19.05.2004 09:27
╘ Макаров Андрей Фадеевич, с.н.с. лаборатории безопасности взрывных работ (БВР и ГКИ ВМ и СВ) НЦ ВостНИИ
Контакт с автором: vostnii@kemnet.ru (указать в теме сообщения: для Макарова А.),
Тел.: сл.: (384-2) √ 64-25-85, дом.: (384-2) √ 64-05-45,
Адрес: 650002, г. Кемерово, 2-ой Тульский пер., 5-5.
Статья подготовлена при информационной поддержке инж. Лесова В.Р. (СПб), valery_lesov@mail.ru
Идея о возможности создания тепло-электронного насоса для прямого преобразования низкопотенциальной тепловой и рассеянной энергии в электроэнергию.
Возможна ли утилизация даровой энергии окружающей среды, абсолютная температура которой составляет ~3000К (00С =2730К)? В термодинамике на "вечный двигатель", работающий за счёт внешней тепловой энергии, запрета не существует. Например, термо-ЭДС возникает в термопарах проводников только за счёт естественного градиента температур в окружающей среде. В циклах работы тепловых насосов используется "рассеянная" низкопотенциальная тепловая энергия. Фотоэлектронная эмиссия происходит за счёт электромагнитного излучения видимого и ИК-спектра. Естественен и процесс фотосинтеза, происходящий даже в темноте. Наконец, известен электроводородный генератор (ЭВГ) В.В.Студенникова, преобразующий "бесплатную" тепловую энергию в процесс разложение воды Н2О на водород Н2, кислород О2 и электроэнергию [1].
Цикл преобразования тепла в электрохимические формы энергии в ЭВГ основан на гравитационной сепарации тяжёлых и лёгких ионов в быстро вращаемом растворе электролита. Например, в водном растворе бромноватой кислоты (НBrO3) соотношение масс образующихся ионов Н+/BrO3- составляет 1/128 (без учёта сольватных оболочек). При достаточно высокой инерционной "перегрузке" во вращающемся реакторе-центрифуге тяжёлые отрицательные ионы BrO3- будут отбрасываться ("тонуть") на периферию, а лёгкие протоны Н+ - вытесняться ("всплывать") к оси вращения. Далее, достигнув стенок реактора (BrO3-) или его центральной оси (Н+), соответствующие ионы разряжаются, отдавая соответствующим электродам свой заряд, поступающий далее во внешнюю цепь, и выделяя "электролизные" газы √ Н2 и О2 на центральном и периферийном электродах по схеме: Н++Н+=Н2-2е- (катод); и BrO3-+BrO3- =Br2O5 + ╫О2 +2е-, Br2O5 +Н2О =2НBrO3 (анод). Подводимая из окружающей среды теплота √ постоянно компенсирует электрохимическую работу реактора-центрифуги по гравитолизу воды. Таким образом, в цикле ЭВГ расходуется вода-растворитель, а выделяются водород, кислород и электроэнергия √ только за счёт рассеянного тепла. На привод вращения реактора-центрифуги затрачивается лишь малая часть генерируемой электроэнергии, в основном, на компенсацию сил трения в подшипниках.
Присутствие воды в цикле электропереноса ведёт к её электрохимическому распаду, что требует не менее 3200ккал/кг подводимой тепловой энергии, ограничивает рабочий диапазон отрицательных температур, необходимо также постоянное разбавление электролита, сепарация и отвод "электролизных" газов из реактора (2Н2 + О2).
Но рассмотрим замкнутую схему электропереноса в неводных самоионизирующихся электролитах. Пусть разряд ионов происходит с превращением носителей заряда в исходные вещества и полным замыканием цикла в объёме реактора. Теоретически, гравитолиз возможен в конденсированной, газовой и плазменной фазах. Однако, ионизация в газовой и плазменной фазах, как правило, возможна лишь при достаточно высокой температуре (от ~10000К), что много выше теплового равновесия окружающей среды (~3000К). В тоже время известны растворы металлов в жидком аммиаке, с почти криогенной температурой самоионизации и замерзания металл-аммиачных эвтектик (~90-1600К) √ за счёт сольватации ионов металлов и свободных электронов молекулами растворителя-аммиака (часть атомов остаётся в недиссоциированном состоянии) по схемам [2]:
Na = Na+ + е- (К1 = 9,9*10-3); Na- = Na + е- (К2 = 9,7*10-4); Na2 = 2Na (К3 = 1,9*10-4).
Свойства растворов в жидком аммиаке [3]
Свойство
Li
Na
K
LiBH4
Растворимость, г/100г NH3 при т-ре кипения аммиака (-33,30С)
10,2
20,1
32,0
177 (комн.)
