Электричество из куска бетона
В Кембриджской лаборатории MIT (Массачусетский технологический) проводился заурядный промышленный эксперимент: необходимо было проверить на электрический пробой очередной вариант уже не нового материала — многослойного бетона, проложенного углеродной нитью или тканью. Промышленность постепенно отказывается от классического арматурного железобетона, так как металлические прутья все равно корродируют, да и сама арматура стоит недешево, очень тяжела и требует во время монтажа и заливки намного больше времени и усилий, чем довольно простые операции с углеродной тканью.
Сталь постепенно заменяется карбоном, и это естественно. Однако еще во времена стального бума в строительстве были замечены неприятные побочные эффекты усиленного бетона — электропробой. В промышленных зданиях это действительно была серьезная проблема, так как кабель в 10 кВ — это норма даже не для завода, а для небольшого кафе на первом этаже. В принципе и для многоквартирного дома пробои были нередки, хотя контроль для жилых зданий был на порядок выше.
Суть эксперимента была проста: нужно было для определенного напряжения подобрать толщину «блинов» бетона, которые разделялись слоем углеродной ткани так, чтобы между слоями ткани гарантированно не было слишком высокого напряжения. По идее, это исследование для метролога, а не для аспиранта-исследователя. Но для этой рутинной работы выделили одного единственного человека. Редкий случай в современной науке, когда слава первооткрывателя принадлежит одному молодому парню целиком и полностью.
Демиен Стефанюк загрузил в стойку очередные прослоенные блины, подал напряжение, замерил, отключил установку и собрался уже уходить из лаборатории, но... сигнальный светодиод не погас. Вся экспериментальная установка сработала как батарея или конденсатор.
Любой радиолюбитель с опытом сразу бы сообразил, что это отклик 1930-х, когда начался бум бытовых радиоприемников. Электролитический конденсатор, который устроен точно так же, может удерживать заряд до 24 В около двух суток — среди ремонтников ТВ и КВ-приемников много лет назад появилась шутка про «N-раз убьют, кошку увижу»: n раз (слой фольги/слой бумаги) + электролит. Теперь ради компактности в конденсаторах, даже современных, длинные ленты фольги и бумаги свернуты в рулон, но суть от этого не меняется.
В эксперименте Демиена Стефанюка в качестве диэлектрика вместо бумаги выступает бетон, а вместо фольги — карбоновая ткань. Разве что нет электролита. Но в бетон ни электролит, ни даже эпоксиэлектролит не залить, да и бесполезно — гигроскопичность бетона сложно купировать.
Для начала нужно было проверить общий потенциал эффекта. Одной пары «блинов» толщиной в полдюйма хватило чтобы запитать светодиод. 3,3 В и 0,06 Вт — весьма скромный результат. Однако десяток «блинов» уже смогли выдать мощность для работы легкого CPU-кулера и игровой карманной приставки.
Забегая вперед можно отметить, что кубический метр такого же слоеного бетона, но в промышленном стандарте (а там слои отнюдь не полудюймовые, а 2–3 дюйма минимум), могут накапливать до 0,3 кВт×час. Это гарантирует работу LED-лампочки на 10–12 Вт в течении полутора суток. По уровню освещенности это классическая 60-тиваттка. Неярко, но зато достаточно долго, чтобы заинтересоваться эффектом.
А теперь поговорим о плюсах
Суть в том, что раньше предлагалось множество идей сохранения накопленной солнечной энергии. Рассмотрим самое насущное и понятное каждому решение. Представьте, что вы установили на крыше солнечные панели — в окрестностях Great London это массово практикуется уже лет 20, но без массовости это было бы бессмысленно. Сейчас все поймете.
Суть в том, что электричество днем мало кому нужно, зато вечером солнечные батареи уже не работают. Обычно в подвале устанавливаются несколько аккумуляторных батарей, которых хватает, чтобы принять энергию с 20 м2 дешевых кремниевых панелей с КПД не более 20% в солнечный день. И если панели стоят пару фунтов за квадратный фут, то аккумуляторы — это дорогое удовольствие, которое потянет освещение, пару компьютеров, и изредка микроволновку с кофеваркой. Энергии хватит на 5—6—7 часов, что очень неплохо. Но холодильник сожрет такую бытовую конструкцию за минут 30–60 и еще просадит аккумулятор «в минус», то есть в химическую кому! Химические реакции всегда отличались реактивностью. Чтобы вывести аккумулятор из состояния stdout есть контроллеры, которые сами потребуют треть заявленной мощности аккумулятора. В любом случае все слишком сложно.
Не забывайте, что даже самые лучшие литий-ионные батареи выдерживают не более 800–1000 циклов зарядки/разрядки, да и сами умирают со временем. Покупать их придется каждые пару лет, а это не дешевые компьютерные UPS. И если вдруг загорятся, то никакой огнетушитель не поможет вовсе — Li-Ion тушить невозможно в принципе — спросите у любого пожарника.
Лондонцы вывернулись и избавились от аккумуляторов вовсе: днем вы копите энергию с панелей, возможно пользуетесь, но все излишки уходят в ОБЩУЮ электросеть! Ваш электросчетчик крутится в обратную сторону, и вам доплачивают за энергию. Зато промышленные предприятия, работающие днем, с удовольствием потребляют ваши излишки. Вечером счетчик крутится в обычную сторону, так как вы пользуетесь электричеством в обычном режиме. За год дельта может составлять до L500.
Второе решение изящно, и позволяет действительно копить энергию только для себя. Это водонапорная башня — звучит слегка странно?
Но нет. Днем энергия используется для закачки воды в бак побольше и повыше, то есть для накопления потенциальной энергии. В средней полосе США это довольно распространенный способ обойтись без генератора для выработки вечернего электричества. Просто вечером вода сливается через минитурбину, имитируя домашнюю ГЭС. Но все же обслуживание механики и гидравлики сожрет бюджет и личное время похлеще литий-ионных батарей.
А теперь представьте, что как минимум весь ваш бетонный фундамент — это батарея, которая прослужит минимум 30–50 лет без обслуживания. А если это огромное здание промышленного предприятия, которое вообще целиком бетонное?
Но все же в «бетонном» проекте есть один огромный изъян.
Проблемы
Обычные радиоэлектронные конденсаторы полностью изолируют рабочие элементы от внешней среды. Они обжаты в герметичные корпуса, не допускающие ни кислород, ни влагу извне. Бетон же гигроскопичен, так как имеет мириады микропор между сросшимися в беспорядке кристаллами алюмосиликатов, поэтому внутри бетона всегда будет присутствовать хоть минимальное, но все же достаточное для электроутечек количество воды. Причем даже если бетон соприкасается только с атмосферой — осмос всегда был одной из главных проблем электриков.
Теоретически это можно решить обработкой внешних поверхностей пластиковым напылением, но этот фокус с фундаментом не пройдет. Эксперименты в 1980-х в Денвере полностью провалились, хотя DMC пытались построить целый автозавод без электростатики и наведенных электромагнитных помех. После этой последней попытки город «умер».
Зато если утечки хотя бы за ночь будут некритичны, то можно подсчитывать дивиденды. По предварительным оценкам промышленный бетон будет терять за 12 часов 20–30% заряда, что вполне приемлемо даже для промышленности.
На данный момент проект проходит стадию сертификации SEC. Как ни удивительно, но проверяют инженеров именно финансисты — SEC занимается контролем выпуска акций на бирже NY.