Альтернативный источник энергии - Космос

Проблема добычи энергии постоянно следует за современным человеком. Стремление людей позволило не только развить уже имеющиеся методы добычи энергии, но и найти новые способы. Одним из таких стала добыча энергии из Космоса. 

В данной статье я хочу рассказать вам о некоторых методах добычи энергии, которые связаны с Космосом. 

1. Солнечные батареи 

Солнечные батареи считаются одними из наиболее узнаваемых альтернативных источников энергии. Они используют энергию, передаваемую солнечными лучами, и превращают её в электричество. Почти все до сих пор полагают, что создание солнечных батарей является чем-то внезапным, спонтанным, хотя это не совсем так. 
 
Попытки использования солнечной энергии были предприняты ещё в начале 19 столетия французским физиком Александром Беккерелем. В 1839 году, экспериментируя в лаборатории своего отца, он открыл фотоэлектрический элемент, который считается начальный точкой в солнечной энергетике. 

Некоторое время спустя, в 1883 году, американский изобретатель Чарльз Фриттс построил первый твердотельный фотоэлектрический элемент, покрыв полупроводниковый селен тонким слоем золота, для того чтобы образовать переходы. Хоть КПД данного элемента составлял 1%, он стал внушительным шагом в развитии солнечных батарей. 

После Второй Мировой Войны, 25 апреля 1948 года, специалисты исследовательского центра Bell Labs Дэрил Чапин, Геральд Пирсон и Кельвин Соулзер Фуллер показали первую солнечную панель, созданную на основе кремния. КПД данной панели составила уже 6%. 

 
Труд Чапина, Пирсона и Фуллера приковал внимание к добыче энергии с помощью солнечных панелей, и уже спустя десять лет, в 1958 году, на американском спутнике “Авангард-1” они применяются как альтернативный источник питания. 

 
Солнечные панели на основе кремния применяются человечеством и в наше время. С момента создания первых прототипов, КПД батарей получилось увеличить до 26% и понизить стоимость с 76 долларов за одноваттную ячейку до 1 доллара. 

1.1 Принцип работы 

Теперь, когда мы разобрались с историей создания солнечных панелей, можно перейти к объяснению основных принципов работы механизма 

В основе солнечной панели лежат фотоэлектрические ячейки, расположенные внутри общей рамы. Для их создания чаще всего используется кремний, но можно использовать и другие полупроводники.   

Процесс вырабатывания начинается с попадания на солнечную панель лучей Солнца, нагревающих ячейки. В результате нагрева, внутри полупроводника высвобождаются электроны. Под действием электрического поля электроны начинают двигаться более упорядоченно, что и приводит к появлению электрического тока.   

Образовавшийся ток начинает поступать в аккумулятор. Уровень заряда постоянно отслеживается контроллером, который включает и отключает солнечную панель от сети, в зависимости от заряда аккумулятора.    

Далее включается в работу инвертор. Его задача состоит в преобразовании постоянного тока в переменный. 

1.2 Применение  

Солнечные батареи обладают большой областью применения, во многом благодаря доступности солнечных лучей. Их используют в таких направлениях, как:  

Питание энергией космических аппаратов; 

Начиная со спутника “Авангард-1”, солнечные батареи используются как основной источник питания для космических аппаратов. они способны сохранять свою работоспособность на длительные промежутки времени без расхода каких-либо материалов, и в то же время являются экологически безопасными.  

Служит источником питания для портативных устройств  

Солнечные батареи способны даже при маленьком количестве фотоэлементов обеспечивать энергией небольшие устройства, по типу плееров, калькуляторов, и других устройств.  

Питание энергией жилых домов  

Солнечные батареи активно используются в частных домах. Это связано с доступностью самих солнечных панелей, стабильностью и экологической чистотой солнечной энергии. 

2. “Обратная солнечная панель”

Данное устройство не имеет официального названия, поэтому для удобства в статье к нему будут обращаться термином “устройство” или “установка”. 

6 мая 2019 года, на сайте Американского института Физики (AIP) была опубликована статья, описывающая работу установки, которая вырабатывает энергию на основе космического холода. Устройство получает энергию за счёт разницы температур между Землёй и космическим пространством.   

Учёные, создавшие устройство, утверждают, что оно способно генерировать около 64 нано ватт на квадратный метр. Так же они утверждают, что при улучшении квантовых оптоэлектронных свойств материалов, которые использованы в диоде, предел в получении энергии с помощью этого устройства сможет достичь почти 4 ватт на квадратный метр.  

2.1 Принцип работы  

Для того чтобы устройство могло отдавать тепло, ученые использовали большое параболическое зеркало.  

