КАТУШКА ТЕСЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ

Катаргин Рудольф Клавдиевич, инженер - электрик

В последнее время многим стало понятным, что модное слово «нанотехнология» есть процессы производства на атомном и молекулярном уровне в развитии техники. Читатели вероятно подумают, что статья есть дань моде от автора, однако следует повременить с подобными выводами. Здесь разберем вопрос – что может дать нанотехнология совремённой технике.

До сих пор люди осваивали широкие масштабы производств; сорта металлов, их обработку, их применение в быту и промышленности, на пароходах, самолётах, поездах. Сочеталось всё это с освоением электротехники, на её основе создавались станки и агрегаты, развилась мощная электротехническая промышленность. Высоковольтные и не высоковольтные линии электропередач опутали весь земной шар вдоль и поперек. Развиваться вширь дальше уже почти некуда, сейчас пришло время разобраться в наших наработках и спуститься вниз по лестнице масштабов технологий. Это поможет понять то, что мы делаем с природой. А, спрашивается, причём тут Тесла? Чтобы ответить на данный вопрос начнём немного издалека, разберём – что такое горение.

Человек миллионами лет пользовался кострами, печками и каминами даже не задумываясь над вопросом - откуда берётся такое приятное и подчас страшное (при казни на костре), тепло. Всегда считается, что тепло выделяется только тогда, когда внутри что-то горит. Полное ощущение этого дают масштабные лесные пожары. А вот в 1839 году англичанин Грове, опустив в ванночку с электролитом два платиновых электрода, и подав на них водород и кислород, обнаружил неожиданное - ….«холодное» горение. То есть водород с кислородом соединялись в электролите в обычную воду, а температуры не было, вместо неё по проволочке, соединяющей электроды, проходил электрический ток способный греть спираль лампочки или крутить электродвигатель. Удивление колоссальное даже для многих из нас, проживших 170 лет после этого опыта. Позднее этот аппарат назвали топливным элементом. И вот за это время люди разобрались, что горение, как и любая химическая реакция двух веществ, есть передача электронов с одного атома топлива на другой атом - окислитель. У кислорода для заполнения внешней электронной оболочки не хватает двух электронов и вот вместе с двумя электронами от ближайших водородов он притягивает ещё и сами атомы водорода. Образуется вода. В холодном горении электроны могут передаваться пространственно с атома топлива на другой атом по проводам. Тут понять несложно, просто кислороду нужны лишние электроны, а принимать он их может или непосредственно с соседнего атома или с проводов. А как это выглядит в цифрах? Из многочисленных опытов, проведённых почти за два столетия известно, что для разрыва молекулы состоящей из двух атомов кислорода для подготовки проведения химической реакции, требуется энергия 5,1 электронвольта. Для разрыва двух водородов из молекулы на части необходимо затратить 4,3 эВ. В случае атомизации «кислороды и водороды» могут уже реагировать между собой, соединяясь в Н2О. При этом выделяется энергии практически не больше затраченной. Это доказывает опыт разложения воды электролизом на составляющие постоянно используемый в производстве. Но интересно, при холодном горении почему-то не требуются указанные энергии, - всё происходит на поверхности платины «бесплатно». Спрашивается, откуда берётся энергия у платины для разложения молекул кислорода и водорода, да ещё в придачу на отнятие электронов с этих атомов (ионизацию)? Вот эта «дармовая» энергия произведенная платиной и выделяется в электронном потоке по проводам при горении лампочки, которая легко рассчитывается в электрохимии. Это долго оставалось загадкой, однако неожиданно обнаружилось, что у платины почти такая же энергия плазменных колебаний внутри металла, целых 4,5 эВ, сопоставимая с указанными энергиями. В переводе на энергетический язык энергия этих плазменных колебаний равна 7232 киловатт часов энергии в кубическом метре платины. Это же целая электростанция, способная снабжать энергией посёлок на 3000 человек. Высовываясь языками из решётки поверхности металла-платины, плазменная энергия раскачивает, словно пружинки, химические связи прилипших на поверхность молекул, и они беспрепятственно рассыпаются на атомы от такой резонансной силы. Зная это, мы теперь с уверенностью можем подобрать катализатор для любой мыслимой реакции путём просвечивания тонких плёнок веществ электромагнитной волной с регулируемой частотой, и там, где произойдёт почти полное поглощение, мы определим необходимую плазменную частоту для резонансного катализа (так называется резонанс на поверхности). Плазменными колебаниями обладают все вещества; металлы, полупроводники, диэлектрики. Путём введения ионов других веществ в пластинку можем изменять величину плазменных колебаний в ней до необходимых параметров интересующих нас веществ. Вот вам и нанотехнология, т.е. разобравшись на микроуровне с физическим явлением, мы получаем возможность применить его в промышленности. К примеру, если в топливном элементе Грове использовать реакцию окисления угля (горение), то теоретически коэффициент полезного действия такого устройства получается почти 100%, то есть такая электростанция будет работать вообще без потерь. Однако для этой реакции до сих пор не найден катализатор, поскольку искали вслепую. Определив указанным методом катализатор и поместив такие топливные элементы в шахту, мы в состоянии, не выдавая уголь «на гора», снабжать электроэнергией окружающие населённые районы в изобилии прямо из-под земли.

