«Капсулу» – в жидкий гелий
Нет, не получилось из конденсатора полноценной «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда, – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.
Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к аккумуляторной батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того, чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки тогда, когда питание от батареи уже не поступало? Похоже, эта энергия накапливалась в магнитном поле в то время, когда лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.
Итак, вот он – очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.
Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все бОльшая и бОльшая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!
Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, – вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?
Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных сведений.
Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,1 градуса, она полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.
В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не нашли. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.
В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию; в таком кольце ее примерно в семь раз больше, чем в равной по объему батарее конденсаторов.
Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.
Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде – была накоплена энергия в 10 кДж. Плотность энергии накопителя составляла около 40 кДж/кг.
До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как… механическая прочность.
Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовляют проволоку для кольца, увы, совсем непрочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение энергии высокой плотности.
Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь поверхности какого-либо тела пропорциональна квадрату его размеров, а объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.
Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе.
Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными лишь тогда, когда запас энергии в них превышает 1 млн МДж. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в России способны запасать только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн. Чуть больше подобные накопители за рубежом.
Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего?
В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 м и высотой свыше 20 м. Сечение обмотки – 17 м. Криостат заполняют жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключают в медные или алюминиевые оболочки и усиливают прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 кА (килоампер), а плотность тока достигает огромной величины – 3 кА на 1 мм2сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 млн МДж энергии.
Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 МДж нужно автомобилю для прохождения пути в 100 км. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 км, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания 100 тыс. такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.
Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, привлекательны они пока только на бумаге. Слишком много в них уязвимых мест.
Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем восполнить расход на его непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный.
Но это еще куда ни шло, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, распорки надо проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и чутко реагирует на их изменение. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее!
И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, – неизвестно.
Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда уже в недалеком будущем подобные накопители станут реальным хранилищем энергии. Кое-что сделано уже сегодня – получены сверхпроводники, способные работать при гораздо более высоких – «азотных» – температурах. Прилагаются немалые усилия, чтобы отыскать такие материалы, чьи сверхпроводящие свойства проявлялись бы при комнатных температурах. Но как бы ни развивалось данное направление энергетики, задача создания простой, емкой, надежной «энергетической капсулы», которую к тому же можно было бы разместить на автомобиле, по-прежнему остается чрезвычайно актуальной. Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно непригодны в качестве источника энергии для автомобиля.
Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к аккумуляторной батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того, чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки тогда, когда питание от батареи уже не поступало? Похоже, эта энергия накапливалась в магнитном поле в то время, когда лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.
Итак, вот он – очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.
Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все бОльшая и бОльшая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!
Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, – вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?
Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных сведений.
Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,1 градуса, она полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.
В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не нашли. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.
В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию; в таком кольце ее примерно в семь раз больше, чем в равной по объему батарее конденсаторов.
Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.
Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде – была накоплена энергия в 10 кДж. Плотность энергии накопителя составляла около 40 кДж/кг.
До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как… механическая прочность.
Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовляют проволоку для кольца, увы, совсем непрочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение энергии высокой плотности.
Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь поверхности какого-либо тела пропорциональна квадрату его размеров, а объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.
Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе.
Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными лишь тогда, когда запас энергии в них превышает 1 млн МДж. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в России способны запасать только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн. Чуть больше подобные накопители за рубежом.
Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего?
В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 м и высотой свыше 20 м. Сечение обмотки – 17 м. Криостат заполняют жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключают в медные или алюминиевые оболочки и усиливают прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 кА (килоампер), а плотность тока достигает огромной величины – 3 кА на 1 мм2сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 млн МДж энергии.
Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 МДж нужно автомобилю для прохождения пути в 100 км. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 км, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания 100 тыс. такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.
Сверхпроводящий накопитель в разрезе
Немецкие ученые спроектировали накопитель диаметром 250 м и высотой 50—70 м. Криостат с жидким гелием и помещенной в него обмоткой из титан-ниобиевого сплава упрячут под землю. Под стать размерам и предполагаемая энергия накопителя. В своем проекте немецкие ученые собираются применить интересное новшество – огромные нагрузки, действующие на обмотку, они намерены частично «переложить» на грунт, в который будет зарыт накопитель. Специальные распорки должны будут «упираться» в корпус криостата, а он, в свою очередь, – в окружающие его породы.Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, привлекательны они пока только на бумаге. Слишком много в них уязвимых мест.
Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем восполнить расход на его непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный.
Но это еще куда ни шло, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, распорки надо проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и чутко реагирует на их изменение. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее!
И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, – неизвестно.
Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда уже в недалеком будущем подобные накопители станут реальным хранилищем энергии. Кое-что сделано уже сегодня – получены сверхпроводники, способные работать при гораздо более высоких – «азотных» – температурах. Прилагаются немалые усилия, чтобы отыскать такие материалы, чьи сверхпроводящие свойства проявлялись бы при комнатных температурах. Но как бы ни развивалось данное направление энергетики, задача создания простой, емкой, надежной «энергетической капсулы», которую к тому же можно было бы разместить на автомобиле, по-прежнему остается чрезвычайно актуальной. Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно непригодны в качестве источника энергии для автомобиля.
Плюс химия
Теперь мне стало ясно, почему на автомобили устанавливают обычные электроаккумуляторы, а не конденсаторы или сверхпроводящие магниты.
Действительно, автомобильные аккумуляторы могут месяцами хранить энергию, причем в достаточно большом количестве. Я сам видел, как иногда автомобили «гоняют на стартере»: включают стартер, питаемый от аккумуляторов, вроде бы для заводки двигателя, но привода на колеса при этом не отключают, как положено по инструкции, – и машина катит по улице. А ведь энергия аккумулятора здесь расходуется не только на движение автомобиля, но и на прокрутку двигателя. Не будь этой прокрутки, автомобиль смог бы пройти «на стартере» больше километра – настолько велика емкость аккумуляторов. Похоже, известные всем нам автомобильные электроаккумуляторы пока ближе всего к «энергетической капсуле».
Позвольте, но так ли уж они известны? Однажды ко мне пришел знакомый мальчик лет шести и в разговоре сказал, что знает, как устроен телевизор. На мой вопрос, может ли он нарисовать его схему, мальчик ответил утвердительно. Однако удивление мое быстро прошло, когда вместо схемы он изобразил переднюю панель телевизора. «Это экран, это ручка громкости, это яркость…» – перечислял он.
Вот так же и я представлял себе электроаккумулятор – пластмассовый ящик с клеммами, внутри которого находятся пластины и кислота, часто называемая «аккумуляторной». Что происходит внутри аккумулятора, каким образом он накапливает энергию – все это было мне невдомек.
Оказалось, что я не одинок в своем неведении. Никто из водителей, которых я расспрашивал о принципе работы аккумулятора, не дал вразумительного ответа. Мне говорили: он накапливает энергию потому, что к клеммам подсоединяется генератор или выпрямитель, которые и подают в аккумулятор ток. После этого уже сам аккумулятор становится источником тока до тех пор, пока не разрядится. Вроде бы понятно. А почему таким свойством обладает именно аккумулятор, а не кирпич, например? Да потому, дескать, что он так устроен.
Этих сведений мне было явно недостаточно. Пришлось в который раз сесть за книги.
История электроаккумуляторов берет начало со знаменитого опыта, проделанного итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1799 году. Ученый опустил медный и цинковый электроды в разбавленную серную кислоту и обнаружил, что между электродами возникла разность потенциалов. Соединив электроды проводником – проволочкой, Вольта получил электрический ток. Тем самым он доказал, что различные металлы, помещенные в растворы кислот, образуют источник тока.
Это был первый в мире гальванический элемент, названный так в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани, который еще до Вольты заметил появление тока при взаимодействии двух разных металлов, замыкаемых через живую ткань – лапку препарированной лягушки. Гальвани, правда, считал, что это электричество «животное» и вырабатывается оно мышцами.
