Ученика 9 «А» класса средней школы № 117 г. Н. Новгород. Учитель Пономарева М.Ю. 1998 г. ПЛАН Проблемы получения энергии. Фотон вместо бензина. Использование водородно-кислотного элемента. Ядерные процессы. Водородные двигатели. Использование традиционного топлива в новом качестве. Сейчас на человечество надвигается энергетический кризис, и пока официальная наука с прискорбием сообщает, что нет альтернативы традиционным источникам энергии - уголь, нефть, газ. Огромную часть энергии дают нам АЭС и ГЭС. Поговорим об АЭС. На них используется энергия, получающаяся в результате расщепления атомного ядра. Но год назад Владимир Машков в своих исследованиях предложил расщеплять не тяжелые атомы, а легчайшие элементарные частицы. Электроны и протоны будут превращаться в носители света – фотоны. При этом не образуется никаких осколков деления; вместо радиоактивных отходов мы получим энергию в чистом виде. На земле наступит экологический рай… Самый наглядный пример превращения элементарных частиц в фотоны с выделением энергии – это шаровая молния. Она может существовать несколько минут, потому что имеет источник энергии. Не будь его – шаровая молния сразу бы распалась. Но она представляет собой некий плазменный комплекс, в котором электрические и магнитные поля формируют взаимопереходящие друг в друга бегущие и стоячие волны. В результате часть свободных электронов внутри объема шаровой молнии разлагается в энергию фотонов под действием электрических полей. Фотонная энергетика открывает перед человечеством грандиозные перспективы. А, следовательно, уголь, нефть и газ перестанут использовать как топливо. На всех машинах установят источники фотонной энергии, горючим для которых станет атмосфера или кусок любого вещества. Вот такую идею предложил известный исследователь физических полей и строения микромира, заместитель главного инженера Таганрогского авиационного завода Владимир Машков. Но пока эти проекты не доступны и будут использоваться только в будущем, ну а сейчас уже ни у кого не остается сомнений, что человечество стоит на пороге эры нового топлива. А пока разрабатываются новые проекты источников энергии. Например, водородно-кислотная система, извлекающая энергию из воды путем электролиза. Проведем несложный опыт. В закрытый сосуд с разбавленным раствором серной кислоты погружены два платиновых электрода. Один из них обтекается водородом, другой - кислородом. Газы поступают из помещенных под электродами трубок, которые отделены друг от друга полунепроницаемой диафрагмой. Она препятствует прямому взаимодействию топлива, то есть водорода с кислородом. На аноде (положительном полюсе) молекулы водорода (Н2) благодаря каталитическому действию поверхности платины диссоциируют на два атома (2Н), которые переходят в раствор в виде ионов Н+, оставляя свои электроны на платиновом аноде. Водородные ионы легко проходят через полунепроницаемую диафрагму в другую половину сосуда, на катоде (отрицательный полюс) кислород соединяется с атомами водорода или с водородными ионами и электронами, образуя воду. Если соединить оба полюса топливного элемента, то свободные электроны двинутся по нему от катода к аноду - в цепи потечет электрический ток. _________________________________________________________ ПОТРЕБИТЕЛЬ АНОД + - КАТОД ЭЛЕКТРОЛИТ Н
ДИАФРАГМА Н2 О2 Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возможность реакций между атомами дейтерия (изотоп водорода). 2 D + 2 D = 1 H + 3 T В результате получается атомы трития и протия - изотопы водорода. К такой реакции неприменим закон сохранения массы, каким его представляла старая химия - в результате реакции получается недостача: 2x2.014102-1.007825-3.016049=0.00433Г Это немалая недостача, она означает, что если бы удалось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя молями тяжелого водорода, то согласно уравнению Эйнштейна E= mc2 можно было бы получить энергию:
0.00433x(3x1010)2Дж=3.9x1011Дж Это немалая энергия. В наше время, чтобы получить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много, ни мало 13,5 т первосортного угля. Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь 120, 6 кг. Что же мешает получать энергию из воды? Чтобы атомы могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнутся, то есть сблизится до расстояния, начиная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электрическое отталкивание - примерно 10-14м. Но ядра атомов защищены своими электронными оболочками. Это оболочки простираются на расстояния в десятки тысяч раз больше. А самое главное - ядра заряжены и отталкиваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия (в джоулях) двух ядер, на расстояние 10-14м, должна быть равна: Z1xZ2x(1.6x10-19)2x9x109 10-14
если между собой сталкиваются элементы с атомными номерами Z1 и Z2 . Можно найти и скорость, с которой должны столкнуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция:
Z1xZ2 V = 5.3x108x A
У дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2, следовательно, скорость атомов должна быть: V = 3,8 x 106 м/с или 3800 км/с, что в 475 раз больше 1-ой космической скорости. При обычной температуре физикам известна средняя скорость теплового движения у атомов дейтерия, она равна всего лишь 1,9 м /с. При комнатной температуре, равной примерно 239 К, кинетическая энергия молекул возрастает пропорционально термодинамической температуре, или, что то же самое, пропорционально квадрату скорости. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до температуры: 38002 Т = 293 х К = 1,2 х 109 К 1,92 Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия «нагретые» до температуры свыше миллиарда Кельвинов. Вот в этом то и заключается довольно серьезное затруднение для истинных героев науки - физиков. Весьма заманчива своей дешевизной оказалась идея двигателя внутреннего сгорания, использующего в качестве топлива водород. Такой мотор, потребляя водород и воздух, выбрасывает в качестве продукта горения воду. Американские исследователи Университета штата Оклахома приспособили для водорода классический бензиновый автомобильный двигатель. Оказалось, что при прямом впрыскивании водорода в цилиндры - как в дизельных двигателях - отпадает надобность в опережении зажигания. Как показал анализ выхлопных газов, окислы серы и углерода в них вообще отсутствуют, а окислы азота содержится лишь в незначительных количествах. Однако широкому применению водорода в качестве автомобильного топлива препятствует немало проблем, и самая трудная из них - топливные баки. На 10 кг водорода автомобиль может проехать столько же, сколько на 30 кг бензина, но такое количество газообразного водорода занимает объем 8000 л, а чтобы хранить его требуется прочный резервуар массой 1500 кг. Это натолкнуло конструкторов на мысль использовать сжиженный водород; тогда те же 10 кг водорода помещаются в баллоне массой 80 кг и емкостью 160 л. Но чтобы иметь водород в сжиженном состоянии, нужно поддерживать в баллоне температуру -2530С. Применять сосуды Дьюара было бы слишком дорого. Возможно, конструкторам удастся использовать какие-то варианты широко применяемых в настоящее время резервуаров для хранения жидкого топлива, у которых суточные потери на испарение не превышают 1,5%. Так, в экспериментальном автомобиле «Волга» смонтирован криогенный водородный бак общей массой 140 кг. Специалисты нашли и другое решение: бак можно изготовить из гидридов металлов сплавов магния, марганца, титана и железа, которые обладают тем преимуществом, что поглощают часть испаряющегося водорода, а
