Гравитация как разновидность
новой альтернативной энергетики
И.А. Прохоров, Ю.В. Курка, М.М Габай,Е.А. Башлай, В.И. Трассоруб.
Аннотация
В настоящей статье исследуется возможность использования нового источника энергии для будущей безуглеродной техносферы: гравитационное поле Земли. Расчеты показали, что энергия земного гравитационного поля чуть ли не в миллиард раз превышает те запасы энергии, которые содержатся во всех известных на сегодняшний день месторождениях углеводородного топлива (угля, нефти, газа, торфа, горючих сланцев и т. д.). Исправлены некоторые ошибки, допущенные классиками мировой науки, которые препятствовали в прошлом развитию и осознанию перспектив гравитации как источника энергии. Кратко описываются принципы и технологии преобразования энергии гравитационного поля в электричество. Излагаются достигнутые на сегодняшний день практические результаты по строительству первых генераторов и установок новой альтернативной энергетики.
Вопросу развития альтернативной энергетики всегда уделялось большое внимание большинства стран мира, а в последнее время эта проблема еще более приобрела актуальность в связи с намерением человеческой цивилизации сократить (в идеале полностью исключить) выбросы в атмосферу парниковых газов. Однако, практически все используемые на сегодняшний день разновидности альтернативной энергетики — Солнце, ветер, волны, биогаз — характеризуются таким недостатком, как неустойчивость генерации. Когда на неустойчивость предложения со стороны производителя накладывается неустойчивость спроса со стороны потребителя, управлять такой энергетической структурой становится настолько сложно, что это грозит ее обрушением [1,2,3]. Поэтому возникает необходимость накопления производимой электроэнергии с тем, чтобы потом её отправлять потребителю в моменты повышенного спроса. К сожалению, все известные способы накопления — с помощью аккумуляторов, маховиков, электрических конденсаторов или подъема воды на большую высоту — либо имеют малую эффективность, либо требуют слишком больших капиталовложений.
Некоторым особняком в этом ряду стоит гидроэнергетика. Она отличается устойчивостью генерации на уровне нескольких суток, но в плане круглогодичного использования также характеризуется колебаниями мощности от максимума во время половодья до минимума при засухе. Кроме того, далеко не в любом месте можно поставить гидроэлектростанцию требуемой мощности, а электричество нужно везде. Наконец, в связи с глобальным потеплением (и, как следствие, с повышенным испарением воды в реках и водохранилищах и последующим их обмелением) старые гидростанции будут постепенно снижать свою производительность. Значит, на гидроэнергетику надеяться тоже нельзя.
Проблема устойчивой генерации альтернативной энергетики была бы нерешаемой, если бы в природе не существовала еще одна разновидность энергии, академической наукой пока не признаваемая — энергия гравитационного поля планеты. Напряженность гравитационного поля Земли если и меняется во времени, то настолько малыми порциями, что на практике это совершенно не заметно. Поэтому если мы сумеем разработать способы преобразования гравитационной энергии в электричество и тепло в промышленных масштабах, можно надеяться на то, что производство энергии такой гравитационной электростанцией будет достаточно устойчивым. А начинать исследования нужно с ответа на вопрос, насколько велика энергия гравитационного поля Земли и какими способами энергию можно из этого поля извлекать.
Наверное, каждому энергетику известно понятие потенциальной энергии. Идею потенциальной энергии впервые предложил итальянский ученый Галилей, а формулу потенциальной энергии получил Исаак Ньютон, вывод которой он привел в своем знаменитом труде «Математические начала натуральной философии». Ньютон рассуждал примерно следующим образом: «Пусть у меня на ладони лежит некоторый груз. Буду поднимать ладонь очень медленно и равномерно так, чтобы сила веса F1 была полностью компенсирована силой реакции ладони F2, а кинетическая энергия груза из-за сверхмалой скорости была бы практически нулевой. При подъеме груза над ним совершается работа A = ;F1 dh = mgH. На что тратится выполняемая работа, если кинетическая энергия отсутствует? Она преобразуется в скрытую потенциальную энергию, которая может перейти в кинетическую, если позволить грузу свободно падать» [4].
Ошибка такого вывода состоит в следующем. Когда на предмет действуют силы F1, F2, F3, …. и есть некоторая результирующая сила FS, при вычислении суммарной работы, выполняемой всеми силами вместе, нужно под знак интеграла ставить результирующую силу, но не частную. А Ньютон подставил частную силу веса. Так как в данном случае результирующая сила равна нулю, правильный расчет покажет, что работа также равна нулю. Если же она равна нулю, энергия предмета не меняется и остается нулевой не зависимо от высоты подъема. Иными словами, потенциальной энергии в природе не существует.
