Преобразователь низко потенциальной тепловой энергии

Рєзніков Е.В., Жаура А.С., Недзвецький В.С., Святун О.А..
Дніпропетровський національний університет ім. О.Гончара, Україна, E-mail,
zhaura-a@rambler.ru

Чем большим энергетическим потенциалом владеет человек, тем больше возможностей он имеет для движения по пути своего прогресса. Но запасы используемых человеком энергоносителей конечны и с годами всё более труднодоступны.

Тепловые машины (ТМ) ныне играют главную роль в энергетике человеческого сообщества. Но ТМ в лучшем случае половину энергии, содержащуюся в энергоносителе, бесполезно выбрасывают в окружающее нас пространство. ТМ уже начали отягощать наше движение по пути прогресса, выжигая эти самые энергоносители, и делая тем самым нашу среду обитания всё более и более непригодной для жизни. Ветро, гидро, гелио и прочие агрегаты так называемой альтернативной энергетики при всём к ним уважении не смогут составить серьёзную конкуренцию ТМ.

То, о чём мы хотим Вам рассказать, не только вытеснит ТМ из энергетики, сделав её экологически чистой и практически неисчерпаемой, но и позволит людям создавать новые по своим возможностям транспортные средства; строить энергетически автономные жилые и производственные помещения; позволит без предварительной сушки и сортировки экологически чисто перерабатывать твёрдые бытовые отходы, производя при этом очень полезную продукцию, а также многое и многое другое …

То, о чём мы хотим Вам рассказать в данной статье, требует несколько непривычного ракурса рассмотрения привычных для нас вещей и понятий. Но этот наш непривычный ракурс, ни в коем случае не ставит под сомнение, ни закон сохранения энергии, ни какие-либо другие фундаментальные законы науки. Состоит он (ракурс) в следующем:

I. Суть энергии одна и та же, проявления различных форм которой мы можем регистрировать в окружающем нас материальном мире;

II. Постулатом считается невозможность создания «генератора» энергии. Всё чем располагает сейчас человеческое общество – это одно или многоступенчатые преобразователи одного проявления энергии в её другое проявление;

III. Если в какой-либо материальной среде запасено достаточно большое количество энергии одного из своих проявлений, то люди рано или поздно найдут экономически выгодный способ преобразовывать это ранее накопленное проявление энергии в другое её проявление, которое необходимо человеческому обществу в данном месте и в данное время. С этим нашим утверждением связаны такие имена как Джордж Стефенсон, Густаф Лаваль, Рудольф Дизель, Роберт Оппенгеймер и прочие.

Наш научный коллектив, у которого исторически сложилось название – лаборатория «VELES», предлагает теоретическое обоснование и, в перспективе, практическую возможность трансформации Низко Потенциальной Тепловой Энергии (НПТЭ) в энергию электрическую. Под НПТЭ наш коллектив имеет в виду те уровни энергии, которые содержатся в окружающих нас материальных объектах и проявляют себя в виде температурного диапазона примерно + 50 оС.

НПТЭ в изобилии содержится на Земле в любой материальной среде и постоянно пополняется в основном от Солнца и геотермальных потоков. Простая формула из учебника общеобразовательной средней школы

позволяет оценить то сверх гигантское количество НПТЭ накопленной в окружающих нас воздухе и воде [2].

Теоретическую возможность преобразования низко потенциального теплового проявления энергии в её электрическое проявление высказал сотрудник нашей лаборатории, ведущий инженер ФФЭКС ДНУ Резников Е.В. Им предложено теоретическое обоснование для построения концептуальной конструкции квантового накопителя энергии, с помощью которого, методом последовательного сложения можно повышать НПТЭ квантов, лежащую в промежутке 0,02 ÷ 0,025 эВ, до энергии квантов видимого и даже ультрафиолетового диапазонов излучения, составляющих 2,56 ÷ 3,2 эВ. А затем, используя фотоэлемент, преобразовывать эту объединённую энергию квантов в её (энергии) электрическое проявление.

