Гравитационный двигатель что нового
Астрономы СПбГУ рассчитали, как «гравитационный трактор» может помочь защитить Землю от астероида
Идеи спасения Земли от смертоносных астероидов волнуют не только голливудских кинематографистов, но и ученых по всему миру. Их опасения можно понять. При условии, что небесное тело будет сравнительно небольших размеров, примерно 20 метров в диаметре, встреча с ним может привести к повторению челябинского сценария. Но если диаметр будет как у Тунгусского космического тела, около 100 метров, последствия будут эквивалентны взрыву нескольких атомных бомб. Если такой астероид упадет в пустыню, ничего страшного не произойдет. Но при попадании в город он превратит его в руины.
Один из способов борьбы с астероидами — удар по опасному небесному телу с помощью ракеты. В результате должен появиться большой импульс, который заставит астероид изменить свою орбиту. Этот путь годится для тел, диаметр которых не превышает 100 метров.
Первый автор статьи, заведующий кафедрой небесной механики СПбГУ Константин Холшевников
Самый радикальный метод — взрыв астероида с помощью ядерной бомбы. В случае если диаметр тела не превышает 100 метров, его удастся уничтожить. Если же габариты больше, взрыв разрушит не весь астероид, но возникшая реактивная сила поможет изменить траекторию оставшейся части и обезопасить планету. Однако если тело уже летит на Землю, такой способ не годится. Дело в том, что большинство астероидов, прежде чем ударить по планете, несколько раз с ней сближаются. Таким образом, после очередного сближения может пройти несколько лет, прежде чем тело прицельно полетит в сторону Земли. В это время его и нужно взорвать. Только так, отмечает эксперт, можно будет гарантировать, что осколки рассеются в пространстве и не будут угрожать человечеству. Впрочем, вероятность, что астероид полетит на Землю «без предупреждения», все же существует.
Группа ученых из СПбГУ рассчитала возможность применения мирного способа борьбы с астероидами, который исключает взрывы и столкновение с ракетами. Астрономы считают, что отклонить космическое тело с орбиты столкновения с Землей можно с помощью двигателя малой тяги.
Целью исследования стало установление фундаментальной возможности применения такого метода. По нашим расчетам, астероиды диаметром до 55 метров при тяге двигателя один ньютон можно отклонить примерно за один год. Если тело до 50 метров, то при тяге в 20 ньютонов его можно отклонить за месяц. Если диаметр до 150 метров, а тяга двигателя составляет 20 ньютонов, на выполнение операции потребуется год.
Первый автор статьи, заведующий кафедрой небесной механики СПбГУ Константин Холшевников
Ученые создали модельную задачу, по условиям которой двигатель обеспечивает постоянное тангенциальное ускорение. В этом случае импульс направляется по касательной к траектории астероида и при необходимости увеличивает или уменьшает скорость тела. В результате астероид разминется с Землей. Для того, чтобы сильнее изменить направление движения тела, понадобятся более мощные двигатели. Однако, по словам эксперта, двигатель малой тяги — это самый выгодный вариант с учетом потребления топлива.
Другой вопрос — как установить двигатель на космическое тело. Дело осложняется еще и тем, что астероид постоянно вращается. Эта задача требует отдельного решения и новых расчетов. Однако ее можно обойти с помощью «гравитационного трактора».
«Использовать «гравитационный трактор» — это все равно что поднять самого себя за волосы. Предположим, существует относительно большой астероид, скажем, диаметром 100 метров. Рядом с ним пролетает космический аппарат и останавливается относительно этого тела. В результате гравитационного притяжения он начинает падать на этот астероид. Здесь надо включить двигатель, чтобы аппарат уходил в сторону. В результате он тянет за собой этот большой астероид. Получается то же самое — малая тяга. «Трактор» хорош еще и тем, что вращение астероида не играет роли. Если установить двигатель прямо на астероид, он будет вращаться вместе с ним. Но трактор не будет вращаться», — объясняет Константин Холшевников.
При этом оба космических аппарата — «гравитационный трактор» и двигатель малой тяги, который предполагается закрепить на астероиде, — существуют сегодня лишь в теориях и моделях.
«Человечество неожиданно может столкнуться с непредвиденной опасностью. Мог ли кто-нибудь предугадать пандемию коронавируса? Или падение Чебаркульского метеорита? Невозможно узнать заранее, какие ресурсы потребуются для спасения человечества в следующий раз. Справиться с подобными угрозами может помочь развитие науки. Причем особенно важно развивать именно фундаментальную науку», — считает другой автор статьи, доцент кафедры небесной механики СПбГУ Владимир Титов.
