В девятнадцатом и начале двадцатого веков большое количество исследователей исследовали способы извлечения электроэнергии из окружающего электрического поля Земли.
Лидером в этой области был доктор Герман Плаусон, которому в 1920-х годах удалось генерировать значительные количества электроэнергии, сравнимые с современными солнечными фотоэлектрическими системами аналогичного масштаба.
Хорошо известно, что в атмосфере и молниях присутствует большое количество электрической энергии. Молния была одной из первых форм электричества, которую в наше время использовал Бенджамин Франклин в своем знаменитом эксперименте с воздушным змеем. Франклин разработал ряд электростатических двигателей, а также громоотвод для защиты зданий.
Разряд молнии содержит порядка 10 10 Джоулей энергии. Было предложено несколько идей и концепций сбора молний как источника энергии. Было подсчитано, что общая электрическая мощность молний на Земле составляет порядка 10 12 Вт.
Молния — это лишь малая часть общей электрической активности атмосферы. Когда локальное накопление заряда над Землей превышает локальный потенциал пробоя атмосферы, происходит разряд молнии. Однако по всей поверхности земного шара днем и ночью происходит непрерывный невидимый поток заряда из ионосферы на Землю, во много раз превышающий глобальную мощность молнии. Именно этот поток можно использовать и направлять для получения полезной электроэнергии.
Технический подход
Суть улавливания атмосферного электричества заключается в использовании естественного градиента электростатического потенциала Земли для электрического заряда батареи конденсаторов или управления электростатическим двигателем/машиной параметрического преобразования.
Затем электричество снимается с конденсаторов (или конденсаторов, если использовать старый термин) нагрузкой по мере необходимости. Альтернативно, устройство параметрического преобразования преобразует статическое атмосферное электричество в обычный переменный ток.
Хорошо известно, что электростатические двигатели могут неограниченно приводиться в движение атмосферным электрическим полем от соответствующей антенны и заземления.
Чтобы преобразовать это «статическое» потенциальное поле в полезную электроэнергию, антенну или коллектор поднимают на подходящую высоту. Собранный статический заряд затем используется для зарядки конденсаторной батареи или привода электростатического параметрического генератора, который преобразует статический заряд в переменный ток.
Оптимальная конструкция антенны или коллектора имеет важное значение. Можно считать, что антенна работает по тому же принципу, что и генератор Ван де Граафа. Вместо непрерывной транспортировки заряда от генератора по ремню к терминалу, заряд транспортируется от земли к терминалу посредством физического соединения. Затем терминал заряжается так же, как генератор ВДГ.
Исторические исследования
Лидером в этой области перед Второй мировой войной, судя по всему, был доктор Герман Плаузон. Доктор Плаусон был гражданином Эстонии, проживавшим в Гамбурге и Швейцарии. Он проводил в Финляндии эксперименты с аэростатами, изготовленными из магниево-алюминиевого сплава, покрытыми электролитически нанесенными иглами. Иглы были дополнительно легированы соединением радия для увеличения местной ионизации воздуха. (Это была эпоха, когда стрелки часов вручную окрашивались радием, чтобы они светились в темноте). На аэростаты также были нанесены накладки из цинковой амальгамы. Плаусон получил выходную мощность от 0,72 до 3,4 кВт от одного и двух аэростатов на высоте 300 м над уровнем земли. Доктор Плаусон подал патенты в США, Великобритании и Германии в 1920-х годах. Его книга «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» представляет собой наиболее подробное известное описание этой технологии. Великобритания и Германия в 1920-е годы. Его книга «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» представляет собой наиболее подробное известное описание этой технологии. Великобритания и Германия в 1920-е годы. Его книга «Gewinnung und Verwertung der Atmosphärischen Elektrizität» представляет собой наиболее подробное известное описание этой технологии.
Среди других исследователей атмосферного электричества, современников доктора Плаусона, были Уолтер Пеннок и М.В. Дьюи в США, Андор Паленцсар в Венгрии и доктор Генрих Рудольф в Германии. Ипполит Шарль Вион в Париже предшествовал им всем, выдвинув предложения в 1850-х и 1860-х годах.