Температура затвердевания металл-аммиачных эвтектик, 0С
-185
-110
-157
43
Температура кипения, 0С
70
-
-
-
Плотность, г/см3
0,49
0,578
0,628
-
Давление пара при √33,30С, мм.рт.ст.
3
400
-
20
Теплота растворения, ккал/моль
-9,7
+6,9
+4,5
-19,2
Разбавленные растворы металлов в аммиаке имеют характерную синюю, а концентрированные √ медно-бронзовую окраску. Давление пара растворителя-аммиака над растворами значительно снижается, а вязкость аммиачных растворов меньше водных электролитов примерно на порядок. В аммиаке растворяются также щелочноземельные металлы, Аl, Eu, Yb, некоторые интерметаллиды (Na4Pb9 [2]) и пр. В отсутствии кислорода и света сольватированные электроны могут сохраняться в растворах месяцами.
Экспериментально установлено, что сольватированный "плавающий" электрон с массой покоя me =9,1*10-31кг в металл-аммиачных растворах образует вокруг себя полость радиусом ~0,33нм (объёмом Ve ~1,5*10-28м3) [2]. Следовательно, макроскопическая плотность "электронного газа" в растворе соответствовала бы: r е-~me/Ve =9,1*10-31кг/1,5*10-28м3 =6*10-3 кг/м3 (6г/м3), что примерно в 12 раз меньше плотности жидкого водорода и в 5 раз √ легче воздуха. В то же время свободный электрон е- (а не сольватированный (NH3)х-) √ элементарная частица с длиной волны де Бройля l = h/mе-v, что при температуре ~3000К соответствует l ~6,63*10-34/(9,1*10-31*103) = 0,7*10-6м (700нм), в то время как классический радиус электрона на порядки меньше: ro =e2/mec2 =2,8*10-15м. Результирующее взаимодействие всех квантово-химических факторов приводит на опыте, однако, лишь к сравнительно небольшому уменьшению плотности смеси аммиак+металл. Из таблицы видно, что для 9,25%-го раствора лития плотность снижается лишь в 1,4 раза (от 0,682г/см3 √ для аммиака до 0,49г/см3 √ для раствора). Сверхвысокому "раздуванию" растворов с низкоплотными электронами препятствуют неполнота диссоциации металлов, объединение свободных электронов в диамагнитные пары (2е- D е22-), присоединение к молекуле растворителя NH3 + e- = NH3- (по аналогии с водными электролитами Н2О + Н+ = Н3О+), образование электронных и ионных кластеров и др. Согласно наиболее удовлетворительным моделям, электрон в растворе не локализован, а "размазан" по большому объёму, что приводит к электронной и ориентационной поляризации окружающих молекул. Электрон захватывается результирующим полем, а силы отталкивания между ним и электронами молекул растворителя приводит к образованию низкоплотной "электронной полости" [4]. Тем не менее, электроны √ как физические объекты с ненулевой массой покоя √ должны подчиняться законам обычной механики, в частности, "всплывать" под действием аналога архимедовой силы.
Наибольший эффект саморазделения зарядов в центробежном "тепло-электронном насосе" (ТЭНе) следует ожидать для тяжёлых металлов: Rb, Cs, Eu, Yb, Pb, некоторых заряженных комплексов металлов и пр. По циклу работы ячейки ТЭНа на окружности вращения радиусом R (рис.) тяжёлые положительные ионы металла Ме+, "прижимаемые"
--------------------------------------------------------------------------------
центробежной силой к торцевому электроду, принимают с него электроны и образуют нейтральные атомы, далее ионизируемые растворителем вновь (Ме D Ме+ + е-), а лёгкие электроны √ "всплывают" к противоположному торцу-электроду и поглощаются им. Съём накапливаемых зарядов с электродов √ замыкает электрическую цепь. Снимаемое напряжение с каждой ячейки ТЭНа не может превышать потенциал ионизации металлов в растворе, т.е. до ~2-3 В. Последовательное соединение множества ячеек на общей оси вращения позволит снимать достаточную ЭДС, а величина тока √ определится эффективностью теплообмена ячеек и электродов с теплом окружающей среды.
В случае растворимых интерметаллических плюмбидов типа Na4Pb9 произойдёт смена полярности электродов генератора за счёт диффузии сверхплотных полиатомных кубических [6] анионов свинца [Pb4- * Pb8] к периферийному аноду и скопления лёгких ионов Na+, NH4+ на катоде. Соотношение масс противоионов NH4+ /[Pb9]4- составляет 1/103.
