Електрика з повітря: чи можливо добувати енергію з атмосфери?

Ігор Сальниченко
13 квіт.
Читати 13 хв

Атмосфера Землі пронизана слабкими електричними полями, і час від часу вона нагадує про свій заряд грандіозними розрядами блискавок. Ідея добування енергії з атмосфери – використання атмосферної електрики на благо людства – хвилювала вчених ще з XVIII століття. Від експериментів з повітряними зміями та грозовими хмарами до сучасних нанотехнологій, дослідники прагнуть відповісти на запитання: чи справді можна «зловити» електрику з повітря і перетворити її на корисну енергію?Розгляньмо це питання з наукової точки зору – що таке атмосферна електрика, які історичні спроби її використання відомі, над чим працюють сучасні інженери та з якими викликами стикаються ці технології.

Фізична суть атмосферної електрики

Атмосферна електрика – це сукупність електричних явищ у повітрі, які охоплюють весь простір від земної поверхні до іоносфери. Між Землею та верхніми шарами атмосфери існує постійна різниця потенціалів близько 200–500 кіловольт. Земля має негативний заряд, а іоносфера – позитивний, утворюючи гігантський «конденсатор». У ясну погоду поблизу земної поверхні існує вертикальне електричне поле приблизно 100–130 В/м. Іншими словами, кожен метр висоти додає близько сотні вольт потенціалу. Однак повітря є поганим провідником, тому струми дуже малі – порядку пікоампер з квадратного метра. Цей слабкий струм витоку стікає з атмосфери на землю постійно в умовах гарної погоди [1].

Джерела атмосферного заряду. Виникає питання: що підтримує таку різницю потенціалів і звідки береться заряд у атмосфері? Основні природні «генератори» атмосферної електрики такі:

Грози і блискавки. Потужні грозові хмари діють як електростанції, перекачуючи заряд між землею та іоносферою. У грозових хмарах при зіткненнях краплин води і льоду розподіляються заряди: верх хмари накопичує позитивний заряд, низ – негативний. В результаті напруженість поля досягає критичної точки, і виникає блискавка – гігантський іскровий розряд. Блискавки нейтралізують заряд між хмарою і землею або між різними частинами хмари. Сукупно грози по всьому світу підтримують загальну різницю потенціалів атмосфери. За оцінками, грози одночасно можуть «накачувати» струм близько 1 ампера в глобальний контур між землею та іоносферою [1].
Постійний фон іонізації. Навіть у ясну безгрозову погоду атмосфера не є повністю ізолятором. Космічні промені та ультрафіолетове сонячне випромінювання постійно іонізують молекули повітря, створюючи незначну кількість заряджених іонів. Ці іони повільно дрейфують у електричному полі вниз до Землі, утворюючи той самий слабкий фоновий струм у кілька пікоампер/м². Таким чином, атмосфера має електропровідність, що замикає глобальне коло навіть без гроз. Без цього джерела іонізації заряди від гроз швидко б розсіювались і різниця потенціалів зникла б.
Тертя і випаровування. Процеси в атмосфері, пов’язані з рухом і фазовими переходами води, теж генерують заряд. Наприклад, при швидкому випаровуванні води та терті водяних крапель об повітря виникає статична електрика – явище, відоме як гігроелектрика (електрика вологи). Дрібні краплини води можуть переносити надлишковий електричний заряд. Аналогічно, пилові бурі або виверження вулканів породжують зарядження частинок попелу (через тертя частинок одна об одну), що теж може спричиняти електричні розряди. Усі ці процеси створюють та накопичують електрику в атмосфері, яку потім можуть розрядити блискавки [2].

