Ученые придумали, как добывать энергию из холода
На протяжении всей своей истории человечество регулярно искало новые источники добычи энергии. После паровых машин и эпохи продуктов нефтепереработки и двигателей внутреннего сгорания, люди придумали, как использовать энергию солнца. Активно ведутся разработки в области электродвигателей и систем, работающих на чистом водороде. Но практически все это, если так можно выразиться, «горячие» процессы. А можно ли добывать энергию из холода? Звучит как нечто невероятное? Вовсе нет!
Добывать энергию из холода? Нет ничего невозможного!
Как добыть энергию из холода?
Как сообщает редакция издания Scitechdaily, за новую разработку отвечают ученые из Университета Лос-Анджелеса и Стэндфордского университета. По словам авторов работы, их устройство может использовать темное время суток (а также в перспективе и холод космического пространства) для создания возобновляемого источника энергии. О подобных разработках мы регулярно сообщаем в нашем новостном канале в Телеграм, так что рекоменудем подписаться.
Мы считаем, что наша технология позволит использовать те же солнечные батареи более эффективно, — говорит один из разработчиков технологии Аасват Раман. Мы сможем добывать часть энергии в темное время суток, когда у вас нет доступа к солнечному свету. Конечно, солнечную или любую другую энергию, накопленную за день, можно запасать. Но гораздо выгоднее дополнить этот процесс системами, которые помогают добывать энергию и ночью.
Новое устройство работает благодаря, так называемому, термоэлектрическому эффекту. Если попытаться объяснить суть этого эффекта, не вдаваясь в сложные физические термины, то он возникает в результате взаимодействия двух материалов с разной температурой. Если правильно расположить эти элементы друг относительно друга, то изменение температуры на границе взаимодействия можно будет преобразовать в энергию. При этом похожие системы довольно давно существуют, но их производство очень сложно «отбить по деньгам», так как при создании используются достаточно дорогие материалы.
Исходя их этого, ученые спроектировали свое устройство таким образом, чтобы при их создании использовались максимально простые и дешевые компоненты. В основе экспериментального генератора энергии лежит алюминиевый диск, помещенный в корпус из полистирола. Сверху диск прикрыт окном, которое пропускает инфракрасный и ультрафиолетовый свет, но не выделяет тепло обратно. Сама конструкция по размерам оказалась довольно небольшой, поэтому для тестов к ней подсоединили маленький светодиод.
Схема работы экспериментальной установки
В результате выяснилось, что когда температура воздуха опускается ниже нуля, теплый алюминиевый диск начинает взаимодействовать с холодом, исходящим со стороны окошка. Разность температур позволяет генерировать примерно 0,8 милливатт мощности, что соответствует 25 милливаттам на квадратный метр. Этого хватило для того, чтобы небольшой светодиод работал довольно продолжительное время без дополнительных источников питания.
Команда ученых считает, что их система довольно легко подвергается масштабированию и уже сейчас им по силам сделать установку, которая будет выдавать порядка 500 милливатт на квадратный метр. Этого уже будет достаточно для, скажем, освещения помещений в темное время суток. В то же время эксперты заверяют, что помимо освещения в вечерние и ночные часы, их устройство подойдет для выработки электроэнергии «везде, где это необходимо», в том числе и в условиях космического пространства.
В Швейцарии разработали технологию, позволяющую аккумулировать тепло летом и использовать его зимой
Желание человечества получить экологически чистый источник энергии позволяет выдумывать все новые и более изощренные механизмы. Но группа ученых из Швейцарии решила пойти еще дальше и создала технологию, которая способна забирать избыток тепла, когда тепло (летом), сохранять его и использовать в будущем. Кроме того, вещество, хранящее энергию, может быть перемещено туда, где в данный момент в нем есть необходимость.
Веществом, благодаря которому и запасается энергия, является обыкновенный 50-процентный раствор гидроксида натрия, а в самой системе использован ряд узлов и компонентов, позволяющих ей собирать, преобразовывать, хранить и высвобождать тепловую энергию с максимальной эффективностью. Суть работы заключается в том, что когда в сухую смесь гидроксида натрия попадает влага, происходит экзотермическая реакция с выделением энергии в виде тепла, если же раствор гидроксида натрия подвергается воздействию высокой температуры, к примеру, от солнечных лучей, то вода из раствора выпаривается, а сам он таким образом накапливает тепловую энергию. Раствор с высокой концентрацией, помещенный в специальные емкости, может сохраняться сколь угодно долго, а емкости с раствором достаточно просто транспортировать туда, куда необходимо.
