Peradaban Musim Semi, 3/5

Bagian 3. Peradaban musim semi

^{[Kredit gambar: Oleh Lothar Spurzem - Pekerjaan sendiri, CC BY-SA 2.0 de, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39574590 ]}

Bagian sebelumnya . Ringkasan dari seri sebelumnya.

Jadi, apa cara lain untuk menyimpan energi selain bahan bakar kimia? Kalaupun bukan karena roket, tetapi secara umum?

Mari kita mulai dengan baterai listrik. Setidaknya itu lithium-ion. Dari mana energi itu berasal?

Sederhana, ada reaksi elektrokimia ^{[ 210 ]} :

LiC ₆ + CoO ₂ <-> C ₆ + LiCoO ₂

Ke kiri - lagu sedang diisi. Ke kanan habis.

Anda, tentu saja, sudah menebak. Karena batas intensitas energi dari reaksi kimia diketahui oleh kami (-3020-30 MJ / kg), kepadatan energi maksimum untuk baterai / akumulator adalah sama. Setidaknya timbal, setidaknya nikel-kadmium, setidaknya sulfur-natrium. Pandangan sederhana pada karakteristik berbagai jenis baterai di Wikipedia ^{[ 340 ] sudah} cukup untuk mengkonfirmasi dugaan ini. Dan untuk melihat: bahkan baterai terbaik dalam hal kandungan energi (1-3 MJ / kg) belum mencapai batas teoritis ke batas teoritis. Baterai dalam joule per kilogram tidak mengalahkan bensin dan tidak akan pernah mengalahkannya - tetapi masih banyak yang harus dikembangkan.

OK, mari kita coba sesuatu yang sangat berbeda. Sama sekali tidak seperti baterai. Yah, setidaknya pegas. Bagaimana energi disimpan di dalamnya?

Beban diterapkan ke material. Beban menggeser atom relatif satu sama lain. Karena perpindahan, awan-awan listrik eksternal, elektron valensi didistribusikan kembali dan sedikit mengubah bentuknya ... Berhenti! " Sepertinya ... hari ini aku sudah mengatakan itu ... "


^{[Image Credit: film Election Day [ 630 ]]}

Ya persis. Energi elastisitas disimpan terutama di medan listrik elektron eksternal. Dan itu berarti bahwa ia memiliki batas yang sama: -3020-30 MJ / kg, atau 3-4 eV per atom, sesuai dengan energi pengikatan baik elektron valensi dan atom (dalam kisi kovalen dan ionik), atau atom dengan "cairan" elektronik elektron terdistribusi (dalam logam, di mana semuanya sebenarnya lebih rumit dan saya memotong beberapa sudut di sini, tetapi ini tidak secara radikal mempengaruhi jawabannya).

Bagaimana cara memeriksa kesimpulan ini? Dengan bahan bakar yang mudah, nilai kalor ada di direktori mana pun. Dan parameter fisik apa untuk bahan pegas adalah ukuran energi tersimpan maksimum?


Jawaban: kepadatan tertinggi energi elastis per kilogram tidak melebihi w ≈ σ / 2 ρ , di mana σ adalah tekanan pamungkas yang bertahan oleh material tanpa deformasi yang tidak dapat diubah, dan ρ adalah densitasnya. Dan jika pemahaman kita pada tingkat molekuler setidaknya kira-kira benar, maka rasio ini seharusnya tidak lebih dari ≈30 MJ / kg. Kami melihat kekuatan dari ^{[ 350 ] [ 355 ]} materi, kami membandingkan:

Material	Beban tarik ultimate σ, GPa (kekuatan luluh)	Kepadatan, kg / m 3	w = σ / 2 ρ , MJ per kilogram
Baja tahan karat	0,505	8000	0,031
Beta C Titanium Alloy	1.25	4810	0,13
Berilium	0,345	1840	0,19
Maraging steel [2800 Maraging steel]	2.617	8000	0,33
Intan	1.6	2800	0,57
Kevlar	3.62	2514	1.25
Carbon Fiber Toray T1100G	7.0	1790	2.96

Itu saja. Selain itu, sebagian besar bahan struktural tidak mencapai batas 1-3 urutan besarnya. Untuk bahan nyata dalam kisi kristal selalu memiliki banyak cacat yang tidak memungkinkan mereka untuk mencapai kekuatan bahkan pada atom dan molekul mereka mampu pada prinsipnya. Tetapi mata air nyata, pada gilirannya, bahkan tidak mencapai batas cacat - karena mereka "melayang" sudah pada deformasi relatif sangat kecil.

