ради интереса: простейший воздушный шар с трудом вытягивает вес троса из современных материалов на высоту, о полезной нагрузке там речь вообще не идёт.
Не всё так просто, к сожалению.poznawatel
01.02.2019 17:44Точно. Имеем стратостат или их связку с гигантской парусностью и привязанным к нему тросом. И как же это можно использовать для разгона ракеты? Смекаете?
LevOrdabesov
01.02.2019 18:16Нет, что-то не смекаю. Объясните, пожалуйста.
sim31r
01.02.2019 18:54Наверное имеется ввиду что поднимать можно с ускорением, тогда будет и начальная скорость достаточно высокой, что в разы повысит полезную нагрузку.
poznawatel
01.02.2019 22:35-1Я недооценил инертность мышления читателей Хабра.
Если кратко — у нас стратостат-парашют с привязанным тросом. Лифт едет вверх по тросу — использует массу воздуха, через который продирается аэростат. Ну просто ведь!
А минусящие меня умнее не станут. Как же всё-таки хорошо, что в науке и технике нет голосования!LevOrdabesov
02.02.2019 00:23У надувного крыла нет жёсткости, оно складывается. Недавно сам интересовался. Уже пробовали.
poznawatel
02.02.2019 06:21-1Почему не «складывается» парашют?
Судя по убыли моей кармы, комменты Хабра — место, где торжествует самодовольная ограниченность. Успехов.Cerberuser
02.02.2019 07:32У парашюта есть встречный поток воздуха, который и обеспечивает это «не складывается». А у Вашего «стратостата-парашюта» он где? Вопрос, на мой взгляд, достаточно очевидный, если Вы знаете механизм работы Вашей идеи — ответ Вам должен быть тоже очевиден.
poznawatel
02.02.2019 15:28А наш стратостат-парашют тянет вниз КА, который по тросу, ускоряясь, карабкается. Аэродинамика и аэростатика работают совместно.
Cerberuser
02.02.2019 16:31То есть, цепочка такая:
— запустить стратостат на достаточно большую высоту;
— прицепить к нему КА;
— стратостат будет опускаться и за счёт этого опираться на воздух, КА — подниматься за счёт взаимодействия с тросом.
Теперь — вопросы:
— с какой скоростью и, главное, сколько времени будет опускаться стратостат под грузом троса и КА? Как следствие — в какой точке они встретятся?
— с какой максимальной скоростью можно разгоняться вдоль троса так, чтобы не разорвать ни трос, ни крепления, через которые он пропущен?
Это чисто навскидку, то, что по-любому надо знать, продвигая подобную идею.poznawatel
02.02.2019 20:32Да, цепочка, по которой удобно вылезать из гравитационного колодца именно такая.
По поводу вопросов — они вторичны, поскольку определяются ускорением РН, которое не может быть больше 4.4g (люди и научные приборы — хрупки). Исходя из этой величины и конструируется система. Скорость опускания стратостата, кстати, несложно минимизировать.
Ну и главный вопрос, на который только ОКР сможет ответить окончательно — как должны «разминуться» парус и РН?sim31r
03.02.2019 03:13Не все научные приборы хрупки. В хорошей упаковке могут выдерживать до 1000G, не говоря о том кроме приборов доставляется вода, топливо, расходные материалы. Да и вектор ускорения известен, однократный и кратковременный, что упрощает учет перегрузки. Тут скорее сам корпус ракеты не выдержит, он и ограничит перегрузку максимальную, может в районе 50G.
Другое дело что появляется переход на высокую сверхзвуковую скорость в плотных слоях атмосферы, нужна будет массивная защита от перегрева и добавляется сопротивление атмосферы, что может убрать выгоду от такого метода запуска. Вот если бы вакуумную трубу обеспечить… тогда разгонять можно было бы в подземной шахте и далее просто не мешать выходу на орбиту.poznawatel
03.02.2019 05:274,3G это я по памяти с тех времён, когда мы спутник разрабатывали. Такое ускорение закладывается для выведения грузов в «Прогрессе».