Раствор заключен в систему спиральных трубок, упакованных в теплообменники. Эти теплообменники устроены так, что раствор контактирует с водяным паром, поглощая его и разогреваясь до более высокой температуры. В ходе ряда опытов ученым удалось установить, что снижение концентрации раствора с 50 до 30 процентов нагревает объем этого раствора до температуры в 50 градусов Цельсия, чего вполне достаточно для организации отопления.
В настоящий момент исследователи уже собрали опытный образец и сейчас ищут партнеров, которые будут готовы предложить финансирование для создания потребительского продукта. Кстати говоря, созданный швейцарцами источник энергии разработан в рамках проекта COMTES, конечной целью которого является разработка эффективного устройства аккумулирования солнечной энергии.
Тепло из холода
We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy I accept
Обычно мы имеем дело с процессами, в которых тепло перетекает от горячего тела к холодному. Однако формулы термодинамики убеждают нас в том, что возможны явления, при которых тепло течет в обратном направлении, — когда оно, образно говоря, извлекается из холода.
Используя такие явления, наши дома можно обогревать за счет охлаждения наружного воздуха. С первого взгляда это кажется просто невероятным! Правда, чтобы привести в действие такие «высасывающие тепло» устройства, нужно затратить некоторое количество энергии. Тем не менее с учетом тепла, выделяющегося при выполнении этой работы, энергетический баланс оказывается положительным.
Если это так, то, казалось бы, перед нами открываются фантастические перспективы — к нашим услугам практически неисчерпаемый океан экологически чистой энергии земной атмосферы, а если заглянуть чуть дальше, то и безбрежного космоса с размазанным там остаточным теплом первичного взрыва. В последние годы появилось немало книг и статей, пропагандирующих такую технологию. Почему же тогда мы медлим и не строим батареи тепловых насосов? Виновата наша инертность, как говорится, руки не доходят — или туг есть какие-то подводные камни?
Вопрос о направлении тепловых потоков важен не только с практической точки зрения. Он связан с прогнозами дальнейшей эволюции Вселенной, когда будут исчерпаны, превратившись в тепло, все источники энергии и, если верить космологическим предсказаниям, безгранично расширяющийся Мир перейдет в состояние теплового покоя вблизи абсолютного нуля температур. Философы утверждают, что ни один процесс, ни одно состояние не могут быть вечными и в силу каких-то, возможно, не вполне ясных нам сегодня причин непременно сменятся качественно иными.
Трудно сказать, что это будет. Может, произойдет скачок на энергетически более низкий уровень вакуума, как уже не раз было в истории нашей Вселенной, и Мир в очередной раз разогреется. Или станут важными квантовые процессы обмена энергией с соседними вселенными, у которых иной тепловой уровень. А нельзя ли с помощью тепловых насосов, по крайней мере в какой-то ограниченной области, повернуть вспять эволюцию Вселенной, осуществив, пока она еще далека от нулевой температуры, вечный круговорот тепла и энергии?
Два самых важных закона
О том, что энергия не возникает «из ничего», не может исчезнуть без следа и лишь «переливается» из одной формы в другую, сегодня знает каждый школьник. В вечный двигатель, который работал бы «сам по себе», без притока энергии, мало кто верит. Тем не менее всегда находятся энтузиасты, уверенные в том, что наши знания не полны и может найтись область, где «все не так». Нужно сказать, что наука многим обязана энтузиастам-дилетантам. Ими были открыты новые кометы, юрист Ферма сформулировал теорему, над доказательством которой несколько столетий бились самые выдающиеся математики, а солдат из далекого дальневосточного гарнизона первым придумал способ удержания плазмы в термоядерных устройствах.
Плохо другое — когда не считаются с законами там, где они хорошо проверены. Например, один наш упорный многолетний корреспондент, гордо называющий себя экспертом по вечным двигателям, раз за разом присылает проекты устройств, противоречащие элементарным законам механики, и жалуется во все мыслимые инстанции на то, что его не хотят понять[ 1 Покойный академик В.А. Фок рассказывал. что однажды ему пришлось обращаться даже к адмиралу, чтобы избавиться от комиссий, проверявших жалобы чрезмерно настойчивого моряка-энтузиаста!].
