Нефантастическая энергетика для фантастики

Известно, что техническая цивилизация невозможна без источников энергии. А вот идей новых источников энергии у фантастов маловато. 

Нередко нехватку идей восполняют привлечением магии – кто не читал про магические лампы. Борис Толчинский описал продвинутую техническую цивилизацию Божественного мира, использующую таинственный эфириум. 

Будущее технической цивилизации чаще всего связывают с ядерным или термоядерным реактором. Их упоминают даже тогда, когда нужна малая распределенная энергетика. Александр Розов дал ядерную энергетику Меганезии, расположенной на тысячах островов Тихого океана. Розов писал цикл, когда солнечные панели были очень дороги. Представить себе, что солнечная энергетика станет самой дешевой, не смог ладе фантаст. 

Порой писатели используют известные в нашем мире источники энергии с необычными способами хранения. В Мультиверсуме Павла Иевлева некая высокоразвитая цивилизация построила маяки, зарядные станции, использующие энергию приливов чтобы заряжать акки. Акки имеют фантастическую емкость (судя по тому как долго разряжается акк, его емкость сотни-тысячи киловатт-часов). Но это не ядерные батарейки, потому что требуют заряда и разряжаются за конечное время. (месяцы, годы). Потомки вовсю используют акки, понятия не имея как они работают и как их сделать. 

Интересно, что крайне редко встречается прямое упоминания холодного термояда. Несмотря на о что эта сфера дискредитирована жуликами (Флейшман и Понс и особенно Росси постарались), идея холодного термояда основывается на вполне научной базе. А мошенников в мире хватает и без хайтека.

Вероятность преодоления через туннельный переход кулоновского отталкивания колеблющихся ядер на тридцать порядков выше вероятности туннелирования покоящихся (кому интересно, пришлю статью В.И. Высоцкого). Но такой управляемый резонанс получить еще труднее, чем стабильную плазму для «горячего» термояда, а с токамаками физики возятся 70 лет. Но в принципе тут физика, а не магия. 

Хочу внести свои пять копеек и добавить очень малоизвестные пока физические принципы получения энергии. Художественный сюжет придумать и описать не могу. А фантдоп – с удовольствием. 

Изотермические термоэлектрические преобразователи. Преобразование хаотического теплового движения в направленное движение электронов (электрический ток). Они мало подходят для супер-мега звездолетов и вообще любителям гигантомании, но как ничто подходят для распределенной энергетики: отлично могут снабжать энергией светящийся потолок, бытовые гаджеты, кардиостимуляторы и прочие импланты или рой дронов размером с плодовых мушек. Магическая лампа вполне себе могла быть устроена на этом принципе. 

Эти открытия могли быть сделаны еще в 1930-е годы. Технические возможности тогда позволяли. Не позволяло состояние умов (см. о втором начел термодинамики). 

О втором начале термодинамики. 

После многочисленнейших неудачных попыток создать машину, полностью превращающую тепло в работу ( тепловую машину без холодильника машину Рудольф Клаузиус и Уильям Томпсон (впоследствии ставший лордом Кельвином) в середине 19 века сформулировали тезисы о невозможности самопроизвольного перехода от холодного тела к нагретому и о а как невозможности создания кругового процесса, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу. Эти правила получили название второго начала термодинамики . 

Второе начало быстро стало восприниматься как абсолютный закон, чему очень способствовала фантастическая литература, живописавшая тепловую смерть Вселенной (сейчас концепция «тепловой смерти Вселенной» считается антинаучной см. статью «Второе начало термодинамики» в Википедии). 

Благодаря ревизии второго начала термодинамики на первый план в качестве фундаментального закона термодинамики выходит принцип существования энтропии, а принцип возрастания энтропии изолированных систем является принципом локальным, статистическим, который, по словам Афанасьевой-Эренфест, выполняется «только в некоторые эпохи». (Афанасьева-Эренфест Т. А., Необратимость, односторонность и второе начало термодинамики, 1928, с. 26-27.)

Если кто не готов признать существование нарушений принципа возрастания энтропии, считайте это фантдопом! 