Если делать РН и выводимый аппарат на большие перегрузки, это потянет за собой рост массы для обеспечения прочности. Так бы давно запускали прочные грузы «Из пушки — на Луну» по заветам Жюля-Верна!
Ваккуумная труба за пределы тропосферы — ненаучная фантастика, сродни космическому лифту.sim31r
03.02.2019 14:54Ракеты ПВО и подобные рассчитываются на 50G, иначе цель не догонят просто.
poznawatel
03.02.2019 16:36Не то что не догонят, просто цель легко противоракетным манёвром уклонится.
sim31r
03.02.2019 16:53Ну если, например, самолет даже пассажирский, на высоте 10 км и скорость сравнима со скоростью звука, догнать задача возможная, но не такая простая. Не каждая страна имеет такие возможности, из-за технических сложностей.
А есть ракеты — противоракеты, чтобы перехватывать межконтинентальные ракеты на взлете, у тех ускорение просто обязано быть на порядок больше обычных ракет, иначе не догонят даже без всяких уклонений (хотя и уклоняться в небольших пределах ничего не запрещает). Такие вроде как только у США есть, ввиду сложности, и, соответственно, цены системы.poznawatel
03.02.2019 19:00По методу погони работает ничтожная часть систем ЗРК, большинство ракет летит в точку упреждения. Я в комментах уже писал об этом.
sim31r
01.02.2019 18:38+2Стратостат не даст особого выигрыша. Самое энергозатратное не поднять ракету, а придать ей скорость. Потенциальная энергия не так велика, главная проблема кинетическая энергия.
Потнециальная энергия актуальна для высоких орбит, это под 40 000 км, на низких орбитах ей можно пренебречь.
vitvakatu
03.02.2019 15:10Вы правы, но идея начинать разгон с большой высоты — в целом здравая. Современные ракеты очень много тратят на сопротивление воздуха, не было бы у нас атмосферы — было бы легче :)
sim31r
03.02.2019 15:22А какой процент топлива забирает атмосфера? Хотя без влияния воздуха, можно было бы выбирать другую траекторию выхода на орбиту, под большим углом к горизонту, параллельно земле почти…
ToSHiC
03.02.2019 22:58Эту идею у вас давно «украли» :) Именно для этого строили АН-225 Мрию, а сейчас использует Бренсон в Virgin Galactic.
santa324
01.02.2019 10:44Если пренебречь пробоем, то можно представить конденсатор в виде полого шара, в котором внешняя и внутренняя сферические поверхности заряжены. Тогда возникает сила сжимающая вещество между слоями, но вещество может противостоять сжатию (если ему «выдавиться» некуда) очень хорошо.
Но с пробоем, похоже, ничего не поделать :(
По поводу маховиков: кинетическая энергия mV^2/2, центробежная сила mV^2/R. Таким образом увеличивая у вращающейся гантели R — увеличиваем отношение запасенной энергии к возникающим нагрузкам. Предела казалось бы нету… :)
Pand5461
01.02.2019 11:38увеличивая у вращающейся гантели R — увеличиваем отношение запасенной энергии к возникающим нагрузкам. Предела казалось бы нету… :)
В качестве упражнения предлагаете посчитать, какую можно снимать мощность, чтобы гриф не погнулся?santa324
01.02.2019 12:17+1Речь ведь не о съеме мощности а о запасенной энергии на единицу массы.
Ну и можно тросы использовать а не гриф. Пример: космический аппарат разматывает в противоположные стороны 2 троса с грузами на конце и раскручивает их. Еще пару грузов на таких же растяжках раскручивает в противоположную сторону (чтобы сам не вращался). А что бы тросы на него не наматывались при съеме мощности и разматывании: тросы закреплены на круговой тележке свободно вращающейся вокруг корпуса.sim31r
01.02.2019 13:02Обычно кольца делают, трос из вашего примера будет самым слабым звеном. А кольца поддерживают сами себя и не содержат лишней массы.