ПОБОЧНЫЕ РЕАКЦИИ. Известно, что щелочные металлы со временем или в присутствии катализатора (Fe) вытесняют водород из аммиака, по аналогии с водой: Ме + NH3 = MeNH2 + ╫Н2 (К~3*10-9 [5]), чему способствует чрезвычайно малый, но заметный автопротолиз растворителя: 2NH3 D NH4+ + NH2- (произведение [NH4+]*[NH2-]~10-33). Для малорастворимых в аммиаке амидов лития и натрия LiNH2 и NaNH2 вытеснение водорода оказывается практически необратимой реакцией. Скорость разложения аммиака увеличивается с ростом электроположительности растворяемого металла, т.е. от лития √ к цезию. Однако, если для лёгких металлов Li и Na эта реакция необратима (выпадение LiNH2 или NaNH2 в осадок и выбывания из зоны реакций), то в случае хорошо растворимых амидов К, Rb, Cs соответствующая реакция е- + NH3 D NH2- + ╫Н2 оказывается обратимой, константа реакции составляет К= 5*104 [4,5]. Обратимости реакций будет способствовать и рост давления высокорастворимого в аммиаке водорода. Таким образом, готовить рабочий электролит для "аммиачного" ТЭНа целесообразно растворением не чистых металлов, а с добавкой их гидридов Ме+Н- и т.п.
Другими побочными реакциями при низких рабочих температурах может быть схема образования свободного аммония (NH4)0 и его распад [5]:
Н- + NH3 D NH40 + е- ; Н- + NH3 D NH2- + Н2 ; NН4+ + NH2- D 2NH3.
Таким образом, конкурирующими носителями отрицательных зарядов в аммиачном электролите наряду с сольватированными электронами е- становятся гидрид-ионы Н-, имеющие сравнительно большой эффективный радиус ~0,155 нм и примерно на 3 порядка меньшую плотность, чем гидратированные "голые" протоны Н+.
По-видимому, схемы замкнутого цикла электропереноса возможны не только сольватированными электронами и в аммиачной среде, но и в среде галогенводородных, азотно-кислотных, жидких SO2, Cl2, Br2 и пр. соединений, в т.ч. комплексных, некоторых эвтектических солевых расплавов, или даже криогенных F2, О2, Н2. Вероятно, возможны схемы тепло-электронных насосов с твёрдым электролитом, на основе Pd, Ni, Pt, растворяющих водород с ионизацией его на элементарные частицы: электрон е- и протон р+: Н2 D 2е- + 2р+. При этом делокализованный электрон "сольватируется" в зоне проводимости, а подвижный "протонный газ" Н+ способен туннелировать сквозь неподвижную ионную решётку металла-растворителя. Теоретическое соотношение масс носителей зарядов е-/р+ в этом случае составит 1/1836, что на порядок выше водных растворов.
По-видимому, при достаточно низкой абсолютной температуре, когда тепловое (перемешивающее) движение молекул аммиака или атомов решётки металла-растворителя достаточно мало, некоторая сепарация разномассовых ионов может происходить и в условиях обычного гравитационного поля Земли (1g), поскольку эффективная плотность "электронного газа" на 5 и более порядков меньше плотности ионов металлов. Другими словами, по торцам неподвижной вертикальной трубки с металл-электронным раствором должна наблюдаться отличная от нуля разность электрических потенциалов(!). По мере накопления металла в нижнем конце трубы разрядный ток будет снижаться, но периодическое переворачивание трубки "вверх ногами" √ реанимирует "теплогальванический элемент" на 100%. Движущей силой ЭДС "электронного насоса" является сила всплывания низкоплотных электронов в растворителе во внешнем гравитационном поле, а "силами трения" √ тепловое (броуновское) движение частиц, вязкость раствора и электрическое сопротивление. Последние факторы будут стремиться к нулю для сверхпроводящих ионных систем. Для сравнения: в реакторе ЭВГ диаметром 0,3м с окружной скоростью вращения 52 м/с разность потенциалов на электродах составляет порядка 0,03В при соотношении масс используемых ионов Н+/BrO3- 1/128 [1]. В аммиачных растворах отношение массы электрона и иона металла достигает: для калия √ 7,16*104; рубидия √ 1,57*105; цезия √ 2,44*105, что на 3 порядка выше отношения масс ионов Н+/BrO3- в электролите ЭВГ. Приближённый расчёт цикла замкнутого электропереноса в аммиачных растворах рубидия и цезия даёт оценку ожидаемой разности потенциалов на торцах каждой ячейки высотой 0,1м порядка ~0,8В √ при вращении по окружности радиусом 0,5м со скоростью ~200м/с. Последовательное соединение множества обтекаемых ячеек-реакторов на одном валу выдаст необходимую ЭДС, при этом снимаемая электрическая мощность лимитируется эффективностью теплообмена (самоохлаждаемых) поверхностей ячеек и электродов с теплом окружающей среды. Ячейки-реакторы целесообразно вписать в полые лопасти движителя-винта с электродвигателем на оси. Отметим, что в данном примере частота вращения на оси составит ~60 оборотов в секунду (3600 мин-1), что находится на уровне "среднеоборотистых" ДВС и на порядок ниже скорости вращения существующих турбин и винтовых движителей. При использовании растворов более тяжёлых элементов из таблицы Д.И.Менделеева (лантаноидов, актиноидов) снимаемое напряжение по торцам ячейки будет увеличиваться примерно пропорционально увеличению атомного веса диссоциирующего в жидком аммиаке металла: Ме = Ме+ + е-.
