Анатолий Томилин - Мир электричества
Электромобили не вписываются и в общий темп существующего дорожного движения. Они медленно разгоняются и трудно берут подъемы. Их максимальная скорость и дальность пробега между перезарядками аккумулятора незначительны. Так что пока эта техника, на радость нефтегазовым «королям», не конкурентоспособна.
Существуют серно-натриевые и хлорно-литиевые аккумуляторы с удельной емкостью раз в десять, а то и в двенадцать большей, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов. Натрий – металл, обладающий высокими энергетическими свойствами. В рабочем состоянии и натрий и сера нуждаются в подогреве, чтобы перейти в расплавленное состояние. Их разделяет сосуд из пористой керамики, изготовленной на основе алюминия. Главное свойство сосуда – его способность пропускать только ионы натрия. Для ионов серы и для атомов обоих химических элементов керамическая мембрана – непреодолимый барьер. Таким образом, керамика играет роль как бы твердого электролита. Но хотя натрий и сера плавятся при температуре 97-119 °C, для успешного протекания электрохимической реакции их нужно нагреть до 300 °C, не меньше. Правда, серно-натриевый аккумулятор требует постороннего источника тепла только для начала работы. Потом необходимая температура поддерживается за счет тепла, выделяющегося в ходе химической реакции.
Серно-натриевый элемент дешев. Применяемые в нем материалы не дефицитны. Во время работы из него не выделяются газы, значит, его можно герметизировать. А если добавить к этому еще и простоту заряда, то может показаться, что решение проблемы у нас в кармане. Но попробуем перечислить и недостатки. Сера и натрий – огнеопасны. А перед работой аккумулятор необходимо подогревать. Едкие вещества легко разъедают герметическую оболочку. И натрий так активно соединяется с водой, что эта реакция подобна взрыву. Да и расплавленная сера при контакте с воздухом образует ядовитый сернистый газ. Так что, несмотря на герметичность, такой аккумулятор требует большой осторожности при эксплуатации.
Похож и хлорно-литиевый аккумулятор, удельная энергоемкость которого еще выше. Но у него серьезным недостатком является ядовитость хлора. А ну как прорвется он где-нибудь!.. Конечно, бензин тоже не такое уж безобидное вещество, особенно если поблизости есть открытый огонь. Но к свойствам бензина все привыкли. А вот к характеру натрия и лития, хлора и серы мы относимся пока настороженно.
Тем не менее созданы очень любопытные «электрические консервы». Вот, например, литиево-никельгалоидный аккумулятор. В нем работает уже знакомый нам металл литий и неядовитое неорганическое фтористое соединение никеля. Этот аккумулятор не требует подогрева, не выделяет газ, что позволяет сделать его полностью герметичным. Энергоемкость его – на уровне супераккумуляторов, описанных выше, а процесс зарядки длится всего несколько минут. Прекрасно, не правда ли? Вот мощность его невелика. Но не будем забывать, что и современная техника сильно миниатюризировалась.
Существуют воздушно-цинковые аккумуляторы, в которых кислород атмосферы окисляет цинковый анод. В них запас энергии определяется количеством цинка, способного вступить в реакцию. Но у них пока мал срок службы. Идея использовать воздух в качестве одной из составляющих системы накопителя энергии очень заманчива, хотя реализовать ее нелегко.
Интересное и перспективное направление – разработка топливных элементов. Правда, некоторые исследователи считают, что эти системы, занимающие промежуточное положение между гальваническими элементами и аккумуляторами, относятся скорее к электрическим машинам. Они их так и называют: электрохимические генераторы (ЭХГ). В топливных элементах свободная энергия электрохимической реакции переходит непосредственно в электрическую энергию. Вот, например, как работает водородно-кислородный топливный элемент: газ водород поступает из баллона-термоса, где хранится в сжиженном состоянии, к отрицательному электроду-катализатору. Здесь он ионизуется. Точно так же к положительному электроду поступает кислород. Ионы водорода проходят через ионообменную мембрану, соединяются с ионами кислорода. Образовавшаяся в результате реакции вода – единственный «выхлоп» такого элемента-генератора. Заманчивая перспектива, не так ли? Тем более что в качестве топлива может применяться не только сжиженный водород, но и другие вещества.
Потребность в разработке новых аккумуляторов особенно остро проявилась в 70-е годы XX века в связи с внедрением в космической технике солнечных батарей. Для налаживания выпуска специальных серебряно-цинковых аккумуляторов технологам пришлось создать не только новые конструкции, но и новые материалы, и электролиты.
В серебряно-цинковых аккумуляторах отрицательный электрод, как и полагается, сделан из цинка, а положительный – из окиси или перекиси серебра. Электролитом служит едкое кали. Энергоемкость таких аккумуляторов раз в шесть больше, чем у свинцовых. Кроме того, они могут работать при достаточно низких (до -60 °C) температурах, давать сильные токи и долгое время находиться в разряженном состоянии.
В результате были получены аккумуляторы, которые могут работать длительное время, в том числе в буферном режиме и в весьма жестких условиях космоса. В 80-е годы XX века для межпланетной станции «Венера» и программы спускаемого аппарата «Союз» потребовались герметичные буферные батареи, устойчивые не только к условиям открытого космоса, но и способные выдерживать серьезную ударную нагрузку. Еще более жесткие требования были предъявлены к аккумуляторам для обеспечения питания аппаратуры на космических станциях «Союз» и на спутниках серии «Космос». Эти работы велись как в Советском Союзе, так и в США. Велись параллельно и примерно в едином темпе. В долгосрочных космических программах «Венера», «Марс», «Молния», «Салют», равно как и в американских: «Маринер», «Пионер», «Эксплорер», – использовались в основном герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы со сроком службы в несколько лет, что особенно важно для межпланетных полетов.
Огромную работу проделали наши специалисты по энергообеспечению космической системы «Энергия-Буран». Ракетчики потребовали от электриков создания аккумуляторов рекордной емкости до 130–140 А · ч при удельной энергии до 150 В · ч на килограмм веса. Таких параметров мировая практика раньше не знала. И тем не менее подобные аккумуляторы были созданы на Государственном научно-производственном предприятии «Квант».
На космических аппаратах «Радуга» и «Горизонт» прошли испытания новые никель-водородные аккумуляторы со сроком службы до пяти лет, и специалисты «Кванта» работают над созданием еще более долгодействующих никель-водородных и никель-металлгидридных аккумуляторов.
Интересным направлением современной научно-технической мысли является возможность использования в сверхпроводящих катушках больших значений электрического тока, а следовательно, и впечатляющего запаса электроэнергии.
Глава 7. Три кита электротехники
«Электрический конфликт» Ханса Эрстеда
Компасные мастера XVII века не раз замечали, что у кораблей, пришедших из дальних плаваний и побывавших в жестоких грозовых бурях, компасные стрелки оказывались перемагниченными. Северный конец указывал на юг, а южный – на север. «Что за чудо?» – удивлялись они, перекрашивая или меняя испорченные стрелки на «правильные». Никому, конечно, и в голову не приходило связать «болезнь перемагничивания компасной стрелки» с атмосферным явлением, а точнее – с молнией. Но вот жарким грозовым днем в июне 1731 года молния ударила в дом почтенного купца города Уэкфилда. Услышав грохот, испуганный негоциант вбежал в комнату и обнаружил, что громовая стрела разбила ящик со столовыми приборами. Стальные ножи и вилки разлетелись по всей столовой. Когда прислуга принялась их подбирать и складывать в буфет, оказалось, что ножи и вилки намагничены. И случай явно указывал на то, что причиной явления могла быть… только молния. А что такое молния? На дворе, слава богу, XVIII век. Просвещенные люди увлекаются науками и знают, что молния – это всего-навсего огромная электрическая искра.
7 сентября 1753 года в Санкт-Петербургской императорской академии профессор Эпинус прочел на конференции трактат «О сходстве электрической силы с магнитною». В своем фундаментальном труде «Опыт теории электричества и магнетизма», изданном шесть лет спустя, господин Эпинус утверждал, что между электрическими и магнитными явлениями существует непременная связь и силы взаимодействия электрических и магнитных зарядов изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния между ними…
Сам Алессандро Вольта высоко оценил работы петербургского академика. А уж кому бы этого не знать… Интресно, что английский химик Гемфри Дэви, соорудив гигантский вольтов столб, состоящий из двух тысяч пар пластин, и получив электрическую дугу, обнаружил, что пламя дуги отклоняется магнитом. Правда, это было не совсем то. Пламя есть пламя. А вот подтвердить строгим физическим опытом подозреваемую связь электричества с магнетизмом не удавалось никому из физиков.