Катушка Теслы представляет собой почти обычный трансформатор, только без привычного железного сердечника. На первичную обмотку, состоящую из 6 – 10 витков, подаётся напряжение 1000 – 10000 вольт через конденсатор и разрядник, представляющих собой обычный колебательный контур. Здесь и возникает высокочастотный ток 20 – 250 килогерц. Он, естественно, передаётся на вторичную обмотку, вставленную внутрь первичной с числом витков около тысячи и более, соответственно на верхнем, не заземлённом конце «вторички» возникают высокие напряжения с той же частотой. Напряжения могут быть до миллиона и более вольт. При резонансе частоты от первичной обмотки и параметров вторички могут возникать громадные, очень красивые разряды подобные молнии. Сам Тесла получал разряды длиной до 150 – 200 метров, гром от них поражал воображение жителей ближайших населённых районов. При помощи такой катушки Тесла собирался передавать громадные количества электроэнергии в любые точки земного шара.

В наше время данным вопросом тоже занимаются. Так, в институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) под руководством Стребкова Д.С. сделали и неоднократно опробовали передачу электричества по однопроводной линии. Представляете, при сечении проводника, скажем 1 кв.мм. можно передавать мегаватные энергии (мощность среднего предприятия). Для этого после вырабатывающего электричество энергоблока ставится одна катушка Теслы, которая и работает далее на такую тонкую электролинию. На конце её стоит вторая катушка Теслы, которая понижает частоту и напряжение, где далее энергия преобразуется в обычную трёхфазную систему для электроснабжения района. И такую энергию можно передавать на несколько тысяч километров практически без потерь. Всё это стало возможным осознанием замены амперовых токов токами смещения, которые не дают джоулева выделения тепла, поэтому сечение проводника становится минимальным только из прочностных соображений. Понимание такого экспериментального факта стало возможным благодаря внимательному рассмотрению разницы между указанными токами, которая постоянно обнаруживается в радиотехнических устройствах. Разве это не нанотехнология, которая даёт колоссальный эффект по замене обычных высоковольтных электролиний опутавших землю, тонкими проводниками без какого либо нагрева? Такой однопроводниковой электролинии не страшны ни грозы, ни ураганы, поскольку легко прячется под землю без последствий для всего живого в отличие от обыкновенных, у которых потери на нагрев воздуха составляют в среднем до 20% от передаваемой мощности.

Одиночная катушка Теслы на верхнем остром электроде вторичной обмотки даёт удивительно красивую корону, которая исходит, кажется в «никуда». Аналогичные короны, возникают перед и во время грозы на любых остриях. Раньше их называли «огнями святого Эльма». Теоретически о короне кажется всё известно, однако применение её в технике сравнительно ограничено почти чисто научными приложениями. Известно, что положительная корона «раскалывает» молекулы газов и забирает на выступающее остриё внешние электроны уже с отдельных атомов газа подобно платиновому электроду в топливном элементе и всё это опять же практически «бесплатно», поскольку расходы электричества на корону мизерные. На отрицательной короне кислород тоже «бесплатно» рассыпается на атомы, и они активно поглощают электроны с острия катушки. Получается озон знакомый нам по запахам после грозы. Убедиться в «бесплатности» ионизации может каждый желающий. Для этого требуется немного. Надо на изоляторе (сухая тубаретка) поставить включённый на средние волны приёмник на батарейках с выдвижной антенной. Над антенной надо установить металлическую сетку и между ней и землёй приложить постоянное напряжение 300 – 500 киловольт (скажем от электрофорной машины), но чтобы не пробивало. При включении электрического поля приёмник замолкает, а из выдвинутой антенны, непосредственно из колбочки вырастает сиреневая корона в виде рюмки, т.е. гетеродин приёмника, работающий на частоте 465 килогерц своей микроваттной мощностью способен ионизировать воздух в виде короны благодаря потенциалу поля. После отключения поля приёмник мгновенно теряет корону и восстанавливает своё звучание до нормального.