Глобальний електричний контур. Земля і атмосфера утворюють єдину електричну систему, часто звану глобальним атмосферним електричним колом. Уявімо, що грози діють як насоси, що перекачують заряд: під час грози земля заряджається негативно, а атмосфера позитивно. Поза грозами, у ясній атмосфері, цей заряд поступово стікає назад – від іоносфери до землі через іонізоване повітря. Таким чином підтримується динамічна рівновага. На кожний даний момент на Землі в середньому вирує близько 2000 гроз; вони генерують близько 50–100 розрядів блискавки за секунду по всій планеті. Кожен такий спалах – це видима маніфестація того, що атмосфера вже заряджена електрикою. У проміжках між блискавками, навіть при сонячному небі, над нашими головами тече невидимий слабкий струм [3]. Отже, атмосфера постійно містить електроенергію – питання лише в тому, чи можемо ми її використовувати?

Історичні експерименти та гіпотези

Перші досліди з атмосферною електрикою: від Франкліна до Ріхмана

Людство усвідомило електричну природу блискавки у XVIII столітті. Легендарний дослід Бенджаміна Франкліна 1752 року – запуск змія під час грози – продемонстрував, що блискавка дійсно є електричним розрядом. Франклін прив’язав металевий ключ до змія; коли ключ почав іскритися від зібраного із повітря заряду, це стало доказом електрики грози. Цей експеримент був вкрай небезпечним: атмосферна електрика легко могла вбити експериментатора. В історії відомий трагічний випадок: у 1753 році фізик Георг Ріхман загинув у Санкт-Петербурзі, коли під час демонстрації експерименту з громовідводом у його лабораторію вдарив розряд (ймовірно, кульова блискавка). Тим не менш, роботи піонерів дали початок науці про атмосферну електрику. У наступні десятиліття вчені вимірювали електричне поле повітря, накопичували свідчення про існування повільних струмів у спокійній атмосфері та досліджували природу грозових розрядів [4].

Зображення досліду Бенджаміна Франкліна 1752 року – запуск змія під час грози. By Sadd, Henry S., engraver; Morton, John Ludlow, 1792-1871. Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=67631254

Гіпотези Ніколи Тесли: енергія «з ефіру»

Одним з найвідоміших популяризаторів ідеї енергії з повітря був сербсько-американський винахідник Нікола Тесла. На початку ХХ століття він мріяв отримувати безмежну «дармову» електрику з навколишнього середовища. Тесла уявляв Землю та верхні шари атмосфери як дві обкладинки величезної батареї, зарядженої природою. Якщо навчитися підключатися до цієї «батареї», можна живити електрикою міста без спалювання палива – така смілива ідея надихала його проєкти [5].

Для втілення своїх гіпотез Тесла проводив масштабні експерименти. У 1899 році в Колорадо-Спрінгс він побудував гігантський генератор високої напруги (відому котушку Тесли), здатний створювати іскрові розряди завдовжки десятки метрів. Він штучно генерував блискавки і вивчав резонансні коливання земної атмосфери. Тесла вважав, що через резонанс можна передавати електроенергію без дротів на великі відстані – фактично використовувати повітря як провідник. Кульмінацією цих ідей стало будівництво Ворденкліфської вежі на Лонг-Айленді (1901–1905) – величезної передавальної антени, яку Тесла планував використати для бездротової передачі енергії та зв’язку на інші континенти. Він припускав, що вежа зможе втягувати електрику з атмосфери і випромінювати її на великі відстані через землю і повітря. На жаль, цей амбітний проєкт так і не був завершений через фінансові та технічні труднощі. Мрія Тесли про практичне використання атмосферної електрики випередила свій час – технології початку XX ст. не дозволяли ефективно втілити його задум.

Ворденкліфська вежа на Лонг-Айленді. Суспільне надбання (Public Domain), https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=25148912

Варто зазначити, що ідеї Тесли надихнули й інших винахідників. У 1920-х роках естонський інженер Германн Плаузон експериментував із збиранням статичної електрики за допомогою піднятих у повітря провідних аеростатів. Він запатентував пристрій, де повітряні кулі з радіоактивним покриттям і гострими шпилями збирали заряд з атмосфери, який потім перетворювався на струм через іскрові проміжки та конденсатори. Плаузону вдалося отримати невеликі струми, але масштабувати цю систему до корисної потужності також не вийшло. Хоча ті ранні експерименти не дали комерційного результату, вони заклали основу для розуміння того, як поводиться електрика в повітрі, і спонукали наступні покоління шукати нові способи «підключитися» до атмосферного електрики [6].