В целом в мире несколько десятков физиков признают экспериментальные результаты, в которых нарушено второе начало термодинамики. Скепсис большинства физиков поддерживается отсутствием практического применения вечных двигателей второго рода из-за малых полученных токов. ИМХО, чтобы большинство физиков поверило в возможность нарушения второго начала термодинамики в отличие от перечиленных ниже о

При этом помните: источников БЕСКОНЕЧНОЙ энергии не бывает. И источников БЕСПЛАТНОЙ энергии не бывает тоже. Можете бесплатно греться на солнце (вариант – в горячем источнике), но преобразование тепла в работу для нужд технологической цивилизации так не получите. Это даже не фантдоп, это жажда халявы. Для понимания: на Земле человеческая цивилизация 20-21 века тратит на энергетику 10% ВВП. 

Холодильник, вырабатывающий электроэнергию. Фантдоп это или нет – решайте сами. Причем на коленке вечный двигатель не сделать. Это основано на технологиях электроники. 1930 год – рубеж, когда состояние техники позволило обнаружить физические эффекты., о которых речь ниже. 

Ниже о том, кто, что и когда открыл. 

В 1982 сотрудник Шанхайского университета Синьон Фу (Xinyong Fu) опубликовал статью[1], в которой описал способ получения направленного теплового движения электронов. В 2003 Синьон Фу и Цзытао Фу (XinyongFu и Zitao Fu) опубликовали препринт с дальнейшими результатами[2]. Синьон Фу 1938 года рождения. Ему сейчас 87 лет, но он активно пишет препринты, пропагандируя свою идею. Но нового эксперимента не сделал. 

Рис.1 Схема эксперимента Фу
Известно, что заряженные в магнитном поле движутся по спирали. Идея Фу была в том, что в если магнитное поле направлено параллельно двум длинным электрода м вакууме, , то вылетевшие с одного из них электроны летят по части спирали – по дуге – в одну сторону. Вылетевшие с катода электроны перелетают вакуумную щель и попадают на анод. В результате возникает электрический ток. Если изменить направление магнитного поля на противоположное, электроны будут двигаться в противоположную сторону и направление тока тоже изменится. 

Недостатком идеи Фу является малое выходное напряжение, непригодное для питания электронных схем. Фу при температуре 24оС и B=30-50 Гс получил ток до 15 fA и напряжение до 0,3 В. В последующие 20 лет сила тока была доведена до 182 fA при 22оС и 1650 fA при 33оС. 

Недостатком идеи Фу является малое выходное напряжение, непригодное для питания электронных схем.

Рис.2 Экспериментальная установка Фу

А в 2009 году в академогородке  Черноголовка старший научный сотрудник филиала института новых энергетических проблем химической физики РАН Александр Павлович Перминов независимо от китайцев пришел к аналогичной идее и пошел дальше. Перминов предложил способ увеличения ЭДС за счет движения электронов вдоль поверхности диэлектрика против электрического поля[3]. 

Рис.3. Схема движения электронов от эмиттера 1 к коллектору 2 (снизу вверх) в магнитном поле, направленном вдоль z, перпендикулярно плоскости рисунка, вдоль поверхности диэлектрика 3. Если соединить проводом катод и анод (короткое замыкание, большой ток), разность потенциалов между катодом и анодом равно нулю, электроны, двигаясь по окружности, должны вернуться на поверхность при любом угле вылета qy. 

Электроны взлетают с катода, описывают дугу и падают на поверхность диэлектрика, отдав ей энергию и импульс. Затем (в среднем через микросекунду) получают от поверхности энергию и импульс, опять взлетают, описывают дугу, падают на поверхность диэлектрика. Все повторяется, пока электроны за много прыжков не попадут на металлический анод. Получается направленное движение электронов – электрический ток. 

Накопление электронов на аноде создает электрическое поле, препятствующее движению к аноду. Траектории электронов сплющиваются, средняя длина одного прыжка уменьшается. При движении против электрического поля электрон тормозится, его кинетическая энергия уменьшается. Когда электрон садится на поверхность диэлектрика энергия его связи с поверхностью невелика, и через некоторое время он покинет поверхность. Электрон отрывается от поверхности со средней кинетической энергией, равной температуре поверхности, а падает на поверхность с меньшей энергией. И опять отрывается от поверхности со средней кинетической энергией, равной температуре поверхности. То есть электрон получает от поверхности диэлектрика кинетическую энергию, чтобы преодолевать электрическое поле. В результате поверхность диэлектрика отдает электрону кинетическую энергию атомов, то есть тепло. 