Конечно, абсолютных законов, верных всегда и повсюду, не существует. Природа слишком сложна и многогранна, чтобы ко всем явлениям, в том числе и к тем, которые только еще предстоит открыть, были бы заведомо применимы известные нам понятия и законы. Это относится и к закону сохранения энергии. Так, микрочастицы могут испускать частички материи, которые тяжелее их самих, — явление, казалось бы, несовместимое со здравым смыслом и заведомо невозможное в рамках классической ньютоновской физики. Но это становится возможным за пределами классической физики на очень короткое время, такое короткое, что, не успев отойти на сколь-нибудь значительное расстояние, они поглощаются обратно. Ньютон и Ломоносов, возможно, сказали бы, что на малых расстояниях царит энергетический хаос. В глубинах микромира могут стать неверными многие представления, кажущиеся нам сегодня очевидными.
Еще одна область, где может быть неверным закон сохранения энергии, это — сильные гравитационные поля. Если верить Общей теории относительности Эйнштейна, то понятия энергии там просто не существует, поэтому и о законе ее сохранения там говорить не имеет смысла. Можно, конечно, сомневаться в справедливости самой этой теории, но это уже другой вопрос[ 2 См. об этом статью одного из авторов в январском номере «ЗС» за 2003 год.].
Рис. 1. Кольцор Лазарева.
Два сообщающихся сосуда.
В левом уровень жидкости ограничен пористой пробкой и воздушной прослойкой между нею и жидкостью. Это прослойке играет важную роль в механизме просачивания падающей сверху капли.
Однако если исключить ультрамалые расстояния, окрестности черных дыр и других объектов с огромными полями тяготения, то закон сохранения энергии можно считать строгим и, как говорил Ломоносов, сколько в одном месте убудет, ровно на столько в другом месте прибудет.
А нельзя ли на проблему вечного двигателя взглянуть с несколько иной стороны — не нарушая закон сохранения энергии, попытаться концентрировать для повторного использования тепловую энергию, равномерно или почти равномерно распределенную в окружающей среде? В воде или в воздухе, ведь их температура даже в самые сильные морозы намного выше абсолютного нуля (минус 273 градуса по Цельсию)? Практически бесконечный, неисчерпаемый резервуар тепла.
И вот туг мы встречаемся с еще одним фундаментальным законом природы. Если закон сохранения энергии количественно характеризует ее трансформацию, то другой закон определяет направление этой трансформации. Он говорит, что любой вид энергии стремится стать менее концентрированным, так сказать, размазаться, расплыться по окружающей среде. Обратный процесс происходит лишь под действием внешних сил. Например, электромагнитная волна всегда стремится рассеяться в пространстве, тепло само по себе течет лишь от более нагретого тела к менее нагретому. В то же время заморозить продукты в домашнем холодильнике, «перелив» их тепло в более нафетый воздух комнаты, можно лишь с помощью силы, включив электродвигатель. Сам по себе подобный процесс никогда не происходит.
Физическая причина такой асимметрии состоит в том, что всякий обладающий избыточной энергией объект, взаимодействуя с окружающими телами, делится с ними своей энергией. Вероятность обратного события, когда воздействия окружающих тел вдруг сложатся таким образом, что их сумма станет энергетически более мощной, очень мала. Число переходов в состояния с меньшей энергией всегда больше, чем в обратном направлении. Импульсы хаотически движущихся молекул асфальтовой дорожки, на которой лежит кирпич, могут сложиться и забросить его на крынгу соседнего дома, однако и пятнадцати миллиардов лет жизни нашей Вселенной не хватит, чтобы такой феномен мог с достоверностью произойти хотя бы один раз.
Можно сказать, что эволюция любой независимой, предоставленной самой себе системы протекает по линии наименьшего сопротивления. Любая попытка сместить систему с этой «линии» требует внешнего вмешательства. Этот закон природы называют вторым началом, предполагая, что первое — это закон сохранения энергии.
Но вроде бы есть масса исключений.
Если с первым началом сегодня мало кто станет спорить, то второе часто вызывает сомнения. Наверное, многие помнят популярную несколько лет назад телепрограмму Димы Диброва. На его столе всегда стояла игрушка с непрерывно вращающимися лопастями то в одну сторону, то в другую. Стоит подсоединить их к заводному устройству, и можно построить, например, «вечные» часы (их можно купить в магазине) или какой-либо другой концентратор рассеянной энергии, ее случайных флуктуаций.
