Грозовая энергетика: сможет ли человек приручить молнию?
Мысль о том, что с каждым ударом молнии пропадают бесплатные и экологически чистые киловатты энергии, давно не дает ученым покоя. И хотя эксперименты с «ловлей» вспышек и транспортировкой энергии в сеть не увенчались значительным успехом, в разных странах продолжается изучение такого направления, как грозовая энергетика. «Моя энергия» проследила за ее эволюцией.
Первые опыты: от воздушных змеев до электрометра
Красота и мощь молний долгое время были для людей плохим предзнаменованием. Греки воспринимали вспышки в небе как «гнев Зевса», а древние скандинавы — как грозный молот разбушевавшегося царя Тора. И только последние несколько сотен лет молнию стали воспринимать как потенциальный источник энергии.
Одним из первых, кто озадачился «окультуриванием» грозовых разрядов, стал американский ученый и государственный деятель Бенджамин Франклин, доказавший, что они представляют собой сильный электрический разряд. В 1752 году ученый провел опыт, ознаменовавший собой новую эру в изучении этого природного явления и электричества. Он состоял в следующем: на крестовине змея была закреплена заостренная проволока, а к концу веревки привязаны ключ и лента, которую ученый удерживал рукой. Суть эксперимента состояла в том, что молния, ударив в змея, должна была пройти по намокшей от дождя ленте до ключа. В результате на конец ключа должен был «стекать» электрический разряд. Так Франклин доказал, что молния есть не что иное, как электрический разряд.
Опыт проводился из окна его дома, и изобретатель изолировал себя от возможного удара током. Ранее несколько ученых из Германии и Франции проводили подобные опыты и заплатили за них жизнью. Позже Франклин изобрел громоотвод и молниеотвод, но не стал патентовать изобретения. Одним из первых он выдвинул идею электродвигателя и предложил общепринятое ныне обозначение заряженных частиц как положительные и отрицательные — «+» и «-».
После успеха американского ученого началась новая эра в исследовании природы молнии.
Примерно в то же время исследованиями атмосферного электричества занимались русские ученые Михаил Ломоносов и его друг и соратник Георг Рихман. Вдвоем они провели массу опытов, но процесс затрудняло в том числе отсутствие какой-либо системы или шкалы оценок результатов. Известно, что Ломоносов характеризовал добываемые в ходе опытов искры как: «синеватые», «ясные синеватые», «весьма красные» и т.д.
Позже Рихман изобрел электрометр — прибор, который измеряет силу электрического заряда. Воодушевленный примером Франклина тандем ученых пытался повторить эти опыты. Оба великих энтузиаста обустроили дома самодельные устройства в виде выведенных на крышу железных прутьев с железной же линейкой, проволокой и шелковыми нитями.
Они «ловили грозу» летом 1753 года, готовясь выступить с результатами экспериментов на собрании Академии наук в сентябре. Времени оставалось мало, и они старались не пропускать ни одной грозы. 26 июля исследователи поспешили к установкам. В тот день Рихман, находившийся рядом со своим электрометром, погиб — в него ударила молния. Биографы до сих пор спорят, что это было: незаземленный прибор или несчастный случай в виде шаровой молнии, прилетевший в здание с улицы. Трагическая смерть Рихмана отпугнула многих российских ученых от опытов с электричеством. Несмотря на гибель коллеги Ломоносов продолжил работы и внес свой вклад в это направление науки. В результате многолетних изысканий ему удалось доказать, что восходящие и нисходящие вертикальные потоки воздуха электризуются от трения при движении. Так считают и до сих пор.
Современные эксперименты: как «поймать» молнию
Один из последних проектов, который в буквальном смысле прогремел в научной среде, представила американская компания Alternative Energy Holdings. Стартап презентовал прототип конструкции, которая позволяла улавливать молнию и адаптировать ее под параметры энергосетей. Разработчики подсчитали, что она сможет бесперебойно производить дешевое электричество — его стоимость оценивалась примерно в 0,005 долларов. Однако триумф был недолгим: опыты показали, что схема не работает.