Кульова блискавка – загадковий прояв атмосферної енергії

Окремо варто згадати про феномен, який є частиною атмосферної електрики і довгий час лишався на межі наукового містицизму – кульову блискавку. Кульова блискавка являє собою світну електричну кулю, що іноді спостерігається під час гроз. Її описували як яскраву кулю діаметром від кількох до кількох десятків сантиметрів, яка може повільно рухатися в повітрі, іноді вибухати або зникати без сліду через кілька секунд чи навіть хвилин. Вражаючі розповіді стверджують, що кульова блискавка може проходити крізь скло і стіни, з’являтися у салонах літаків, супроводжувати літаки під час польоту тощо. Через рідкісність і непередбачуваність цього явища його довго не могли зафіксувати приладами, тому природа кульової блискавки досі повністю не пояснена. Припускають, що в її основі можуть бути як електромагнітні процеси, так і хімічне горіння плазмової хмари в повітрі [7].

Вчені намагалися відтворити кульову блискавку в лабораторії. Існують успішні експерименти, коли за допомогою електричних розрядів створювали плазмові утворення, дуже схожі на ті, що описують очевидці. Так, у дослідах Інституту плазмової фізики Макса Планка (Німеччина) отримували світні плазмові кулі над поверхнею води шляхом сильного електричного розряду у воду. Подібні плазмоїди існували кілька секунд і мали характерні риси кульової блискавки. Це дозволило висунути гіпотезу, що реальна кульова блискавка може виникати, коли звичайна блискавка випаровує речовину (наприклад, ґрунт або кремній) і створює плазмову кулю, яка якийсь час світиться завдяки енергії хімічних реакцій. Хоч кульова блискавка сама по собі навряд чи стане джерелом енергії (занадто непередбачувана і рідкісна), її дослідження розширює наше розуміння того, як електрична енергія може накопичуватися і існувати в атмосфері у химерних формах [7].

Сучасні дослідження та проєкти: електрика з повітря сьогодні

Сьогодні інтерес до видобування електрики з атмосфери відроджується завдяки потребі в нових відновлюваних джерелах енергії. Технології зробили крок далеко вперед від часів Тесли, і науковці знаходять нові підходи до «виловлювання» розсіяної електрики з навколишнього повітря. Розгляньмо декілька напрямків, над якими працюють сучасні дослідники.

Енергія з вологості: гігроелектричні генератори

Один з найперспективніших напрямів – це генерація струму із вологості повітря, явище гігроелектрики. Ідея полягає у тому, щоб збирати електростатичний заряд, який несе в собі водяна пара та крихітні краплини води в атмосфері. У 2018 році вчені з Массачусетського університету (UMass Amherst, США) випадково відкрили, що наноматеріал із тонких дротиків може виробляти електричний струм просто перебуваючи на повітрі. Дослідники спершу створили датчик вологості на основі нанодротів, але помітили дивний ефект: прилад генерував напругу навіть без підключеного живлення. З’ясувалось, що мікроскопічні нанодроти із білкового матеріалу самі по собі працюють як мініатюрна батарейка, поки в повітрі є волога. Молекули води з повітря адсорбуються в пори матеріалу і, пролітаючи крізь нанорозмірні канали, вибивають електрони, створюючи різницю потенціалів між верхньою і нижньою сторонами плівки. Якщо до двох сторін під’єднати електроди, потече слабкий постійний струм. Цей ефект порівняли з роботою батареї, де постійно відбувається розділення зарядів за рахунок теплового руху молекул води [5].