Вот еще примеры, с расчетами
altinfoyg.ru/energetika/sae/statsionarnye-supermakhoviki-v-energosistemakh.html
Pand5461
01.02.2019 19:26Так запасти-то какие проблемы? Вон зонд Паркера отправили к Солнцу — плотность энергии в перигелии вообще запредельная. Кому только интересно, если получить-то эту энергию обратно нельзя?
dfgwer
01.02.2019 23:25https://antihydrogen.livejournal.com/47585.html Тут концепт двигателя использующую эту идею.
sim31r
01.02.2019 12:58Это возможно для стационарных накопителей энергии, поддержка электростанций, например. Кольца километровые в вакуумной трубе, сжимаемые магнитным полем.
santa324
01.02.2019 13:34Сжимать магнитным полем можно, но это требует массы этих магнитов вокруг и ломает аргумент о неограниченном лимите энергии на единицу массы. Обойдемся пока без этого )
sim31r
01.02.2019 18:29Предельный случай, кольцо супермаховика по экватору вокруг Земли. При первой космической скорости оно будет в невесомости, магнитное поле для небольшой корректировки траектории только. На само кольцо вообще ни каких сил не действует, оно в невесомости. Энергия 72 МДж на килограмм массы.
Еще больше энергии можно запасать построив кольцо вокруг Юпитера или Солнца, например, поближе к поверхности, где гравитация выше. Там будут гигаджоули на килограмм массы. Если найти нейтронную звезду или черную дыру небольшую, еще больше будут возможные энергии. При том что механика достаточно простая, из фантастического только масштабы.santa324
01.02.2019 19:22Ограничение предела энергии на единицу массы преодолели, но габариты сильно выросли… Вот если бы такое но компактно… )
Mad__Max
02.02.2019 07:04+2Это просто. Берете компактную черную дыру…
Стеб на тему какого-то советского журнала в стиле «как самому сделать лазер в домашних услових» — берете 10 сантиметровый кристалл рубина…
didkovskyi
02.02.2019 17:42Не получится использовать орбитальный маховик. Потому, что главное условием его устойчивости это — постоянная скорость вращения. И как только вы попробуете изъять накопленную энергию, снизив скорость, он просто схлопнется.
sim31r
03.02.2019 03:27Можно просто отделять часть маховика и тормозить в мишень, так хотя бы тепловую энергию можно получить, маховик может быть не монолитный, а слабо связанный набор элементов. По аналогии с кольцом адронного коллайдера. В БАК кстати энергия кинетическая пучка частиц сравнима с кинетической энергией Боинга в полете.
Ну или запускать магнитные материалы в кольцо и управлять ими внешним магнитным полем, там достаточно небольших усилий для стабилизации орбиты. Да и скорости можно будет получать выше, не 8 км/с, а 800 км/с и соответственно энергии не 72, а 720 000 МДж/кг. Например запущен магнит весом в 1 грамм в трубу по экватору Земли, на скорости 800 км/с на него действет сила 100 грамм от центра Земли (что нужно компенсировать магнитным полем) и запасенная энергия 720 МДж на грамм, фантастическая энергоемкость. Далеко не пружинные или химические показатели.
Cerberuser
01.02.2019 11:26+6Маховик? Его предел определяется способностью материала сопротивляться нагрузке, создаваемой центробежной силой центростремительным ускорением.
Я был обязан это закинуть
Dorogonov_DA
01.02.2019 11:49+1Чудесный цикл статей! Он показывает, что все наши инструменты — продолжение той самой первой палки, коротую взяла в руки обезьяна.
Androniy
01.02.2019 14:30А если сделать суперконденсатор из двух металлических пружин? А теперь раскрутить эту пружину до огромной скорости? Или в качестве маховика использовать плоский конденсатор? Какое поле для фантазий про экзотические аккумуляторы энергии…
0x9d8e
01.02.2019 15:52+9Маховик из конденсатора с пластинами из литиевых аккумуляторов поднятый в стратосферу, один конец которого максимально нагрет, а другой охлаждён, всё это скручено во всех возможных направлениях до предела упругой деформации и статически заряжено относительно земли. Чего бы ещё добавить? :)
didkovskyi
02.02.2019 00:07Машинное обучение :) Хотя запасать разные виды энергии — не такая уж плохая идея.