Продолжение исследования потребует более серьезных расчетов. Впрочем, время на это у человечества еще есть, убеждены ученые.
Вместе с Константином Холшевниковым и Владимиром Титовым над статьей работали аспиранты кафедры небесной механики СПбГУ Данила Миланов и Кристина Оськина.
Гравитационные волны и другие чудеса современной физики
Схематичное изображение гравитационных волн
Группа ученых из нескольких стран сообщила, что при помощи нескольких не связанных между собой детекторов им удалось зафиксировать в лабораторных условиях гравитационные волны.
Еще одна составляющая теории относительности, похоже, получила экспериментальное подтверждение.
Теперь дело за малым: использовать новое открытие на благо человечества. Например, для путешествий к звездам или во времени.
Или для создания принципиально нового холодильника или микроволновки.
Как далеко сегодня фундаментальная наука стоит от практических нужд человечества?
За ответом на этот и другие вопросы ведущие «Пятого этажа» Михаил Смотряев и Александр Кан обратились к профессору физики Университетского колледжа Лондона Рубену Саакяну.
Загрузить подкаст передачи «Пятый этаж» можно здесь.
Михаил Смотряев: Про то, каким образом были вскрыты гравитационные волны, вчера написано достаточно много, в том числе и с картинками. Любой человек, даже не являясь специалистом, но пройдя курс средней школы по физике, наверное, в состоянии разобраться, как это было зафиксировано. Можно только поражаться точности приборов, поскольку порядки величин, которые измеряются современными интерферометрами, человеческому глазу совершенно невидимы и даже рассудком понимаемы мало. Меня, как когда-то в очень далеком прошлом человека, обучавшегося физике, интересует для начала другое.
Гравитационные волны – сразу на ум приходят гравитоны, существование которых еще не доказано. Возникают мысли о том, что вот еще один шаг на пути к завершению построения грандмоделей, всеобщее объединение всех четырех известных нам фундаментальных взаимодействий, примирение теории относительности с квантовой механикой – короче, «победа разума над сарсапариллой», как говорил О.Генри. Не слишком ли я оптимистичен?
Рубен Саакян: Немножко оптимистичен, но, безусловно, это эпохальное событие. Оно в основном эпохальное для очередного подтверждения общей теории относительности. Мы пока не очень сильно продвинулись в плане объединения теории относительности с квантовой механикой, но вполне возможно, она нам поможет тоже. Важность этого открытия трудно переоценить как с точки зрения науки, так и с философской общечеловеческой точки зрения.
У нас есть два столпа, два краеугольных камня нашего понимания Вселенной. Один из этих камней — общая теория относительности, второй – квантовая теория. Гравитационные волны являлись центральной частью в общей теории относительности. Поэтому, безусловно, это очень важная вещь.
М.С.: Общая теория относительности по количеству тех ее элементов, которые уже проверены экспериментально, может считаться достаточно состоявшейся, не нуждающейся в дополнительных доказательствах в том, что касается ее основополагающих принципов. Хотя, с другой стороны, имеет смысл подчеркнуть, что общая теория относительности в том виде, в котором ее оставил нам Эйнштейн, в котором она была впервые сформулирована, и в том виде, в котором она пребывает сейчас, — это, наверное, не один и тот же зверь, да?
Р.С.: Не один и тот же зверь. Это получило очень большое развитие в связи с современными компьютерами, когда мы научились считать числовыми методами многие уравнения, которые невозможно было решить аналитически. Что еще я хотел сказать по поводу важности этого открытия? Вы правы, были и другие безусловные доказательства справедливости общей теории относительности, тем не менее, гравитационные волны – это был, можно сказать, последний элемент, который был необходим. Но это идет гораздо дальше, с моей точки зрения.
Один из очень принципиальных моментов этого открытия – это то, что мы впервые получили способ изучать, наверное, самые интересные объекты в нашей Вселенной – черные дыры. У нас по большому счету не было серьезного инструментария, чтобы смотреть на эти самые интересные объекты, которые нам могут много чего еще рассказать, в том числе о возможности путешествия во времени, в параллельной Вселенной и прочее. Это совершенно сумасшедшие объекты – черные дыры, но изучать их очень трудно. Гравитационные волны дают нам такую возможность.
