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

В зиму на выходные В зиму на выходные

Зимой мне очень хочется зимы — настоящей, морозной и снежной

Наука и жизнь
Старк и Лувр Старк и Лувр

У парижского отеля–паласа Le Meurice масса достоинств

SALON-Interior
7 вопросов Александру Сосланду, психотерапевту. О панике и карантине 7 вопросов Александру Сосланду, психотерапевту. О панике и карантине

О том, насколько опасны панические явления

Русский репортер
«Для миллениалов это может сработать»: как устроена работа сервиса «Яндекс.Лавка» «Для миллениалов это может сработать»: как устроена работа сервиса «Яндекс.Лавка»

«Яндекс.Лавка» осваивает рынок доставки продуктов питания

Forbes
Чёрный передел: версия 1939 года Чёрный передел: версия 1939 года

Секретный протокол к Пакту о ненападении

Дилетант
Необходимая оборона: что значит переквалификация обвинения сестрам Хачатурян Необходимая оборона: что значит переквалификация обвинения сестрам Хачатурян

Сестрам Хачатурян переквалифицируют обвинение с убийства на необходимую оборону

Forbes
Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Альтернативный гид по Милану Альтернативный гид по Милану

Гид по Милану, в котором мы не забыли даже о роскошных итальянских женщинах

GQ
Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф Трагедия Эйнштейна, или счастливый Сизиф

Кто самый великий физик?

Наука и жизнь
Аномальные нейтрино из глубин космоса: физики недоумевают Аномальные нейтрино из глубин космоса: физики недоумевают

Физики развернули целую кампанию по поиску этих неуловимых частиц

Популярная механика
Распилить все поровну Распилить все поровну

Мадагаскар – одна из беднейших стран в мире

Вокруг света
Как просить подарки и не быть меркантильной — рассказывает психолог Как просить подарки и не быть меркантильной — рассказывает психолог

Впереди гендерные праздники и мы рискуем пополнить наши запасы плюшевых медведей

Cosmopolitan
Два века путешествий Два века путешествий

Русское географическое общество и его архив – собрание редчайших документов

Вокруг света
Рецепт счастья: как быстро избавиться от похмелья Рецепт счастья: как быстро избавиться от похмелья

Что делать, если роскошное застолье все же сопровождалось чрезмерным возлиянием

Cosmopolitan
Боксёрские перчатки узника №136954 Боксёрские перчатки узника №136954

Саламо Арух, уроженец Салоники, был схвачен нацистами в мае 1943 года

Дилетант
Что скрыто в сыворотках? Что скрыто в сыворотках?

10 самых популярных вопросов о сыворотках для лица

Лиза
Как выбрать горшок для цветов: лайфхаки для создания оазиса в доме Как выбрать горшок для цветов: лайфхаки для создания оазиса в доме

Эти рекомендации помогут создать уют в доме

Cosmopolitan
Stop-слово Stop-слово

Утомляемость, мигрени, неправильный прикус — часто это связано с проблемами ног

Добрые советы
Четыре шага, которые сближают нас с партнером Четыре шага, которые сближают нас с партнером

Нет гарантии, что отношения никогда не омрачатся ссорами и непониманием

Psychologies
Проклятие труда: научно-популярная статья о лени и бездельниках Проклятие труда: научно-популярная статья о лени и бездельниках

Лень — мать всех пороков и сестра гениальности

Maxim
Зачем людям деньги Зачем людям деньги

Как обучить детей финансовой грамотности и обеспечить их будущее

Robb Report
Как экс-борец создал сервис для кадровиков, который за 6 лет подорожал на 1800% и сделал основателя миллиардером Как экс-борец создал сервис для кадровиков, который за 6 лет подорожал на 1800% и сделал основателя миллиардером

Как создавался сервис, который упрощает компаниям расчеты с работниками

Forbes
5 шагов к музыкальной карьере от молодой певицы и композитора 5 шагов к музыкальной карьере от молодой певицы и композитора

Упорство, коммуникабельность и безграничный оптимизм помогут достичь многого

Cosmopolitan
С Бродвея на экран: 5 фильмов, которые сначала были мюзиклами С Бродвея на экран: 5 фильмов, которые сначала были мюзиклами

Как появились самые успешные экранизации бродвейских постановок

РБК
Не бойся, я с тобой! Не бойся, я с тобой!

Ольга Бочкова создала профессиональную Академию детской безопасности

Домашний Очаг
«Никто никогда мне ничего не дарил»: миллиардер Алишер Усманов дал интервью FT «Никто никогда мне ничего не дарил»: миллиардер Алишер Усманов дал интервью FT

Российский миллиардер Алишер Усманов впервые за десять с лишним лет дал интервью

Forbes
Вызов на ковер Вызов на ковер

Получив приглашение на «Оскар», беритесь за телефон

Tatler
«Я зарабатываю сама»: Елизавета Пескова о доходах от своего инстаграма, учебе во Франции и разоблачениях Навального «Я зарабатываю сама»: Елизавета Пескова о доходах от своего инстаграма, учебе во Франции и разоблачениях Навального

Интервью с дочерью пресс-секретаря президента Елизаветой Песковой

Forbes
Лучшие документальные фильмы Netflix Лучшие документальные фильмы Netflix

Собрали для вас самые интересные работы, на которые не жалко потратить время.

GQ
Иван Сорокин: От детского сада до вуза. Как меняется эффективность частного образования в России Иван Сорокин: От детского сада до вуза. Как меняется эффективность частного образования в России

Многие родители считают, что ребенка следует обучать чуть ли не с пеленок

СНОБ
Открыть в приложении