Предлагаемый квантовый накопитель энергии состоит из одной внешней (она же излучающая) и восьми накопительных мембран, определённым образом ориентированных в пространстве. Молекулы, входящие в состав материала первой накопительной мембраны должны иметь один квазистабильный энергетический уровень, ΔW1 которого, относительно стационарного уровня, лежит в диапазоне инфракрасного излучения равного 0,02 ÷ 0,025 эВ, что соответствует низко потенциальному тепловому проявлению энергии, лежащему в температурном диапазоне примерно (288 ÷ 293) оК или + (15 ÷ 20) оС. Вторая накопительная мембрана предлагаемого квантового накопителя состоит из материала с ΔW2 равной 0,04 ÷ 0,05 эВ. Третья накопительная мембрана состоит из материала с ΔW3 = (0,08 ÷ 0,1) эВ. Принципиально важным является условие того, что ΔW последующей накопительной мембраны отличается от ΔW предыдущей в два раза. Другими словами:

Простой расчёт пошагового возрастания энергии показывает, что ΔW8 будет лежать в диапазоне энергий 2,56 ÷ 3,2 эВ.

Принцип работы квантового накопителя энергии, построенного из вышеописанных накопительных мембран, можно представить следующим образом. Движение молекул охлаждаемой среды является ни чем иным как низко потенциальным тепловым движением этих молекул. Эти молекулы непрерывно соударяются с внешней (она же излучающая) мембраной, монохроматическая линия излучения которой лежит в диапазоне 0,02 ÷ 0,025 эВ, и которая излучает фотоны инфракрасного спектра на первую накопительную мембрану. При попадании первого фотона молекула вещества первой накопительной мембраны переходит на ΔW1. Следующий фотон, приходящий на первую накопительную мембрану, вызывает вынужденный переход возбуждённого электрона с ΔW1, и на вторую накопительную мембрану одновременно приходит уже пара фотонов с энергией 0,02 ÷ 0,025 эВ каждый. Сумма этих энергий теперь достаточна, чтобы возбудить электроны второй накопительной мембраны до ΔW2 = 0,04 ÷ 0.05 эВ в процессе двухфотонного поглощения [1]. Третий фотон опять «возбуждает» молекулу первой накопительной мембраны …

Представленная на рис.1 схематическая конструкция Квантовой Накопительной Трубки «VELES» (КНТ «VELES») теоретически обоснована с учетом возможностей создания материалов накопительных мембран со строго определенными квазистационарными энергетическими уровнями, отвечающими требованиям прогнозируемого процесса накопления энергии теплового движения молекул охлаждаемой среды в энергию перехода молекул веществ этих накопительных мембран со стационарного на квазистационарный уровень и обратно.

Анализ процесса накопления энергии в предлагаемом пошаговом возрастании потенциальной энергии накопительных мембран КНТ «VELES» имеет достаточно высокую степень аналогии с накопительным процессом в двоичном коде, к младшему разряду которого постоянно прибавляется двоичная единица, т.е.:

Если рассматривать накопительный процесс в двоичном коде, как модель процесса накопления энергии в КНТ «VELES» то, исходя из простых расчётов, можно видеть – суммарная энергия кванта находящегося на восьмой накопительной мембране (ΔW8) КНТ «VELES» лежит в диапазоне ультрафиолетового излучения. Для большей наглядности проведём цепь этих простых расчётов, чтобы убедиться в вышеизложенном утверждении начиная от энергии теплового движения молекул охлаждаемой среды (Wкванта 0) и заканчивая суммарной энергией кванта излучаемой восьмой накопительной мембраной на фотоэлемент (ФЭ) при «обнулении» трубки, т.е.:

Высвобождение всей накопленной в КНТ «VELES» энергии, при всех восьми возбуждённых накопительных мембранах, произойдёт при попадании очередного теплового фотона, излучённого внешней мембраной. После высвобождения всей энергии, накопленной в КНТ «VELES» она (трубка) «обнуляется». Процесс накопления очередной порции энергии в КНТ «VELES» начинается сначала.

Полная накопленная в трубке энергия, излучаясь, попадает на расположенный в конце КНТ «VELES» фотоэлемент, преобразующий ультрафиолетовое проявление данной порции энергии в её (энергии) электрическое проявление с неким КПД такого преобразования. Не преобразовавшаяся в электрическое проявление энергия в виде своего теплового проявления рассеивается в окружающем пространстве.

Для того, чтобы оценить какую электрическую мощность может развить одна КНТ «VELES» необходимо определить эффективные размеры окна внешней мембраны. Для этого определяем частоту электромагнитных колебаний возникающих при передаче кванта энергии в 0,02 ÷ 0,025 эВ по формуле (1):

Исходя из (1) вычисляем длину волны по формуле (2).

Подставив в (2) численные значения получим λ0 ≈ 5,584×10 -5 м. Это означает, что эффективные размеры прямоугольного окна внешней мембраны КНТ «VELES» лежат в пределах [(48 ÷ 61) × (23 ÷ 32)] микрометра. Усреднённая площадь окна (S) составит примерно 1540 мкм 2.