Dan graphene ^{[ 95 ]} , Anda bertanya? Bagaimana dengan graphene, dengan karakteristik yang dinyatakan ^{[ 355 ]} dari 65 MJ / kg? Dan segala macam "nanotube kolosal"? Kita akan membicarakannya di bagian keempat. Sementara itu, kami membatasi diri pada pernyataan bahwa di balik beberapa pengecualian sambungan tertentu yang sangat spesifik, batas konsumsi energi elastis bahan padat tidak benar-benar melebihi ≈30 MJ / kg.

^{Artikel ini ditulis untuk situs https://habr.com . Saat menyalin, silakan merujuk ke sumbernya. Penulis artikel ini adalah Evgeny Bobukh .}

Tapi mungkin masalah dengan pegas adalah tidak bisa dikompresi di atas kekuatan tarik material? Namun, ini bisa dilakukan dengan gas! Bagaimana jika energi disimpan dalam gas terkompresi?

Jadi, diberikan: silinder bulat jari-jari r yang terbuat dari logam dengan kekuatan σ dengan dinding tipis. Gas dipompa ke dalamnya di bawah tekanan hal . Seberapa tebal dinding itu agar balon tidak robek? Perhitungan paling sederhana menunjukkan bahwa ketebalan ini adalah δ = ( r / 2) * ( p / σ ). Berapa berat botol tersebut? m = ρ V = ρ * 4π r ² δ = 2π ρ r ³ p / σ. Berapa banyak energi yang tersimpan di dalamnya? E ≈ pV = 4π r ³ p / 3. Massa gas itu sendiri diabaikan. Kerugian ekspansi juga. Berapa joule per kilogram? Membagi E dengan massa silinder m , kita ...

w = 2 σ / 3 ρ

Musim semi yang sama. Dengan Pegas Dasar yang sama, tidak tergantung pada tekanan silinder . Tentu saja, karena geometri yang licik atau dinding tebal, Anda mungkin dapat memerasnya beberapa kali lagi. Tapi tentu saja bukan beberapa ratus ...

Roda gila? Batasnya ditentukan oleh kemampuan material untuk menahan beban yang diciptakan oleh gaya sentrifugal oleh percepatan sentripetal. Mudah untuk menunjukkan bahwa di sini densitas energi akan ^{[ 640 ]} σ / ρ yang sama hingga beberapa kali karena geometri. Benar, dalam praktiknya untuk roda gila batas ini tidak bergantung pada pemanjangan sebelum kegagalan, dan, oleh karena itu, hampir tercapai sepenuhnya, tidak seperti pegas.

Mari kita jatuhkan mekaniknya. Ada lebih banyak listrik modern, mari kita simpan energi di dalamnya?

Katakanlah kapasitor vakum. Yang paling sederhana: dua piring, medan listrik di antara mereka. Seperti diketahui ^{[360, hlm. 106]} , setiap sentimeter kubik medan listrik menyimpan unit energi E2 / 8π (dalam GHS, saya biasa menghitung listrik di dalamnya). Berapa harganya per kilogram? Dan kilogram pasti muncul, karena kapasitor membutuhkan kekuatan. Piring saling tertarik. Mereka tertarik seolah-olah mereka mengalami tekanan negatif dari medan listrik. Yang sama dengan ^[360] dengan E 2/8 yang sama! Artinya, tugas ini setara dengan masalah tabung gas dengan tekanan negatif, yang dijaga agar tidak rusak oleh kekuatan dinding. Dan kami baru saja memecahkan masalah ini. Jawabannya diketahui: semua sama disayangkan σ / ρ plus atau minus beberapa kali.

Dan jika kapasitor tidak vakum? Jika diisi dengan dielektrik? Dia akan mengambil bagian dari beban. Dan itu akan meningkatkan kerapatan energi curah dengan faktor ε , karena dalam dielektrik sama dengan ^{[ 650 ]} ED / 8π = ε E2 / 8π. Tampaknya, ini dia, kebahagiaan? Namun sayang, tekanan tekan pada kapasitor juga meningkat sebesar faktor ε dengan E internal yang tetap, dan begitulah yang terjadi. Tapi kami masih mengabaikan gangguan listrik. Probabilitas yang meningkat serempak begitu bidang E menjadi sebanding dengan bidang interatomik yang diciptakan oleh elektron valensi eksternal. Artinya, di sini semuanya bertumpu pada Batas Musim Semi.