Генрих Рудольф внес интересный вклад в конструкцию аэростатов-коллекторов. В 1898 году он сконструировал эллиптический аэростат, состоящий из граненых поверхностей, чтобы минимизировать влияние ветра. Конструкция очень напоминает проект беспилотного вертолетного БПЛА UCARS компании Northrop 2003 года. В конструкции используется эффект Коанда , который помогает удерживать аэростат на месте и минимизировать воздействие ветра.
В последнее время единственным человеком, который проявлял активность в этой области, является доктор Олег Ефименко. Доктор Ефименко проводил эксперименты по приведению в действие электростатических двигателей от электрического поля Земли в 1970-х годах и недавно призвал возобновить исследования в забытой области электростатических двигателей.
Исследовательская программа МИР
От простой цинковой антенны низкого уровня (высотой 5 м) мы можем получить заряд, достаточный для освещения нескольких мощных белых светодиодов. Дальнейшие экспериментальные исследования с использованием металлических коллекторов аэростатов и концепций резонансных замедляющих волн антенн продолжаются.
В развивающихся странах реализуется ряд программ по обеспечению отдаленных населенных пунктов светодиодным освещением вместо обычных ламп накаливания. Светодиоды — очень эффективный способ обеспечить освещение при минимальных требованиях к электроэнергии. Атмосферное электричество идеально подходит для питания бытового светодиодного освещения или неонового освещения с низким энергопотреблением.
На основании наших экспериментальных испытаний и более ранних исследований Плаусона, Ефименко и других есть все основания полагать, что атмосферное электричество сможет обеспечить практически полезные уровни электроэнергии, особенно подходящие для автономных применений в развивающихся странах.
Преимущества атмосферного электричества
- Простая и надежная технология
- Низкая стоимость технологии - намного дешевле, чем фотоэлектрические или ветряные турбины.
- Доступен днем и ночью при любых погодных условиях — фактически ночью вырабатывается больше электроэнергии, чем днем.
- Доступен в любой точке поверхности Земли
Теоретические основы
Конечным источником получения полезной электроэнергии из атмосферы является Солнце.
Солнце непрерывно излучает солнечный ветер из положительно заряженных частиц; они захватываются магнитным полем Земли и создают ионосферу, сильно заряженную область над атмосферой.
Эта положительно заряженная область, в свою очередь, индуцирует (за счет электростатической индукции) отрицательный заряд на поверхности Земли. Земля фактически становится огромным сферическим конденсатором. Таким образом, между двумя «обкладками» этого конденсатора, ионосферой (или электросферой) и поверхностью, устанавливается градиент потенциала или электрическое поле. В то время как верхние слои атмосферы достаточно хорошо проводят электричество, нижние уровни действуют как изолятор или диэлектрик.
У поверхности Земли этот потенциальный градиент составляет порядка 100 Вм -1 летом и возрастает до 300 Вм -1 зимой.
В хорошую погоду из атмосферы в землю непрерывно текут токи силой порядка 1000 ампер. В неспокойную погоду течение может быть значительно выше. По мере того, как заряд стекает на Землю, электросфера пополняется солнечным ветром.
Если мы вставим коллектор для перехвата и сбора части этого потока, ничего не потеряется, поскольку после использования в нагрузке или цепи заряд будет отправлен на землю. При тщательном проектировании мы можем использовать антенну с замедляющей волновой структурой, которая действует так, как будто она намного больше ее реальных физических размеров (т. е. электрически мала), чтобы улавливать большее количество заряда и усиливать входной сигнал. Таким образом, мы можем эффективно применять всасывающее давление к электросфере, чтобы ускорить и усилить локальный естественный поток заряда. поскольку мы фактически «пробиваем дырку проводником» в диэлектрике атмосферы, чтобы соединить две «обкладки» конденсатора вместе. По мере истощения заряда электросфера будет просто пополняться огромным количеством заряда, переносимого солнечным ветром.
В конечном счете, даже если из-за какой-то огромной потребности в электроэнергии в будущем мы оголим часть ионосферы, закоротив ее на землю через огромный проводник, это просто создаст потенциальную дыру, которая немедленно привлечет больше солнечного ветра, чтобы заполнить ее. Инженерные разработки в таких масштабах, конечно, выходят далеко за рамки наших возможностей, поэтому не следует беспокоиться об «истощении» ионосферы.
Перевод материала сайта: meridian-int-res.com