Utilizare
Cursuri: 0
Publicare RED: 0
Publicare articole în reviste: 400
Servicii AI: 0
Valorificarea energiei cosmice (I)
Viitorul omenirii se află sub semnul progresului științific, tehnic și tehnologic, a schimbării modului de gândire și acțiune, a creativității și colaborării pe scară largă. Politicile unei dezvoltări durabile a societății au în vedere protecția mediului înconjurător și a echilibrelor ecologice, gospodărirea eficientă a resurselor planetei și valorificarea surselor de energie alternative, regenerabile și nepoluante.
În prezent, energia cinetică şi potenţială a căderilor de apă, împreună cu energia termică rezultată prin arderea cărbunelui, petrolului şi gazelor naturale au o pondere însemnată în obţinerea energiei electrice. Pe de altă parte, utilizarea reactoarelor de fisiune nucleară prezintă un risc ridicat, la care se adaugă problema depozitării deșeurilor reactive, iar controlul proceselor de fuziune nucleară încă nu s-a realizat pe măsura așteptărilor și eforturilor investite.
Deşi sunt nepoluante, regenerabile şi practic inepuizabile, sursele neconvenţionale terestre, bazate pe conversia energiei radiaţiei solare, a vântului, a valurilor, a mareelor sau cele geotermice, sunt ineficiente, din cauza densităţilor mici de energie, distribuţiei neuniforme şi fluctuaţiilor mari în timp. De aceea, se impun noi direcţii de cercetare aplicativă în domeniul energetic care să ofere disponibilități de valorificare în viitor a spațiului cosmic, unele soluții tehnice fiind prezentate în continuare.
Atmosfera terestră și spațiul cosmic pot fi valorificate în diverse scopuri:
- conversia radiației solare în energie mecanică sau electrică;
- stocarea energiei electrice în condensatoare de mare capacitate sau producerea de hidrogen prin electroliza apei;
- obținerea de semiconductoare pure sau de aliaje cu calități deosebite prin procesare în vid;
- cercetarea comportamentului materialelor la presiuni și temperaturi reduse;
- utilizarea eficientă a radiației solare pentru cucerirea spațiului extraterestru, prin realizarea unor stații cosmice intermediare pe traseele interplanetare ale navelor cosmice.
O provocare pentru cercetarea aplicativă o reprezintă atmosfera terestră, o vastă sursă geoelectrică care poate fi valorificată în perspectivă.
Pe baza particularităţilor regimului termic, atmosfera terestră este divizată în cinci pături principale separate prin straturi de tranziţie.
1. Troposfera, 0 – 11 km, reţine 4/5 din întreaga masă de aer, M = 5,16 •10 t, fiind cea mai importantă componentă a atmosferei în care se produc fenomenele meteorologice. Această pătură a atmosferei se caracterizează prin scăderea cu altitudinea, nu numai a presiunii și densității aerului ci și a temperaturii, gradientul termic vertical fiind de – 6 ... – 7 ºC/km.
2. Stratosfera, 11 – 50 km; strat de aer liniştit, uscat şi transparent în care temperatura creşte până la 0 ºC; este delimitată superior de stratopauză.
3. Mezosfera, 50 – 80 km; temperatura scade rapid până la -83 ºC; este delimitată superior de mezopauză;
4. Termosfera, 80 – 1000 km; temperatura creşte progresiv până la 1000 – 1500 ºC; este delimitată superior de termopauză.
5. Exosfera, peste 1000 km, până la limita superioară la care are loc împrăştierea gazelor în spaţiul cosmic.
Radiaţiile corpusculare solare (vântul solar) cu sarcină electrică sunt captate de câmpul magnetic terestru (magnetosfera) şi formează la înălţimile de 3000 – 4000 km şi 15 000 – 20 000 km centurile de radiaţii van Allen, deosebit de periculoase pentru organismele vii. Câmpul electric terestru joacă un rol important în dinamica atmosferei şi regimul precipitaţiilor, cu influenţe extinse în biosferă şi chiar la procese geologice.
În ansamblu, Pământul este încărcat cu sarcină electrică negativă care este distribuită neuniform la suprafaţa şi în interiorul său. Măsurătorile geofizice au pus în evidenţă, la nivelul scoarţei terestre, existenţa unor curenţi electrici naturali cauzaţi de procese electrochimice, termoelectrice, de inducţie, polarizarea unor roci, vibraţii etc. Intensitatea curenţilor electrici depinde de conductivitatea materialului terestru, având valori destul de mari în anumite regiuni, ca de exemplu zona litorală şi vecinătatea ţărmului oceanic.
La suprafaţa Terrei, intensitatea câmpului electric are valoarea medie de circa -130 V/m, iar modului său scade progresiv cu altitudinea în troposferă.
Modificări importante ale câmpului electric pot fi cauzate de formaţiunile noroase, care au frecvent o distribuţie de sarcini pozitive la partea superioară şi negative la cea inferioară. Pe lângă norii polar-pozitivi pot exista şi nori polar-negativi sau chiar tripolari. Diferenţa de potenţial dintre un nor şi sol poate atinge, în timp de furtună, valori de ordinul 107 V.
Electricitatea din troposferă este produsă de forţele de frecare dintre cureţii de aer, de radiaţiile ionizante solare sau prin emisia de particule electrice de către sursele radioactive terestre, dar rezultă şi în procesul evaporării şi condensării apei sub formă de picături încărcate cu sarcină electrică pozitivă.