Понимая значение короны для химической реакции нетрудно «обновить» топливный элемент, - избавить его от платины и капризного электролита. Для этого надо взять две катушки Теслы и подать на остриё одной из них любое газообразное топливо, а на остриё второй катушки подвести кислород или просто воздух. Внизу вторичные обмотки соединить проводами через лампочку или электродвигатель. С топливных атомов остриё при помощи короны будет срывать электроны, и отправлять их по вторичной обмотке через лампочку и высоковольтную обмотку на остриё второй, кислородной короны, а озоновый поток направить навстречу положительно заряженным атомам топлива. На рисунке 1 для примера показано применение водорода в качестве топлива, поэтому короны при соединении дают пары воды. Как видите, осознание процесса катализа позволило применить атомную методику для извлечения электричества прямо из химической реакции при комнатной температуре с коэффициентом полезного действия примерно 90%, поскольку здесь расход электроэнергии предельно малый – только на организацию короны. А даже на протяжённых высоковольтных линиях электропередачи 300 – 500 киловольт, где потери на корону происходят по всей длине линии, не превышают 1,5 – 4% от номинальной мощности. Подобный приём получения электричества вполне можно назвать «электрической нанотехнологией», поскольку этот метод стал понятен только тогда, когда появилось осмысление физического процесса

Принципиальная схема по превращению химической энергии топлива в электричество при комнатной температуре и без платиновых катализаторов.

самой короны. В паре с генератором тока катушка Теслы может работать на необычный двигатель, основанный на том же самом осознании технологии катализа короны. Но для начала рассмотрим общий принцип работы обычного реактивного двигателя, который исправно «везёт» нас на самолёте и космонавтов в космосе. В основу его положен принцип отталкивания корпуса двигателя от реактивной струи. Чем больше масса выбрасываемого газа из сопла и чем быстрее вылетает газ от среза сопла, тем больше сила толкания корпуса двигателя, тем больше подъёмная сила самолёта и легче летит ракета.

Схема устройства обычного реактивного двигателя На рис.3 для примера цифрой 1 обозначена камера сгорания. Топливом показан для примера водород Н2 цифрой 3, окислителем применён кислород О2 под цифрой 4, здесь же в стенке свеча зажигания 5. На выходе из камеры газ проходит 2-коническое сопло Ловаля для увеличения скорости истечения. Загораясь в камере сгорания, топливо истекает в сопло, где ускоряется максимально до скорости 3 -5 километров в секунду, и больше ускоряться не может, поскольку это предельная тепловая скорость молекул от температуры. Это максимальный предел данного двигателя, только поэтому самолёт является бочкой с горючим (побольше железнодорожной цистерны), а ракета для дальнего странствия, вмещающая тысячи тонн горючего, не может долететь даже до луны с одной заправкой. Выход из положения нашли давно в виде электрореактивных двигателей. У них скорость истечения уже 10 – 100 километров в секунду, что в десятки раз уменьшает количество топлива на то же расстояние перелёта. Для этого требуется немного; тот же горячий газ в камере сгорания надо ионизировать, т.е. «содрать» с атомов внешние электроны и заставить электрическим полем ускоряться до указанных скоростей, поскольку поле на обычные, нейтральные атомы не действует. Обычное горение даёт степень ионизации только в размере 1,5 – 3% от общей массы газа, поэтому электрическим полем его разогнать нельзя. Если в камере сгорания поставить сетки с высоким постоянным напряжением, где возле места поступления топлива приложить плюс напряжения, а на сетку возле среза сопла минус, тогда молекулы газа обязаны «раскалываться» на атомы и ионизироваться. В этом же поле заряженные атомы-ионы разгоняются до указанных скоростей и уже, без сопла Ловаля за ненадобностью, вылетают через отрицательную сетку в пространство. Здесь у среза сопла их поджидает источник электронов, которые «на ходу подсаживаются» на разогнанные ионы топлива, нейтрализуют их до обычных атомов. Такой источник называется нейтрализатором, а весь двигатель «дразнится» электрореактивным.