Еще один весьма впечатляющий концентратор рассеянной энергии — кольцар Лазарева (так он называется по имени своего изобретателя, новосибирского инженера). Это — цилиндр с пористой перегородкой, под которой находится воздушный пузырь, а ниже жидкость, например обычная вода, заполняющая сообщающуюся с цилиндром вертикальную трубку (рис. 1). Жидкость заполняет ее до уровня чуть-чуть выше горизонтального колена. Стоит капле жидкости упасть на пористую перегородку, она просачивается сквозь нее, повышая уровень жидкости в присоединенной трубке. Это порождает новую каплю в цилиндре и так далее. Такой прибор нетрудно изготовить самому, и он будет работать месяцами, пока не понизится уровень жидкости благодаря ее постепенному испарению. В принципе, под капли можно поставить что-то вроде мельничного колеса и аккумулировать концентрируемую энергию. Конечно, она очень мала, но нам сейчас важна сама принципиальная возможность.
Объяснить безостановочный круговорот жидкости в кольцаре труднее, чем работу «вечных часов». Причиной могут быть спорадические вздрагивания основания прибора, случайные перепады атмосферного давления и так далее. Существует несколько теорий на этот счет.
Известно еще несколько конструкций подобных устройств. Они действительно собирают рассеянную энергию, однако абсолютно независимыми, работающими сами по себе такие устройства назвать нельзя. Их приводят в действие слабые внешние воздействия, хотя и не целенаправленные. Такие концентраторы второе начало не нарушают. Если их изолировать от внешних воздействий, например, поместить в термостат с крепкими стенками и виброзащитним основанием, где все флуктуации только на уровне молекулярных тепловых шумов, они, не имея энергетической подпитки, замирают.
То, что второе начало не мешает концентрации рассеянной энергии в офаниченных частях большой системы, возможно, имеет важные космологические следствия, так как не исключено, что собирающие энергию метастабильные образования могут существовать и в космосе, влияя на происходящие там процессы. Гипотеза с первого взгляда довольно фантастическая, но кто знает.
Второе начало запрещает создание концентраторов, аккумулирующих энергию флуктуаций в системах с установившимся тепловым равновесием и флуктуаций на уровне тепловых шумов, когда флуктуации молекулярной структуры самих концентраторов такого же порядка величины. Как же тогда быть с «тепловыми насосами», отапливающими помещения как раз за счет «высасывания» равновесного (молекулярного) тепла окружающей среды? Такие установки с мощностью в несколько киловатт уже созданы.
Паровая машина и тепловой насос
Чтобы получить представление о том, как действует тепловой насос, вспомним известную еще со школы паровую машину. Если забыть о конструктивных особенностях, то, с принципиальной точки зрения, паровая машина и тепловой насос различаются тем, какая температура выше — при расширении или в процессе сжатия пара в рабочем цилиндре. Тепловой насос при каждом цикле, включающем расширение и сжатие, часть энергии внешней среды, содержащейся в расширившемся газе, оставляет в рабочем цилиндре как бесплатную добавку к теплу, в которое трансформировалась энергия внешнего двигателя.
Теорию паровой машины и ее зеркального отражения — теплового насоса — 175 лет назад создал французский инженер Сади Карно. Эти два режима часто называют прямым и обратным циклами Карно. Сегодня существует огромное количество конструкций тепловых машин, и все они подчиняются этой теории, которая говорит, что эффективность машины, ее КПД тем выше, чем больше разность температур, при которых происходят расширение и сжатие в рабочем объеме. А вот тепловой насос работает с наибольшим КПД, то есть с максимальным переносом тепла при наименьшей затрате энергии приводящего его в действие двигателя, когда разность температур расширения и сжатия минимштьна и обе они достаточно высоки. Такие условия — в тропиках, где тепловой насос мало полезен. Там важнее обратный процесс — охлаждение помещений. Однако и в холодном климате, для которого характерны большие перепады температур, тепловые насосы, тем не менее, могут быть весьма эффективны. Если для жилых помещений нужна температура в 20 градусов, то для многих подсобных помещений — гаражей, складов — вполне достаточно 5—10 градусов, а для овощехранилищ — всего лишь несколько градусов выше нуля. Для такого низкотемпературного обогрева, особенно в условиях не слишком холодных зим, вполне пригодны тепловые насосы.