Зная, величину потока НПТЭ, протекающего через эффективные размеры окна внешней мембраны КНТ «VELES», можно определить среднюю электрическую мощность, развиваемую одной трубкой. Для этого используем понятие энергетической светимости (М), которое равно отношению потока энергии к площади поверхности эффективного окна, через которую и проходит этот поток, т.е.

Энергетическая светимость в свою очередь связана с температурой окружающей среды (Т) следующим соотношением:

Формула (4) носит название закона Стефана – Больцмана, а σ – постоянной Стефана – Больцмана [3].

С помощью (3) и (4) закон Стефана – Больцмана можно представить в виде:

Формула (5) является формулой лимитирующего фактора, которая даёт представление о полном потоке НПТЭ прошедшем через эффективный размер окна при данной температуре окружающей среды за единицу времени, и которая, при идеальной КНТ «VELES», полностью бы преобразовалась в мощность электрическую. К сожалению идеального в нашем мире ничего не существует и на величину электрической мощности одной КНТ «VELES» также влияют:

1. КПД фотоэлемента, преобразующего высвобожденный квант ΔW8 в электрическое проявление энергии – ŋ. Ныне существующие фотоэлементы преобразующие энергию ультрафиолетового излучения в энергию электрическую показывают КПД равное 0,75. В нашем случае, в силу благоприятных условий внутри трубки, при которых протекает процесс преобразования ультрафиолетового проявления энергии в её электрическое проявление, ŋ мы принимаем равное 0,7.

2. Коэффициент преобразования длинноволновых фотонов в коротковолновые – β. В нашем случае, для сохранения максимального КПД фотоэлемента КНТ «VELES», выбираем наиболее энергоёмкую спектральную составляющую ультрафиолетового спектра излучения восьмой накопительной мембраны (ΔW8). Это ведёт к потере, в конечном счёте, в виде НПТЭ половины энергии, заключённой в относительно широком спектре излучения трубки в момент её «обнуления». В связи с этим величину β для предварительных расчётов мы принимаем за 0,5.

3. Коэффициент черноты – α, равный отношению мощности излучения поверхности излучательной мембраны к мощности излучения поверхности чёрного тела. В численном выражении максимальное значение этого коэффициента составляет 2 -0,5 или, что примерно равно 0,707106781. Поскольку процесс излучения ультрафиолетового кванта на фотоэлемент внутри КНТ «VELES» происходит практически в идеальных для этого условиях, постольку значение α для предварительных расчётов мы принимаем за 0,707.

С учётом вышеизложенного формула лимитирующего фактора для оценочного расчёта электрической мощности (Рэл.) развиваемой одной реальной КНТ «VELES», работающей в вышеописанных условиях будет иметь вид:

Подставив в формулу (6) все вышеперечисленные значения, а также Т = 293 оК получим – ожидаемая электрическая мощность одной КНТ «VELES» при комнатной температуре охлаждаемой среды примерно равняется 1,5×10 -7 Ватт.

Поскольку эффективные размеры прямоугольного окна внешней мембраны КНТ «VELES» лежат в пределах [(48 ÷ 61) × (23 ÷ 32)] мкм, то это означает, что количество таких окон (а, следовательно, и самих трубок) на одном квадратном дециметре может составлять примерно 6 миллионов штук. Длина КНТ «VELES» вместе с фотоэлементом по тем же предварительным расчётам составляет около пятидесяти микрометров. Отсюда можно сделать вывод, что сформированная из КНТ «VELES» «двухмерная» матрица площадью примерно в один квадратный дециметр, помещённая в среду, которая подогревается Солнцем, геотермальным потоком или каким-либо другим источником теплового проявления энергии, примерно при комнатной температуре будет генерировать электрическое проявление энергии мощностью примерно в 0,9 Ватт. А среда тем временем будет охлаждаться вследствие понижения энтропии ровно на то количество энергии, которое будет уходить из этой среды благодаря каскадному процессу передачи и накопления энергии между соседними накопительными мембранами и трансформации этой накопленной на мембранах энергии с помощью фотоэлемента в энергию электрическую.

