Civilisation printanière, 3/5

Partie 3. Civilisation printanière

^{[Crédit d'image: Par Lothar Spurzem - Travail personnel, CC BY-SA 2.0 de, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39574590 ]}

La partie précédente . Résumé de la série précédente.

Alors, quelles sont les autres façons de stocker de l'énergie en plus du carburant chimique? Même si ce n'est pas pour les fusées, mais en général?

Commençons par la batterie électrique. C'est au moins du lithium-ion. D'où vient l'énergie?

C'est simple, il y a une réaction électrochimique ^{[ 210 ]} :

LiC ₆ + CoO ₂ <-> C ₆ + LiCoO ₂

Va vers la gauche - la chanson se charge. À droite est déchargé.

Vous l'avez bien sûr déjà deviné. Puisque la limite d'intensité énergétique de la réaction chimique est connue de nous (-3020-30 MJ / kg), la densité d'énergie maximale pour toute batterie / accumulateur est la même. Au moins plomb, au moins nickel-cadmium, au moins soufre-sodium. Un simple regard sur les caractéristiques des différents types de batteries sur Wikipédia ^{[ 340 ]} suffit pour confirmer cette conjecture. Et pour voir: même les meilleures batteries en termes de contenu énergétique (1-3 MJ / kg) n'ont pas encore atteint une limite théorique à la limite théorique. Une batterie en joules par kilogramme ne bat pas l'essence et ne la battra jamais - mais elle a encore beaucoup à développer.

OK, essayons quelque chose de radicalement différent. Pas du tout comme une batterie. Eh bien, au moins un ressort. Comment l'énergie y est-elle stockée?

Une charge est appliquée au matériau. La charge déplace les atomes les uns par rapport aux autres. En raison du déplacement, les nuages ​​électriques des électrons externes de valence sont redistribués et changent légèrement de forme ... Arrêtez! " Il semble ... aujourd'hui j'ai déjà dit que ... "


^{[Crédit d'image: film Election Day [ 630 ]]}

Oui, exactement. L'énergie d'élasticité est stockée principalement dans le champ électrique des électrons externes. Et cela signifie qu'elle a la même limite: ≈20-30 MJ / kg, ou 3-4 eV par atome, correspondant à l'énergie de liaison des électrons de valence et d'un atome (en réseaux covalents et ioniques), ou d'un atome avec un «liquide» électronique électrons distribués (dans un métal, où tout est en fait plus compliqué et j'ai coupé quelques angles ici, mais cela n'a pas radicalement affecté la réponse).

Comment vérifier cette conclusion? Avec des combustibles facilement, le pouvoir calorifique est dans n'importe quel répertoire. Et quel paramètre physique pour le matériau du ressort est une mesure de l'énergie maximale stockée?


Réponse: la densité ultime d'énergie élastique par kilogramme ne dépasse pas w ≈ σ / 2 ρ , où σ est la pression ultime supportée par le matériau sans déformation irréversible et ρ est sa densité. Et si notre compréhension au niveau moléculaire est au moins approximativement vraie, alors ce rapport ne devrait pas dépasser ≈30 MJ / kg. Nous regardons les forces des matériaux ^{[ 350 ] [ 355 ]} , nous comparons:

Matière	Charge de traction ultime σ, GPa (limite d'élasticité)	Densité, kg / m 3	w = σ / 2 ρ , MJ par kilogramme
Acier inoxydable	0,505	8000	0,031
Alliage de titane Beta C	1,25	4810	0,13
Béryllium	0,345	1840	0,19
Acier maraging [2800 Acier maraging]	2.617	8000	0,33
Diamant	1,6	2800	0,57
Kevlar	3,62	2514	1,25
Fibre de carbone Toray T1100G	7.0	1790	2,96

C’est tout. De plus, la plupart des matériaux de structure n'atteignent pas la limite de 1 à 3 ordres de grandeur. Car les matériaux réels dans les réseaux cristallins présentent toujours de nombreux défauts qui ne leur permettent pas d'atteindre même la force dont leurs atomes et molécules sont capables en principe. Mais les vrais ressorts, à leur tour, n'atteignent même pas la limite des défauts - car ils "flottent" déjà à de très petites déformations relatives.