Правда, есть сведения, что гальванические элементы существовали и в древности. Во время археологических раскопок были найдены глиняные кувшины с напоминающими электроды цилиндрами из разных металлов, причем некоторые ученые считают, что электролитом тогда служили вино или уксус. И будто бы с помощью этих элементов древние мастера умели делать гальванические покрытия: например, наносили тончайшую пленку золота или серебра на украшения.
Элемент Вольты давал очень маленькое напряжение. Чтобы повысить его, стали изготавливать батареи из медных и цинковых пластин, переложенных прокладками, смоченными серной кислотой. Батареи эти, названные вольтовыми столбами, обеспечивали уже достаточно большое напряжение. После Вольты немало ученых – Жорж Лекланше, Якоб Даниэль, Вильям Грове и
Угольный электрод
Если через разряженную сухую батарею особыми импульсами пропустить ток, ее можно вновь «оживить». Эту операцию порой проделывают по несколько раз. Однако она ненадолго восстанавливает элемент.
Постойте-постойте… Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?
Оказывается, и так и не так. Прежде всего, не каждый гальванический элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например с элементом, который состоит из двух электролитов. Таков элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановишь.
Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию. Но процесс накопления столь неэкономичен и неэффективен, что многие считают подзарядку таких элементов неоправданной. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо «переносить» процесс зарядки. И этого наконец удалось добиться в середине XIX века.
В 1859 году французский ученый и инженер Гастон Планте провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Планте построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Планте подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что гальванический элемент сам стал вырабатывать электроток и при этом выделять почти всю энергию, затраченную на его зарядку. Зарядку можно было повторять много раз: элемент неизменно работал исправно и не разрушался, подобно сухим батареям.
Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором.
Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Планте? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, – выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, – выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится в тот момент, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.
Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.
Ясно, что энергия в таком аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, как в предыдущих накопителях электрической энергии, а в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, нежели в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах и электромагнитах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.
Мне очень хотелось узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности. Однажды я упросил одного знакомого водителя включить стартер, питаемый, как известно, от аккумулятора, при не включенном двигателе. Двигатель, естественно, не завелся, а секунд через 15—20 стартер начал сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановился. Было полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Я думал, водитель рассердится, скажет, мол, видишь, к чему привели твои опыты. Но он неторопливо выключил стартер, а потом, спустя пару минут, снова включил его. Стартер заработал! Откуда взялись «силы» у аккумулятора? Не мог же он, как живое существо, «отдохнуть»!
В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похожи. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы силы восстановились. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать без спешки, неторопливо, с постоянной, но умеренной нагрузкой. Например, если попытаться бегом подняться на 20-й этаж дома, – без остановок это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и с остановками усталость будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особых усилий.
Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая находится в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.
Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы – это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов – обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на килограмм массы аккумулятора, так называемая удельная мощность, или иначе – плотность мощности.
Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота – опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона. Знаменитый изобретатель «всех времен и народов» Томас Алва Эдисонбыл моим кумиром. Я очень хотел походить на него стремлением к цели и работоспособностью, правда, не всегда удачно мне это удавалось.
В аккумуляторах Эдисона электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20%-ный раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.
На некоторых спутниках связи, космических станциях и даже в бытовых приборах применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие, до -60 °С, температуры. Они характеризуются плотностью накапливаемой энергии, в пять раз большей, чем кислотные аккумуляторы, а плотностью мощности – вдвое большей.
Всем хорош серебряно-цинковый аккумулятор, хоть сейчас ставь его на автомобиль. Масса аккумулятора для прохождения стокилометрового пути не превысит 100 кг…
Происходящее внутри горячих аккумуляторов почему-то мне сразу напомнило описание мифологического ада, о котором я в детстве немало читал. Достаточно было представить расплавленную серу, в которой «варится» расплавленный натрий, тот самый натрий, что уже от воды загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при восьмистах градусах! Недаром ученые уже который год бьются над созданием корпуса к этому «адскому» накопителю – мало какой материал способен выдержать такую начинку.