Схема электрореактивного двигателя. Для примера он показан на рис. 4. Скорости истечения такого ионизированного газа колоссальные, определяемые только величиной приложенного напряжения. Даже пробовали истечения на 1000 километров в секунду, - теория работает безотказно. У реальных электрореактивных двигателей электропитание обычно не превышает 3000 вольт (от солнечных батарей), поэтому у положительной сетки вынуждены ставить ионизатор топлива, обычно в виде спирали с температурой 14000С. И ещё одна маленькая неприятность. Из-за того, что часть ионов, хотя и малая, отскакивает от ударов об отрицательную сетку, появляется определённая неустойчивость, которая со временем создаёт объёмное накопление положительных ионов между сетками, и этим тормозит прохождение основного скоростного потока на срез сопла. Этот фактор можно устранить увеличением напряжения на сетках, однако при этом возникает пробой сеточного промежутка, что приводит к выгоранию электродов. Чтобы не было пробоя, применяют вакуум, что в космосе не составляет никакого труда. Только поэтому электрореактивные двигатели используются на ракетах в космосе, а в атмосфере воздуха на самолётах не работают.

Есть возможность «обмануть» объёмный заряд и заставить работать данный двигатель в условиях атмосферы. Для этого надо немного,- выполнить отрицательный электрод в виде кольца и защитить его пористой керамикой. В ней любая напряжённость электрического поля проходит почти свободно, а вот отскакивающие ионы от поверхности кольца не могут пройти поры керамики в противоположном направлении. За счёт этого мы можем колоссально поднимать напряжение между электродами. Сделать подобную ситуацию можно при помощи катушки Теслы, поскольку она лёгкая и проста в обращении. Да и положительную сетку выполним по-пути в виде иголок для более уверенной ионизации топлива без нагрева. Отразим данные рассуждения на рис.5.

Схема атмосферного электрореактивного двигателя

Кажется небольшой «пустячок» эта пористая керамика, а это и есть такая же нанотехнология, которая способна «разбить» и ограничить объёмный положительный заряд и применить крайне высокие напряжения 300 – 500 киловольт, так свободно создаваемые катушкой Теслы, что позволяет «спустить» данный перспективный двигатель из космоса на «земное» применение. Такой двигатель можно делать и большим, и маленьким – всё зависит от применения, и использовать на любые газообразные топлива. Если выполнить два таких двигателя на одном роторе в виде сегнерова колеса, тогда не потребуется нейтрализатор. Его функции легко выполнит обычный кожух, охватывающий турбину с двумя двигателями. Причём истечение разогнанного газа из сопла постоянное, без рывков и выхлопов присущих всем поршневым двигателям. Значит, отпадает необходимость в глушителе при использовании турбинного двигателя на автомобилях.

Самолёты очень нуждаются в двигателях по рис.5, поскольку шум от современных турбореактивных двигателей глушит всё живое при взлётах и посадках, да и большое количество вращающихся и трущихся деталей ограничивает ресурс работы указанных двигателей. Кроме того, электрореактивные двигатели малы по размерам, соответственно разместив их на концах крыльев, и применив большие мощности, можем получить самолёты с вертикальным взлётом и посадкой, чем обезопасим пассажиров от аварии на 60 – 70%. Вполне разумно назвать такой электрореактивный двигатель универсальным.