Lalu bagaimana dengan super-kapasitor ^{[ 220 ]} , dengan kapasitas gila hingga ratusan farad? Sayangnya, tidak ada sama sekali. Menurut prinsip aksi, mereka dibagi menjadi dua kelas. Elektrokimia sebenarnya adalah baterai redoks yang menyimpan energi dalam bentuk kimia, sangat cepat. Dan elektrostatik, lebih mirip kapasitor dalam arti biasa, hanya dengan celah yang sangat tipis antara "elektroda", beberapa molekul lebarnya. Pada yang pertama, pasokan energi jelas bergantung pada kimia. Yang kedua - dalam jumlah kerusakan medan listrik. Yang tidak dapat secara signifikan melebihi dengan paksa medan listrik interatomik yang menyimpan materi dalam integritas. Dan ini adalah satuan yang sama dari eV per ukuran atom. Dengan demikian, super-kapasitor juga terbatas dalam penyimpanan energi sebesar ≈30 MJ / kg. Wikipedia bersaksi ^{[ 22 3 ]} : tidak satu pun dari perangkat ini yang mendekati batas kepadatan energi ini. Dan, berdasarkan pemahaman kita, itu tidak akan berhasil.

Dalam upaya terakhir kami untuk melompati batas ini dengan elektrostatik, mari kita lihat kapasitor bola dalam ruang hampa:



Ambil bola logam yang sangat halus dengan jari-jari r . Dinginkan hingga (hampir) nol absolut. Kita menempuh jauh, jauh ke dalam kekosongan yang tak terhingga dalam. Dan ditembakkan oleh berkas elektron, sangat jauh. Ketika elektron menghantam bola, mereka memberinya muatan q dan (seperti yang dapat Anda hitung) energi total W = q 2/2 r . Tampaknya tidak tergantung pada massa bola. Apakah ini ???

Sayangnya, kapasitor semacam itu tidak dapat diisi ulang tanpa batas waktu. Tetapi hanya sampai medan listrik yang diciptakannya di dekat permukaan menjadi sebanding dengan kekuatan medan listrik di antara atom-atom. Jika Anda mendekati nilai ini dengan muatan negatif, emisi elektronik liar akan dimulai ([ 390 , hlm. 13], [ 400 ]) dan muatan tersebut akan terbang ke ruang hampa sekitar dalam beberapa menit. Jika positif, kisi kristal kapasitor akan kehilangan kekuatannya, substansi akan "menguap" atau hancur. Saya dengan mudah menghabiskan waktu sehari untuk menghitung bahwa dalam kasus pertama, kepadatan energi per kilogram hanya ≈20 KJ / kg. Pada detik - 10-30 MJ / kg sudah akrab bagi kita. Akhirnya, jika bola berongga, maka batas ditentukan oleh kekuatan tariknya.

Dan jika medan itu bukan listrik, tetapi magnet? Nah, mereka mengambil cincin dari superkonduktor dengan jari-jari R , ketebalan kawat 2r , meluncurkan arus listrik di dalamnya dengan kekuatan I , mendinginkannya - dan tolong: arus berjalan dalam lingkaran selamanya, energi di medan magnet menunggu untuk digunakan. Apa yang bukan baterai yang ideal?



Tapi ingat bahwa arus yang berlawanan arah saling tolak. Oleh karena itu, gaya tarik akan bekerja pada cincin. Untuk mengatasi yang Anda harus memiliki massa dan elastisitas. Setelah membebaskan pembaca dari rincian perhitungan, saya akan memberi tahu Anda bahwa di sini energi yang tersimpan di cincin kira-kira sama dengan rasio σ / ρ yang sama.

Di sini, orang yang berpengetahuan mungkin akan berpikir: "Konfigurasi tidak berdaya! Tapi bagaimana dengan konfigurasi tanpa daya?! ” Ada ^{[ 380 ]} hal semacam itu. Dengan medan magnet inilah geometri licik dimungkinkan di mana medan itu sejajar dengan arus dalam sistem - dan dengan demikian tidak mengerahkan kekuatan apa pun pada arus ini. Dalam versi paling sederhana dari konfigurasi ini, arus terbungkus spiral, medan dibungkus ke arah yang sama dan gaya pada kabel (hampir) tidak bekerja:



^{[Kredit gambar: Szabolcs Rembeczki, Desain dan Optimalisasi Magnet Medan Tinggi yang Dikurangi Kekuatan, [ 370 ]]}

Desain seperti itu, pada pandangan pertama, akhirnya menghilangkan materi biasa dari peran pegas dan melompati Batas Musim Semi. Namun, itu dia. Analisis menyeluruh dan akurat ^{[ 370 ]} menunjukkan bahwa, pertama, keadaan tak berdaya hanya mungkin terjadi pada titik-titik individual di ruang angkasa - tetapi tidak di semua ruang; dan kedua, sistem tak berdaya ukuran terbatas masih membutuhkan dukungan eksternal untuk keberadaannya. Selain itu, Szabolcs Rembeczki memberikan hasil yang tepat dari penulis lain (GE March) dari tahun 1996, di mana cadangan energi total dalam sistem seperti itu dibandingkan dengan energi elastis dari dukungan ini:


^{[Kredit gambar: Szabolcs Rembeczki, Desain dan Optimalisasi Magnet Medan Tinggi yang Dikurangi Kekuatan, [ 370 ]]}

Menulis ulang ungkapan terakhir sedikit, kita dapatkan: E / M ≤ σ / ρ . Artinya, energi untuk massa masih tidak melebihi Batas Musim Semi.

Akhirnya, sentuh sebentar pada garam cair, karena topik ini populer. Berapa banyak energi yang bisa disimpan dalam satu kilo? Jelas, ini adalah energi yang diperlukan untuk menghangatkan ke suhu leleh, ditambah panas spesifik dari leleh ini sendiri. Yang pertama dari dua diabaikan: karena 1 eV pada ini adalah 11.600 derajat, maka, jelas, tidak ada benda padat yang dapat mengandung lebih dari .40,4 eV / atom panas. Yang kedua ditentukan oleh energi pengikat kisi padat dan untuk alasan ini tidak melebihi satuan eV per atom. Misalnya, dalam NaCl (suatu zat yang dekat dengan ionisitas penuh dan relatif tidak berbahaya), panas fusi adalah ^{[ 660 ]} 0,52 MJ / kg, atau sekitar 0,3 eV per atom. Tentang apa topik ini bisa ditutup.

Hasilnya sedih dan sedikit lucu.

Meskipun kemajuan teknik milenial; Terlepas dari berbagai cara menyimpan energi yang sangat besar, sebagian besar metode ini didasarkan pada prinsip yang sama. Prinsip yang mendasari perangkat, yang kita kenal selama ratusan tahun.

Perangkat ini adalah pegas:



Kami adalah peradaban mata air.

Roket kita mahal dan berat, karena, pada kenyataannya, pegas menyimpan energi mereka, yang kepadatannya hampir tidak cukup untuk mengatasi sumur gravitasi bumi. Batas Pegas menentukan kekuatan mekanis roket, yang menentang massa pegas bahan bakar kimia yang diisi. Batas pegas menentukan tinggi maksimum bangunan kami, panjang bentang jembatan, kapasitas baterai, dan ketebalan badan truk.

Segala sesuatu yang menyimpan energi dalam redistribusi medan listrik eksternal, elektron valensi materi biasa, terletak pada Batas Pegas: 3-4 eV per atom, atau 20-30 MJ / kg. Barang-barang yang kami gunakan setiap hari seperti broker serakah. Semua transaksi berjalan ketat melalui itu: energi => materi => medan listrik => materi => energi. Tetapi broker melarang menyimpan lebih dari 3-4 volt elektron per atom pada satu akun, dan itu melawan komisi kolosal dalam bentuk massa atom berat untuk setiap akun.

Dan meskipun elektron internal suatu atom memiliki energi pengikatan ratusan dan ribuan volt elektron, dan nukleus memiliki jutaan dan milyaran, kita baru saja mulai bekerja dengan kekuatan-kekuatan ini. Sejauh ini, kita telah belajar untuk memanipulasi hanya kulit luar tipis sebuah atom. Di dalamnya, dalam bentuk kekuatan medan listrik, hampir semua cadangan energi peradaban kita disimpan.

Beberapa Mars, Anda tahu, dari realisasi ini akan lama menjatuhkan tangan pseudopodia. Tapi kita akan melihat di bagian selanjutnya seperti apa jalan yang ditawarkan Nature untuk melewati Spring Limit. Sebenarnya, mari kita lihat.

Untuk dilanjutkan .