Полученный вывод может показаться ошибочным, так как на практике мы знаем, что при подъеме тяжелого груза мы всегда совершаем работу и тратим свою мускульную энергию. Работу мы действительно совершаем, но над чем именно? Обязательно над поднимаемым предметом? А если над чем-то другим?
Давайте немного изменим ситуацию. «Выключим» гравитацию и дальнейшие эксперименты станем выполнять в невесомости, но при этом соединим предмет пружиной с поверхностью Земли. И снова потянем предмет вверх. Так как теперь ускорение g равно нулю, выполняемая над ним работа будет тоже равна нулю. Но мы все равно будем совершать работу теперь уже над пружиной. И тогда, если придерживаться общепринятых представлений, у нас получается противоречивая ситуация: природа связи между предметом и основанием — гравитация или пружина — определяет тот объект, над которым выполняется работа. Когда связь гравитационная, тогда работа выполняется над поднимаемым предметом, а когда связь пружинная, работа выполняется над самой связью. Но такого быть не должно. Природа связи может определять только количество выполняемой работы, но не объект, над которым работа будет выполняться. В обоих случаях должно быть что-то одно: либо предмет, либо связь предмета с основанием.
Оказалось, что работа всегда выполняется над связью предмета с основанием. И если связь будет гравитационной, то работа будет выполняться над гравитационным полем Земли. А когда поднятый предмет начнет падать, уже гравитационное поле станет выполнять над ним работу и отдавать ему ту энергию, которую получило чуть ранее на стадии подъема. Следовательно, если мы сумеем поднять предмет с меньшими затратами энергии по сравнению с тем, что он получит потом на стадии падения, проблему извлечения энергии из гравитационного поля можно будет считать принципиально решенной. Хотя такая операция может многим показаться чем-то вроде вечного двигателя, но в реальности так происходит практически во всех энергетических процессах.
Например, если мы хотим разжечь костер, мы вначале должны зажечь спичку, то есть совершить некоторую работу по включению процесса и затратить на это некоторую энергию. А когда пламя перекинется от спички на дрова, будет получено намного больше энергии в форме тепла, чем мы сами потратили в самом начале процесса при зажигании спички. Однако, никто не видит в таком процессе нарушения закона сохранения. Все дело в том, что дрова уже имеют большой запас энергии в форме химических связей между молекулами древесины, а зажженная нами спичка только инициирует процесс высвобождения этой химической энергии. И если гравитационное поле само по себе имеет
некоторую энергию, оно также может отдать энергии больше, чем получит от нас на стадии подъема.
Представим некоторый космический объект сферической формы как набор тонких сферических оболочек и будем каждую оболочку удалять в бесконечность. При удалении одной оболочки совершается работа
;=;;;/; (1)
где m=4;r;;;r – масса оболочки, M=4;r;;i/3 – масса остатка, r — текущий радиус, ;i – средняя плотность остатка. Изменение плотности по глубине можно представить как
;/;0=1;(;/;)(;) (2)
где ;0 — плотность в центре, R – радиус объекта, n — показатель степени. Когда n;;, ;/;0;1, то есть плотность одинакова во всех точках небесного тела (случай мелких космических тел и астероидов). При n=1 плотность линейно меняется по глубине от нуля на поверхности до ;0 в центре (случай крупных космических тел, звезд и планет). При n=0 почти все вещество собрано в центре, а на поверхности его количество исключительно мало (случай гигантских газовых туманностей с массой в миллионы раз больше солнечной).
Чтобы определить среднюю плотность ;i, рассчитаем массу М путем интегрирования всех сферических оболочек
;=;4;;(2);0[1;(;;)(;)]=4/3;;3;0[1;3;+3(;;)(;)] (3)
Вследствие того, что M = 4;r;;i/3, мы получаем
;;=;0[1;3;+3(;;)(;)] (4)
Подстановка масс и плотностей в формулу (1.4.1) и ее интегрирование от r=0 до r=R дает
;=;;;(2)/; (5)
где ; = 0.6(n+3)(2n+11)/(n+5)/(2n+5) – численный фактор, определяющий распределение вещества внутри космического объекта. Минимальное значение ;=0.6 и минимальная работа наблюдаются для n;;. При n=1 фактор ;=0.743. Максимальное значение ;=0.792 имеет место для n;0, то есть для случая гигантских газовых туманностей.