Изатекая из окружающей среды рассеянное там тепло, тепловые насосы увеличивают наши энергоресурсы. При этом возвращается и однажды уже отработанное тепло. Казалось бы, это позволяет создать нескончаемый круговорот энергии — своеобразный маятник, когда сброшенное при работе паровой машины тепло вновь возвращается тепловым насосом, и все это повторяется раз за разом. Однако, как и механический маятник, такой закольцованный процесс будет постепенно затухать, поскольку благодаря трению и другим диссипативным процессам часть тепла будет уходить из кольца, рассеиваться в окружающей среде, и для ее компенсации, чтобы безостановочно работал мотор, приводящий в действие тепловой насос, необходим приток энергии со стороны. Увеличивая энергоресурсы, тепловые насосы, тем не менее, не спасают Мир от энергетического «увядания».
Недавно одного из авторов пригласили на демонстрацию очень простого по своей конструкции устройства, разделявшего засасываемый с улицы холодный воздух на две струи холодную, которая выпускалась наружу, и теплую, обогревавшую небольшой дачный домик. Это так называемая вихревая труба, изобретенная французским инженером Ранке. Небольшой компрессор вдувает тонкую струю наружного воздуха по касательной к внутренней поверхности трубы (рис. 2). Периферическая, близкая к стенкам вихреобразно вращающаяся часть струи нагревается и через узкую щель между трубой и конусообразной пробкой выходит в обогреваемое помещение. В обратном направлении течет и сквозь небольшое отверстие выхолит наружу охлажденный поток воздуха. Разогрев периферической струи можно приписать трению о стенки и на границе при встрече с центральным воздушным потоком. Труднее объяснить, почему понижается температура потока. Предложено несколько гипотез, но общепринятой теории пока нет. Однако установка растает и действительно обогревает помещение, хотя экономическая выгода от такого способа обогрева незначительна.
Есть случаи, когда тепловой насос может дать ощутимый экономический эффект. На тепловых и атомных электростанциях происходит сброс огромных масс воды, использованных для охлаждения системы. Ее температура — около 25 градусов по Цельсию — достаточно высока, чтобы попытаться утилизировать ее с помощью тепловых насосов. Конечно, КГ1Д мал, но благодаря очень большому объему сбрасываемой воды это может оказаться экономически оправданным, особенно если принять во внимание экологические соображения.
Вихревая трубе Ранке. Заначиваемый в трубу воздух (или жидкость) расщепляется на две струи — вихревую периферическую и движущуюся е обратном направлении ламинарную. Из узкой кольцевой щели выходит нагретый воздух; из отверстия в заслонке на противоположном конце трубы — охлажденный.
Тепловые насосы Вселенной
У американского гшеателя-фантаста Азимова есть роман о том, как изучавшие вакуум ученые неожиданно для себя обнаружили энергетический кана!, соединяющий нашу Вселенную с соседней, о существовании которой ранее и не догадывались. По этому канату можно было перекачивать тепло и другие виды энергии. Благодаря разнице энергетических уровней вакуума канал фойтанировал энергией, подобно мощной газовой скважине, и вскоре такие каналы — тепловые проколы Вселенной — стали использоваться для приведения в действие различных машин и механизмов. Читатель, желающий узнать, к каким экологическим катаклизмам это привело в обеих вселенных и почему их обитателям пришлось договариваться о строительстве тепловых насосов для обратной перекачки тепла, может обратиться к роману Азимова, мы же хотим заметить, что, несмотря на всю фантастичность сюжета, идея энергетических проколов в соседние вселенные, возможно, имеет связь с реальностью.
Изучение так называемых суперсимметричных теорий подсказывает, что наряду с нашей, не исключено, существует еще перекрывающаяся с ней «теневая» Вселенная, вещество которой взаимодействует с нашим лишь посредством гравитационных сил. Слои и сгустки теневой материи, возможно, пронизывают нашу Вселенную, но мы их просто не замечаем. Мир-невидимка. Однако гравитационная связь остается, и с помощью сил тяготения можно создать канал перекачки.
Пока гипотеза теневого мира остается умозрительной, и далеко не все физики ее разделяют. Никаких следов теневого вещества, по крайней мере в окрестностях Солнечной системы, до сих пор не обнаружено, хотя они, как показывают расчеты, должны бы проявить себя изменением силовых полей внутри Солнца, что сказалось бы на его температуре и светимости. Возможно, теневая материя прячется в скоплениях таинственного, не излучающего свет вещества, о существовании которого недавно стало известно по создаваемым им сильным полям тяготения. Так что, кто знает, возможно, наша Вселенная еще будет черпать тепло из космического холода соседей! Достижения науки фантастичнее любого романа, особенно если учесть, что наблюдения астрономов и расчеты астрофизиков доказывают, что Вселенная более чем на 90 процентов состоит именно из такого непонятного для нас вещества. Несмотря на поразительные успехи последних десятилетий, следует признать, что наука делает еще только первые шаги в познании космоса, и тут нас ждут потрясающие сюрпризы.
