13 открытая юношеская
научно-исследовательская конференции
имени С.С. Молодцова
Секция физика __
Исследовательская работа
Природное электричество
Гарифуллин Ильяс
4 д класс, МБОУ «Гимназия №2» имени Баки Урманче, г. Нижнекамск
Научные руководители:
Нугманова Алсу Саримовна,
Учитель физики высшей кв. категории
Петрунина Назиля Расимовна,
Учитель начальных классов первой кв. категории
Нижнекамск, 2015 г.
1 Введение……………………………………………………………………………………
I . Теоретическая часть
1.Источники электрического тока. История создания батарейки……………………….3
2. Традиционные источники электрического тока.…..……..………………………….…4
3. «Живые электростанции»…………………………………………………….…………..5 4.Нетрадиционные источники электрического тока ……………………………………..6
II . Экспериментальная часть
1.Об использовании фруктов и овощей для получения электричества………………….6
2.Получение необычного источника тока……………………………………………….7-8
3. Заключение ………………………………………………………………………………..9
Использованная литература………………………………………………………………10
Введение
Наша работа посвящена необычным источникам энергии. В окружающем нас мире очень важную роль играют химические источники тока. Они используются в мобильных телефонах и космических кораблях, в крылатых ракетах и ноутбуках, в автомобилях, фонариках и обыкновенных игрушках. Мы каждый день сталкиваемся с батарейками, аккумуляторами, топливными элементами .
Современная жизнь просто немыслима без электричества - только представьте существование человечества без современной бытовой технике, аудио- и видеоаппаратуры, вечера со свечой и лучиной. Процесс получения и транспортировки электроэнергии трудоемок и дорогостоящ. Для выработки электричества необходимо топливо, а оно когда-нибудь закончится: и нефть, и уголь, и даже уран. Выход может быть в создании вечного термоядерного реактора, а получится ли его создать, неизвестно. На что человечеству надеяться? Можно на возобновляемые ресурсы - солнце, ветер, воду. Но оказывается, и, помимо их, в окружающей среде полно источников почти даром!
В настоящее время в России наметилась тенденция роста цен на энергоносители, в том числе и на электроэнергию. Поэтому вопрос поиска дешёвых источников энергии имеет актуальное значение. Перед человечеством стоит задача освоения экологически чистых, возобновляемых, нетрадиционных источников энергии.
Впервые о нетрадиционном использовании фруктов мы прочитали в книге Николая Носова. По замыслу писателя, Коротышки Винтик и Шпунтик, жившие в Цветочном городе, создали автомобиль, работающий на газировке с сиропом. В результате нам захотелось узнать как можно больше об электричестве.
Исходя из этого, мы выбрали следующую тему исследования «Природное электричество».
Целью моей работы является выявление различных способов получения электроэнергии и экспериментальное подтверждение некоторых из них.
В начале исследования мной была выдвинута следующая гипотеза: если электростанции получают электрический ток, используя природные ресурсы, то возможно ли получение тока с помощью других необычных источников тока.
Задачи исследования:
Изучить и проанализировать научную и учебную литературу об источниках электрического тока.
Познакомиться с устройством батарейки и его изобретателями.
Ознакомиться с ходом работы по получению необычного источника тока.
Получить необычные источники тока.
Методы исследования: анализ научной и учебной литературы, экспериментальный метод, метод обработки результатов, метод сравнения.
I . Теоретическая часть.
1.Источники электрического тока. История создания батарейки.
Первый химический источник электрического тока был изобретен случайно, в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани. На самом деле целью изысканий Гальвани был совсем не поиск новых источников энергии, а исследование реакции подопытных животных на разные внешние воздействия. В частности, явление возникновения и протекания тока было обнаружено при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Теоретическое объяснение наблюдаемому процессу Гальвани дал неверное.
Опыты Гальвани стали основой исследований другого итальянского ученого - Алессандро Вольта. Он сформулировал главную идею изобретения. Причиной возникновения электрического тока является химическая реакция, в которой принимают участие пластинки металлов. Для подтверждения своей теории Вольта создал нехитрое устройство. Оно состояло из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. В результате цинковая пластина (катод) начинала растворяться, а на медной стали (аноде) появлялись пузырьки газа. Вольта предположил и доказал, что по проволоке протекает электрический ток. Несколько позже ученый собрал целую батарею из последовательно соединенных элементов, благодаря чему удалось существенно увеличить выходное напряжение.
Именно это устройство стало первым в мире элементом питания и прародителем современных батарей. А батарейки в честь Луиджи Гальвани называют теперь гальваническими элементами.
Всего через год после этого, в 1803 году, русский физик Василий Петров для демонстрации электрической дуги собрал самую мощную химическую батарею, состоящую из 4200 медных и цинковых электродов. Выходное напряжение этого монстра достигало 2500 вольт. Впрочем, ничего принципиально нового в этом «вольтовом столбе» не было.
2. Традиционные источники электрического тока.
Прежде чем электрический ток попадет к нам в дом, он пройдет большой путь от места получения тока до места его потребления. Ток вырабатывается на электростанциях. Электростанция - электрическая станция, совокупность установок, оборудования и аппаратуры, используемых непосредственно для производства электрической энергии, а также необходимые для этого сооружения и здания, расположенные на определённой территории. В зависимости от источника энергии различают тепловые электростанции (ТЭС), гидроэлектрические станции (ГЭС), гидроаккумулирующие электростанции, атомные электростанции (АЭС). . А еще бывают «живые электростанции».