Зададимся вопросом: во что преобразуется работа, вычисляемая по формуле (5)? Ответ будет следующим: эта работа тратится на уничтожение гравитационного поля космического объекта. Когда мы разделяем объект на ряд сферических оболочек и удаляем каждую из них в бесконечность, мы фактически уничтожаем объект, значит уничтожаем его гравитационное поле. Так как поле обладает энергией Е, мы должны для его уничтожения затратить работу, равную сумме гравитационной и кинетической энергий всех оболочек на бесконечно большом удалении. Когда кинетическая энергия равна нулю, вычисляемая по формуле (5) работа даст энергию гравитационного поля
Е=;;;(2)/; (6)
Для расчета плотности гравитационной энергии (содержание энергии в единице
объема) выполним следующий мысленный эксперимент. Будем уменьшать среднюю плотность вещества космического объекта от ;1 до ;2 при его постоянной массе. В этом случае радиус тела меняется от R1 до R2. Разность гравитационных энергий
;1;;2=;;;(2)/;1;;;;(2)/;2=;;;(2);;/;(2) (7)
дает величину гравитационной энергии внутри тонкого слоя толщиной ;R между двумя сферами с радиусами R1 и R2. Разделив эту разность на объем слоя, мы будем иметь плотность гравитационной энергии
;=;;;(2)/(4;;(4)) (8)
Хотя настоящая формула получена для слоя пространства, прилегающего к поверхности объекта, она продолжает оставаться в силе для любой другой точки пространства. Единственное отличие будет заключаться в том, что вместо радиуса R надо будет использовать расстояние Н от центра объекта до интересующей точки. Учитывая, что ускорение свободного падения в данной точке рассчитывается как g = ;M/H;, мы получаем связь между ускорением свободного падения и плотностью энергии гравитационного поля
;=;;(2)/(4;;) (9)
Полученная формула справедлива для самого общего случая произвольного количества космических объектов, в то время как предыдущая формула (8) справедлива только для одного космического тела, когда гравитационное поле является сферически симметричным и всякая его деформация отсутствует. Величина g в формуле (9) является векторной суммой всех ускорений свободного падения, создаваемых отдельными полями.
Все формулы получены для случая нулевой плотности вещества на поверхности объекта. В общем случае ;S ;0 формулы сохраняют свою форму, меняется только фактор ;.
Для Земли ;S = 2200 кг/м;, ;0 = 17000 кг/м;, М = 5.97;10(24) кг, R = 6.38;10(6) м, а плотность вещества с глубиной меняется по закону, близкому к линейному, поэтому n=1. Тогда ; = 0.671, E = 2.5;10(32) дж, ; = 0.786;10(11)дж/м;. Для сравнения приводим такие цифры: энергетический эквивалент всех известных месторождений углеводородного топлива (угля, нефти, газа, торфа, горючих сланцев и т. д.) оценивается величиной порядка 10(23) дж [5], а при сгорании одного кубометра угля средней калорийности выделится тепла примерно в три раза меньше, чем содержится гравитационной энергии в одном кубометре пустого пространства. Таким образом, с точки зрения количества запасенной энергии гравитационное поле может выступать в качестве такого же надежного источника энергии, как любые углеводороды.
Официально считается, будто энергию из гравитационного поля извлекать не возможно по причине его потенциальности. Такое мнение возникло как следствие некоторых работ немецкого физика и математика Карла Гаусса. В середине 19-го века Карл Гаусс сформулировал и доказал так называемое правило нулевой работы, которое звучит следующим образом: по какой-бы сложной и запутанной траектории ни перемещался предмет в потенциальном поле, но когда он возвращается в исходную точку старта и тем самым замыкает контур, его энергия становится равной начальной энергии, поэтому общее изменение энергии равно нулю и работа по извлечению энергии из поля также равна нулю.
Гравитационное поле является разновидностью потенциального, поэтому правило нулевой работы должно быть справедливым также и для гравитационного поля. Однако Гаусс не заметил, что в случае гравитации возникает фактор, меняющий ситуацию на 180 градусов: дополнительная выталкивающая сила Архимеда. Она может быть очень мала,
особенно если предмет находится в воздушной атмосфере, однако наличие этой дополнительной силы позволяет обойти правило нулевой работы и получить энергию из гравитационного поля.