В фокусе зеркала находился фотодиод, который днем выступал в роли фотоэлемента, а ночью остывал за счет испускания инфракрасных лучей в ночное небо. Температура фотодиода в результате оказывалась ниже, чем у нагревшейся за день металлической подложки под ним. Этой разницы оказалось достаточно для получения электричества, которое генерировалось в элементе Пельтье за счёт разницы температур. 

2.2 Применение  

Питание энергией жилых домов  

На данный момент, это устройство не обладает достаточно сильной выработкой энергии, чтобы запитать электричеством целое здание, но даже сейчас оно способно служить в роли дополнительного источника питания  

Переработка выделяемого другими устройствами тепла в электричество  

По описанному принципу работы, Шаньху Фан, один из авторов исследования, предположил, что устройство способно перерабатывать тепло, которое генерируется различными механизмами, в электрическую энергию. 

3. Добыча энергии из чёрных дыр

В отличии от прошлых устройств, которые были перечислены в данной работе, добыча энергии из чёрных дыр пока невозможна, в силе ограниченности современных технологий, однако это не означает, что возможные пути добычи энергии из чёрных дыр не были предположены.

3.1 Процесс Пенроуза 

Первые шаги в данном направлении были осуществлены ещё в конце 60-ых годов двадцатого столетия физиком Оксфордского университета Роджером Пенроузом. Он показал миру «процесс Пенроуза», где описал, что энергия, в теории, может быть извлечена из области за границами эргосферы черной дыры, внутри которой пространство-время искривляется под действием вращения этой самой дыры. 
 
Вычисления Пенроуза продемонстрировали, что если частица разделится в глубине эргосферы на две части, одна из которых упадёт в горизонт событий, а вторая ускользнёт от гравитационного притяжения чёрной дыры, то энергия, оттеняемая удаляющейся частицей, может быть извлечена. 
 
В 1971 году советский физик-теоретик Яков Зельдович перевел эту идею вращательного сверхизлучения с вращающейся черной дыры в идею вращающегося поглотителя, такого как металлический цилиндр. Единственная заковырка в его труде заключалась в том, что для достижения необходимого результата цилиндр нужно было разогнать до скорости в миллиард оборотов в секунду, из-за чего работа Зельдовича оставалась лишь теорией. 

Но только в 2020 году научным работникам из университета Глазго удалось продемонстрировать эффект, описанный Зельдовичем и Пенроузом. Чтобы провести этот опыт, учёные приняли решение подменить лучи света на звуковые волны, т.к. звуковые волны проще использовать в лабораторных условиях. 

Ученые создали систему с кольцом динамиков, скручивающим звуковые волны, которые позже направляются к вращающемуся звукопоглотителю, сделанному из пены. Микрофоны, закреплённые на диске, фиксируют сигналы, прошедшие через диск, который медленно увеличивает скорость вращения. 

Поначалу, когда скорость вращающегося диска увеличивалась, высота звука становилась настолько низкой, что человек переставал слышать его. Потом высота или частота снова выросли. Звук снова достиг своей начальной высоты, но на этот раз амплитуда или громкость была увеличена на 30% выше начальной. Звуковые волны получили энергию от вращающегося диска. 

3.2 Излучение Хокинга   

В 1973 году, Стивен Хокинг отправился в Москву, где советские ученые Яков Зельдович и Алексей Старобинский смогли убедить его, что вращающиеся черные дыры должны создавать и испускать частицы. И уже через год сам Хокинг выдвинул теорию о том, что любые чёрные дыры излучают частицы во внешнее пространство и тем самым теряют свою массу. Этот процесс назвали Излучением Хокинга.   

Для доказательства необходимы наблюдения, однако температуры известных астрономам черных дыр чрезвычайно малы, чтобы излучение от них можно было зафиксировать.   

3.3 Альтернативный «процесс Пенроуза»   

Учёные Лука Комиссио (Колумбийский университет) и Фелипе Асенхо (Университет Адольфо Ибаньеса) описали ещё один способ добычи энергии из чёрной дыры.   

Черные дыры окружены горячей плазмой, частицы которой обладают магнитным полем. Поскольку магнитные соединения и разъединения полей происходят за пределами горизонта событий, частицы плазмы разгоняются до скоростей, приближающихся к скорости света в двух разных направлениях: один поток плазмы может упасть в горизонт событий, а другой «ускользнуть».    

Данный процесс похож на процесс Пенроуза, но есть одно отличие: для образования частиц с отрицательной энергией требуется диссипация энергии магнитного поля, тогда как в процессе Пенроуза использовалась только инерция частиц.