М.С.: Гравитационные волны при условии непрерывного роста точности, чувствительности детекторов дают нам возможность просто в силу своей физической природы заглянуть гораздо раньше ближе к истокам, к Большому взрыву, если мы принимаем Большой взрыв как некую данность, чем те методы, которыми мы сейчас пользуемся, — реликтовое излучение, световое излучение, гамма-астрономия. Но мерить все это, исходя из того, какого размера нужны детекторы, приборы, какое между ними должно быть расстояние – задача явно не для одной страны, а, как минимум, для всего человечества.
Р.С.: Безусловно, это задача для всего человечества. Изучение гравитационных волн может нам помочь приблизиться к самой ранней Вселенной, хотя реликтовое излучение – это тоже очень ранняя Вселенная, в том числе самые дальние закоулки Вселенной. Просто это, наверное, самые драматичные события. Данные гравитационные волны были зарегистрированы в результате столкновения двух черных дыр. Они возникают в результате коллапса сверхтяжелых звезд. Там очень интересная физика: останавливается время, пропадает свет, и черт знает, что там еще происходит.
Мы надеемся, что со временем гравитационные волны станут нашим стандартным инструментарием, и мы сумеем заглянуть внутрь этой воронки. Другого способа, скорее всего, нет. То, что мы сейчас сумели зарегистрировать, дает нам надежду, что у нас будет способ заглянуть в эту воронку.
М.С.: А как же знаменитое высказывание о том, что у черных дыр нет волос, и в принципе для описания черной дыры, статической, не вращающейся, достаточно трех параметров – масса, импульс, вращение и еще что-то, и гравитационные волны не имеют к ним никакого отношения. Что касается изучения черных дыр, еще есть излучение Хокинга, — вещь, не знаю, насколько сугубо теоретическая, но точно нынешними средствами не измеряемая.
Р.С.: Всегда можно создать простую плоскую модель черной дыры, но интересно, что это такое и может ли эта невероятная энергия ввести нас в совершенно новую физику. Есть очень популярная теория, что наша Вселенная – это одна из многих, многих, многих Вселенных. В этих моделях черные дыры могут быть тем самым тоннелем, который позволяет путешествовать через это.
Это кажется научной фантастикой, но на самом деле это вполне возможно, мы сумеем на эти вещи начинать не то, что отвечать, по крайней мере, заглядывать туда. В этом плане объявление регистрации гравитационных волн для меня лично более даже важно — не очередное подтверждение теории относительности, что, конечно, очень важно, а тот инструментарий, который нам дает для изучения этих объектов.
Александр Кан: Мы говорим о том, что впервые удалось зарегистрировать гравитационные волны. Произошла регистрация явления, которое случилось как давно? У нас есть какая-то точка отсчета для этого?
Р.С.: Больше миллиарда лет назад – 1,2 – 1,4 миллиарда лет назад.
А.К.: Если сейчас удалось впервые зарегистрировать, означает ли это, что теперь ученые смогут регистрировать гравитационные волны в рутинном порядке и получать их многочисленные проявления, изучать, сравнивать, или это одноразовый чрезвычайно сложный и трудно повторимый эксперимент?
Р.С.: Нельзя, к сожалению, ответить с точной определенностью, но я очень сильно надеюсь, и эти надежды основаны на чем-то, что мы действительно входим в эру, когда мы сумеем регистрировать гравитационные волны от самых разных объектов. В научном сообществе ходят слухи, что ребята из LIGO – гравитационной обсерватории — сидят и на других событиях тоже.
Если вы слушали вчера пресс-конференцию, интересным моментом было то, что они зарегистрировали это событие в сентябре, до того как они начали свой запуск снятия данных для науки. Когда ты запускаешь новый прибор, у тебя сначала идет инженерный запуск, и ты месяц работаешь в таком режиме, а потом уже начинается научный запуск. Это событие произошло и было зарегистрировано до того, как начался научный запуск.
Вполне возможно, они сидят и на других событиях, которые не такие сильные, поэтому нужно больше времени для анализа, для уверенности в себе. У меня есть большая надежда, что мы входим в эпоху рутинных регистраций самых разных гравитационных волн от самых разных явлений.