Et le graphène ^{[ 95 ]} , demandez-vous? Qu'en est-il du graphène, avec les caractéristiques déclarées ^{[ 355 ]} de 65 MJ / kg? Et toutes sortes de "nanotubes colossaux"? Nous en parlerons dans la quatrième partie. Entre-temps, nous nous limitons à affirmer que, derrière quelques exceptions très spécifiques par morceaux, la limite de la consommation d'énergie élastique de la matière solide ne dépasse pas vraiment ≈30 MJ / kg.

^{L'article a été écrit pour le site https://habr.com . Lors de la copie, veuillez vous référer à la source. L'auteur de l'article est Evgeny Bobukh .}

Mais peut-être que le problème avec le ressort est qu'il ne peut pas être comprimé au-dessus de la résistance à la traction du matériau? Cependant, cela peut être fait avec des gaz! Et si l'énergie est stockée dans du gaz comprimé?

Ainsi, il est donné: un cylindre sphérique de rayon r en métal de résistance σ à paroi mince. Le gaz y était pompé sous pression p . Quelle doit être l'épaisseur du mur pour que le ballon ne se déchire pas? Le calcul le plus simple montre que cette épaisseur est δ = ( r / 2) * ( p / σ ). Combien pèse une telle bouteille? m = ρ V = ρ * 4π r ² δ = 2π ρ r ³ p / σ. Combien d'énergie y est-elle stockée? E ≈ pV = 4π r ³ p / 3. La masse du gaz lui-même est négligée. Des pertes sur l'expansion aussi. Combien de joules par kilogramme? Diviser E par la masse du cylindre m , on obtient ...

w = 2 σ / 3 ρ

Le même printemps. Avec la même limite de ressort fondamentale, indépendante de la pression du cylindre . Bien sûr, en raison de la géométrie astucieuse ou des murs épais, vous pouvez probablement le presser plusieurs fois. Mais certainement pas quelques centaines ...

Volant? Sa limite est déterminée par la capacité du matériau à résister à la charge créée par la force centrifuge par accélération centripète. Il est facile de montrer qu'ici la densité d'énergie sera ^{[ 640 ]} la même σ / ρ jusqu'à quelques fois en raison de la géométrie. Certes, en pratique pour un volant moteur cette limite ne dépend pas de l'allongement avant rupture, et est donc (presque) complètement atteinte, contrairement à un ressort.

Laissons tomber la mécanique. Il y a de l'électricité plus moderne, stockons-y de l'énergie?

Disons un condensateur à vide. Le plus simple: deux plaques, un champ électrique entre elles. Comme on le sait ^{[360, p. 106]} , chaque centimètre cube du champ électrique stocke des unités d'énergie E ² / 8π (dans le SGH, j'y comptais l'électricité). Combien cela coûtera-t-il par kilogramme? Et des kilogrammes surviennent inévitablement, car le condensateur a besoin de force. Les assiettes sont attirées les unes vers les autres. Ils sont attirés comme s'ils subissaient une pression négative du champ électrique. Ce qui équivaut à ^[360] le même E ² / 8π! C'est-à-dire que cette tâche équivaut au problème d'une bouteille de gaz à pression négative, qui est empêchée de se casser par la résistance des parois. Et nous venons de résoudre ce problème. La réponse est connue: tout de même malheureux σ / ρ plus ou moins plusieurs fois.

Et si le condensateur n'est pas sous vide? Si rempli de diélectrique? Il prendra en charge une partie de la charge. Et cela augmentera la densité d'énergie en vrac d'un facteur ε , car dans un diélectrique, elle est égale à ^{[ 650 ]} ED / 8π = ε E ² / 8π. Il semblerait, le voici, le bonheur? Mais hélas, la pression de compression sur le condensateur augmente également d'un facteur ε avec un E interne fixe, et c'est ainsi que cela se passe. Mais nous avons tout de même négligé les pannes électriques. Dont la probabilité augmente de façon catastrophique dès que le champ E devient comparable aux champs interatomiques créés par les électrons de valence externes. Autrement dit, ici tout repose contre la limite du printemps.