Есть немало интересных вопросов, касающихся взаимоотношений тепла и холода во Вселенной. Например, мы уверены, что -273 градуса по Цельсию — абсолютный минимум температуры, когда прекращаются все тепловые. молекулярные движения. В современном мире это так, однако квантовая теория говорит, что в первые минуты после рождения нашего Мира в катаклизме Первичного Взрыва вакуум был несравненно более «густым». По мере остывания он переходил в менее плотные состояния. Такой «обвал» произошел, когда от первородной праматерии отщепились кванты гравитационного поля, которое в то время было чрезвычайно сильным, а последний раз — когда один из сортов элементарных частиц распался на наблюдаемые сегодня кванты электромагнитного поля и очень тяжелые кванты, так называемые Z- и W-бозоны. Но, может, существует какой-то еще более глубокий уровень, и тогда наши представления о судьбах Мира будут иными.
Стрела времени и Второе Начало
Время — самое фундаментальное, интуитивно понятное каждому и вместе с тем крайне трудно определимое понятие. Что мы знаем о нем? До начала прошлого века — почти ничего. Следуя Ньютону, физики рассматривали время как абсолютную, неизменную, однонаправленную длительность (хотя что такое «длительность», оставалось за скобками). Философы определяли время как всеобщую форму существования материи, однако едва ли это проясняет суть дела и порождает массу вопросов. Сегодня, после создания теории относительности и многочисленных экспериментов, известно, что время может сжиматься, растягиваться и даже искриачяться. Вот, пожалуй, и все.
Понятию времени посвящены сотни научных и богословских статей, толстые книги. Однако все определения времени, по существу, являются пояснениями научным языком простого и очевидного факта: время — это наиболее общая характеристика всякого изменения. Дальше пока продвинуться не удается.
Плоскость двумерного времени.
Вселенная эволюционирует вдоль определенной траектории.
Ощущаемое нами одномерное время — длина этой траектории.
Скорость течения времени, его темп — это такое же изначальное свойство нашего мира, как величина заряда электрона, массы элементарных частиц, скорость света и другие фундаментальные константы. В другом мире они могут быть совершенно иными. Голубая мечта физиков — найти Уравнения Мира, решая которые можно было бы предсказывать и изучать свойства иных миров.
В физических теориях, как в кино, время можно направить вспять. Это потому, что число учитываемых тел и параметров их взаимодействий конечно. Если конечное число заменить понятием «много», как это имеет место в реальной жизни, где любая частица имеет неизмеримо офомное количество связей, которые нельзя все сразу направить вспять, время становится необратимым. Так возникает «стрела времени» — эволюция Вселенной идет в сторону дезинтефации материальных структур и диссипации энергии. Вот это свойство природы физики формулируют как Второе Начало.
Конечно, такая дезиншграционная эволюция в полной мере характерна лишь для больших почти изолированных пространственно-временных интервалов. В их локальных областях, где часты макроскопические флуктуации, возможны, вопреки Второму Начату, усложнения структур и концентрация рассеянной энергии. Локально любой тепловой насос — нарушение Второго Начала, тем не менее это не означает изменения направления временной стрелы, которая определяется всей совокупностью изменений. Так, в микроскопических процессах взаимодействия элементарных частиц благодаря квантовому соотношению неопределенностей время вообще оказывается неопределенным, но общая временная стрела, синхронизирующая различные микро- и макрособытия, остается неизменной.
В последние годы возник еще один интригующий вопрос о свойствах времени и направлении эволюции. Если существует множество независимых вселенных, то почему у них должна быть одна и та же стрела времени? Не логичнее ли предположить, что каждая из них имеет свое направление времени и свое Второе Начато? Другими словами, не является ли время, подобно пространству, многомерным, и мы по ряду причин просто не видим его дополнительных осей (рис. 3)? Вопрос крайне интересный, но это — уже предмет следующей статьи.
Как получить тепло из холода с помощью тепловых труб и капиллярных явлений
Статья из белорусской республиканской газеты «Звязда» в переводе на русский язык.