М.С.: Из четырех известных нам сегодня видов взаимодействия, гравитационные – с одной стороны, наиболее слабые, с другой стороны, они дальнодействующие, если можно так выразиться. Эйнштейновская теория постулирует их распространение со скоростью электромагнитных волн, фактически со скоростью света. Если, скажем, на несколько порядков поднять чувствительность приемников, которыми мы сейчас располагаем, недостатка в подобного рода явлениях, наверное, не будет.
Исходя из того, что Вселенная очень большая, где-нибудь в каком-нибудь ее уголке обязательно в какой-то момент — сейчас или миллиард лет назад — массивные объекты, необходимые для того, чтобы запустить гравитационные волны, друг с другом сталкивались – будь то черные дыры, или нейтронные звезды, или другие сверхмассивные тела. В том, что касается пока совершенно непонятных нам темных материй и темных энергий, в какой степени эти две составляющие фундаментальной науки — гравитационные волны и стоящая за ними математика могут быть использованы для понимания темной материи и темной энергии в первую очередь?
Р.С.: Самой прямой связи здесь нет, но опосредованно есть очень сильная. Гравитационные волны – это еще одно свидетельство, как мы уже говорили, о том, что наше понимание гравитации, искривления пространства, времени правильное. Общая теория относительности и это самое искривление было использовано для того, чтобы лучше понять, правда, косвенным способом все еще, распределение темной материи во Вселенной.
Когда свет из далекой звезды доходит до нас, до Земли, проходя мимо очень массивного объекта, такого как, например, черная дыра, он искривляется. Искривление можно посчитать с помощью уравнений общей теории относительности. Мы получили сейчас еще одно подтверждение, что эти уравнения действительно можно использовать. Связь, безусловно, есть.
Для того чтобы разбить этот орешек, решить эту проблему – темной материи и, тем более, темной энергии, нам много придется покопаться. Хотя все зависит от того, насколько к нам добра природа. Может быть, темную материю мы тоже уже увидим в этом или в следующем году. Эксперименты работают, довольно чувствительные, мы не знаем, когда это случится.
М.С.: А дальше дело за малым – за темной энергией, которая, как предполагается по некоторым оценкам, едва ли не три четверти массы Вселенной, но из чего это сделано и как это пощупать руками, пока совершенно непонятно. Вам, Алик, на заметку: если вы в каком-нибудь поисковике наберете «Крест Эйнштейна» и посмотрите картинку, увидите очень занимательную картинку – четыре достаточно ярких объекта, расположенных в форме креста. При определенном желании можно их так интерпретировать.
На самом деле это один объект, искривляемый той самой гравитационной линзой Эйнштейна. В завершение вопрос, ответа на который требовали сегодня мои коллеги по службе, причем требовали с точностью, по возможности, до месяца, а лучше до недели. Сравнительно недавно по историческим меркам в 1925 году господин Эйнштейн определился, в конце концов, с теорией относительности, собрал вместе пространство-время, выяснил, что вблизи тяжелых массивных объектов время замедляется. Не прошло и сто лет, как это свойство пространства-времени, предсказанное Эйнштейном, используется в GPS-приемниках.
Теперь, когда у нас есть гравитационные волны, а наука движется с все большим ускорением, — мы здесь на «Пятом этаже» часто вспоминаем Станислава Лема, который говорил, что от лучины до газовой лампы прошла тысяча лет, а от газовой лампы до лазера – сто, — когда мы увидим практические последствия, когда наши микроволновки и холодильники будут использовать гравитационные волны и иные достижения квантового микромира?
Р.С.: Я не сумею точно ответить на вопрос, когда это будет, но то, что это будет, я нисколько не сомневаюсь. Любое фундаментальное естественно-научное открытие приводило нас к технологическим прорывам. Примеров можно сколько угодно. Вы привели очень хороший пример. Когда Эйнштейн написал свое уравнение специальной теории относительности о замедлении времени и прочем, практического применения не было видно никакого. Не прошло и ста лет, как оно появляется.
Другой пример – это Фарадей, который показывал свои опыты электромагнитной индукции в середине XIX века. Когда его спросили, зачем это нужно, он сказал, это ни зачем не нужно, это фундаментальная наука. Сейчас любой наш двигатель, электромотор работает на этом принципе.
Есть две вещи. Есть сами гравитационные волны. Кто его знает, может быть, научимся сквозь черные дыры в другую Вселенную переходить. Есть технология, которая развивается для того, чтобы их зарегистрировать, допустим, лазеры, которые были использованы. Это, конечно, может использоваться в более ближайшем времени.