Qu'en est-il alors des super-condensateurs ^{[ 220 ]} , avec des capacités folles pouvant aller jusqu'à des centaines de farads? Hélas, rien du tout. Selon le principe d'action, ils sont divisés en deux classes. Les produits électrochimiques sont en fait des batteries redox qui stockent l'énergie sous forme chimique, tout simplement très rapidement. Et électrostatique, plus comme des condensateurs au sens habituel, seulement avec un espace très mince entre les "électrodes", large de quelques molécules. Dans le premier cas, l'approvisionnement énergétique repose évidemment sur la chimie. Le second - dans la quantité de champ électrique de panne. Qui ne peut pas dépasser de manière significative les champs électriques interatomiques qui maintiennent la matière en intégrité. Et ce sont les mêmes unités d'eV par taille d'atome. Ainsi, les super-condensateurs sont également limités dans le stockage d'énergie de ≈30 MJ / kg. Wikipedia en témoigne ^{[ 22 3 ]} : aucun de ces appareils ne se rapproche même de cette limite de densité énergétique. Et, d'après notre compréhension, cela ne fonctionnera pas.

Dans notre dernière tentative de franchir cette limite par électrostatique, regardons un condensateur sphérique dans le vide:



Prenez une sphère métallique parfaitement lisse de rayon r . Refroidissez-le à (presque) zéro absolu. Nous prenons loin, loin dans un vide infiniment profond. Et tiré par un faisceau d'électrons, très loin. Lorsque les électrons frappent la sphère, ils lui donnent une charge q et (comme vous pouvez le calculer) l'énergie totale W = q 2/2 r . Il semble être indépendant de la masse de la sphère. Est-ce ???

Hélas, un tel condensateur ne peut pas être chargé indéfiniment. Mais seulement jusqu'à ce que le champ électrique créé par lui près de la surface devienne comparable en force aux champs électriques entre les atomes. Si vous approchez cette valeur avec une charge négative, une émission électronique sauvage commencera ([ 390 , p. 13], [ 400 ]) et la charge s'envolera dans le vide environnant en quelques minutes. S'il est positif, le réseau cristallin du condensateur perdra sa force, la substance "s'évaporera" ou s'effondrera simplement. Il m'a facilement fallu une journée pour calculer que dans le premier cas, la densité d'énergie par kilogramme ne serait que de K20 KJ / kg. Dans le second - 10-30 MJ / kg déjà familier pour nous. Enfin, si la sphère est creuse, la limite est déterminée par sa résistance à la traction.

Et si le champ n'est pas électrique, mais magnétique? Eh bien, ils ont pris un anneau d'un supraconducteur avec un rayon R , une épaisseur de fil de 2r , y ont lancé un courant électrique avec une force de I , l'ont refroidi - et s'il vous plaît: le courant circule pour toujours, l'énergie dans le champ magnétique attend l'utilisation. Qu'est-ce qui n'est pas une batterie idéale?



Mais rappelez-vous que les courants dirigés de façon opposée se repoussent. Par conséquent, une force de traction agira sur l'anneau. Pour contrer ce que vous devez avoir une certaine masse et élasticité. Ayant soulagé les lecteurs des détails du calcul, je vous informerai qu'ici l'énergie stockée dans l'anneau est approximativement égale au même rapport σ / ρ .