Гаусс рассмотрел поведение комплекса
А=;;;; (10)
где P — сила веса, dx — дифференциал перемещения. А нужно было рассматривать поведение комплекса
А=;(;+;);; (11)
где F — выталкивающая сила Архимеда. Так как интеграл суммы равен сумме интегралов, мы можем раскрыть скобки и представить это выражение в виде
А=;;;;+;;;; (12)
Первое слагаемое равно нулю в полном соответствии с правилом нулевой работы и его можно отбросить. А второе слагаемое в свою очередь можно разложить на две составляющие: вверх по контуру (индекс 1) и вниз по контуру (индекс 2)
А=;;1;;+;;2;; (13)
Теперь будем анализировать полученное выражение. На восходящей половине контура сила Архимеда F1 всегда направлена вверх, и дифференциал перемещения также направлен вверх. Значит, произведение этих величин имеет знак плюс. На нисходящей половине контура сила Архимеда F2 по прежнему направлена вверх, но дифференциал перемещения уже направлен вниз, значит их произведение имеет знак минус. В итоге одна составляющая полностью компенсирует вторую и суммарная работа равна нулю. А нулевая работа означает невозможность извлечения энергии из гравитационного поля.
Однако, такой результат получается лишь в том случае, если архимедовы силы F1 и F2 в точности равны друг другу. Если же они различны, тогда одна составляющая по модулю не равна другой и взаимной компенсации не происходит. В этом случае работа уже не равна нулю и возникает возможность извлекать энергию из поля. Сделать же архимедовы силы разными можно очень просто изменением плотности рабочего органа, что легко достигается изменением его фазового состояния. Иными словами, нужно сделать так, чтобы рабочий орган на одной части контура двигался в форме жидкости, а на другой части в форме пара. Или в форме твердого тела и затем в форме жидкости. Если же рабочий орган не будет менять свою плотность в ходе движения, извлечение энергии из гравитационного поля становится невозможным.
На Земле этот процесс изменения фазового состояния рабочего органа с последующим извлечением энергии из гравитационного поля происходит каждую секунду. Имеется в виду круговорот воды в природе. Когда вода испаряется под действием солнечных лучей с поверхности морей и океанов, она поглощает некоторую энергию Q. Но когда пар конденсируется в верхних холодных слоях атмосферы, он отдает точно такую же энергию Q с точностью до микроджоуля. Таким образом, солнечная энергия уходит из этого процесса на стадии конденсации пара. Тогда за счет чего растет кинетическая энергия падающих дождевых капель? Она растет за счет извлечения энергии из гравитационного поля планеты. Эта энергия потом тратится на водную эрозию горных склонов и частично преобразуется в электричество в наших гидроэлектростанциях.
А в космосе этот процесс происходит на таких спутниках Юпитера, как Ио, Ганимед, Энцелад и другие. Под действием мощного гравитационного поля Юпитера недра наиболее близко расположенных спутников начинают разогреваться и плавиться, а затем поток расплавленного материала поднимается к поверхности и там снова застывает, после чего опускается в глубины.
Опираясь на эту подсказку природы, можно легко спроектировать установку для извлечения энергии из гравитационного поля: роем глубокую шахту и заливаем ее дно легкокипящей жидкостью (например, фреоном), которая испаряется под действием подземного тепла, а поднимающийся к поверхности пар конденсируется и образованный конденсат падает вниз на гидротурбину с электрогенератором. На различные варианты такой установки в свое время даже были выданы патенты [6,7,8]. Но до сих пор все они остаются на бумаге и в металле не реализованы. Причина подобного невнимания заключается в экономической нецелесообразности такой энергетической технологии. Элементарные расчеты показывают, что при высоте шахты 200 метров через нее будет проходить поток тепла примерно в 100 раз больше, чем выработает гидротурбина, поэтому гораздо более выгодным окажется преобразовать в электричество это проходящее через шахту тепло, чем возиться с гравитацией. То есть получится обычная геотермальная электростанция.
Анализ показал, что если в установке работают только гравитационные силы, установка будет громоздкой, массивной и неэффективной. Но если к силам гравитации добавить силы электрические, ситуация улучшается кардинально. Хотя источником энергии в такой комбинированной установке по прежнему выступает гравитационное поле, электрические силы служат своеобразным катализатором, который способствует протеканию реакции, но сам в реакции не расходуется. Иными словами, можно сформировать такое электрическое поле в установке, когда интенсивность преобразования гравитационной энергии растет на порядки и при этом затраты энергии на поддержание нужной напряженности электрического поля остаются достаточно низкими.
Такой аппарат носит название Инерционный геометрический преобразователь энергии (сокращенно ИГПЭ), его устройство описано в статье [9]. В аппарате ИГПЭ электрические силы также постоянно меняются в ходе движения рабочего органа по замкнутому контуру, как меняются силы гравитационные за счет изменения фазового состояния рабочего органа и периодического появления/исчезновения выталкивающей силы Архимеда. Синхронизация изменения электрических сил с появлением/исчезновением архимедовых сил ведет к появлению резонанса в аппарате и, как следствие, к значительной интенсификации процесса высвобождения энергии из гравитационного поля.
Аппарат ИГПЭ собран в корпусе монитора от старого компьютера и характеризуется мощностью 150-200 ватт, работает циклично с периодичностью один цикл в секунду. Предназначен для того, чтобы задавать и поддерживать на заданном уровне колебания давления в так называемой гидровихревой турбине, в которой циркулирует по замкнутому контуру паро-водяная смесь и которая собственно и преобразует энергию гравитационного поля в механическое движение и затем в электричество заданного напряжения, частоты и силы тока. Но гидротурбина сама по себе без использования аппарата ИГПЭ не работает. Положительный результат может быть только в связке турбина + ИГПЭ.
Расчеты показывают, что в такой связке турбина длиной один метр, диаметром полметра и скоростью вращения 1500 об/мин генерирует до 1500-1700 кВт полезной мощности. А вследствие того, что мощность турбины пропорциональна третьей степени радиуса, увеличение диаметра вдвое до одного метра сопровождается увеличением мощности до 12000-13600 кВт.
Областью использования связки «гидровихревая турбина + ИГПЭ» являются практически все области быта и промышленности за исключением космоса и военной авиации. В космосе царит невесомость и потому разделение пара и воды на некоторых участках контура становится невозможным, а без такого разделения турбина работать не сможет. И точно также она не сможет работать, если ее перевернуть вверх ногами, а военные самолеты должны летать в любом положении.
В заключение настоящей статьи несколько слов о влиянии гравитационной энергетики на окружающую среду. Гравитационная энергетика не сопровождается выбросами углекислого газа, окислов азота или серы, не дает радиоактивных или ядовитых отходов, не затапливает большие территории и не меняет окружающий ландшафт. В этом отношении она является идеальным источником энергии. И все же некоторое воздействие на природу она оказывает: извлечение энергии из земного гравитационного поля сопровождается уменьшением энергии самого поля и уменьшением его напряженности. Но это техногенное уменьшение энергии поля в тысячи раз меньше по сравнению с природными эффектами. Оценки показывают, что если всю земную энергетику перевести на гравитационный принцип, техногенная добавка будет составлять всего несколько сотых долей процента от природных процессов. Поэтому можно не беспокоиться о воздействии на природу и смело начать развивать новую альтернативную энергетику.
Литература
1. Процветание для всех - защита климата и рыночная экономика. Специальная публикация Фонда Людвига Эрхарда. Бонн 17 июня 2020 г.
2. Немецкая ассоциация работодателей. Электронный рынок и личная ответственность. Майнц-Кастель. Энергетический вопрос. iefrage
3. Водородная экономика: нужны дешевые источники! Энергетический вопрос №76. Ассоциация работодателей Германии 4 ноября 2020 г. ffwirtschaft:% 20% 20G% FCnstige% 20Quellen% 20m% FCssen% 20her
4. Jay Orear, Fundamental Physics, Cornell Univesity, New York, 1967.
5. IEA Energy Scenarios: Change We Have to Believe In, Ежегодный отчет МЭА по мировым энергетическим запасам, Париж, 23 июня 2008.
6. Patent US № 4306416 по кл. F03G 7/02 „Тепловой двигатель с гидро-турбиной, работающий по замкнутому циклу”.
7. Patent Japan № 2 — 11748 по кл. F03G 7/00, F03B 13/00, F03G 7/04, „Способ подъема воды с генерированием механической энергии и способ генерирования этой энергии“.
8. Patent Germany № 2837771 по кл. F/03G 7/00, „Устройство для генерирования энергии гравитации и геотермальной энергии путем преобразования энергии падающего тела и с применением процесса испарения“.
9. «Инерционный геометрический преобразователь энергии», Вторая Всероссийская научно-техническая конференция «Состояние и перспективы развития современной науки“ по направлению «Технологии энергообеспечения. Аппараты и машины жизнеобеспечения», Анапа, 17 сентября 2020г.