Действительно, автомобильные аккумуляторы могут месяцами хранить энергию, причем в достаточно большом количестве. Я сам видел, как иногда автомобили «гоняют на стартере»: включают стартер, питаемый от аккумуляторов, вроде бы для заводки двигателя, но привода на колеса при этом не отключают, как положено по инструкции, – и машина катит по улице. А ведь энергия аккумулятора здесь расходуется не только на движение автомобиля, но и на прокрутку двигателя. Не будь этой прокрутки, автомобиль смог бы пройти «на стартере» больше километра – настолько велика емкость аккумуляторов. Похоже, известные всем нам автомобильные электроаккумуляторы пока ближе всего к «энергетической капсуле».
Позвольте, но так ли уж они известны? Однажды ко мне пришел знакомый мальчик лет шести и в разговоре сказал, что знает, как устроен телевизор. На мой вопрос, может ли он нарисовать его схему, мальчик ответил утвердительно. Однако удивление мое быстро прошло, когда вместо схемы он изобразил переднюю панель телевизора. «Это экран, это ручка громкости, это яркость…» – перечислял он.
Вот так же и я представлял себе электроаккумулятор – пластмассовый ящик с клеммами, внутри которого находятся пластины и кислота, часто называемая «аккумуляторной». Что происходит внутри аккумулятора, каким образом он накапливает энергию – все это было мне невдомек.
Оказалось, что я не одинок в своем неведении. Никто из водителей, которых я расспрашивал о принципе работы аккумулятора, не дал вразумительного ответа. Мне говорили: он накапливает энергию потому, что к клеммам подсоединяется генератор или выпрямитель, которые и подают в аккумулятор ток. После этого уже сам аккумулятор становится источником тока до тех пор, пока не разрядится. Вроде бы понятно. А почему таким свойством обладает именно аккумулятор, а не кирпич, например? Да потому, дескать, что он так устроен.
Этих сведений мне было явно недостаточно. Пришлось в который раз сесть за книги.
История электроаккумуляторов берет начало со знаменитого опыта, проделанного итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1799 году. Ученый опустил медный и цинковый электроды в разбавленную серную кислоту и обнаружил, что между электродами возникла разность потенциалов. Соединив электроды проводником – проволочкой, Вольта получил электрический ток. Тем самым он доказал, что различные металлы, помещенные в растворы кислот, образуют источник тока.
Это был первый в мире гальванический элемент, названный так в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани, который еще до Вольты заметил появление тока при взаимодействии двух разных металлов, замыкаемых через живую ткань – лапку препарированной лягушки. Гальвани, правда, считал, что это электричество «животное» и вырабатывается оно мышцами.
Правда, есть сведения, что гальванические элементы существовали и в древности. Во время археологических раскопок были найдены глиняные кувшины с напоминающими электроды цилиндрами из разных металлов, причем некоторые ученые считают, что электролитом тогда служили вино или уксус. И будто бы с помощью этих элементов древние мастера умели делать гальванические покрытия: например, наносили тончайшую пленку золота или серебра на украшения.
Древняя электрическая батарейка
Так или иначе, огромная заслуга Вольты состоит в том, что он не только построил гальванический элемент, но и объяснил его действие, чего по вполне понятным причинам не могли сделать древние.Элемент Вольты давал очень маленькое напряжение. Чтобы повысить его, стали изготавливать батареи из медных и цинковых пластин, переложенных прокладками, смоченными серной кислотой. Батареи эти, названные вольтовыми столбами, обеспечивали уже достаточно большое напряжение. После Вольты немало ученых – Жорж Лекланше, Якоб Даниэль, Вильям Грове и
Угольный электрод
Вольтов столб
«Сухая» батарейка на основе элемента Лекланше
Лекланше, твердые – цинковый стаканчик и графитовый стержень. А вот электролит уже не жидкий. Ведь жидкость может в любой момент пролиться, а делать элемент герметичным дорого и сложно. Вот и заменили жидкость желеобразным электролитом. Получился удобный и практичный источник электричества.Если через разряженную сухую батарею особыми импульсами пропустить ток, ее можно вновь «оживить». Эту операцию порой проделывают по несколько раз. Однако она ненадолго восстанавливает элемент.
Постойте-постойте… Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?
Оказывается, и так и не так. Прежде всего, не каждый гальванический элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например с элементом, который состоит из двух электролитов. Таков элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановишь.
Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию. Но процесс накопления столь неэкономичен и неэффективен, что многие считают подзарядку таких элементов неоправданной. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо «переносить» процесс зарядки. И этого наконец удалось добиться в середине XIX века.
В 1859 году французский ученый и инженер Гастон Планте провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Планте построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Планте подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что гальванический элемент сам стал вырабатывать электроток и при этом выделять почти всю энергию, затраченную на его зарядку. Зарядку можно было повторять много раз: элемент неизменно работал исправно и не разрушался, подобно сухим батареям.
Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором.
Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Планте? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, – выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, – выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится в тот момент, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.
Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.
Ясно, что энергия в таком аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, как в предыдущих накопителях электрической энергии, а в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, нежели в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах и электромагнитах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.
Свинцово-кислотный аккумулятор
В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит энергоемкость аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляют в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25—35%-ный водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение (точнее, электродвижущую силу) на клеммах 2-2,2 В. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 В, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции, и пластины, потеряв прочность, рассыплются.Мне очень хотелось узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности. Однажды я упросил одного знакомого водителя включить стартер, питаемый, как известно, от аккумулятора, при не включенном двигателе. Двигатель, естественно, не завелся, а секунд через 15—20 стартер начал сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановился. Было полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Я думал, водитель рассердится, скажет, мол, видишь, к чему привели твои опыты. Но он неторопливо выключил стартер, а потом, спустя пару минут, снова включил его. Стартер заработал! Откуда взялись «силы» у аккумулятора? Не мог же он, как живое существо, «отдохнуть»!
В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похожи. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы силы восстановились. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать без спешки, неторопливо, с постоянной, но умеренной нагрузкой. Например, если попытаться бегом подняться на 20-й этаж дома, – без остановок это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и с остановками усталость будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особых усилий.
Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая находится в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.
Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы – это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов – обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на килограмм массы аккумулятора, так называемая удельная мощность, или иначе – плотность мощности.
Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота – опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона. Знаменитый изобретатель «всех времен и народов» Томас Алва Эдисонбыл моим кумиром. Я очень хотел походить на него стремлением к цели и работоспособностью, правда, не всегда удачно мне это удавалось.
В аккумуляторах Эдисона электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20%-ный раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.
Щелочной «кнопочный» аккумулятор
Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, в них больше достоинств, чем недостатков – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они находят все большее применение в технике. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть также в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и в других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, под названием «кнопочные», так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их состоит в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду и переразряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим «похвастать» не могут.На некоторых спутниках связи, космических станциях и даже в бытовых приборах применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие, до -60 °С, температуры. Они характеризуются плотностью накапливаемой энергии, в пять раз большей, чем кислотные аккумуляторы, а плотностью мощности – вдвое большей.
Всем хорош серебряно-цинковый аккумулятор, хоть сейчас ставь его на автомобиль. Масса аккумулятора для прохождения стокилометрового пути не превысит 100 кг…
Серно-натриевый аккумулятор
Но, увы, стоимость такого аккумулятора будет во много раз выше стоимости самого автомобиля. И надежд на его удешевление нет никаких – серебра на Земле становится все меньше и меньше, а дорожает оно на мировом рынке все больше и больше. Чтобы аккумулятор мог стать поистине массовым и перспективным, он должен содержать материалы, которых на Земле вдоволь.Хлорно-литиевый аккумулятор
Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары «сера – натрий» и «хлор – литий». Металлы там находятся в виде расплавов, их температура достигает нескольких сотен градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того что такие аккумуляторы работают при температурах 300—800 °С, они получили название горячих.Происходящее внутри горячих аккумуляторов почему-то мне сразу напомнило описание мифологического ада, о котором я в детстве немало читал. Достаточно было представить расплавленную серу, в которой «варится» расплавленный натрий, тот самый натрий, что уже от воды загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при восьмистах градусах! Недаром ученые уже который год бьются над созданием корпуса к этому «адскому» накопителю – мало какой материал способен выдержать такую начинку.