Ici, les gens avertis penseront probablement: «Configuration impuissante! Mais qu'en est-il de la configuration impuissante?! ” Il y a ^{[ 380 ]} une telle chose. C'est avec un champ magnétique qu'une géométrie astucieuse est possible dans laquelle le champ est parallèle au courant dans le système - et n'exerce donc aucune force sur ce courant. Dans la version la plus simple de cette configuration, le courant est enroulé en spirale, le champ est enroulé dans le même sens et la force sur les fils (presque) n'agit pas:



^{[Crédit d'image: Szabolcs Rembeczki, Conception et optimisation d'aimants à champ élevé à force réduite, [ 370 ]]}

Une telle conception, à première vue, élimine finalement la matière ordinaire du rôle d'un ressort et saute par-dessus la limite de ressort. Mais ça y était. Une analyse approfondie et précise ^{[ 370 ]} montre que, premièrement, un état d'impuissance n'est possible qu'en des points individuels de l'espace - mais pas dans tout l'espace; et deuxièmement, le système impuissant de taille finie a encore besoin de supports externes pour son existence. De plus, Szabolcs Rembeczki donne le résultat exact d'un autre auteur (GE March) de 1996, où la réserve d'énergie totale dans un tel système est comparée à l'énergie élastique de ces supports:


^{[Crédit d'image: Szabolcs Rembeczki, Conception et optimisation d'aimants à champ élevé à force réduite, [ 370 ]]}

Après avoir légèrement réécrit la dernière expression, on obtient: E / M ≤ σ / ρ . Autrement dit, l'énergie à la masse ne dépasse toujours pas la limite de printemps.

Enfin, abordez brièvement le sel fondu, car ce sujet est populaire. Combien d'énergie un kilogramme de matière fondue peut-il stocker? Évidemment, c'est l'énergie nécessaire pour se réchauffer à la température de fusion, plus la chaleur spécifique de cette fusion elle-même. Le premier des deux est négligeable: puisque 1 eV sur ce point est de 11 600 degrés, alors, évidemment, aucun corps solide ne peut contenir plus de ≈0,4 eV / atome de chaleur. Le second est déterminé par l'énergie de liaison du réseau solide et pour cette raison ne dépasse pas les unités de eV par atome. Par exemple, dans le chlorure de sodium NaCl (une substance proche de la pleine ionicité et relativement inoffensive), la chaleur de fusion est de ^{[ 660 ]} 0,52 MJ / kg, soit environ 0,3 eV par atome. Sur quoi ce sujet peut être clos.

Le résultat est triste et un peu drôle.

Malgré les progrès techniques du millénaire; Malgré l'énorme, apparemment, une variété de façons de stocker l'énergie, la plupart de ces méthodes sont basées sur le même principe. Le principe sous-jacent à l'appareil, que nous connaissons depuis des centaines d'années.

Cet appareil est un ressort:



Nous sommes la civilisation des ressorts.

Nos fusées sont chères et lourdes, car, en fait, la source stocke leur énergie, dont la densité est à peine suffisante pour surmonter le puits gravitationnel de la Terre. La limite de ressort détermine la résistance mécanique des fusées, s'opposant à la masse du ressort de carburant chimique chargé. La limite du ressort dicte la hauteur maximale de nos bâtiments, la longueur des portées de pont, la capacité de la batterie et l'épaisseur des caisses de camion.

Tout ce qui stocke l'énergie dans la redistribution des champs électriques des électrons externes de valence de la matière ordinaire, repose sur la limite du ressort: 3-4 eV par atome, soit 20-30 MJ / kg. Les trucs que nous utilisons tous les jours sont comme un courtier gourmand. Toutes les transactions y passent strictement: énergie => matière => champs électriques => matière => énergie. Mais le courtier interdit de stocker plus de 3-4 électron-volts par atome sur un compte, et il combat une commission colossale sous la forme de la masse d'un atome lourd pour chaque compte.

Et bien que les électrons internes d'un atome aient des énergies de liaison de centaines et de milliers d'électrons volts, et que les noyaux aient des millions et des milliards, nous commençons à peine à travailler avec ces forces. Jusqu'à présent, nous avons appris à manipuler uniquement la mince coque externe d'un atome. Dans celui-ci, sous forme d'intensité de champ électrique, presque toutes les réserves d'énergie de notre civilisation sont stockées.

Certains Martiens, voyez-vous, de la réalisation de cela auraient depuis longtemps laissé tomber leurs mains de pseudopodes. Mais nous verrons dans la section suivante quels types de chemins la Nature propose pour contourner la limite du printemps. En fait, voyons.

À suivre .