М.С.: Мы упоминали черные дыры, довольно много сегодня про них говорили. Интересно, что сама по себе черная дыра теоретически была обнаружена в 1784 году, если мне не изменяет память, причем священником по образованию по фамилии Митчел, который открыл эту штуку на кончике пера, что называется. Черными дырами, правда, мы и сейчас не очень можем пользоваться, но зато можно, например, про них кино какое-нибудь снять, не говоря уже о том, что действительно, может быть, когда-нибудь они нам пригодятся в практическом смысле.
Разговоры о том, что фундаментальной физике осталось жить 20-30 лет, были популярны во времена Бора в начале XX века, что уже вот-вот все будет открыто, расписано по формулам, и после этого физики переквалифицируются в управдомы. Возникает такое ощущение, что сейчас чем дальше развивается наука, тем более очевидно делается, что еще нескольким поколениям физиков безработица не светит, да?
Р.С.: Полностью согласен и очень на это надеюсь.
Гравитационный двигатель что нового
— Сразу внесу ясность: мы не изобретаем вечный двигатель. Для космического аппарата «Союз-Сат-О», входящего в многофункциональную космическую систему (МФКС) союзного государства России и Белоруссии, мы разрабатывали сразу четыре типа новых двигателей: лазерно-плазменный, водяной, инерционный и абляционный. Последний мы создаем совместно с действительным членом РАН (отделение энергетики, машиностроения, механики и процессов управления) Гарри Алексеевичем Поповым. В этом двигателе под действием высоковольтного разряда происходит испарение рабочего тела — фторопласта и образуется тяга. Именно он и будет установлен на «Союз-Сат-О».
— Как далеко вы продвинулись в создании двигателя без выброса реактивной массы?
— Сначала мы проводили эксперимент с ртутью. Получили очень хороший результат. Но, к сожалению, ртуть опасна и капризна, поэтому мы перешли к экспериментам с массивными твердыми телами, которые движутся по определенной траектории то с ускорением, то с замедлением. Устройство для непрерывного передвижения без расхода рабочего тела уже прошло испытания в земных условиях.
— Вы ему дали название?
— Условно — «гравицапа» (как в знаменитом фильме Георгия Данелии «Кин-дза-дза». — Ред.). Он предназначен для любого космического аппарата, особенно для наноспутников. В этом случае масса движителя будет снижена до нескольких десятков граммов. Главное сейчас доказать, что он работает.
— Получается?
— В мае 2008 года с космодрома Плесецк ракета-носитель «Рокот» вывела в космос малый космический аппарат «Юбилейный». На нем и установлена «гравицапа». В течение полутора лет отрабатывались новые приборы и системы. Недавно эти эксперименты закончились, и мы наконец смогли приступить к испытаниям своего движителя. Он проработает не менее 15 лет, а максимальное число включений может достичь 300 тысяч.
— Как родилась идея создать «гравицапу»?
— Примерно в 2000 году ко мне пришел Спартак Михайлович Поляков — ученый и талантливый инженер. В одном из стихотворений, написанных за несколько месяцев до смерти, он отождествлял себя с «межзвездным странником». Всю жизнь он работал над созданием гравитационного двигателя. Вместе с сыном Олегом Поляков попытался дополнить механику Ньютона простым уравнением, связывающим вращательное движение массы с ее собственным гравитационным полем. Я увидел у Полякова, что есть некая сила, которая позволяет поддерживать в подвешенном состоянии конструкцию весом 40 кг, и понял, что надо заниматься этой проблемой.
— Однако Ньютон, как известно, не нашел источник поля всемирного тяготения.
— Как ученый я отлично понимаю, что потенциал химических двигателей исчерпан. На нем к далеким планетам мы не долетим. Нужно делать что-то другое, использовать гравитацию, ядерную энергию или резонансный двигатель либо что-то еще — вариантов много.
— Член комиссии по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований президиума РАН академик Евгений Александров как-то сказал: «Новые открытия не могут отрицать того, что уже заведомо известно».
— Основой нового способа перемещения является неукоснительное соблюдение закона сохранения энергии и преобразования ее из одной формы в другую с неравновесным перераспределением кинетической энергии поступательного движения между частями системы. В этой части физики я не отрицаю того, что уже всем известно. Но я работаю еще и в той области, где никому ничего не известно.