У 2023 році команда під керівництвом Джун Яо (Jun Yao) опублікувала результати: нанопористий генератор на основі цього принципу здатен виробляти близько 1 мікровата потужності з пластинки розміром з ніготь. Це зовсім небагато – вистачить лише засвітити один піксель екрану. Але ключова перевага в тому, що такий генератор працює цілодобово, на відміну від сонячних батарей або вітряків, адже вологість у повітрі присутня завжди, навіть вночі. Для збільшення виходу можна складати багато шарів таких нанопористих пластинок один над одним, нарощуючи напругу і струм. Дослідники назвали свою технологію Air-gen («генератор з повітря») і сподіваються, що шляхом масштабування масиву наноматеріалу вдасться отримувати корисну потужність для живлення малих пристроїв, сенсорів, а в перспективі – і більш енергоємних споживачів [5].

Цзюнь Яо демонструє пристрій Air-gen для видобутку енергії з повітря. Фото: UMass Amherst

Паралельно в Європі консорціум учених працює над проєктом CATCHER (EU Pathfinder), який також націлений на збір електрики з атмосферної вологості. Група під керівництвом Світлани і Андрія Любчик (дослідники українського походження, що працюють у Лісабоні) підійшла з іншого боку: вони використовують твердий наноматеріал – пористий оксид цирконію – як «губку» для електричних зарядів з повітря. Цей керамічний матеріал при певній обробці теж виявив здатність накопичувати заряд з вологого повітря (гігроелектричний ефект). Наразі команда створила круглий сіруватий елемент діаметром 4 см, який у лабораторних умовах при середній вологості генерує близько 1,5 В напруги та 10 мА струму [5,8] .

Цього достатньо, щоб слабо живити, скажімо, світлодіод. Потужність в десятки міліват здається невеликою, але вона, знову ж, виробляється постійно за рахунок енергії навколишнього повітря. Інженери розрахували, що якщо скомбінувати ~20 тисяч таких елементів у масив розміром з пральну машину, система може генерувати до 10 кВт·год електроенергії на добу – приблизно стільки споживає середній приватний будинок. Команда CATCHER вже отримала фінансування майже 5,5 млн євро від ЄС на розвиток цієї технології і планує продемонструвати працездатний прототип «повітряної електростанції» у 2024 році [5].

Перспективи гігроелектрики викликають обережний оптимізм у наукової спільноти.

Незалежні експерти відзначають, що «існування такої енергії поза сумнівом – питання лише в тому, як її зібрати», і що в принципі ці пристрої повинні працювати. Гігроелектричні панелі теоретично можна розміщувати там само, де й сонячні – на дахах будинків або у великих масивах. При достатньому вдосконаленні матеріалів очікується, що ефективність перетворення енергії вологи може наблизитися до сонячних батарей аналогічного розміру [5-8]. Це означає, що колись «вологоелектричні» генератори зможуть стати ще одним стовпом відновлюваної енергетики. Наразі ж проєкти на кшталт Air-gen і CATCHER перебувають на стадії досліджень і дослідних зразків; попереду – багато роботи з підвищення потужності однієї пластини, здешевлення матеріалів та масштабування виробництва.

Ловити блискавку: чи реально використовувати енергію грози

Інша спокуслива ідея – збирати енергію безпосередньо з блискавок. Адже одна блискавка несе колосальний заряд: типова потужна розряджає близько 5 мільярдів джоулів енергії (≈ 5 ГДж), що еквівалентно енергії ~170 літрів бензину [9,10]. На словах – «золота жила»: одна така іскра могла б забезпечити електрикою цілий будинок протягом місяця.

Зевс блискавкою живить електростанцію — Людство давно марить про те, щоб приручити блискавку. Але чи реально це зробити?

На практиці виявилось, що енергія блискавки надзвичайно складна для захоплення та зберігання. Були численні спроби і навіть проєкти. У 2007 році американська компанія Alternate Energy Holdings збудувала експериментальну установку: високий металевий стрижень-антену, систему заземлення і масив потужних конденсаторів для накопичення заряду. Ідея була в тому, щоб спрямувати удар блискавки в цю антену і «впіймати» хоча б частину її енергії. Однак після кількох випробувань проєкт закрили: «чесно кажучи, у нас не вийшло змусити це працювати», зізнався згодом директор компанії [9,10]. Проблем виявилось більше, ніж здавалося на папері.