eugeneb0 Автор
01.02.2019 21:41Правильное движение мысли! Я тоже думал над чем-то похожим. Конденсатор (конечно, ваккуумый), компенсируемый там центробежной или упругой силой. Но проблема в том, что если даже «одиноко стоящий» сферический конденсатор нельзя зарядить выше пружинного предела, то и никакая вращающаяся система из них этот предел, увы, тоже не перепрыгивает.
fivehouse
01.02.2019 19:38+2Ваши сочинения вполне можно классифицировать как элемент философии нового времени. Как физика прорастает в механические машины созданные человеком, в условиях текущей экономики. Но настоящие философы вас разорвут, так как не любят цифр.
eugeneb0 Автор
02.02.2019 00:10+1Хех ))
Настоящие философы две тысячи лет спорили, делима ли материя до бесконечности. И рассматривали только два варианта: да или нет.
Пока не пришли физики и не выкатили третий: да, на каком-то уровне материя состоит из более простых частей (кварков), но нет, на них она неделема.
И так везде. Есть им отчего не любить физиков )phenik
02.02.2019 04:25Пока не пришли физики и не выкатили третий: да, на каком-то уровне материя состоит из более простых частей (кварков), но нет, на них она неделема.
Это ограничение СМ, в физике нет принципа запрещающего дальнейшее структуирование материи. Это вопрос экспериментальных исследований и наблюдений.
Mad__Max
02.02.2019 07:06+1Это уже чисто уморзительная делимость будет. А так настоящая делимость уже закончилась: на протонах-нейтронах — они условно «состоят» из кварков, но разделить их на кварки невозможно.
phenik
02.02.2019 07:59Это уже чисто уморзительная делимость будет.
Так дипломатично и написал — структуирования. Типа струн в ТС, если, вдруг, найдется подтверждение сего опуса) Что касается кварков, то на короткое время можно получить кварк-глюонную плазму, также есть гипотеза существования кварковых звезд.
rinaty
03.02.2019 00:47+1Возможно, по современной теории вопрос делимости частиц на свободные кварки это вопрос окружающей среды и энергий, очень высокого давления и температуры вроде достаточно. По теории в первичной вселенной были свободные кварки до формирования частиц. Плюс вероятно в тяжелых нейтронных звездах ядро состоит из кварков.
Cerberuser
02.02.2019 07:34Интересно, в каком месте он третий? Если вопрос ставится именно так («делима ли до бесконечности?»), нынешнее понимание даёт чёткий ответ «нет» — именно потому что даже до кварков она делима только теоретически. Другой вопрос, что оно может оказаться ошибочным.
phenik
02.02.2019 06:58Ваши сочинения вполне можно классифицировать как элемент философии нового времени.
Скорее как обзор физических ограничений энергоэффективности современных технологий основанных на электромагнитном взаимодействии. Из этого списка выпадают уже существующие технологии основанные на сильных и слабых взаимодействиях — ядерный распад и термояд. синтез, в перспективе управляемый, аннигиляция, и др. гипотетические формы, включая основанные на гравитационном взаимодействии. Например, путем использования ЧД в качестве источников энергии. А ведь еще есть непонятные ТМ и ТЕ)
yarston
01.02.2019 20:00+3У гелия разница между синглетным и триплетным состоянием 19.8 эв, при его атомной массе это выходит эквивалентно ~480 МДж/кг чистого вещества без какого-либо окислителя)
ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B5%D0%BB%D0%B8%D0%B9#%D0%A1%D0%B2%D0%BE%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0_%D0%B2_%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B9_%D1%84%D0%B0%D0%B7%D0%B5Mad__Max
02.02.2019 07:10Есть еще металлический водород — так же энергия на порядок выше любых хим. связей и тоже без каких-либо окислителей. Просто переход металлический водород в атомарной форме ==> молекулярный газ из 2х атомов
~600 МДж на 1 кг ЕМНИП
Причем по некоторым гипотезам он оказывается метастабильным — т.е. для его сохранения в металлической форме не нужны те чудовищные давления, которые необходимы для его образования.
xRevolveRx
01.02.2019 21:42Автору спасибо. Это действительно мир пружин. Я маленько в другом топике отписал пример с трансформатором.
