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

Наука и жизнь сто лет назад Наука и жизнь сто лет назад

Самолет без крыльев, регулирование уличного движения и радио-кино сто лет назад

Наука и жизнь
Евгения Степанова Евгения Степанова

Двукратная чемпионка СССР по прыжкам в воду вернулась в спорт в шестьдесят лет

Собака.ru
Наука в фантастике: эпизоды истории Наука в фантастике: эпизоды истории

Творчество Аркадия и Бориса Стругацких в контексте развития научных взглядов

Наука и жизнь
Тело помнит: что такое и как работает мышечная память Тело помнит: что такое и как работает мышечная память

О мышечной памяти и о том, как её состояние влияет на тренировки и общий тонус

Cosmopolitan
Почитать. Топ-10 Почитать. Топ-10

Книги о средневековых монахах, конце и начале времен и кругосветном атласе

Дилетант
5 заболеваний, которые может спровоцировать смартфон 5 заболеваний, которые может спровоцировать смартфон

Медики все чаще говорят о специфических заболеваниях, связанных со смартфонами

Популярная механика
Основатель бизнеса и его друг инвестор: как не поссориться и вместе заработать деньги Основатель бизнеса и его друг инвестор: как не поссориться и вместе заработать деньги

Как основателю бизнеса и инвестору избежать конфликта

Forbes
Как управлять файлами через CMD: cамые важные команды DOS Как управлять файлами через CMD: cамые важные команды DOS

С распространением Windows пользователи почти забыли о командах DOS

CHIP
Империя Чаек: как построили свой бизнес сыновья генпрокурора Империя Чаек: как построили свой бизнес сыновья генпрокурора

За годы сыновья Юрия Чайки построили настоящую бизнес-империю

Forbes
Марафонский финиш Марафонский финиш

Чем закончился 3-летний марафон с поиском дома для семьи ресторатора и продюсера

AD
Властелин обручального кольца: история единственной любви Дж. Р. Р. Толкина Властелин обручального кольца: история единственной любви Дж. Р. Р. Толкина

Его книги стали классикой, а фильмы по ним вошли в золотой фонд кинематографа

Psychologies
Остаться собой Остаться собой

Ирина Безрукова о внутренней гармонии, знании себя и своего организма

OK!
«Новый папа»: с чем Паоло Соррентино вернулся в Ватикан «Новый папа»: с чем Паоло Соррентино вернулся в Ватикан

11 января на «Амедиатеке» вышли первые две серии «Нового папы»

РБК
Как подсадить миллениалов на чипсы с солью и заработать 10 млн рублей за полгода. Бизнес-план «Пакета картошки» Как подсадить миллениалов на чипсы с солью и заработать 10 млн рублей за полгода. Бизнес-план «Пакета картошки»

«Пакет картошки» пытается переломить стереотип о чипсах как о вредном джанк-фуде

Forbes
Зачем людям деньги Зачем людям деньги

Как обучить детей финансовой грамотности и обеспечить их будущее

Robb Report
«Русский немец белокурый едет в дальнюю страну…» «Русский немец белокурый едет в дальнюю страну…»

Иногда при атрибуции портретов поиск приводит к двум кандидатам

Дилетант
Что такое биоревитализация: всё, что нужно знать о процедуре Что такое биоревитализация: всё, что нужно знать о процедуре

Биоревитализация: так ли она эффективна, как говорят?

Cosmopolitan
Как принц Гарри и Меган Маркл заработают $3 млн, которые нужны им для «финансовой независимости»? Как принц Гарри и Меган Маркл заработают $3 млн, которые нужны им для «финансовой независимости»?

Принцу Гарри и его супруге Меган нужно как минимум $3 млн в год на жизнь

Forbes
Удары судьбы: почему бриллианты переживают не самый блестящий период Удары судьбы: почему бриллианты переживают не самый блестящий период

Избыточное предложение редкого и уникального товара дало сбой для всей отрасли

Forbes
Если дома война: как изменить стиль общения с детьми Если дома война: как изменить стиль общения с детьми

Родителям иногда кажется, что они совершенно запутались в спорах

Psychologies
Как начать новый год правильно? Как начать новый год правильно?

Оказывается, мы сами не пускаем перемены в нашу жизнь

Cosmopolitan
В СССР секс есть: 10 фильмов, прорвавших «железный занавес» В СССР секс есть: 10 фильмов, прорвавших «железный занавес»

Эти картины прорвали занавес и дали людям увидеть мир чувственной радости

Cosmopolitan
Глубинный народ Глубинный народ

Жизнь буквально раздавила скатов

Вокруг света
Владимир Лисовский Владимир Лисовский

Знаменитый историк архитектуры, профессор рассказал о первой блокадной зиме

Собака.ru
12 самых дорогих фильмов в истории (на их создание ушли грандиозные суммы) 12 самых дорогих фильмов в истории (на их создание ушли грандиозные суммы)

Если у тебя есть полмиллиарда долларов, можно попробовать переснять «Мстителей»

Playboy
Как избежать появления растяжек? 7 полезных подсказок для спортсменов и не только Как избежать появления растяжек? 7 полезных подсказок для спортсменов и не только

Линии на теле, с которыми все пытаются бороться

Playboy
Бывший чиновник из России создал конкурента Tesla с оценкой €3 млрд. Почему его рано считать миллиардером? Бывший чиновник из России создал конкурента Tesla с оценкой €3 млрд. Почему его рано считать миллиардером?

Британская Arrival называет себя крупнейшим «единорогом» в Великобритании

Forbes
Вступление Александра Македонского в Вавилон Вступление Александра Македонского в Вавилон

Эта серия картин принесла Шарлю Лебрёну дворянский титул и пожизненную пенсию

Дилетант
Человеческий материал. Какие выводы мы должны извлечь из гибели украинского «Боинга» Человеческий материал. Какие выводы мы должны извлечь из гибели украинского «Боинга»

Есть ли у нас возможность хоть как-то помешать творцам большой истории

СНОБ
«Скрупулезный следователь»: кто сменит Юрия Чайку в Генпрокуратуре и чего от него ждать «Скрупулезный следователь»: кто сменит Юрия Чайку в Генпрокуратуре и чего от него ждать

Игорь Краснов стал кандидатом на пост генпрокурора

Forbes
Открыть в приложении