Нанотехнология со временем заработает и на автодорогах. На первый взгляд такое дело кажется почти смешным, но давайте рассудим так. Утром мы активно «толкаем» тарелку каши в микроволновку, задаём 1 – 2 минуты и каша разогрета. Подобный приём работает и на прокатном стане. Болванка металла для проката проходит сквозь индуктор, раскаляется до необходимой температуры частотным электромагнитным полем, попадает в валки и давится ими подобно сливочному маслу. Таким же электромагнитным полем индуктора (и микроволновки) греют пластмассы для обработки, где штампуют детские ванночки, стулья и столы и т. д, только частоты электромагнитных волн различные, для каждого вещества своя, определённая частота. Асфальт под нашими ногами является обычной пластмассой от природы и у него своя частота разогрева (примерно 30 мГц.), поскольку битум легко плавится, а он является основой любого асфальта. Если применить Тесла-генератор как источник тока на обычном дорожном катке по раскатке асфальтового покрытия и ещё одну катушку Теслы в качестве источника получения частоты тока для индуктора установленного спереди катка, тогда асфальт будет разогреваться почти мгновенно по всей глубине подобно каше в тарелке. Катку остаётся только прижать его на нужную глубину и асфальтовое покрытие как новое. Даже по самым скромным подсчётам производительность дорожных бригад увеличится в 6 – 8 раз, что для нашей страны с крайне коротким летом очень необходимо для ремонта дорожного покрытия. Знание на уровне резонанса молекулярного уровня раздвигают возможности техники на дорогах до широчайшего масштаба – это и отличает новые технологии от прежних. Появляется возможность греть асфальт и ранней весной, и поздней осенью до самого снега, что недостижимо сейчас,- всё зависит от вкладываемой мощности в индуктор впереди катка.

В последние двадцать лет население Севера России и Сибири начинает усиленно таять. Ежегодно с лица земли исчезают сотни деревень, поля заросли сорняками и деревьями, бывшие покосные угодья вдоль рек давно исчезли. А, как известно, пустая земля без населения уже не страна, а пустырь непригодный для жилья, тем более, что эти края суровые по климату. Молодёжь вся уходит в города, «бабкам и дедам» не нужны коровы и другой скот для кормления внуков, поскольку их нет, - на хлеб хватает и ладно. Всё основное, едва сохранившееся производство держится на выездных бригадах с городов. Думается, что «дальше ехать некуда».

Выход из создавшегося положения есть. С конца пятидесятых и до восмидесятых годов было налажено самолетное сообщение между деревнями и сёлами, кругом летали «кукурузники» и население начинало оживать. Однако вздорожание бензина и потребность в строительстве небольших аэродромов оборвало этот почин, население разбежалось в города и сейчас строить заново аэродромы практически некому. К тому же молодёжь не поедет в старые развалившиеся деревни даже по принуждению, а для строительства новых современных домов с городскими условиями жизни необходимы домостроительные комбинаты с современным оборудованием. Тащить в каждую деревню комбинаты не разумно, а оживлять хотя бы сёла крайне необходимо. Да и совремённые комбинаты в городах в связи с кризисом стали вставать «на прикол» из-за прекращения строительства домов в городах, где и так перенаселение до предела. Выход только один – строить небольшие дома на комбинатах в городах и перевозить их в сёла и деревни Севера и Сибири. Тогда молодёжь потянется к родным краям, и население может возобновиться. Однако по железной дороге их не перевезёшь, по рекам тем более, поскольку они текут поперёк страны, а самолетами и вертолётами, и мечтать нечего. Надо оживить выпуск дирижаблей, но не в том виде, как это делалось в тридцатые годы, а применить современные материалы и новейшие технологии, подобные электрореактивным двигателям. Кадры для этого ещё есть, дирижаблестроители пытаются донести до власти свои разработки, но достучаться туда не так-то просто. Вполне реально создавать дирижабли грузоподъёмностью на 1000 – 2000 тонн, и они беспрепятственно, не спеша, повезут от бездействующих городских домостоительных комбинатов 4 – 6 квартирные дома на сотни и тысячи километров. При нашей тихой и морозной погоде это самый реальный вид транспорта для сообщений между деревнями и сёлами, здесь не надо строить протяженные дороги и аэродромы, достаточно рельсовых перекладин, за которые они будут цепляться якорями от лебёдок при причаливании. Постройка дирижаблей окупится буквально за год – полтора и будет давать постоянную прибыль от населения. Стоит правительству дать начальный кредит предприимчивым людям и дело развернётся автоматически, поскольку люди желают жить в человеческих (типа городских со всеми удобствами) условиях, и в родных краях тем более.
Инженер, Катаргин Р.К.

Смотри также уникальную открытую коллекцию патентов изобретений и технологий: