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

Био-механизм Био-механизм

Пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете

Вокруг света
Бой с тенью: тренировки по боксу в домашних условиях Бой с тенью: тренировки по боксу в домашних условиях

Бокс развивает выносливость и силу, «подсушивает» тело

Cosmopolitan
Мария Бочкарёва. Крестьянка-поручица Мария Бочкарёва. Крестьянка-поручица

Мария Бочкарёва была из тех русских женщин, которые коня на скаку остановят

Дилетант
Голоса в голове Голоса в голове

Из каких субличностей состоит человеческое «Я»?

Psychologies
Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
«Почему зимой мы болеем чаще?»: 7 частых вопросов про иммунитет «Почему зимой мы болеем чаще?»: 7 частых вопросов про иммунитет

Как выжить зимой без простуды и всем ли нужны иммуномодуляторы

Cosmopolitan
В зиму на выходные В зиму на выходные

Зимой мне очень хочется зимы — настоящей, морозной и снежной

Наука и жизнь
Спасибо, что продержались. Какое наследие оставило правительство Дмитрия Медведева Спасибо, что продержались. Какое наследие оставило правительство Дмитрия Медведева

Какое наследие оставил медведевский кабинет своим преемникам в Белом доме?

Forbes
От чего умер Ленин? От чего умер Ленин?

На момент смерти Ленину было всего 53 года. На здоровье он никогда не жаловался

Дилетант
#пронауку: как мозг принимает решения без нашего участия #пронауку: как мозг принимает решения без нашего участия

Мозг — сложнейшая система, которая до сих пор полностью не изучена

РБК
Глава 1: Москва Глава 1: Москва

Ты говорил, город – сила. А здесь слабые все

Esquire
Вышел из сумерек Вышел из сумерек

Актер Роберт Паттинсон об искренности на съемочной площадке и взрослении

Vogue
Вторжение Вторжение

Здесь делают самую продвинутую графику для мирового кинематографа

Популярная механика
8 тайных фантазий девушек, о которых они почти никогда не рассказывают 8 тайных фантазий девушек, о которых они почти никогда не рассказывают

Да — есть вещи, которые девушки... обычно не предлагают

Playboy
Снип-снап-снурре, пурре базелюрре! Снип-снап-снурре, пурре базелюрре!

Попробуем разобраться, что означает веселая присказка из пьесы Евгения Шварца

Наука и жизнь
Творческий путь Айзека Азимова: 100 лет знаменитому фантасту Творческий путь Айзека Азимова: 100 лет знаменитому фантасту

О жизни и ключевых работах писателя Айзека Азимова

Популярная механика
Как работает медицина в разных странах Как работает медицина в разных странах

Правда ли, что в Европе и США лечиться лучше?

СНОБ
7 эффектных способов показать свою силу 7 эффектных способов показать свою силу

С нашей помощью ты освоишь трюки, которые помогут тебе казаться сильнее

Maxim
Чужие документы: что делать, если инспектор перепутал права водителей Чужие документы: что делать, если инспектор перепутал права водителей

Автомобилист чуть не остался без водительских прав из-за ошибки инспектора ГИБДД

РБК

Перед нами веселый приключенческий роман, замешанный на историческом контексте

Esquire
Фамильные ссоры: почему Джоли, Робертс и другие не общаются со звездной родней Фамильные ссоры: почему Джоли, Робертс и другие не общаются со звездной родней

Порой знаменитости тоже сводят общение с некоторыми близкими к минимуму

Cosmopolitan
Расслабься и получай удовольствие: 7 поз с веревками и путами Расслабься и получай удовольствие: 7 поз с веревками и путами

Связать кого-то или позволить кому-то связать себя — это большое доверие

Cosmopolitan
Правило №49. Как отдохнуть после развода Правило №49. Как отдохнуть после развода

Алексей Ситников готов составить девушке компанию в круизе по реке слез

Tatler
10 крупнейших технологических ошибок в истории 10 крупнейших технологических ошибок в истории

Ошибаются все, но некоторые ошибки приводят к более серьёзным последствиям

Популярная механика
Рефлекс Рефлекс

Георгий Васильев о том, почему он вошел в зал «Норд-Оста» во время теракта

Русский репортер
Как правильно пить джин: самые интересные способы и идеальная закуска Как правильно пить джин: самые интересные способы и идеальная закуска

Как пить джин, чтобы получить максимальное удовольствие от этого напитка?

Playboy
Таблетки от обжорства Таблетки от обжорства

Как правильно принимать ферменты

Лиза
Дрянная девчонка Дрянная девчонка

От сериала «Дрянь» до бондианы — история успеха Фиби Уоллер-Бридж

Vogue
Кинотеатр «Юность» Кинотеатр «Юность»

Кинокритики хвалят Тимоти Шаламе за игру, редакторы моды — за стиль

Glamour
«Наш дом в огне-2»: о чем Грета Тунберг рассказала в Давосе «Наш дом в огне-2»: о чем Грета Тунберг рассказала в Давосе

Активистка Грета Тунберг обвинила политическую элиту в даче пустых обещаний

Forbes
Открыть в приложении