В нашей стране всегда проявляли немалый интерес к гравитации. Еще в 1960 году вышло закрытое постановление Совета министров СССР и ЦК КПСС, где перед наукой ставились, в частности, задачи: разработать новые источники энергии и новые принципы получения тяги без выброса массы. Если с первой задачей наука худо-бедно справляется, то в решении второй топчется на месте.
— Говорят, на свою «гравицапу» вы потратили миллиарды рублей Минобороны.
— Все наши исследования мы выполняли, можно сказать, на общественных началах. Экспериментальные установки делали энтузиасты своими руками. Можно сейчас вновь посчитать стоимость истраченных на эксперименты киловатт-часов, полос железа и электромоторчиков. Сумма невелика и взята из прибыли, полученной нами от выполнения основной работы. Наш двигатель сейчас остался последним работающим агрегатом на платформе малого космического аппарата «Юбилейный». Настало время проверить его в космических условиях.
— Ваши разработки кого-нибудь интересуют?
— Меня официально приглашали в США, Таиланд, Швецию, чтобы я продолжал там работать над созданием двигателей на новых принципах получения тяги без выброса массы. Но за десятилетия службы в армии (от командира взвода на космодроме до начальника космодрома и начальника института) я сроднился с мыслью, что работать надо в своей стране, поэтому всерьез не рассматривал эти предложения.
— Над чем сейчас работает ваш институт?
— У нас четыре основных направления: обеспечение запусков ракет «Протон» и «Рокот», создание многофункциональной космической системы союзного государства России и Белоруссии, космическая навигация, диагностика стартовых и технических комплексов на космодромах, а также строительных зданий и сооружений.
Впрочем, у меня большие сомнения в том, что мы при таком оголтелом отпоре людей, не желающих дерзать, добьемся успеха, но пробовать надо. Если бы у нас были деньги и время, я уверен, мы бы уже имели новый двигатель для космических аппаратов.
Возможна ли гравитационная электростанция?
Придуман новый источник энергии: это… гравитационное поле Земли. Добывать энергию из него разработчик предлагает с помощью так называемой гравитационной электростанции (ГРАЭС).
Суть работы
Гравитационная электростанция – это станция закрытого типа, преобразующая энергию гравитационного поля планеты в электричество и тепло. Она состоит из подъемного канала, верхнего отсека с компрессорами и теплообменниками, наружная поверхность которых покрыта тонким слоем капиллярной структуры, опускного канала и нижнего отсека с установленной в нем гидротурбиной. Подъем рабочей жидкости из нижнего отсека в верхний через подъемный канал происходит за счет сил капиллярного всасывания, создаваемых капиллярной структурой. Когда жидкость проникает внутрь капилляра на боковой стенке теплообменника, через стенку из теплообменника поступает тепло, испаряющее жидкость. Пар выходит наружу, сжимается компрессором и подается внутрь теплообменника.
Так как испаряющийся пар находится в состоянии насыщения, при его сжатии температура насыщения растет и оказывается выше температуры жидкости в капиллярах. Поэтому возникает температурный напор между паром внутри теплообменника и жидкостью на его внешней поверхности: пар конденсируется, а выделяющееся тепло проходит через стенку аппарата и испаряет новые порции жидкости из капилляров. Конденсат падает по опускному каналу, поглощает энергию гравполя и отдает ее гидротурбине с электрогенератором. Часть полученного электричества питает компрессоры, другая идет потребителю.
Сходство с природными явлениями
Известно, что теплота фазового перехода с увеличением давления снижается, поэтому может показаться, что при конденсации пара выделится тепла меньше, чем требуется на испарение такого же расхода жидкости. Реальная ситуация будет прямо противоположной. Пар при его сжатии компрессором нагревается настолько, что его температура растет быстрее температуры насыщения, и он оказывается перегретым. Суммарная теплота перегрева и конденсации будет больше теплоты испарения по той причине, что компрессоры вносят в пар избыточную энергию и выполняют роль нагревателя, компенсирующего утечки тепла из верхнего отсека в атмосферу. Поэтому возникнет проблема отвода избыточного тепла. Для решения данной проблемы придется часть пара отводить в специальные паровые конденсаторы и там переводить его в жидкую фазу путем воздушного охлаждения.