По-перше, блискавки б’ють де і коли завгодно. Передбачити точне місце і час удару дуже важко, навіть у районах з частими грозами. Можна підвищити ймовірність, встановивши високі громовідводи в грозонебезпечних зонах (наприклад, у Флориді або на гірських вершинах), але це не гарантує стабільного потоку енергії. Електростанція, яка залежить від випадкових ударів блискавки, видаватиме енергію дуже нерівномірно.

По-друге, характеристики блискавки руйнівні для обладнання. Розряд триває лише мікросекунди, а струм сягає десятків тисяч ампер. Увесь заряд приходить разовим імпульсом, немов удар вибуху. Спробуйте миттєво закачати такий імпульс у батарею або конденсатор – їх просто спопелить. Жоден існуючий акумулятор не може миттєво прийняти стільки заряду без пошкодження. Потрібні фантастично швидкі і міцні схеми перетворення, які б за наносекунди скерували енергію в накопичувач, не спаливши його. Наразі таких матеріалів і електроніки не існує. Частково цю проблему намагаються обійти: наприклад, пропонували замість прямого накопичення використовувати енергію блискавки для миттєвого виконання хімічної реакції (розкласти воду на водень і кисень), або нагріти нею носій тепла, щоб потім використовувати тепло. Але це дуже складно реалізувати технічно і небезпечно [9,11].

По-третє, навіть якщо уявити, що ми навчилися приймати імпульси блискавок, виникає питання кефіцієнта корисної дії. Значна частина енергії блискавки витрачається не у вигляді електричного струму, а на створення ударної хвилі (грому) та нагрів повітря вздовж каналу розряду (плазми). До землі доходить лише частка початкової енергії, і наші пристрої можуть уловити теж невелику долю від того, що прийде на громовідвід. Зрештою, розрахунки показують, що навіть «доївши» всі блискавки на планеті, ми отримаємо мізерний відсоток від глобального енергоспоживання людства [10,11]. Блискавок багато, але корисного збору з них – як кіт наплакав, особливо порівняно з більш передбачуваними джерелами енергії.

Втім, дослідження тривають. Наукові центри, такі як Міжнародний центр дослідження блискавок при Флоридському університеті, експериментували зі штучно ініційованими блискавками: вистрілювали в грозову хмару ракети з дротом, щоб спровокувати розряд у потрібне місце [4]. Ці досліди більше націлені на вивчення фізики блискавки та захист від неї, ніж на здобуття енергії. Існують також концептуальні проєкти на кшталт Project First Light, які пропонують будувати високі “грозолови” та суперконденсатори, але поки що це на рівні ідеї або невеликих експериментів [11] . Сьогодні електрика грози практично не використовується, основна наша взаємодія з блискавкою – це захист від неї, а не спроби її приборкати.

Практичні та теоретичні виклики

Отже, з наукової фантастики і сміливих експериментів ідея видобувати електрику з повітря поступово переходить у площину реальних технологій. Але на цьому шляху є чимало викликів. Розглянемо основні проблеми, з якими стикається «атмосферна енергетика», та оцінимо, наскільки виправданими можуть бути такі проєкти.

Розрідженість і мінливість джерела. На відміну від традиційних електростанцій, які мають концентроване джерело енергії (як-то паливо, вода чи вітер), атмосферна електрика дуже розсіяна. У ясну погоду потужність струму в атмосфері мізерна – лічені мікроампери і мікровати на великий простір. Щоб зібрати скільки-небудь значну енергію, потрібно або чекати на екстремальні явища (як блискавка), або покривати величезні площі збирачами. Сучасні гігроелектричні матеріали надають цікавий вихід: вони використовують постійну вологість, а не залежать від рідкісних подій. Але навіть їхня питома потужність поки що дуже мала (мікровати з сантиметрів). Потрібна значна площа або товщина матеріалу, щоб набрати ватти і кіловати.