Отметим, что работа выхода сольватированного электрона из металлов (или водорода) в растворитель √ имеет аналогию с работой выхода электрона из металлов под действием фотонов. Однако, в отличие от фотоэффекта, "вырывание" электронов в растворе происходит за счёт поглощения тепловой, а не электромагнитной энергии. Вероятно, возможны и эффективные комбинированные фото-тепловые " электронные насосы".
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ. По-видимому, все циклы сжигания органических топлив могут быть заменены на "даровую" энергию из окружающей среды, идеально вписанную в природное равновесие биосферы и планетарный тепловой баланс, в т.ч. для нужд малой, автономной, бытовой и личной энергетики. Ресурс автономного плавания судов, пробега электромобилей и полёта атмосферных летательных аппаратов будет не ограничен дозаправкой топливом, а технический прогресс в целом √ абсолютно экологичен. Тепло-электронные насосы (ТЭНы) криогенного цикла найдут применение за пределами атмосферы для космических поселений, с утилизацией рассеянной тепловой энергии хозяйственной деятельности Homo cosmicus и избыточной солнечной радиации. Конструкционная простота ТЭНов и комбинация их с электродвигателем и аккумуляторной батареей √ предполагает компактность, многолетний ресурс и минимум эксплуатационных расходов тепло-силовых установок. Теоретический предел гравитационно-стабилизированных (вращающихся) аккумуляторов энергии диссоциированного водорода по схемам Н2 D Н + Н и Н2 D 2е- + 2р+ соответствует энергонасыщенности до 51700 и 362200 ккал/кг, что на 1-2 порядка превосходит уровень энергетики обычных топлив и химической взрывчатки (горючее + окислитель).
┘С самого начала технического прогресса развитие человечества шло по пути использования аккумулированных природных энергоносителей (топлив). Однако, универсальное физическое топливо √ это тепловая энергия окружающей среды с температурой выше 00К, т.е. практически любой физический объект. Достаточно лишь создать необходимые условия для трансформации тепла в другие энергетические эквиваленты, в соответствии с всеобщим законом взаимопревращения форм энергии друг в друга. И в рамках бестопливной энергетики √ "топливом" будет уже не бензо-воздушная смесь, пар, уран или энергия падающей воды, а тепловая энергия.
По-видимому, для сепарации полярных ионов в циклах электронных насосов возможно использование других "бесплатных" сил и внешних потенциальных полей, например, статического магнитного поля. Кроме того, в качестве "рабочего тела" теоретически возможно использование не только вещества (сплошной среды), но и вакуума. Согласно современным представлениям о физическом вакууме как совокупности всевозможных виртуальных частиц и полей [7], могут быть созданы и необходимые условия для рождения "вакуумных" электрон-позитронных пар: е- + е+. Такие естественные процессы "поляризации вакуума" известны, например, в кулоновском поле атомных ядер под действием "бесплатных" фотонов из окружающей среды. Необходимый градиент электростатических и механических сил вблизи быстро вращающихся заряженных поверхностей может существенно "облегчить" преодоление потенциального барьера физического рождения парам частица-античастица, с последующей их сепарацией. Например, поверхность металлов (обкладки конденсаторов) можно рассматривать как бесконечно большую "молекулу" из атомов (ядер) в узлах кристаллической решётки. Сепарированные электростатическим полем вращающегося "вакуумного насоса", позитроны далее могут аннигилировать с электронами любого "бесплатного" вещества, выделяют энергию, теоретически компенсирующую энергозатраты на рождение пар из вакуума (Е =2mес2), а их античастицы-электроны, двигаясь к аноду, представляют "бесплатный" электрический ток. Масса решений. Редкие чудеса.