Перминов экспериментально измерил, что электрон допрыгивает от катода к аноду за 1,2 мсек, совершая две тысячи прыжков. Напомню, что у Фу электрон совершал только один прыжок.

Ток анода достигал 0,14 μА. При увеличении сопротивления в цепи нагрузки анода с 1МΩ до 10МΩ, напряжение на аноде увеличивался с 0,14V до 0,675V (при токе катода 0,5μА), а ток анода уменьшался вдвое. Из этих данных можно рассчитать ЭДС и внутренне сопротивление источника тока – 1,26 В и 8 МОм.

Институт не поддержал идеи Перминова, лабораторную установку пришлось разобрать. Фу догадался поместить электроды в вакуумную лампу, а Перминов работал с большой камерой и вакуумным насосом. 

До своей смерти в 2019 году А.П. Перминов продолжал работать над теоретической моделью эффекта.

Пластину с анодом и катодом по идее Перминова поместить в небольшую вакуумную трубку и поместить между полюсами сильного постоянного магнита, то можем получить источник тока размером с во всем знакомую круглую батарейку. 

Уже сейчас при наличии финансирования можно делать батарейки для кардиостимуляторов (правда, клинические испытания займут годы и миллионы долларов). Можно получить батарейки для автоматических станций на Меркурии или в горячих источниках. 

Для широкого применения батареек нужен фантдоп: найти материал катода с низкой работой выхода. Цезий и серебро дороговаты. 

Есть гипотеза как такой материал получить: атомный инжиниринг. То есть с острия атомно-силового микроскопа атом за атомом выстраивать излучающие структуры. 

Недостаток такого источника тока – не работает при низких температурах. Буквально труп остыл - кардиостимулятор заглох. 

И есть еще удивительный эффект. 

Для его массового применения нужен совсем небольшой фантдоп: технологии микроэлектроники позволяют делать колечки шириной 1 ангстрем и диаметром 20 ангстрем, и получать триллионы колечек на пластине. То есть превзойти сегодняшний уровень технологии всего в 20 раз. Меньше 10 лет. 

И тогда получим холодильник, вырабатывающий электроэнергию размером от микросхемы до крыши завода или молла, мошностью от микроватт до мегаватт. 

В том числе микросхемы, которые будут питать электричеством и охлаждать электронику и даже целые здания.

Там, где и так холодно, придется подмораживать вечную мерзлоту, а электричество выводить на поверхность. 

Чтобы объяснить суть эффекта, не обойтись без квантовой механики, но формул писать не буду. Кто не хочет квантовой механики, может дальнейшее пропустить.

Из уравнений Максвелла следует, что ток, текущий по проводящему кольцу, однозначно связан с магнитным потоком через кольцо (магнитный поток. – это произведение магнитной индукции на площадь). 

В 1948 году немецкий физик Фриц Лондон (уехавший из Германии в 1933 году) предсказал теоретически, что магнитный поток через сверхпроводящее кольцо квантуется, то есть меняется только порциями. Следовательно, ток по сверхпроводящему кольцу меняется только порциями. 

В 1962 и 1964  гг. американские физики Литтл и Паркс опубликовали результаты эксперимента по квантованию магнитного потока в сверхпроводящем кольце [4][5]. 

Через проводящее кольцо с электрическим током проходит магнитный поток, величина которого зависит только от силы тока в кольце. Магнитный поток квантуется и изменяется дискретно. Если по кольцу течет ток, через кольцо проходит целое число квантов магнитного потока. Соответственно, сила тока в кольце изменяется дискретно. В сверхпроводящем кольце сопротивление ноль, если подсоединить к нему выводы вольтметра, прибор покажет ноль. 

Эффект был неоднократно повторен в лабораториях того же Станфордского университета[6], лаборатории Камерлинг Оннеса в Голландии[7], технологическом университете в Гётеборге[8] и т.д.

А теперь самое интересное! 

Если в сверхпроводящем кольце сделать участок обычной проводимости с ненулевым сопротивлением, то на его концах есть разность потенциалов. Подсоединяем вольтметр, видим напряжение, подсоединяем нагрузку – видим полезную работу. 