Технологічні складнощі та нові матеріали. Щоб ефективно витягати заряд з повітря, потрібні наноструктуровані матеріали зі спеціальними властивостями: величезною площею поверхні, потрібною хімічною будовою, довговічністю. Наприклад, білкові нанодроти чи нанопори в полімері, оксидні нанокристали тощо. Це все досить нові розробки матеріалознавства. Масове виробництво таких матеріалів і пристроїв – нетривіальне завдання. Необхідно, щоб вони працювали стабільно роками, не деградуючи на відкритому повітрі. Є й специфічні проблеми: контамінація (забруднення) поверхні пристрою пилом чи мікроорганізмами з часом може погіршувати його роботу . Інженери вже думають, як цьому запобігти (наприклад, самоочисні покриття), але це додає складності [5].

Електроніка та перетворення енергії. Більшість атмосферних генераторів дають низьку напругу і струм (або навпаки, дуже високу напругу при надмалому струмі, як у випадку з статикою). Потрібно розробляти перетворювачі, підсилювачі, накопичувачі для цієї енергії, аби перетворити її на стандартну електрику для приладів. У випадку гігроелектрики – це DC-DC конвертори, які з мікровольт робитимуть корисні вольти, у випадку блискавок – це імпульсні комутатори, здатні пережити удар. Всі ці системи поки лише концептуальні.

Економічна доцільність. Нові технології енерговидобування завжди постають перед питанням: а чи не дешевше скористатися вже наявними рішеннями? На сьогодні сонячна і вітрова енергетика значно випередили інші альтернативи і стали дешевшими за традиційні викопні джерела у багатьох регіонах. Тому будь-яка «екзотична» система повинна або пропонувати унікальні переваги, або з часом досягти конкурентної собівартості. Гігроелектричні генератори приваблюють тим, що можуть працювати цілодобово і в будь-яку погоду (крім, хіба що, повністю сухого пустельного повітря). Вони безшумні, не мають рухомих частин. Але на старті їхня вартість за одиницю потужності буде висока – потрібні інвестиції в дослідження, налагодження виробництва, оптимізацію. Експерти говорять про «зелений тариф» або «green premium» – надбавку до ціни заради екологічності. Спочатку електрика з новітніх пристроїв буде дорогою, але з розвитком технології ціна повинна знизитися. Команда CATCHER прогнозує, що при масовому виробництві їхні «повітряні» елементи можуть стати конкурентними із сонячними панелями за ціною електроенергії. Проте шлях до цього лежить через масштабні інвестиції та інженерні зусилля [5].

Безпека і надійність. Підключення до атмосферної електрики не повинно створювати нових ризиків. Наприклад, масиви гострих шпилів чи аеростатів, що збирають статичну електрику, можуть самі притягувати блискавки і становити небезпеку, якщо не забезпечити правильне заземлення. Системи повинні витримувати грози, бурі, перепади вологості. В разі блискавкових станцій – ризики ще вищі (пожежі, перенапруги). Тому, швидше за все, перші робочі реалізації технологій атмосферної енергії будуть невеликими і добре контрольованими, для живлення малопотужних пристроїв (сенсорні мережі, прилади Інтернету речей у віддалених місцях, де важко замінювати батареї тощо).

Висновок. Сучасна наука підтверджує: атмосфера містить у собі електроенергію, і ми навчилися її генерувати в лабораторії з вологи та навіть з самої повітряної стихії. Однак перетворити ці мікроджерела на вагомий вклад в енергетику – нелегка задача. Історія вчить нас, що грандіозні мрії (як у випадку Тесли) не завжди одразу реалізовуються, але поступово приводять до нових відкриттів. Сьогодні дослідники роблять перші кроки, створюючи повітряні батареї на нанорівні. Якщо ці технології досягнуть успіху, то в майбутньому будинки зможуть отримувати струм навіть з вологості туману або атмосфера стане нашим невидимим тихим генератором, що доповнить сонячні та вітрові електростанції. Атмосферна електрика реально існує – залишилось навчитися ефективно брати її «з повітря».