Работа ГРАЭС частично напоминает те процессы, которые происходят в природе. Вода под действием капиллярных сил поднимается по стволу дерева к листьям, испаряется и поднимается далее в верхние слои атмосферы, где конденсируется из‑за низкой температуры. Конденсат падает дождевыми каплями на землю, проникает в почву и через корни снова поступает в ствол дерева. Но имеются и отличия. В природных условиях процессы испарения и конденсации разнесены в пространстве и происходят в разных точках с разной температурой. Наличие природного температурного напора делает компрессор ненужным. В установках закрытой схемы испарение и конденсация идут практически в одном месте и разделяются лишь тонкой стенкой теплообменного аппарата, поэтому для таких схем требуется компрессор, создающий необходимый температурный напор.
Рабочее тело
На сегодняшний день единственно приемлемым рабочим телом ГРАЭС являются жидкие металлы, а из них наилучшие характеристики показывают металлы щелочной группы и их эвтектики (раствор сплавов, кристаллизующийся при наиболее низкой температуре). Это обусловлено тем, что оптимальный перепад температур между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью обычно невелик (несколько десятых долей градуса), поэтому для создания больших тепловых потоков через стенку теплообменника и больших расходов рабочего тела приходится использовать вещества с высоким коэффициентом теплоотдачи испарения и конденсации.
Этому условию удовлетворяют только жидкие металлы. Использование воды ведет к уменьшению выработки энергии в несколько тысяч раз по сравнению с жидким металлом, и такая ГРАЭС оказывается экономически неконкурентоспособной. А использование аммиака еще сильнее снижает выработку энергии. Ртуть могла бы быть хорошим кандидатом на роль рабочего тела, если бы не высокая ядовитость ртутных паров и чрезвычайно огромная ее коррозионная активность при температурах испарения. (При таких температурах ртуть растворяет в себе многие конструкционные металлы. С этой проблемой столкнулись американцы, когда в 1970‑х гг. опробовали работу ядерного реактора с ртутным теплоносителем – ртуть «съела» всю начинку реактора за две недели). Окончательно для расчетов была выбрана эвтектика натрий+калий с температурой плавления –11° C и температурой испарения 784° C.
Почему не годится фреон?
Что касается фреона, у него имеется очень хорошее для использования в ГРАЭС свойство: низкая теплота фазового перехода испарение-конденсация. Чем ниже теплота, тем больше будет расход теплоносителя при неизменном тепловом напоре и тем больше окажется мощность станции. Но у фреона есть два больших недостатка, которые препятствуют его использованию в ГРАЭС. Во-первых, он имеет низкую, по сравнению с металлом, теплопроводность. Для испарения это не очень важно, т. к. высокая теплопроводность металла капиллярной структуры заметно компенсирует низкую теплопроводность жидкости. Но для конденсации это оказывается ключевым фактором. Образованный конденсат тонкой пленкой покрывает всю поверхность теплообмена и за счет низкой теплопроводности снижает общий тепловой поток в тысячи раз по сравнению с использованием жидкометаллического теплоносителя. С целью преодоления данного недостатка необходимо вместо пленочной конденсации организовать капельную, когда конденсат не смачивает поверхность, а стягивается на ней в отдельные крупные капли, оставляя большую часть поверхности свободной от жидкости. Для этого необходимо покрыть поверхность очень тонким слоем фреоноотталкивающего вещества. Но таких веществ пока нет, их еще нужно создать.
Во-вторых, существующие сейчас фреоны обладают низкой температурой кипения, обычно ниже максимальной температуры самого жаркого летнего дня. При таких соотношениях температур отвод избыточного тепла из верхнего отсека станции в атмосферу летом становится невозможным. Поэтому надо получить новую разновидность фреона, которая имела бы температуру кипения на уровне 60‑70° C. В принципе, пути получения такой разновидности фреона известны. Практика показывает, что увеличение молекулярной массы фреона смещает температуру его кипения в сторону более высоких значений. Одновременно с этим растут плотности жидкой и паровой фаз, что также играет важную роль. Увеличение плотности жидкой фазы позволяет при одинаковой высоте подъемного и опускного каналов получить более высокую мощность станции из‑за роста гидростатического напора в опускном канале. А увеличение плотности паровой фазы позволяет снизить энергозатраты компрессора на сжатие пара (затраты энергии на сжатие обратно пропорциональны плотности пара). Но таких фреонов тоже пока нет, их еще необходимо создать.
Двухслойная структура
Капиллярная структура на теплообменниках выполняется двухслойной: внутренний слой с крупными порами большого радиуса, наружный – очень тонкий слой с мелкими порами малого радиуса. Такая схема позволяет решить две противоборствующие проблемы. С одной стороны, для максимального повышения мощности станции и удешевления вырабатываемого электричества нужно поднять рабочее тело как можно выше, для чего необходимо использовать капилляры малого радиуса. С другой стороны, уменьшение размера пор ведет к росту гидравлического сопротивления, что снижает расход жидкости. Если мы используем двухслойную структуру, тогда гидросопротивление потоку жидкости оказывается невысоким, так как жидкость поднимается по внутреннему слою с крупными порами. Когда она затем проникает внутрь наружного мелкопористого покрытия и затем движется поперек его, общее гидросопротивление от этого сильно не увеличивается, т. к. толщина наружного покрытия очень невелика, всего десятые доли миллиметра. Зато значительная кривизна мениска жидкости в мелких порах создает высокие капиллярные силы.
Расчеты показали, что оптимальная высота теплообменников составляет 10‑15 м, при этом кпд станции достигает 52 %, высота подъемного и опускного каналов лежит в интервале 500‑600 м, а мощность станции равна 600‑1000 МВт. Если выбрасываемое наружу тепло преобразовать в дополнительное электричество обычным турбомашинным способом, тогда кпд вырастает до 69 % с соответствующим увеличением мощности. Оказалось, что имеется также оптимальное значение температурного напора между конденсируемым паром и испаряемой жидкостью –0,42 ° C. При таком значении напора достигается максимальная электрическая мощность. Если увеличивать температурный напор выше этого значения, выработка электричества падает, потому что большую часть вырабатываемого электричества приходится пускать на компрессоры, и оно в установке окончательно преобразуется в тепло.
К вопросу о КПД
Следует отметить тот факт, что для ГРАЭС понятие коэффициента полезного действия, заимствованное из тепловой энергетики, теряет старый смысл. Для тепловых станций величина кпд показывает отношение полезной электрической энергии, отправляемой потребителю, к полной тепловой энергии сгорания топлива. Последняя величина определяется только массой и качеством топлива и никакие технические усовершенствования станции не могут ее изменить. Для ГРАЭС такие технические усовершенствования меняют одновременно как тепловую мощность (или мощность на гидротурбине), так и электрическую (тепловая мощность минус энергозатраты компрессора). Поэтому для ГРАЭС понятие кпд перестает показывать техническое совершенство процесса. Теперь оно показывает лишь соотношение между вырабатываемой на самой станции и отправляемой потребителю энергиями. И может оказаться так, что чисто экономически окажется выгодным даже несколько занижать кпд, зато увеличивать отпуск энергии потребителю.
Поперечные размеры подъемного и опускного каналов также оказались оптимизируемыми – примерно 1,5 метра в диаметре. При уменьшении диаметра ниже этого порога сильно растет гидросопротивление, и как результат падает суммарный расход при неизменном капиллярном напоре. При увеличении диаметра выше оптимума гидросопротивление каналов становится намного меньше оного капиллярной структуры и на общем гидросопротивлении уже не сказывается, зато общая масса рабочего вещества и затраты на его очистку и подготовку заметно растут.
Если говорить о капитальных затратах на строительство, то они оказываются обычно в 1,5‑2 раза меньше по сравнению с тепловой станцией аналогичной мощности. Зато эксплуатационные издержки из‑за отсутствия потребления топлива оказываются ниже в десятки раз. А экологическое воздействие на природную среду вообще становится мизерным, так как отсутствуют выбросы парниковых газов, тяжелых металлов, оксидов серы и азота, радиоактивных элементов и т. д.
О положении нулевой работы
Скептики могут возразить, что работа такой станции невозможна из‑за так называемого положения нулевой работы. Это положение доказал в середине XIX в. немецкий физик и математик Карл Гаусс. Суть его: суммарная работа при перемещении предмета по замкнутому контуру в потенциальном поле равна нулю. Гравитационное поле является разновидностью потенциального, и потому данное положение вроде бы должно быть полностью к нему применимо. Но Гаусс не заметил (и до сих пор мало кто замечает), что применительно к гравитационному полю возникает дополнительная сила, которая меняет результат на противоположный: выталкивающая сила Архимеда.
В проекте гравитационной электростанции на некоторой части подъемного канала рабочее вещество перемещается в форме пара (с момента испарения из капиллярной структуры до момента конденсации внутри теплообменников), зато на всем протяжении опускного канала оно движется исключительно в форме жидкости.