Представьте многоэтажку, да не просто многоэтажку, а целый небоскреб, который бы отапливался. энергией грунта (геотермальной энергией). И для этого совсем не надо «сажать» такой дом на разломе геологических плит, у жерла вулкана. Горячие батареи и теплые полы на всех этажах за счет энергии земли можно обеспечить и в наших широтах. Главное — знать, как правильно подойти к делу и какую технологию применить. Весь секрет — в тепловых трубах.
Простая физика
Все мы помним из школы о трех физических состояниях воды — твердое, жидкое и газообразное (пар). Знаем, что при нагревании жидкость становится газом, а тот, когда остывает, конденсируется в жидкость. На этом простом эффекте и основан принцип действия тепловой трубы. Внутри закрытой трубки из сверхпроводящего металла (например, меди) находится жидкость, которая легко выпаривается. Один конец трубки нагревается. Перенос тепла происходит за счет того, что жидкость выпаривается на горячем боку трубки, поглощая тепло выпаривания, и конденсируется на холодной, после чего стекает на горячую сторону.
Если трубка полая, то сконденсированная жидкость возвращается в зону испарения под воздействием силы тяжести (такая трубка будет работать только в вертикальном или близком к нему состоянии). Внутри современных тепловых трубок находится наполнитель. Такие трубки работают практически в любом положении, так как для возвращения жидкости в зону испарения используются капиллярные силы (такой же капиллярный эффект можно увидеть, если положить губку в лужу, — вода наполнит поры губки).
Основной принцип действия тепловых труб, основанный на использовании гравитации, был изобретен еще в век пара. Современные концепции, которые базируются на использовании капиллярного эффекта, были предложены Р. С. Гауглером из General Motors в 1942 году. Позже он запатентовал эту идею. Независимо от него преимущества капиллярных систем были продемонстрированы Джорджем Гровером из Los Alamos National Laboratory в 1963-м.
Сегодня над совершенствованием тепловых труб работают ученые всего мира. Круг применения этой технологии исключительно широкий — от космических аппаратов до холодильников. Свой значительный вклад в развитие этого научного направления внесли и белорусы. Про наиболее интересные и перспективные отечественные разработки наш корреспондент побеседовал с основателем научной школы в области тепловых труб в нашей стране, заведующим лабораторией пористых сред Института тепло- и массообмена имени Лыкова НАН Беларуси, лауреатом Госпремии и премии Совета Министров СССР, президентом ассоциации стран СНГ «Тепловые трубы», владельцем престижной международной награды — золотой медали Гровера — профессором Леонардом Васильевым.
Система термобезопасности
— Если говорить упрощенно, тепловая труба — это аналог сверхпроводника электричества, по которому электроэнергия передается без потерь на расстояние, — пояснил Леонард Леонидович. — Здесь мы имеем дело с тепловым сверхпроводником, который без потерь передает на расстояние (причем довольно значительное — в сотни метров) тепловую энергию.
Сейчас в мире активно разрабатываются проекты с применением тепловых труб, которые позволяют эффективно использовать энергию альтернативных и возобновляемых источников энергии, в частности, грунта. Уже осуществляются конкретные работы по передаче тепловой энергии из глубин земли на поверхность для того, чтобы обогревать многоэтажные здания за счет геотермальной энергии.
В общем, с помощью тепловых труб мы можем охлаждать, нагревать и регулировать температуру в пределах необходимой. И все это может осуществляться в самом широком температурном диапазоне. Такие сверхпроводники тепла могут использоваться как при температурах, близких к абсолютному нулю (в таких тепловых трубках применяются сверхтекучий гелий, жидкий водород), так и при высоких температурах (тогда наполнителями становятся щелочные металлы — натрий, калий). Температурный диапазон составляет 1000 градусов.
Наиболее дешевый и доступный наполнитель — вода. Именно она применяется во всех теплообменных устройствах, используемых для нашего комфорта (например, в системах отопления помещений), в технологических процессах (таких как сушка, термообработка пищевых продуктов) и т.д.
По словам ученого, тепловые трубы абсолютно вне конкуренции, когда речь идет об охлаждении электроники, в первую очередь компьютеров: подавляющее большинство ПК имеет систему охлаждения на тепловых трубах. То же касается и космических аппаратов: практически все искусственные спутники Земли имеют систему теплорегулирования на тепловых трубах.