Принципиальным является вопрос необратимости процесса перехода тепловой энергии соударения молекул охлаждаемой среды (жидкости, газа, твёрдого тела) в энергию перехода молекулы накопительной мембраны на более высокий энергетический уровень. У материалов каждой из накопительных мембран времена жизни молекул на квазистационарных энергетических уровнях различны. Процесс будет необратимым, если за время жизни молекулы на квазистационарном энергетическом уровне любой из накопительных мембран, обладающей наименьшим временем жизни из всех восьми накопительных мембран КНТ, произойдёт не менее двухсот пятидесяти шести соударений атомов внешней мембраны с атомами охлаждаемой среды, обладающими достаточной энергией. Этот факт даст возможность сложить энергию половины из этих двухсот пятидесяти шести тепловых ударов и выделить её (энергию) на фотоэлемент КНТ «VELES» в виде кванта, энергия которого будет лежать уже в ультрафиолетовом спектре. В противном случае процесс перехода тепловой энергии соударения атомов охлаждаемой среды с атомами внешней мембраны в энергию перехода атомов последующих накопительных мембран на более высокие энергетические уровни будет обратимым. КНТ «VELES» просто будет «самообнуляться» так и не «заполнившись» полностью, высвобождая уходящую из неё энергию в окружающую среду в конечном итоге в виде той же НПТЭ.

Предлагаемая на суд научной общественности квантовая накопительная трубка «VELES» (или, сокращённо – КНТ «VELES») своей первой накопительной мембраной напоминает лазер, где накачка этого лазера идёт от потока низко потенциального теплового проявления энергии, в изобилии имеющегося в окружающем нас пространстве, причём непрерывно пополняющегося в основном за счёт Солнца и геотермальных потоков.

Предварительные теоретические исследования показывают, что при построении объёмных «трёхмерных» матриц из КНТ «VELES» электрическая мощность одного кубического дециметра такой структуры может достигать пятисот ватт и выше.

Предлагаемая конструкция последовательных акцепторных резонирующих мембран может быть реализована на базе современных нанотехнологий с использованием в качестве материалов этих мембран устойчивых органических структур. Современный научно технический прогресс предоставляет человечеству новые возможности, которые еще недавно казались фантастикой. Нанотехнологии и биополимеры являются одними из самых перспективных объектов для построения предлагаемой конструкции НПТЭ-преобразователя, коим и является КНТ «VELES». Но путь к созданию КНТ «VELES» лежит через серию экспериментальных научно-прикладных работ, которые, кстати, при должном финансировании, в состоянии провести научный коллектив нашей лаборатории, открыв тем самым путь к практически беспредельному и (главное!!!) абсолютно экологически чистому источнику электрического проявления энергии. К великому сожалению объявив НПТЭ самым «деградированным» проявлением энергии люди как бы повернулись спиной к мысли о возможности её преобразования в другие проявления энергии. По нашему мнению это и породило тот факт, что, не смотря на наши усилия, мы так и не обнаружили в открытом доступе ни публикаций, ни каких-либо отчётов о работах по созданию НПТЭ-преобразователей – преобразователей открывающих перед человеческим сообществом новую эру в энергетике и не только…

 

Литература.

1. «Элементарный учебник физики» под ред. акад. Г.С. Ландсберга Том III АЗОТ «ШРАЙК» Москва 1995 г. стр. 479 — 480; стр. 499.

2. Бредихин В. И., Галанин M. Д., Генкин В. H., «Двухфотонное поглощение и спектроскопия», журнал»УФН», 1973/5/1 т. 110, №5, стр. 3 – 43.

3. Матвеев А.Н. «Молекулярная физика» Москва, «ВЫСШАЯ ШКОЛА» 1987 г. стр. 114 — 115.

4. Мухуров Н.И. «Электромеханические микроустройства» / Н.И. Мухуров, Г.И. Ефремов. – Минск: Беларус. навука, 2012. – 257 с. – ISBN 978-985-08-1419-7.

5. Barsan M.M., Ghica M.E., Brett C.M. Electrochemical sensors and biosensors based on redox polymer/carbon nanotube modified electrodes: A review. Anal Chim Acta. 2015; 30;881:1-23. doi: 10.1016/j.aca.2015.02.059.

6. Primo E.N., Gutierrez F.A., Luque G.L., Dalmasso P.R., Gasnier A., Jalit Y., Moreno M., Bracamonte M.V., Rubio M.E., Pedano M.L., Rodríguez M.C., Ferreyra N.F., Rubianes M.D., Bollo S., Rivas G.A. Comparative study of the electrochemical behavior and analytical applications of (bio)sensing platforms based on the use of multi-walled carbon nanotubes dispersed in different polymers. Anal Chim Acta. 2013; 17;805:19-35. doi: 10.1016/j.aca.2013.10.039.