Мощность, снимаемая с одного колечка крошечная – миллиардные доли ватта. Но при последовательном и параллельном соединении колец мощность суммируется. Технологии микроэлектроники позволяют сделать десятки миллиардов колечек на одном чипе, а через несколько лет триллионы. Эффект работает при температуре перехода в сверхпроводящее состояние. Нужен дьюар с жидким гелием или азотом. 

Рис 4. Вот так выглядят сверхпроводящие кольца под электронным микроскопом. Обратите внимание: верхняя часть кольца толще нижней. Это важно! 

НО в 2009 году сотрудники Йельского университета опубликовали результаты исследования тока в НЕсверхпроводящих кольцах в магнитном поле[9]. Для работы при комнатной температуре нужны кольца диаметром 20 ангстрем. 

То есть лет через 10 электронная промышленность сможет выдавать холодильники и источники тока в одном чипе, работающие при любой желаемой температуре. 

Закавыка в том, что большинство ученых и инженеров учили в вузе, что это невозможно.

Отступление Нынешнее изменение климата вызвано не теплом от градирен электростанций, а изменением пропускания тепла атмосферой из-за роста концентрации углекислого газа. 

Известный эколог Николай Федорович Реймерс (очень мало кто его читал, примерно как оригиналы статей Максвелла и Ньютона) сформулировал тезис: порог опасного антропогенного воздействия находится на уровне 1% от естественного. Количество первичной энергии, потребляемой человечеством, составляет 1/8000 энергии, получаемой от Солнца. То есть человечество может безнаказанно увеличить количество потребляемой на Земле в 80 раз, если это не уголь, нефть и газ. 

Изотермический термоэлектрический преобразователь превращает в электроэнергию выделенное людьми и машинами тепло. Получается почти баланс. Например, спутник связи будет охлаждаться на мощность радиоизлучения. Человек в скафандре может иметь поглощающий тепловыделение тела холодильник мощностью 130 ватт и не испытывать перегрева, о одновременно электроинструмент и электрореактивный двигатель на эти 130 ватт. 

[1] Xinyong Fu An approach to realize Maxwell's hypothesis. - Energy Conversion and Management. Volume 22, Issue 1, 1982, Pages 1-3. https://doi.org/10.1016/0196-8904(82)90002-4 

[2] Xinyong Fu, Zitao Fu. Realization of Maxwell’s Hypothesis. A heat-electric conversion in contradiction to Kelvin’s statement. - arXiv: physics/0311104 (2003), DOI:10.20944/preprints201607.0028.v4

[3] А. П. Перминов. Прямое преобразование тепловой энергии в электрическую в процессе термоэмиссионной поверхностной проводимости диэлектрика в магнитном поле. - http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9690.html

[4] W. A. Little and R. D. Parks Observation of Quantum Periodicity in the Transition Temperature of a Superconducting Cylinder. - Phys. Rev. Lett. 9, 9 – Published 1 July 1962 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.9.9.

[5] R. D. Parks and W. A. Little, Fluxoid Quantization in a Multiply-Connected Superconductor. - Phys. Rev. 133, A97 (1964). Published 6 January 1964 https://doi.org/10.1103/PhysRev.133.A97.

[6] Bascom S. Deaver, Jr., and William M. Fairbank. Experimental evidence for quantized flux in superconducting cylinders. – PhysRevLett, 1961, v.7, №2, p. 43-46.

[7]  A. Th. A.M. De Waele, W.H. Kraan, R.De Bruyn Ouboter, K. W. Taconis. On the D.C. voltage across a double point contact between two superconductors at zero applied D.C. current in situations in which the junction is in thr resistive region due to the circulating current pf flux quantization. – Physica, v. 37 (1967), p.114-124.

[8]R. Arpaia, S. Charpentier, R. Toskovic, T. Bauch, F. Lombardi. YBa2Cu3O7ÿd nanorings to probe fluxoid quantization in High Critical Temperature Superconductors. – Physica C, v. 506 (2014), p 184–187.

[9] A. C. Bleszynski-Jayich, W. E. Shanks, B. Peaudecerf, E. Ginossar, F. von Oppen, L. Glazman, and J. G. E. Harris. Persistent currents in normal metal rings: comparing high-precision experiment with theory. - Science  09 Oct 2009: Vol. 326, Issue 5950, pp. 272-275 DOI: 10.1126/science.1178139