Студенников В.В., Кудымов Г.И. "Водородная энергетика: этап практических решений", и "МИС-РТ"-1999г., Сб.╧18-2.
Карапетьянц М.В., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. -М.: Химия, С.396.
С.Сарнер. "Химия ракетных топлив". -М.: Мир, 1969, С. 249-251.
Ф.Коттон, Дж.Уилкинсон. Основы неорганической химии. -М.: Мир, 1979, С. 261-262.
Крешков А.П. Аналитическая химия неводных растворов. √М.: Химия, 1982, С.82-83.
Анорганикум, под ред. Л.Кольдиц. √М.: Мир, 1984, т.1, С.363.
Наумов А.И. Физика атомного ядра и элементарных частиц. √М.: Просвещение, 1984.
Оценка технических параметров аммиачного тепло-электронного насоса
МОДЕЛЬ: Два диаметральных реактора-трубки высотой h~0,1м вращаются по окружности радиусом R=0,5м со скоростью v, испытывая статическую инерционную перегрузку а=v2/R, м/с2 (высотой реакторов h~0,1м пренебрегаем).
В герметичные трубки-диэлектрики залит аммиачный раствор щелочного металла (К, Rb или Cs). В результате самоионизации раствора тяжёлые ионы Ме+ массой mи+ в каждом реакторе "отбрасываются" к торцу-катоду с силой Fи+ = mи+a, а сольватированные электроны с эффективным объёмом занимаемой полости Ve-~1,5*10-28м3 √ "всплывают" под действием аналога архимедовой силы Fe- =Ve-r a к торцу-аноду (массой электронов пренебрегаем), где r - плотность растворителя-аммиака, примем r ~700 кг/м3.
При равновесии сумма механических сил, "растаскивающих" заряды: Fи+ + Fe- = mи+a + Ve-r a, будет уравновешена кулоновской силой, "стягивающей" их: Fкул.= е2/4p e 0h2. Имеем равенство механических и кулоновских сил:
mи+a + Ve-r a = е2/4p e 0h2.
Сумма потенциалов на катоде и аноде, равная U = 2е/4p e 0h тогда запишется как:
U = {2 e (mи+а + Ve-r a)}h/е,
где: e - диэлектрическая проницаемость среды (для чистого аммиака e =25), е √ заряд электрона е=1,6 * 10-19 Кл. Выражаем U как функцию от переменных а, h, mи+:
U = {2*25(mи+ + 1,5*10-28*700)а}0,1/1,6*10-19,
или, с обозначением атомной массы металла А из таблицы Д.И.Менделеева, где: mи+ = А* 1,6*10-27, кг (сумма масс нуклонов ядра атома):
U = 3,1*10-8 (1,6 А + 105)а
Отметим, что слагаемые в скобках (1,6 А + 105) для металлов К, Rb или Cs √ величины одного порядка, т.е. сила "всплывания" лёгких электронов к аноду √ сравнима с силой "отбрасывания" тяжёлых ионов к катоду.
Для цезия с атомной массой А=133, с учётом а=V2/0,5 разность потенциалов U в вольтах как функция от линейной скорости вращения, м/с, запишется:
U= 2*10-5V2, В
Таким образом, приближённый расчёт показывает, что уже при скорости движения реактора V~200 м/с по окружности радиусом R=0,5 м снимаемое напряжение может достигать порядка ~1В. Последовательное соединение множества обтекаемых ячеек-реакторов на одном валу выдаст необходимую ЭДС, при этом снимаемая электрическая мощность определится лишь эффективностью теплообмена (самоохлаждаемых) поверхностей реакторов с теплом окружающей среды. Ячейки-реакторы целесообразно вписать в полые лопасти движителя-винта с электродвигателем на оси. Отметим, что в данном примере частота вращения на оси составит ~60 оборотов в секунду (3600 мин-1), что находится на уровне "малооборотистостых" ДВС и на порядок ниже скорости вращения существующих турбин и винтовых движителей. При использовании растворов более тяжёлых элементов из таблицы Д.И.Менделеева (лантаноидов, актиноидов) снимаемое напряжение будет увеличиваться почти пропорционально увеличению атомного веса диссоциирующего в жидком аммиаке металла: Ме = Ме+ + е-.
Дата публикации: 19 мая 2004
Источник: SciTecLibrary.ru
Toyota представила высокотемпературные топливные элементы
добавить ресурс
.gif){kind=small}
Переработка мусора:
ТБО и другие проблемы современности:
© Дизайн Студии РОМАрт, 2004.