Moleculele de apă (H2O) sunt polarizate, deoarece centrul sarcinilor electrice pozitive nu coincide cu centrul sarcinilor electrice negative. Această configuraţie se explică pe seama hibridizării sp3 a orbitalilor atomului de oxigen, care posedă două perechi de electroni neparticipanţi, la formarea legăturilor covalente.
În stare condensată, moleculele de apă se asociază prin legături de hidrogen, din cauza atracţiei dintre un atom de hidrogen (electropozitiv) şi unul de oxigen (electronegativ) de la o moleculă vecină. Spre deosebire de ploaie, precipitaţiile solide (grindină, ninsoare) transportă sarcină electrică negativă.
Termosfera, cunoscută şi sub numele de ionosferă, este sediul unor procese intense de ionizare provocate de radiaţiile electromagnetice şi corpusculare care provin din spaţiul cosmic.
Este bine de menţionat că un corp aflat în termosferă nu poate atinge temperatura mediului înconjurător care este foarte rarefiat. În acest caz, temperatura nu se măsoară cu termometrul, ci se calculează din formula energiei cinetice medii a particulelor constituente.
Ionosfera este divizată în mai multe straturi(D, E, F, G) care au un rol deosebit în absorbţia componentelor radiaţiei solare nocive pentru organismele vii, dar este utilă şi în telecomunicaţii, prin reflexia undelor radio.
În ionosferă se formează aurorele polare, fenomene produse de particulele electrice care se înfăşoară în jurul liniilor de câmp magnetic. Particulele electrice care evadează din centurile de radiaţii van Allen şi ionosferă pătrund în atmosferă sub altitudinea de 40 km şi ionizează moleculele din compoziţia aerului, dând naştere aşa-numitei centuri ionice inferioare. Centura prezintă un maxim de ionizare între altitudinile de 5 şi 25 km, zonă deosebit de dinamică, în care se manifestă „curenţii jet” cu viteze de 25 – 100 m/s.
Se pot concepe mai multe variante constructive pentru sistemele de captare a energiei câmpului electric terestru, după cum punctele cu potenţiale electrice diferite aparţin scoarţei terestre (fig. 1), scoarţei terestre şi unei pături ionizate a atmosferei (fig. 2) sau unor pături diferite cu gaz ionizat (fig. 3).
În prima variantă constructivă, sistemul pentru captarea energiei câmpului electric terestru se compune din conductorul (3) conectat la staţia (5) de procesare a energiei electrice şi electrozii(1;2) amplasaţi în zone cu potenţiale electrice diferite ale scoarţei terestre. Conductorul (3) – confecţionat din Cu sau Al - este suspendat pe stâlpii(4), dar poate fi îngropat în sol, cu condiţia realizării unei bune izolaţii electrice. Staţia de procesare (5) este prevăzută cu convertoare, transformatoare şi stabilizatoare pentru asigurarea paremetrilor standard specifici reţelei naţionale de curent alternativ, la care se adaugă dispozitive de siguranţă şi aparate de măsură şi control pentru exploatarea sistemului energetic în condiţii optime.
Energia electrică obţinută este transferată în reţeaua naţională de curent alternativ, dar poate fi stocată în acumulatori de mare capacitate, eventual, se optează pentru obţinerea hidrogenului prin electroliză, care este utilizat, la rândul său, în pilele de combustie.
În cea de-a doua variantă constructivă, sistemul pentru captarea energiei câmpului geoelectric este prevăzut cu conductorul izolat (6), tamburul de rulare (7), aparatele de zbor (8) pentru susţinere, electrodul (9), amplasat în scoarţa terestră, precum şi staţia (10) pentru procesarea energiei electrice. Elicopterul de la capătul superior al conductorului (6), care are şi rol de electrod, este situat la „punct fix” în centura ionică inferioară din atmosferă. Deoarece conductorul izolat (6) este supus unor forţe de întindere mari, este recomandat să aibă secţiune variabilă şi să fie fixat pe un cablu din oţel prevăzut, de asemenea, cu izolaţie electrică. Pentru diferenţe mari de altitudine, sunt necesare mai multe elicoptere pentru susţinerea conductoarelor electrice, care sunt dispuse pe verticală la distanţe aproximativ egale.
În cea de-a treia variantă constructivă, sistemul pentru captarea energiei câmpului electric al Terrei este format din unul sau mai mulţi conductori izolaţi (11), bobinele (12) pentru rulare, aparatele de zbor (13; 14) şi tehnica aferentă (15) pentru procesarea energiei electrice. Aparatele de zbor, de tip elicoptere sau avioane cu reacţie, au rol de susţinere şi de electrozi pentru sistemul geolectric. Ele sunt dispuse pe verticală în pături ionizate ale atmosferei(centura ionică inferioară, ionosfera), în regim de zbor la „punct fix” sau în mişcare simultană controlată. În acest caz, energia electrică captată poate fi utilizată pentru iluminatul nocturn de la mare înălţime, producerea de hidrogen prin electroliză, alimentarea unor motoare electrice pentru acţionarea elicelor aparatelor de zbor etc.
Cercetarea aplicativă trebuie extinsă la posibilităţile de utilizare a sistemelor geoelectrice la atenuarea perturbaţiilor de mare amploare ale câmpului electric terestru, cu efecte benefice în dinamica atmosferei, regimul precipitaţiilor şi geodinamică, pentru protecţia împotriva unor calamităţi naturale provocate de tornade, cicloane, grindină, erupţii vulcanice sau seisme.
Ministerul Educaţiei