3. «Живые электростанции».
В природе есть группа животных, которых мы называем «живыми электростанциями».
Животные очень чувствительны к электрическому току. Даже незначительной силы ток для многих из них смертелен. Лошади погибают даже от сравнительно слабого напряжения в 50-60 вольт. А есть животные, которые не только обладают высокой устойчивостью к электрическому току, но и сами вырабатывают ток в своём теле. Это рыбы - электрические угри, скаты, и сомы. Настоящие живые электростанции!
Электрические угри, водящиеся в пресных водах Гвианы и Бразилии, могут вырабатывать электричество напряжением до 300 вольт, в зависимости от состояния и величины рыбы. Эти рыбы достигают 2-3 метров длины и веса 15-20 кг.
Источником тока служат особые электрические органы, расположенные двумя парами под кожей вдоль тела - под хвостовым плавником и на верхней части хвоста и спины. По внешнему виду такие органы представляют продолговатое тельце, состоящее из красновато-желтого студенистого вещества, разделённого на несколько тысяч плоских пластинок, ячеек-клеток, продольными и поперечными перегородками. Что-то вроде батареи. От спинного мозга к электрическому органу подходит более 200 нервных волокон, ответвления от которых идут к коже спины и хвоста. Прикосновение к спине или хвосту этой рыбы вызывает сильный разряд, который может мгновенно убить мелких животных и оглушить крупных животных и человека. Тем более, что в воде ток передаётся лучше. Оглушённые угрями крупные животные нередко тонут в воде.
Электрические органы – средство не только для защиты от врагов, но и для добычи пищи. Охотятся электрические угри ночью. Приблизившись к добыче, произвольно делает разряд своих «батарей», и всё живое – рыбы, лягушки, крабы - парализуются. Действие разряда передаётся на расстояние в 3-6 метров. Ему остаётся только заглотать оглушённую добычу. Израсходовав запас электрической энергии, рыба долгое время отдыхает и пополняет её, «заряжает» свои «батареи».
Рыбы - живые электростанции опасны. Электрические скаты - торпедо, которых много в Средиземном море, могут в течение 10-15 секунд давать до 150 разрядов в секунду с напряжением до 80 вольт. В некоторых странах люди прежде пользовались разрядами скатов для лечебных целей. В Древнем Риме врачи держали скатов у себя дома в больших аквариумах. Даже сейчас в средиземноморских странах можно видеть старичков, бродящих в мелкой воде в надежде на излечение от ревматизма разрядами электрического ската.
Кое - что об электрических рыбах…
Рыбы используют разряды:
чтобы освещать свой путь;
для защиты, нападения и оглушения жертвы;
передают сигналы друг другу и обнаруживают заблаговременно препятствия.
4. Нетрадиционные источники электрического тока.
Кроме традиционных источников тока существует множество нетрадиционных источников. Оказывается, электричество можно практически получать из всего, что угодно. Нетрадиционные источники электрической энергии, где невосполнимые энергоресурсы практически не тратятся: ветроэнергетика, приливная энергетика, солнечная энергетика.
Есть и другие предметы, которые на первый взгляд не имеют никакого отношения к электричеству, однако могут служить источником тока.
II . Экспериментальная часть.
1.Об использовании фруктов и овощей для получения электричества.
Изучив литературу, я узнал, что электроэнергию можно получить из некоторых фруктов и овощей. Электрический ток можно получить из лимона, яблок и, самое интересное, из обычного картофеля – сырого и вареного. Именно Израильские ученые исследователи в качестве источника энергии необычной батарейки предложили использовать вареный картофель, так как мощность устройства в этом случае по сравнению с сырым картофелем увеличится в 10 раз. Такие необычные батареи способны работать несколько дней и даже недель, а вырабатываемое ими электричество в 5-50 раз дешевле получаемого от традиционных батареек и, по меньшей мере, вшестеро экономичнее керосиновой лампы при использовании для освещения.
Индийские ученые решили использовать фрукты, овощи и отходы от них для питания несложной бытовой техники. Батарейки содержат внутри пасту из переработанных бананов, апельсиновых корок и других овощей или фруктов, в которой размещены электроды из цинка и меди. Новинка рассчитана, прежде всего, на жителей сельских районов, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки необычных батареек.
2.Получение необычного источника тока.
Ученые утверждают, что если у вас дома отключат электричество, вы сможете некоторое время освещать свой дом при помощи лимонов. Ведь в любом фрукте и овоще есть электричество, поскольку они заряжают нас, людей, энергией при их употреблении.
Но мы не привыкли верить всем на слово, поэтому решили проверить это на опыте.С целью доказательства гипотезы о том, что различные фрукты и овощи могут служить источниками электричества, мною было проделано несколько экспериментов. Были использованы фрукты: лимон, яблоко, огурец соленый, картофелину сырую и вареную;
несколько медных пластин из набора по электростатике – это будет наш положительный полюс;
оцинкованные пластины из того же набора – для создания отрицательного полюса;
провода, зажимы;
милливольтметры, вольтметры
амперметры.
Большинство фруктов содержит в своем составе слабые растворы кислот. Именно поэтому их можно легко превратить в простейший гальванический элемент. Прежде всего, мы зачистили медный и цинковый электроды с помощью наждачной бумаги. А теперь достаточно их вставить в овощ или фрукт и получается «батарейка».
Результаты эксперимента мы занесли в таблицу:
Основа батарейки
Напряжение на электродах, В
Огурец соленый
Банан (с кожурой)
Банан (без кожурой)
Мандарин
Апельсин
Картофель
Вареный картофель
Вывод: Напряжение на электродах разное. Самое большое напряжение в соленых огурцах- 1,2 В. Если использовать не сырую, а вареную картошку, то напряжение тоже больше. Банан с кожурой дает результат 0,4 В, а банан без кожуры - 0 В. Значит, чтобы получить напряжение, банан должен быть с кожурой!
Вытаскивая медную и цинковую пластины из овощей и фруктов, мы обратили внимание на то, что они сильно окислились. Это значит, что кислота вступала в реакцию с цинком и медью. За счет этой химической реакции и протекал очень слабый электрический ток. Аналогично можно получить электроэнергию из лимона и яблок, если вы используете цитрус, попытайтесь воткнуть гвоздь и проводок в одну и ту же дольку.
Наблюдали за нашими «вкусными» батарейками мы в течение некоторого времени.
Сделали вывод : постепенно напряжение на всех «вкусных» батарейках уменьшается. До сих пор еще есть напряжение на яблоке и вареном картофеле. Но именно соленые огурцы мы хотели оставить до утра. Хотели узнать, насколько уменьшится ток, за ночь. Вот и результат: было 1,2 В, а к утру через 15 часов показывает также 1,2 В. В итоге мы пришли к выводу, чтобы уменьшился ток нужно наблюдать больше времени.
Результаты измеренного напряжения на батарейках занесли в таблицу:
Напряжение на электродах, В
Через 15 часов
Огурец соленый
Вывод: Ток постепенно уменьшается. Ток слишком мал, для того чтобы загорелась лампочка. Поэтому мы планируем в дальнейшем выяснить, какими способами можно увеличить силу тока в цепи и заставить лампочку светиться.
Музыкальный горшочек. А вы знаете, что цветочные горшочки умеют петь. Я этот эксперимент хочу вам предложить . (ПОКАЗ эксперимента с горшком).
Итак, после проведения опытов, я узнал, что электрический ток можно получить из фруктовых плодов и из овощей, а также бывают поющие цветки. Каждый фрукт и овощ вырабатывает разный по силе и напряжению электрический ток.
Выводы:
1. Изучили и проанализировали научную и учебную литературу об источниках электрического тока.
2.Познакомились с устройством батарейки и его изобретателями.
3. Изготовили овощные и фруктовые батарейки и получили необычные источники тока .
4.Научились определять напряжение внутри «вкусной» батарейки и силу тока создаваемую ею.
5.Обнаружили, что напряжение на зажимах батареи составленной из нескольких овощей растет, а ток уменьшается.
3. Заключение.
Для достижения цели моей работы решены все поставленные задачи исследования.
Анализ научной и учебной литературы позволил сделать вывод о том, что вокруг нас очень много предметов, которые могут служить источниками электрического тока.
В ходе работы рассмотрены способы получения электрического тока. Я узнал много интересного о традиционных источниках тока - различного рода электростанциях.
Я с помощью опыта показал, что можно получить электроэнергию из некоторых плодов, конечно, это небольшой ток, но сам факт его наличия дает надежду, что в последующем такие источники можно будет использовать в своих целях (зарядить MP 3-плейер, мобильный телефон и др.). Одновременное действие несколько таких батареек позволяет запустить стенные часы, пользоваться электронной игрой и карманным калькулятором. Такие батареи могут использовать жители сельских районов страны, которые могут сами заготавливать фруктово-овощные ингредиенты для подзарядки биобатареек. Использованный состав батареек не загрязняет окружающую среду, как гальванические (химические) элементы, и не требует отдельной утилизации в отведенных местах.
Мою работу можно будет продолжить: найти другие необычные источники тока.
Использованная литература:
1. Горев Л. А. Занимательные опыты по физике. М., «Просвещение», 1974
2. Перышкин А. В. Физика 8 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений – М.: Дрофа, 2002.
3. Энциклопедический словарь юного физика. -М.: Педагогика, 1991г О. Ф. Кабардин.
4.Энциклопедический словарь юного техника. -М.: Педагогика, 1980г
5.Справочные материалы по физике. -М.: Просвещение 1985.
6 Журнал «Наука и жизнь», №10 2004г.
7 А. К. Кикоин, И.К. Кикоин. Электродинамика. -М.: Наука 1976.
8 Кирилова И. Г. Книга для чтения по физике.- Москва: Просвещение 1986.
9 Журнал «Наука и жизнь», №11 2005г.
10. Н.В.Гулиа. Удивительная физика.- Москва: «Издательство НЦ ЭНАС» 2005
Интернет- ресурс.
Современный мир постепенно и неуклонно приходит к более широкому и активному использованию альтернативных источников энергии. Человечество прекрасно понимает, что нефть и газ рано или поздно закончатся, атомная энергетика при всей её развитости все равно не может быть на 100% безопасной, уголь вредит экологии и тоже относится к не возобновляемым природным ресурсам. Именно поэтому сегодня все большее число ученых и исследователей работают в области повышения эффективности и снижения себестоимости выработки электроэнергии из альтернативных источников. И если солнечными, ветряными, термальными, комбинированными и даже морскими электростанциями сегодня уже сложно кого-то удивить, то так ли в окружающем нас мире и за его пределами мало еще малоизученных но, возможно, перспективных источников экологически чистой энергии?
Мы изучили имеющиеся сегодня сведения и собрали для вас 10 самых необычных и экзотических альтернативных источников энергии, которые может быть не завтра, но послезавтра вполне могут начать активно использоваться человечеством.
1. Потенциал тепловой энергии океанов , которыми, как известно, покрыта большая часть нашей планеты, вполне может в будущем использоваться человеком для выработки электроэнергии. «Теплоокеанная» электростанция будет вырабатывать энергию за счет разницы температур между поверхностными теплыми и придонными холодными водами.
2. Вы, может быть, не догадываетесь, но природа уже давно придумала, как получать электричество за счет испарения воды . Подсмотрев у растений, современные ученые уже разработали подобную систему, работающую за счет разницы электротехнических свойств воды и воздуха, пузырьки которого закачиваются внутрь листа, наподобие растительного. В результате генерируется электрический ток. При этом ученые с достаточно большим оптимизмом смотря на возможную перспективность применения подобной технологии, в том числе и благодаря возможности работы данных систем не только в качестве генераторов, но и аккумуляторов вырабатывай электрической энергии.
3. Осмос – естественный природный процесс, который уже давно ученые используют для своих нужд. Всем известны фильтры обратного осмоса, но далеко не все знают, что сегодня инженеры разрабатывают принципиально новую схему выработки электроэнергии из соленой воды морей и океанов. При этом данный принцип также построен на осмосе.
Уникальностью данного процесса является возможность в перспективе не только самостоятельно обеспечивать необходимыми объемами энергии процессы опреснения воды, требующие сегодня огромных энергозатрат, но и вырабатывать электричество «на продажу». Принцип работы «осмос-электростанций» будет построен на обратном опреснению процессе. Ученые знают, что при добавлении в пресную воду соленой морской воды начинается процесс, получивший название «обратный электродиализ», благодаря которому и происходит выработка электричества. В том же случае если проводимые сегодня исследования покажут свою экономическую состоятельность, подобные электростанции можно будет устанавливать в устьях рек, где происходит естественное смешивания морской и пресной воды.
4. Инженеры компании Joule Biotechnologies разработали совершенно инновационную технологию получения источников энергии, получившую название глиокультура . Инженеры предлагают использовать смесь углеводородов, питательных веществ, воды и фотосинтезирующих микроорганизмов, которые в качестве источника энергии будет использовать солнечный свет. В результате жизнедеятельности микроорганизмов мы получим возможность сразу получать углеводороды или спирт, не требующие очистки.
5. Использование гелия-3 . Данный не радиоактивный изотоп обладает очень высоким потенциалом генерации электроэнергии в результате термоядерного синтеза, однако он очень редкий на Земле, но в избытке находится на Луне. Подсчитано, что разработка Луны может оказаться очень перспективным направлением, и уже сегодня ученые создали несколько проектов, реализация которых возможно начнется в недалеком будущем. В частности, называя гелий-3 источником энергии будущего, российская корпорация «Энергия» планирует не позднее 2020 года приступить к промышленной его разработке на спутнике нашей планеты.
6. Пьезоэлектричество – данный способ получения энергии уже давно используется человеком. Однако, скорее в миниатюрных, чем в промышленных масштабах. Между тем ученые не исключают, что использование кинетической энергии от движения человека в будущем вполне может стать достаточно перспективным процессом.
Учитывая, что пьезоэлектричество вырабатывается определенными материалами в ответ на механическое воздействие, достаточно просто создать тротуарное покрытие из подобных материалов, разместить его в местах наибольшего скопления движущихся людей и мы получим новый бесплатный источник энергии. При этом подобный принцип может быть реализован в огромном разнообразии вариантов, например, электричество сможет вырабатывать подошва обуви.
7. Солнечная энергия уже давно и успешно «утилизируется» на Земле, но из-за наличия атмосферы огромная её доля просто рассеивается, не доходя непосредственно до поверхности нашей планеты. Если же солнечные панели разместить в космосе, их эффективность возрастет в десятки раз. Кстати подобные фотоэлементы уже давно используются на спутниках, запускаемых с Земли.
8. Экскременты – они уже и сегодня более чем успешно используются человеком, в том числе для выработки биогаза. В будущем ученые не исключают, что человеческие нечистоты также найдут достаточно активное применение в качестве альтернативных источников энергии. Например, уже сегодня в Швеции пробуют запустить технологию питания двигателей городских автобусов, построенную на принципе использования микробных топливных элементов, которые в процессе своей жизнедеятельности вырабатывают электрический ток, а для питания используют именно экскременты.
9. Вихревые электростанции – опытные образцы подобных систем созданы уже сегодня. Принцип работы данных систем построен на возможности получения энергии от медленных водных течений, которые могут создавать водовороты. И именно их, водовороты, ученые предлагают использовать для производства энергии.
Водовороты формируют непостоянную водную среду, в которой помещенный предмет совершает движения вниз или вверх, либо движется в горизонтальной плоскости. Создаваемая таким образом механическая энергия может легко преобразовываться в электрическую, благо подобных систем и технологий сегодня существует огромное множество.
10. Энергия гор . Новый вид геотермальной энергии был получен благодаря опытам по закачиванию соленой воды глубоко в скальные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. Далее процесс прост и изучен. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергии. При этом мощность такой электростанции и можно легко регулировать за счет контроля за подачей холодной соленой воды.
Где брать энергию? Не секрет, что люди рано или поздно исчерпают запасы нефти, газа, угля и даже урана, которые ещё остались на планете. Возникает вполне резонный вопрос: «Что же делать дальше? Где брать энергию?». Ведь вся наша жизнь базируется на использовании энергии. Получается, что после того как закончатся запасы углеводородов закончится и существование цивилизации?
Выход есть! Это так называемые альтернативные источники энергии. Кстати многие из них применяются, причем успешно, уже в настоящее время. Энергия ветра, приливов, солнца и геотермальные источники ─ успешно используется и преобразовывается людьми в электроэнергию. Но это так сказать .
В настоящее время, существуют сотни теорий и разработок по созданию и использованию необычных альтернативных источников энергии. Описанные в этой статье альтернативные источники энергии являются необычными только в том смысле, что они пока не стали популярными, массово не используются, непрактичны, убыточны и т.д.
Но это совсем не значит, что они не смогут эффективно применятся возможно уже в самом ближайшем будущем. Ведь та же нефть, как источник энергии была известна с древнейших времен, но только с конца времени промышленной революции, нефть смогли получить и обработать в пригодную для использования форму.
Неизвестно, что мы в будущем будем использовать для получения энергии, но традиционным источникам энергии наверняка есть альтернативы, и вполне возможно, хотя бы один из перечисленных ниже способов получения электрической энергии сможет стать распространенным и популярным.
Вот 5 необычных альтернативных источников энергии, которые вызывают реальную надежду на эффективное использование их в будущем:
Первая экспериментальная электростанция, получающая энергию из соленой воды создана компанией Statkraft в Норвегии. Электростанция для получения электроэнергии использует физический эффект - осмос. С помощью этого эффекта в результате смешивания солёной и пресной воды извлекается энергия из увеличивающейся энтропии жидкостей. затем эта энергия используется для вращения гидротурбины электрогенератора.
Разработаны демонстрационные электростанции на топливных элементах с твердооксидным электролитом мощностью до 500 кВт. Фактически в элементе происходит сжигание топлива и непосредственное превращение выделяющейся энергии в электричество. Это все равно что дизельный электрогенератор, только без дизеля и генератора. А также без дыма, шума, перегрева и с намного более высоким КПД.
Для получения электрической энергии используется термоэлектрический эффект. Это довольно старая технология, опять ставшая актуальной в наше время за счет массового использования энергосберегающих источников света и различных переносных электроприемников. Уже существуют и с успехом используются промышленные разработки, например отопительно-варочные печи, со встроенными термогенераторами, которые в процессе своей работы позволяют получать не только тепло, но и электроэнергию.
Созданы экспериментальные установки, которые позволяют получать электроэнергию за счет использования кинетической энергии - пешеходные дорожки, турникеты на железнодорожных вокзалах, специальный танцпол со встроенными в него пьезоэлектрическими генераторами. Есть идеи в ближайшем будущем создать специальные "зеленые тренажерные залы", в которых группа спортивных тренажерных велосипедов сможет, по словам производителей, генерировать до 3,6 мегаватт возобновляемой электроэнергии в год.
В данном источником энергии является специальный наногенератор, преобразующий в электрическую энергию микроколебания в человеческом теле. Устройству довольно малейших вибраций, чтобы вырабатывать электический ток, позволяющий поддерживать работоспособность мобильных устройств. Современные наногенераторы превращают любые движения и перемещения в источник энергии. Очень перспективны и интересны варианты совместного использования наногенераторов и солнечных батарей.
А что вы думаете по этому поводу? Может быть вам известны другие новые альтернативные источники электроэнергии. Поделитесь в комментариях!
Для решения проблемы ограниченности ископаемых видов топлива исследователи во всем мире работают над созданием и внедрением в эксплуатацию альтернативных источников энергии. И речь идет не только о всем известных ветряках и солнечных батареях. На смену газу и нефти может прийти энергия от водорослей, вулканов и человеческих шагов. Recycle выбрал десять самых интересных и экологически чистых энерго-источников будущего.
Джоули из турникетов
Тысячи людей каждый день проходят через турникеты при входе на железнодорожные станции. Сразу в нескольких исследовательских центрах мира появилась идея использовать поток людей в качестве инновационного генератора энергии. Японская компания East Japan Railway Company решила оснастить каждый турникет на железнодорожных станциях генераторами. Установка работает на вокзале в токийском районе Сибуя: в пол под турникетами встроены пьезоэлементы, которые производят электричество от давления и вибрации, которую они получают, когда люди наступают на них.
Другая технология «энерго-турникетов» уже используется в Китае и в Нидерландах. В этих странах инженеры решили использовать не эффект нажатия на пьезоэлементы, а эффект толкания ручек турникета или дверей-турникетов. Концепция голландской компании Boon Edam предполагает замену стандартных дверец при входе в торговые центры (которые обычно работают по системе фотоэлемента и сами начинают крутиться) на двери, которые посетитель должен толкать и таким образом производить электроэнергию.
В голландском центре Natuurcafe La Port такие двери-генераторы уже появились. Каждая из них производит около 4600 киловатт-час энергии в год, что на первый взгляд может показаться незначительным, но служит неплохим примером альтернативной технологии по выработке электричества.
Водоросли отапливают дома
Водоросли стали рассматриваться в качестве альтернативного источника энергии относительно недавно, но технология, по мнению экспертов, очень перспективна. Достаточно сказать, что с 1 гектара площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тысяч кубометров биогаза. Это приблизительно равно объёму газа, который выдает небольшая скважина, и достаточно для жизнедеятельности небольшого поселка.
Зеленые водоросли просты в содержании, быстро растут и представлены множеством видов, использующих энергию солнечного света для осуществления фотосинтеза. Всю биомассу, будь то сахара или жиры, можно превратить в биотопливо, чаще всего в биоэтанол и биодизельное топливо. Водоросли — идеальное эко-топливо, потому что растут в водной среде и не требуют земельных ресурсов, обладают высокой продуктивностью и не наносят ущерба окружающей среде.
По оценкам экономистов, к 2018 году глобальный оборот от переработки биомассы морских микроводорослей может составить около 100 млрд долларов. Уже существуют реализованные проекты на «водорослевом» топливе — например, 15-квартирный дом в немецком Гамбурге. Фасады дома покрыты 129 аквариумами с водорослями, служащими единственным источником энергии для отопления и кондиционирования здания, получившего название Bio Intelligent Quotient (BIQ) House.
«Лежачие полицейские» освещают улицы
Концепцию выработки электроэнергии при помощи так называемых «лежачих полицейских» начали реализовывать сначала в Великобритании, затем в Бахрейне, а скоро технология дойдет и до России. Все началось с того, что британский изобретатель Питер Хьюс создал «Генерирующую дорожную рампу» (Electro-Kinetic Road Ramp) для автомобильных дорог. Рампа представляет собой две металлические пластины, немного поднимающиеся над дорогой. Под пластинами заложен электрический генератор, который вырабатывает ток всякий раз, когда автомобиль проезжает через рампу.
В зависимости от веса машины рампа может вырабатывать от 5 до 50 киловатт в течение времени, пока автомобиль проезжает рампу. Такие рампы в качестве аккумуляторов способны питать электричеством светофоры и подсвечиваемые дорожные знаки. В Великобритании технология работает уже в нескольких городах. Способ начал распространяться и на другие страны — например, на маленький Бахрейн.
Самое удивительное, что нечто подобное можно будет увидеть и в России. Студент из Тюмени Альберт Бранд предложил такое же решение по уличному освещению на форуме «ВУЗПромЭкспо». По подсчетам разработчика, в день по «лежачим полицейским» в его городе проезжает от 1000 до 1500 машин. За один «наезд» автомобиля по оборудованному электрогенеретором «лежачему полицейскому» будет вырабатываться около 20 ватт электроэнергии, не наносящей вред окружающей среде.
Больше, чем просто футбол
Разработанный группой выпускников Гарварда, основателей компании Uncharted Play, мяч Soccket может за полчаса игры в футбол сгенерировать электроэнергию, которой будет достаточно, чтобы несколько часов подпитывать LED-лампу. Soccket называют экологически чистой альтернативой небезопасным источникам энергии, которые нередко используются жителями малоразвитых стран.
Принцип аккумулирования энергии мячом Soccket довольно прост: кинетическая энергия, образуемая от удара по мячу, передается крошечному механизму, похожему на маятник, который приводит в движение генератор. Генератор производит электроэнергию, которая накапливается в аккумуляторе. Сохраненная энергия может быть использована для питания любого небольшого электроприбора — например, настольной лампы со светодиодом.
Выходная мощность Soccket составляет шесть ватт. Генерирующий энергию мяч уже завоевал признание мирового сообщества: получил множество наград, был высоко оценен организацией Clinton Global Initiative, а также получил хвалебные отзывы на известной конференции TED.
Скрытая энергия вулканов
Одна из главных разработок в освоении вулканической энергии принадлежит американским исследователям из компаний-инициаторов AltaRock Energy и Davenport Newberry Holdings. «Испытуемым» стал спящий вулкан в штате Орегон. Соленая вода закачивается глубоко в горные породы, температура которых благодаря распаду имеющихся в коре планеты радиоактивных элементов и самой горячей мантии Земли очень высока. При нагреве вода превращается в пар, который подается в турбину, вырабатывающую электроэнергию.
На данный момент существуют лишь две небольшие действующие электростанции подобного типа - во Франции и в Германии. Если американская технология заработает, то, по оценке Геологической службы США, геотермальная энергия потенциально способна обеспечить 50% необходимого стране электричества (сегодня ее вклад составляет лишь 0,3%).
Другой способ использования вулканов для получения энергии предложили в 2009 году исландские исследователи. Рядом с вулканическими недрами они обнаружили подземный резервуар воды с аномально высокой температурой. Супер-горячая вода находится где-то на границе между жидкостью и газом и существует только при определенных температуре и давлении.
Ученые могли генерировать нечто подобное в лаборатории, но оказалось, что такая вода встречается и в природе — в недрах земли. Считается, что из воды «критической температуры» можно извлечь в десять раз больше энергии, чем из воды, доведенной до кипения классическим образом.
Энергия из тепла человека
Принцип термоэлектрических генераторов , работающих на разнице температур, известен давно. Но лишь несколько лет назад технологии стали позволять использовать в качестве источника энергии тепло человеческого тела. Группа исследователей из Корейского ведущего научно-технического института (KAIST) разработала генератор, встроенный в гибкую стеклянную пластинку.
Т акой гаджет позволит фитнес-браслетам подзаряжаться от тепла человеческой руки — например, в процессе бега, когда тело сильно нагревается и контрастирует с температурой окружающей среды. Корейский генератор размером 10 на 10 сантиметров может производить около 40 милливат энергии при температуре кожи в 31 градус Цельсия.
Похожую технологию взяла за основу молодая Энн Макосински, придумавшая фонарик, заряжающийся от разницы температур воздуха и человеческого тела. Эффект объясняется использованием четырех элементов Пельтье: их особенностью является способность вырабатывать электричество при нагреве с одной стороны и охлаждении с другой стороны.
В итоге фонарик Энн производит довольно яркий свет, но не требует батарей-акуумуляторов. Для его работы необходима лишь температурная разница всего в пять градусов между степенью нагрева ладони человека и температурой в комнате.
Шаги по «умной» тротуарной плитке
На любую точку одной из оживленных улиц приходится до 50000 шагов в день. Идея использовать пешеходный поток для полезного преобразования шагов в энергию была реализована в продукте, разработанном Лоуренсом Кемболл-Куком, директором британской Pavegen Systems Ltd. Инженер создал тротуарную плитку, генерирующую электроэнергию из кинетической энергии гуляющих пешеходов.
Устройство в инновационной плитке сделано из гибкого водонепроницаемого материала, который при нажатии прогибается примерно на пять миллиметров. Это, в свою очередь, создаёт энергию, которую механизм преобразует в электричество. Накопленные ватты либо сохраняются в литиевом полимерном аккумуляторе, либо сразу идут на освещение автобусных остановок, витрин магазинов и вывесок.
Сама плитка Pavegen считается абсолютно экологически чистой: ее корпус изготовлен из нержавеющей стали специального сорта и переработанного полимера с низким содержанием углерода. Верхняя поверхность изготовлена из использованных шин, благодаря этому плитка обладает прочностью и высокой устойчивостью к истиранию.
Во время проведения летней Олимпиады в Лондоне в 2012 году плитку установили на многих туристических улицах. За две недели удалось получить 20 миллионов джоулей энергии. Этого с избытком хватило для работы уличного освещения британской столицы.
Велосипед, заряжающий смартфоны
Чтобы подзарядить плеер, телефон или планшет, необязательно иметь под рукой розетку. Иногда достаточно лишь покрутить педали. Так, американская компания Cycle Atom выпустила в свет устройство, позволяющее заряжать внешний аккумулятор во время езды на велосипеде и впоследствии подзаряжать мобильные устройства.
Продукт, названный Siva Cycle Atom, представляет собой легкий велосипедный генератор с литиевым аккумулятором, предназначенным для питания практически любых мобильных устройств, имеющих порт USB. Такой мини-генератор может быть установлен на большинстве обычных велосипедных рам в течение считанных минут. Сам аккумулятор легко снимается для последующей подзарядки гаджетов. Пользователь занимается спортом и крутит педали — а спустя пару часов его смартфон уже заряжен на 100 поцентов.
Компания Nokia в свою очередь тоже представила широкой публике гаджет, присоединяемый к велосипеду и позволяющий переводить кручение педалей в способ получегия экологически безопасной энергии. Комплект Nokia Bicycle Charger Kit имеет динамо-машину, небольшой электрический генератор, который использует энергию от вращения колес велосипеда и подзаряжает ей телефон через стандартный двухмиллиметровый разъем, распространенный в большинстве телефонов Nokia.
Польза от сточных вод
Любой крупный город ежедневно сбрасывает в открытые водоемы гигантское количество сточных вод , загрязняющих экосистему. Казалось бы, отравленная нечистотами вода уже никому не может пригодиться, но это не так — ученые открыли способ создавать на ее основе топливные элементы.
Одним из пионеров идеи стал профессор Университета штата Пенсильвания Брюс Логан. Общая концепция весьма сложная для понмания неспециалиста и построена на двух столпах — применении бактериальных топливных ячеек и установке так называемого обратного электродиализа. Бактерии окисляют органическое вещество в сточных водах и производят в данном процессе электроны, создавая электрический ток.
Для производства электричества может использоваться почти любой тип органического отходного материала - не только сточные воды, но и отходы животноводства, а также побочные продукты производств в виноделии, пивоварении и молочной промышленности. Что касается обратного электродиализа, то здесь работают электрогенераторы, разделенные мембранами на ячейки и извлекающие энергию из разницы в солености двух смешивающихся потоков жидкости.
«Бумажная» энергия
Японский производитель электроники Sony разработал и представил на Токийской выставке экологически чистых продуктов био-генератор, способный производить электроэнергию из мелко нарезанной бумаги. Суть процесса заключается в следующем: для выделения целлюлозы (это длинная цепь сахара глюкозы, которая находится в зеленых растениях) необходим гофрированный картон.
Цепь разрывается с помощью ферментов, а образовавшаяся от этого глюкоза подвергается обработке другой группой ферментов, с помощью которых высвобождаются ионы водорода и свободные электроны. Электроны направляются через внешнюю цепь для выработки электроэнергии. Предполагается, что подобная установка в ходе переработки одного листа бумаги размером 210 на 297 мм может выработать около 18 Вт в час (примерно столько же энергии вырабатывают 6 батареек AA).
Метод является экологически чистым: важным достоинством такой «батарейки» является отсутствие металлов и вредных химических соединений. Хотя на данный момент технология еще далека от коммерциализации: электричества вырабатывается достаточно мало - его хватает лишь на питание небольших портативных гаджетов.
1. Летающий ветрогенератор
Buoyant Airborne Turbine (BAT), огромный аэростат с ветряной турбиной, может набирать высоту до 600 метров. На этом уровне скорость ветра значительно выше, чем у поверхности земли, что позволяет удвоить выработку энергии.
2. Волновая электростанция Oyster
Желтый поплавок - надводная часть насоса, который находится на 15-метровой глубине в полукилометре от берега. Используя энергию волн, Oyster («Устрица») перегоняет воду на вполне обычную гидроэлектростанцию, расположенную на суше. Система способна вырабатывать до 800 кВт электроэнергии, обеспечивая светом и теплом до 80 домов. 
3. Биотопливо на основе водорослей
Водоросли содержат до 75% натуральных масел, растут очень быстро, не нуждаются в пахотных землях или воде для полива. С одного акра (4047 кв. м.) «морской травы» можно получить от 18 до 27 тысяч литров биотоплива в год. Для сравнения: сахарный тростник при тех же исходных дает лишь 3600 литров биоэтанола. 
4. Солнечные батареи в оконных стеклах
Стандартные солнечные батареи преобразуют энергию Солнца в электричество с эффективностью 10−20%, а их эксплуатация довольно затратна. Но недавно ученые из университета Калифорнии разработали прозрачные панели на основе относительно недорогого пластика. Батареи черпают энергию из инфракрасного света и могут заменить обычные оконные стекла. 
5. Вулканическое электричество
Принцип работы геотермальной электростанции такой же, как и у теплоэлектростанции, только вместо угля используется тепло земных недр. Для добычи этого вида энергии идеальны районы с высокой вулканической активностью, где магма подходит близко к поверхности. 
6. Сферическая солнечная батарея
Даже в облачный день заполненный жидкостью стеклянный шар Betaray работает в четыре раза эффективнее, чем обычная солнечная батарея. И даже в ясную ночь сфера не дремлет, извлекая энергию из лунного света. 
7. Вирус М13
Ученым Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (Калифорния) удалось модифицировать вирус-бактериофаг М13 так, что он создает электрический заряд при механической деформации материала. Чтобы получить электричество, достаточно нажать на кнопку или провести пальцем по дисплею. Впрочем, пока максимальный заряд, который удалось получить «инфекционным путем», равен возможностям четверти микропальчиковой батарейки. 
8. Торий
Торий - радиоактивный металл, похожий на уран, но способный давать в 90 раз больше энергии при распаде. В природе он встречается в 3-4 раза чаще, чем уран, а всего один грамм вещества по количеству выделяемого тепла эквивалентен 7400 галлонам (33640 литрам) бензина. 8 грамм тория хватит, чтобы автомобиль мог ехать более 100 лет или 1,6 млн км без дозаправки. В общем, компания Laser Power Systems объявила о начале работ над ториевым двигателем. Посмотрим-с! 
9. Микроволновый двигатель
Как известно, космический корабль получает импульс для взлета за счет выброса и сгорания ракетного топлива. Основы физики попытался перечеркнуть Роджер Шойер. Его двигатель EMDrive (мы о нем писали) не нуждается в горючем, создавая тягу с помощью микроволн, которые отражаются от внутренних стенок герметичного контейнера. Впереди еще долгий путь: силы тяги такого мотора не хватает даже для того, чтобы сбросить со стола монету. 
10. Международный экспериментальный термоядерный реактор (ITER)
Предназначение ITER- воссоздать процессы, происходящие внутри звезд. В противовес расщеплению ядра речь идет о безопасном и безотходном синтезе двух элементов. Получив 50 мегаватт энергии, ITER вернет 500 мегаватт - достаточно, чтобы обеспечить электричеством 130 000 домов. Запуск реактора, базирующегося на юге Франции, произойдет в начале 2030-х, а подключить его к энергетической сети получится не раньше 2040 года. 