Ряд зарубежных «грозовых» экспериментов сегодня связан с использованием импульсных лазерных лучей мощностью в сотни милливатт для захвата электрических разрядов в воздухе. Метод основан на использовании маломощного непрерывного луча, который улавливает и переносит светопоглощающие частицы. Ученые предполагают, что лазер может нагреть воздух, образуя канал с высокой проводимостью — своего рода невидимый провод, по которому и устремится молния. Однако пока физикам не удалось сконструировать лазерную установку необходимой мощности и габаритов, которая может управлять молнией. Существующие устройства умеют лишь увеличивать частоту разрядов, бьющих из одной тучи в другую, но не в землю.
Важный шаг в изучении энергии молнии сделали в 2013 году ученые из британского университета Саутгемптон. Исследователи смоделировали искусственную вспышку, которая полностью повторяла разряд молнии с напряжением более 200 киловольт.
С помощью специального оборудования ученые не только «поймали» ее, но и направили на трансформатор, с которого осуществлялась зарядка аккумулятора телефона Nokia Lumia 925. Ток удалось стабилизировать, а телефон полностью зарядить за пару минут.
Эксперименты в замкнутом пространстве проводятся и с шаровой молнией. Ученые в лабораторных условиях опускают в воду электрод и подают на него высоковольтный импульс, в результате чего вылетает искусственная шаровая молния. Правда, за доли секунды она гаснет, и люди пока не придумали, как удержать ее.
Почему это сложно
«Охоту» на молнию осложняют несколько факторов.Предсказать время и место очередной грозы трудно, а ставить «ловушки» наобум — слишком дорого. Вместе с тем, если человечество научилось проводить ветромониторинг местности и измерять инсоляцию, возможно, скоро появится и подробная карта территорий с высокой грозовой активностью. Подвижки в этом направлении уже есть. Так, исследования NASA показали, что в некоторых уголках планеты за год происходит до 70 ударов молнии на 1 кв. км. Если верить другому исследованию климатологов, наблюдавших 16 лет за грозами в разных частях Земли, больше всего «стрелы Зевса» любят озеро Маракайбо в Венесуэле — ночные грозы на нем происходят почти круглый год — 297 дней. Спутники отследили, что средняя частота ударов молний на площади в 1 кв. км может достигать десятков тысяч раз в год или примерно 90 молний в день.
Всего ученые насчитали около 500 мест в мире с высокой частотой ударов молний — более 50 в год на квадратный метр. Почти половина из этого списка находится в Африке, во впадине Конго. Кроме того, молнии часто бьют в прибрежных зонах Кубы, Саудовской Аравии и Йемена. Грозы также чаще других мест наблюдаются в горных районах, в рекордсменах — Анды, Сьерра-Мадре, высокогорья Камерунской линии, горы Митумба, Гималаи, хребты Индонезии и Папуа Новой Гвинеи. Что касается времени — грозы на суше чаще случаются после полудня, а над водой — ночью.
На «ловлю» заряда есть всего доли секунд, и современному оборудованию пока это не под силу: сверхмощные конденсаторы, способные справиться с такой задачей, не созданы, а их расчетная стоимость будет крайне высока. И это сводит на нет все фантазии о дешевой энергии, которая буквально сваливается прямо с неба. Так как плотность заряженных ионов снижается по мере приближения разряда к земле, то есть молния, говоря простым языком, теряет свою силу, улавливающее оборудование нужно будет поднять на большую высоту.
Отсюда возникает другая проблема — молния может образоваться самопроизвольно, и нужно научиться предотвращать это, контролируя заряд. В противном случае оборудование выйдет из строя. Наконец, при условии, что энергию удалось уловить, то встает еще одна сложность — ее нужно адаптировать к обычной сети на 220В.
Если ученым все же удастся «приручить» грозовой разряд, тысячи молний, ежедневно вспыхивающих на небе в разных частях света, смогут решить проблему энергодефицита на всей планете. Учитывая, что грозовая энергетика относится к альтернативной, или возобновляемой — у нее есть все шансы занять свою нишу. Дело за малым — изобрести «ловушки» и направить энергию в общую сеть.