— Электроника не любит высоких температур, — рассказал профессор. — Допустим диапазон нагрева электронных приборов составляет 100-120 градусов, поэтому очень важно гарантировать отсутствие перегрева и выхода электроники из строя. Что и делают тепловые трубы, создавая своеобразную «систему термобезопасности».
Для большей наглядности Леонард Леонидович демонстрирует различные образцы тепловых труб. Вот алюминиевая труба для космических аппаратов, которая охлаждает электронику. На одном ее конце крепится электроника, а второй контактирует с радиатором, через который излишки тепловой энергии «выбрасываются» в космос. Изнутри труба имеет капиллярную структуру — бороздки, которые заполняются жидким аммиаком или пропиленом. А вот тепловая труба для использования в компьютере — гораздо меньших размеров, медная, с никелевым напылением. В общем, по конструкции тепловые трубы могут быть самыми разными. Сегодня существует несколько десятков вариантов.
«Ледяные дороги» и не только
За годы работы сотрудники лаборатории пористых сред под руководством профессора Васильева разработали и внедрили в народное хозяйство десятки новых конструкций тепловых труб, испарителей, конденсаторов и устройств для их применения, основными из которых можно назвать тепловые трубы для нагрева, охлаждения и терморегулирования радиоэлектронной аппаратуры, литейных форм, аккумуляторов электричества, шахтных, защищенных от взрыва трансформаторов; термопластификаторов деталей машин и медицинских вращающихся приборов; тепловые трубы для работы в зоне вечной мерзлоты, в теплицах при намерзании ледяных опор в шахтах и т.д. Получили около 300 авторских свидетельств СССР на изобретения, 12 зарубежных патентов, 6 патентов Республики Беларусь.
Леонард Леонидович листает большой фотоальбом, где размещены фотографии разработок лаборатории за разные годы. Вот, например, удивительное фото: длинные тепловые трубы, наполовину закопанные в болото. Вокруг — пустота. Зачем они там? Оказалось, это «ледяные дороги» (тепловые трубы, которые использовались в Сибири для замораживания болот, чтобы по ним можно было проехать тягачам; зимой трубы отводили тепло грунта, и болото замерзало).
Вот еще одно интересное применение тепловых труб — на железнодорожных «стрелках». Зимой на стрелочных переводах может появиться наледь, образуется риск плохого смыкания, что может обернуться аварией. А если под стрелку подвести тепловую трубу в несколько метров и закопать ее в землю, то благодаря теплу земли можно обеспечить подогрев стрелки и избежать обледенения. Обходчику не нужно раз за разом долбить лед. Просто и эффективно.
Активные и пассивные
— В последнее время в научном мире много разговоров ведется про нанотехнологии. В частности, об использовании в тепловых трубах наножидкостей (жидкостей с исключительно малыми размерами частиц), — рассказывает заведующий лабораторией. — В тепловой трубе каким-то образом нужно создать капиллярную структуру. Если мы применим наножидкость, то сможем создать наиболее оптимальный пористый рельеф на внутренней поверхности трубы. Тогда тепловой обмен будет максимально эффективным.
Это очень полезно для медицины: с помощью микрошунтов можно будет понижать или повышать температуру человеческого тела, проводить бескровные операции, воздействовать на энергоактивные точки тела (локально нагревать или охлаждать).
Замечу, что мы только приходим к использованию искусственно созданных микротепловых труб, а в природе они существуют в естественном состоянии (система терморегулирования скота и человека осуществляется по принципу микротепловых труб).
Еще одно интересное направление, которое вспомнил профессор, — сорбционные тепловые трубы, где помимо обычного капиллярного фитиля есть еще и сорбент — пористое вещество, позволяющее связывать молекулы пара в твердом состоянии. В такой трубе работает несколько сил: капиллярные и сорбционные, соответственно получается двойной тепловой эффект.
— Можно передавать вдвое большую энергию, чем в обычных тепловых трубах, — добавил Леонард Васильев. — Кроме того, это уже тепловые трубы активного терморегулирования, в отличие от обычных — с пассивным терморегулированием. Появляется возможность активно использовать тепло для получения холода (например, в космических аппаратах).
Короче говоря, разработок много. Дело — за внедрением. Нужны инвестиции, которые бы дали возможность внедрять на наших предприятиях новые технологии и оборудование. А научный потенциал у нас, слава Богу, есть.
Инга Миндалёва. Газета «Звязда», 28 января 2012 года.
Оригинал на белорусском языке: zvyazda.minsk.by/ru/archive/article.php?id=92453&idate=2012-01-28
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии