До сих пор существует проблема преобразования сил природы в электроэнергию

Наука и жизньНаука

Вступив в эпоху электричества...

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Аэрофотоснимок системы солнечных электростанций, входящих в комплекс Solucar (Испания). На переднем плане солнечные электростанции параболического типа Solnova I (справа), III (слева спереди) и IV (слева сзади). В глубине расположены первая коммерческая солнечная электростанция башенного типа PS10, а за ней PS20.

В природе нет ничего бесполезного.
Мишель Монтень

Символично, что первая статья самого первого номера журнала «Наука и жизнь» посвящена проблеме утилизации сил природы, которая остаётся актуальной и через 130 лет, в XXI веке. Журнал впоследствии ещё не раз возвращался к ней. Человеческая цивилизация с древности использовала то, что предоставляла ей природа: силу ветра, энергию текущей воды и солнечное тепло. Затем к ним добавилась сила пара. Однако научные открытия первой половины XIX века дали людям возможность использовать ещё одну могучую силу — электричество. Именно проблема преобразования сил природы в электроэнергию, что позволит не только по-новому их использовать, но и передавать на большие расстояния, — основная тема статьи.

Автор отмечает, что за менее чем полстолетия пар радикально изменил все условия жизни, и ожидает, что и новые открытия продолжат этот процесс. Разумеется, сейчас акценты сместились, появились новые источники энергии и новые способы использования старых источников, но некоторые из них обсуждались уже в конце XIX века.

Нашему современнику, наверное, покажется удивительным, что людей того времени приходилось уговаривать использовать электрическую энергию для освещения и других нужд. Особенно в общественных местах. В ход шли даже гигиенические аргументы: лучшее качество спектра излучения для зрения и то, что электрические лампы не потребляют кислород и, соответственно, не выделяют углекислый газ, способный вызвать отравление («Наука и жизнь» № 49, 1890 г.). Всё дело в том, что электроэнергия тогда стоила дорого, а лампы были очень недолговечны.

До изобретения Александром Николаевичем Лодыгиным лампы накаливания современного типа с долговечной вольфрамовой спиральной нитью оставалось ещё три года.

«Эдисоновский свет», как его тогда называли по самой популярной конструкции электрических ламп американского изобретателя, использовавшего в них угольную нить, стоил в три раза дороже, чем освещение фотогеновой лампой, и в полтора раза дороже, чем светильным газом, хотя и в 9 раз дешевле стеариновых свечей. Зато тепла они выделяли почти в 20 раз меньше, чем газовые, и в 14 раз меньше, чем керосиновые. Срок службы ламп Эдисона был всего 40 часов. Самое дешёвое сырьё — фотоген — минеральное масло, подобное керосину, но получаемое не из нефти, а из бурого угля. Фотоген производился в России и некоторое время назывался керосином, возможно, поэтому автор не разделяет фотогеновые и собственно керосиновые лампы, тогда быстро набиравшие популярность. Светильный газ — это смесь водорода (50%) с метаном (34%) и другими газами, получаемая из каменного угля. Природный газ ещё не нашёл широкого применения и не добывался в значительных масштабах.

Высокая цена на электричество в первую очередь была связана с тем, что в то время ещё не были изобретены высоковольтные линии электропередачи переменного тока, имеющие малые потери энергии. Поэтому электроэнергия тогда передавалась только на очень короткие расстояния, как правило, не превышавшие 10—15 км, но и тогда потери доходили до 60% и выше. Так на упомянутом в статье руднике в Аризоне расстояние составило 12,5 км, а в городе Silver City — 6,5 км. На 1890 год в России имелся всего один пример использования гидроэлектростанции для питания станков — фабрика Козьмы Прохорова, на которую электроэнергия передавалась по линии в 6 верст.

Французский инженер Марсель Депре в 1882 году сумел передать электроэнергию на рекордные 57 км, используя напряжение до 2000 В. Однако тогда его оборудование было слишком громоздко для практического использования. Позднее, он решил эту проблему и, подняв напряжение до 6000 В, снизил потери на линии постоянного тока Крей — Париж длиной 56 км до 45%. Но автор статьи оптимистичен, верит в науку и уже предсказывает передачу электроэнергии за тысячи вёрст.

Заметим, что говоря о заслугах Депре, автору следовало бы упомянуть и о нашем соотечественнике Дмитрии Александровиче Лачинове, который много сделал для теоретического исследования вопроса о передаче электроэнергии на большие расстояния, в том числе первым в 1880 году сформулировал условия для этого.

Проблему передачи электроэнергии на большое расстояние в 1891 году решил российский физик-электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский, один из основоположников создания техники трёхфазного тока. Построенная по его проекту линия электропередачи с повышающим и понижающим трансформаторами доставила электроэнергию на невиданные тогда 170 км на международную выставку во Франкфуртена-Майне. Там с этим изобретением познакомилось большое количество специалистов. Пожалуй, именно с этого момента и началась современная электрификация.

Но это ещё предстоит, а пока, в 1890 году, «Наука и жизнь» обсуждает идею приобретать электричество на складах или фабриках, а затем переносить домой в аккумуляторах, храня его, словно керосин в банках. Эта идея не покажется удивительной, если вспомнить, что электромобиль появился раньше, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. В какой-то степени эта идея реализована в современном мире. Нет, мы не ходим на специальные фабрики заряжать аккумуляторы, не храним их в кладовых и не используем для освещения. Но аккумуляторы использует различная мобильная аппаратура и техника, широко распространённая в наше время.

Вообще первый номер журнала вышел в переломное время: совсем недавно, в 1870 году, бельгийский изобретатель Зеноб Грамм, работавший во Франции, создал электрогенератор, позволивший вырабатывать электроэнергию в промышленных масштабах. Первые его машины осветили в 1878 году Париж. Тогда же появились и первые ГЭС. В 1879 электричество добралось до Санкт-Петербурга, где первым был освещён Литейный мост, а в 1881 году — до Москвы.

Современные линии электропередачи имеют потери всего 2—3%, но и их можно сократить, используя высокотемпературные сверхпроводники. Несколько таких линий уже действуют в Германии, США, Южной Корее и Японии. Правда, все они имеют довольно малую длину из-за сложности поддержания низких температур и дороговизны. Их достоинство в том, что на них можно подавать электроэнергию с тем напряжением, которое получают на электростанциях (6—20 киловольт) без повышения. Его так и называют — генераторным. При этом отпадает необходимость в сложных и дорогих трансформаторных подстанциях высокого напряжения.

Самая длинная из сверхпроводящих линий электропередачи запущена в 2014 году в Германии. Она имеет длину один километр и использует напряжение 10 киловольт, придя на замену обычной линии с напряжением 110 киловольт.

В России в 2020 году собираются запустить сверхпроводящую кабельную линию длиной 2,5 километра. Предполагается, что эта линия, рассчитанная на ток 2500 Ампер и напряжение 20 киловольт, соединит две подстанции в Санкт-Петербурге. В ней будет использован высокотемпературный сверхпроводник Bi2Sr2Ca2Cu3O10+x с критической температурой 108 Кельвинов (‒165 градусов Цельсия). До такой «высокой» температуры сверхпроводящего состояния проводник можно охлаждать просто жидким азотом. Система охлаждения будет забирать 0,5% передаваемой мощности.

Другой упомянутый в статье способ утилизации природной, а именно солнечной энергии, запатентованный американским химиком и изобретателем Эдвардом Вестоном (в статье Уестон), — предшественник солнечной электроэнергетики. Использованные Вестоном термоэлектрические батареи основаны на открытом в 1821 году немецким физиком Томасом Иоганном Зеебеком термоэлектрическом эффекте. Он заключается в том, что если две проволоки из разных металлов в одном месте соединить, то между двумя другими концами возникнет разность потенциалов, если эти концы и место соединения имеют разную температуру. Такое соединение двух металлов (термопара) в этом случае ведёт себя как гальванический элемент и может использоваться как источник тока.

Первую термобатарею для исследования эффекта создали в 1823 году Xанс Эрстед и Жан-Батист Фурье. Она содержала спаянные друг с другом в чередующемся порядке висмутовые и сурьмяные пластины. Один ряд спаев нагревался пламенем свечи, другой охлаждался льдом. Одним из первых применил термобатарею в качестве источника тока Георг Ом в 1826 году. К концу XIX века было изобретено большое число различных термобатарей, работавших от различных источников тепла. Заслуга Вестона в том, что он предложил в качестве источника солнечное тепло и использовал для запасания электроэнергии аккумуляторы.

В настоящее время подобные устройства называют термоэлектрическими генераторами (термоэлектрогенераторами). Они нашли своё применение, как правило, для работы в труднодоступных местах, где не требуется большая мощность. В частности, ими оснащают космические аппараты («Кассини», «Новые горизонты» и др.), уходящие в дальний космос, где нельзя использовать солнечные батареи. Они использую тепло радиоактивного распада (радиоизотопные источники).

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2024 год Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2024 год

Новые магнитные материалы для спинтроники и поиск противовирусных лекарств

Наука и жизнь
Город засыпает Город засыпает

Этот текст лучше любой колыбельной

Glamour
Вести из лабораторий и экспедиций Вести из лабораторий и экспедиций

Влияние оленей на климат и древнейшая находка орхидейного дерева

Наука и жизнь
Что мы чувствуем на самом деле, когда нам скучно Что мы чувствуем на самом деле, когда нам скучно

За скукой могут скрываться более серьезные и глубокие проблемы

Psychologies
Новое чувство космоса Новое чувство космоса

Теперь телескопы могут отслеживать колебания пространства-времени

ТехИнсайдер
8 лайфхаков, которые помогут тебе меньше пользоваться телефоном в течение дня 8 лайфхаков, которые помогут тебе меньше пользоваться телефоном в течение дня

Есть такая штука — цифровая зависимость, с ней надо бороться

Playboy
Процедура наращивания ресниц: виды, материалы и время процедуры Процедура наращивания ресниц: виды, материалы и время процедуры

Всё, что необходимо знать о наращивании ресниц в салонных или домашних условиях

Cosmopolitan
4 способа почистить зубы, когда под рукой нет зубной щетки 4 способа почистить зубы, когда под рукой нет зубной щетки

Как спасти свои зубы от кариеса, когда привычных средств под рукой нет?