SkinnerDE
01.02.2019 21:42+1Очень интересный цикл статей, с нетерпением жду продолжения.
Вставлю свои непрофессиональные 5 копеек — возможно генераторы на плазме могут преодолеть Границу. Уже сейчас работающие (хоть и недолго) генераторы на воздушной плазме за счет разрушения атомов кислорода способны извлекать огромное количество энергии и, к сожалению, тепла (что и затрудняет их разработку).
Интересно узнать мнение автора по этому поводу.eugeneb0 Автор
01.02.2019 21:43Спасибо!
Очень интересно, я совершенно не в курсе про генераторы на плазме. Где про это можно прочитать?
RGB
01.02.2019 22:27А если сделать пружину из нитинола, например?
eugeneb0 Автор
01.02.2019 22:43Это который с эффектом памяти? Сомневаюсь, что много можно получить. У него тоже довольно скромный предел прочности.
Другое дело, что на нитиноле можно сделать тепловой двигатель. И народ даже делает. Некогда сейчас искать, но видел работу, что до 16% КПД таких двигателей доходит. Это, конечно, приятно. Но речь идёт о температурах максимум в сотни градусов, т.е. малых долях эВ на атом.
ToSHiC
02.02.2019 00:33+3Всё же сведение всего к пружине — это немного трололо )
Мне больше нравится такой вид формулы:
E/M ? ?/?
E ? ? * M /?
E ? ? * V
То есть энергия ограничена прочностью межатомных связей. Что идеологически очень хорошо совпадает с предыдущей частью, где энергия тех же самых межатомных связей высвобождалась вследствие химических реакций.eugeneb0 Автор
03.02.2019 01:41Есть немного. Добавил драматизма для красоты. Но не в ущерб истине, прошу обратить внимание )
Да, Ваша запись имеет смысл. Давление — это же мера энергии на единицу объёма.
Alex_Arkhipov
02.02.2019 23:16+1Величину ? можно оценить как ? ? E/?, где E — модуль Юнга для вещества
Относительное удлинение вроде как ? ? ?/E должно быть…
DGN
03.02.2019 05:55А если получать на ускорителях антивещество, что ограничивает возможность его хранения? Ведь запас энергии в нем совсем не пружинный.
Nubus
03.02.2019 08:04То что оно тут-же прореагирует с веществом?
gecube
03.02.2019 13:22Разделять магнитным полем, например?
DGN
03.02.2019 16:35Ну вот да, не окажется ли и тут засады, как со сверхпроводимостью? Или вот скажем нейтрино, каковы шансы прореагировать с антивеществом?
gecube
03.02.2019 20:23Вещество и антивещество — это, из наиболее известных, пары электрон и позитрон. И я не вижу проблемы сделать, например, плазму из протонов и позитронов. Ведь аннигилируются только именно частицы в соответствующих парах. Другие — могут реагировать друг с другом на общих основаниях.
Или вот скажем нейтрино, каковы шансы прореагировать с антивеществом?
я думаю, что такие же, как и с обычным веществом.
Насчет аннигиляции нейтрино и антинейтрино… я вообще не могу дать комментариев. Разумная часть подсказывает мне, что там все не так просто. Учитывая, что это достаточно «особенные» частицы. Беглый поиск по гуглу тоже не смог дать однозначного ответа.
gecube
так научились же — атомная энергетика вполне работает. Еще термоядерную пытаются развивать. Строят всякие ТОКАМАКи, но это пока больше в стадии исследований.
Либо можно еще пробовать использовать «бесплатную» энергию — ту же солнечную. Но конкретно в применении на Земле вопрос в том — сколько будет энергии и материала затрачено на производство этих самых солнечных панелей. А потом еще и как их грамотно утилизировать. Ну, и понятно, что энерговооруженность с.п. будет не очень большая, зато энергия практически дармовая.
eugeneb0 Автор
Да. Пожалуй, жестковато я сформулировал. Смягчу. Но атомную энергию мы только-только начали использовать, а термоядерную (если не считать бомб) вообще не умеем. С химией и упругостью у нас куда больше опыта и наработок.
Всё равно, спасибо.