Cosmopolitan
Как распечатать АЗ на принтере А4 на двух листах Как распечатать АЗ на принтере А4 на двух листах

Как распечатать на принтере А4 формат АЗ или даже изображение большего размера

CHIP
В поисках обхода «особого пути». Чем запомнятся уходящие 2010-е В поисках обхода «особого пути». Чем запомнятся уходящие 2010-е

Поставит ли история уходящему десятилетию больше «лайков» или «дислайков»

СНОБ
Таблетка для стартапера: как выдерживать высокие нагрузки и не сойти с ума Таблетка для стартапера: как выдерживать высокие нагрузки и не сойти с ума

Что делать предпринимателю, чтобы выдерживать нагрузки и оставаться эффективным?

Forbes
Новые законы – 2020 Новые законы – 2020

Рост минимальной оплаты труда, запреты на рыбалку, выплаты по уходу за ребенком

Лиза
Сил моих больше нет Сил моих больше нет

Мало кому из родителей нравится повышать голос на своих детей

Лиза
5 ситуаций, когда не стоит сохранять брак 5 ситуаций, когда не стоит сохранять брак

Мы жили в плену иллюзий, а на деле мы совсем разные люди

Psychologies
7 эпичных проигрышей в карты и казино 7 эпичных проигрышей в карты и казино

Азартные игры обогащают правителей и сводят с ума миллионеров и писателей

Maxim
Как правильно делать разминку лыжникам и сноубордистам Как правильно делать разминку лыжникам и сноубордистам

Почему ты, покатавшись всего пару раз, забросил сноуборд и лыжи на антресоли

Maxim
Созданы первые в мире роботы, состоящие только из живых клеток Созданы первые в мире роботы, состоящие только из живых клеток

Исследователям удалось собрать из живых клеток единую систему – биороботов

Популярная механика
11 способов приготовить еду по-новому: полезные лайфхаки 11 способов приготовить еду по-новому: полезные лайфхаки

Эти лайфхаки не только упростят, но и разнообразят рутинное приготовление пищи

Популярная механика
Понять и простить Понять и простить

Психологические травмы, нанесенные в раннем возрасте, сбивают ориентиры

Cosmopolitan
Итоги десятилетия: выхода нет. Почему нынешний российский режим ждет печальная судьба Итоги десятилетия: выхода нет. Почему нынешний российский режим ждет печальная судьба

Десять лет назад в России был другой президент и Твиттер был новинкой

СНОБ
Детский труд: 10 заменитых актеров, чья карьера началась задолго до 18-летия Детский труд: 10 заменитых актеров, чья карьера началась задолго до 18-летия

Их талант актёрской игры открылся еще в детстве

Cosmopolitan
Члены королевских семей, которые добровольно отказывались от статуса Члены королевских семей, которые добровольно отказывались от статуса

Кто из представителей монархии складывал с себя полномочия

Cosmopolitan
Наследников у вождей не бывает Наследников у вождей не бывает

25 мая 1922 года у Ленина случился удар. Казалось, он не выживет

Дилетант
Папу гложет Папу гложет

Проблема татлеровских отцов и детей в 2020‑м — передача состояний

Tatler
Четыре комнаты Четыре комнаты

«Если вы читаете этот текст, значит, я осталась в живых»

Tatler
Олег Целков: «Я хочу только рисовать и любить Тоню» Олег Целков: «Я хочу только рисовать и любить Тоню»

С родины его выслали за тунеядство

Караван историй
Дым отечества: как пожары сделали Россию и Австралию сестрами по несчастью Дым отечества: как пожары сделали Россию и Австралию сестрами по несчастью

Почему лесные пожары стали настолько значимы для общества

Forbes
Давай после праздников: почему можно не начинать новую жизнь с нового года Давай после праздников: почему можно не начинать новую жизнь с нового года

Почему возвращаться в обычную жизнь бывает так трудно

Forbes
«Он не зазнавшийся говнюк»: Юлия Снигирь — о Джуде Лоу и о том, как она попала на съемочную площадку «Нового папы» Соррентино «Он не зазнавшийся говнюк»: Юлия Снигирь — о Джуде Лоу и о том, как она попала на съемочную площадку «Нового папы» Соррентино

Как дочь телефонистки и тренера по шахматам попала к Паоло Соррентино

Esquire
Все могло быть иначе: Егор Гайдар и история российских реформ Все могло быть иначе: Егор Гайдар и история российских реформ

Амбициозность гайдаровской программы и трудности, с которыми она столкнулась

Forbes
Открыть в приложении