Civilização da Primavera, 3/5

Parte 3. Civilização da Primavera

^{[Crédito da imagem: Por Lothar Spurzem - Trabalho próprio, CC BY-SA 2.0 de, commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=39574590 ]}

A parte anterior . Resumo da série anterior.

Então, de que outras maneiras existem para armazenar energia além do combustível químico? Mesmo que não seja por foguetes, mas em geral?

Vamos começar com a bateria elétrica. Isso é pelo menos íon de lítio. De onde vem a energia?

É simples, há uma reação eletroquímica ^{[ 210 ]} :

LiC ₆ + CoO ₂ <-> C ₆ + LiCoO ₂

Vai para a esquerda - a música está carregando. À direita está descarregada.

Você, é claro, já adivinhou. Como o limite de intensidade de energia da reação química é conhecido por nós (~ 20-30 MJ / kg), a densidade máxima de energia para qualquer bateria / acumulador é a mesma. Pelo menos chumbo, pelo menos níquel-cádmio, pelo menos enxofre-sódio. Uma simples olhada nas características de diferentes tipos de baterias na Wikipedia ^{[ 340 ] é} suficiente para confirmar essa conjectura. E para ver: mesmo as melhores baterias em termos de conteúdo energético (1-3 MJ / kg) ainda não atingiram um limite teórico para o limite teórico. Uma bateria de joules por quilograma não bate na gasolina e nunca a vence - mas ainda tem muito a desenvolver.

OK, vamos tentar algo radicalmente diferente. Nem um pouco como uma bateria. Bem, pelo menos uma primavera. Como a energia é armazenada nele?

Uma carga é aplicada ao material. A carga muda os átomos em relação um ao outro. Devido ao deslocamento, as nuvens elétricas dos elétrons externos de valência são redistribuídos e mudam ligeiramente de forma ... Pare! " Parece ... hoje eu já disse isso ... "


^{[Crédito da imagem: dia da eleição do filme [ 630 ]]}

Sim exatamente. A energia da elasticidade é armazenada principalmente no campo elétrico dos elétrons externos. E isso significa que ela tem o mesmo limite: -3020-30 MJ / kg, ou 3-4 eV por átomo, correspondendo à energia de ligação dos elétrons de valência e um átomo (em redes covalentes e iônicas) ou um átomo com um “líquido” eletrônico elétrons distribuídos (em um metal, onde tudo é realmente mais complicado e eu cortei alguns ângulos aqui, mas isso não afetou radicalmente a resposta).

Como verificar esta conclusão? Com combustíveis facilmente, o valor calorífico está em qualquer diretório. E qual parâmetro físico para o material da mola é uma medida da energia máxima armazenada?


Resposta: a densidade final de energia elástica por quilograma não excede w σ / 2 ρ , onde σ é a pressão final suportada pelo material sem deformação irreversível e ρ é sua densidade. E se nosso entendimento no nível molecular for pelo menos aproximadamente verdadeiro, essa proporção não deve ser superior a 30 MJ / kg. Observamos os pontos fortes dos ^{[ 350 ] [ 355 ]} materiais, comparamos:

Material	Carga de tração final σ, GPa (resistência ao escoamento)	Densidade, kg / m 3	w = σ / 2 ρ , MJ por quilograma
Aço inoxidável	0,505	8000	0,031
Liga de titânio Beta C	1,25	4810	0,13
Berílio	0,345	1840	0,19
Maraging steel [2800 Maraging steel]	2.617	8000	0,33
Diamond	1.6	2800	0,57
Kevlar	3,62	2514	1,25
Toray em fibra de carbono T1100G	7.0	1790	2,96

Só isso. Além disso, a maioria dos materiais estruturais não atinge o limite de 1-3 ordens de magnitude. Pois materiais reais em treliças de cristal sempre apresentam numerosos defeitos que não lhes permitem atingir nem a força de que seus átomos e moléculas são capazes, em princípio. Mas as molas reais, por sua vez, nem chegam ao limite dos defeitos - porque elas "flutuam" já com deformações relativas muito pequenas.

E grafeno ^{[ 95 ]} , você pergunta? E o grafeno, com as características declaradas ^{[ 355 ]} de 65 MJ / kg? E todos os tipos de "nanotubos colossais"? Falaremos sobre eles na quarta parte. Enquanto isso, nos limitamos à afirmação de que, por trás de algumas exceções pontuais muito específicas, o limite do consumo de energia elástica da matéria sólida realmente não excede ~ 30 MJ / kg.

^{O artigo foi escrito para o site https://habr.com . Ao copiar, consulte a fonte. O autor do artigo é Evgeny Bobukh .}

Mas talvez o problema da mola seja que ela não pode ser comprimida acima da resistência à tração do material? No entanto, isso pode ser feito com gases! E se a energia for armazenada no gás comprimido?

Assim, é dado: um cilindro esférico de raio r feito de metal com força σ com uma parede fina. Foi bombeado gás sob pressão p . Qual a espessura da parede para que o balão não rasgue? O cálculo mais simples mostra que essa espessura é δ = ( r / 2) * ( p / σ ). Quanto pesa essa garrafa? m = ρ V = ρ * 4π r ² δ = 2π ρ r ³ p / σ. Quanta energia é armazenada nele? E ≈ pV = 4π r ³ p / 3. A massa do gás em si é negligenciada. Perdas na expansão também. Quantos joules por quilograma? Divida E pela massa do cilindro m , obtemos ...

w = 2 σ / 3 ρ

A mesma primavera. Com o mesmo limite fundamental de mola, independente da pressão do cilindro . Obviamente, devido à geometria astuta ou paredes espessas, você provavelmente pode comprimir mais algumas vezes. Mas certamente não algumas centenas ...

Volante? Seu limite é determinado pela capacidade do material de resistir à carga criada pela força centrífuga por aceleração centrípeta. É fácil mostrar que aqui a densidade de energia será ^{[ 640 ]} a mesma σ / ρ até algumas vezes devido à geometria. É verdade que, na prática para um volante, esse limite não depende do alongamento antes da falha e, portanto, é (quase) completamente alcançado, diferentemente de uma mola.

Vamos largar a mecânica. Há eletricidade mais moderna, vamos armazenar energia nela?

Digamos que um capacitor de vácuo. O mais simples: duas placas, um campo elétrico entre elas. Como é sabido ^{[360, p. 106]} , cada centímetro cúbico do campo elétrico armazena unidades de energia E ² / 8π (no GHS, eu costumava contar eletricidade nele). Quanto será por quilograma? E inevitavelmente surgem quilos, já que o capacitor precisa de força. As placas são atraídas uma pela outra. Eles são atraídos como se estivessem sofrendo uma pressão negativa do campo elétrico. O que equivale a ^[360] o mesmo E ² / 8π! Ou seja, essa tarefa é equivalente ao problema de um cilindro de gás com pressão negativa, que é impedido de quebrar pela força das paredes. E acabamos de resolver esse problema. A resposta é conhecida: todos os mesmos infelizes σ / ρ mais ou menos algumas vezes.

E se o capacitor não for vácuo? Se preenchido com dielétrico? Ele assumirá parte da carga. E aumentará a densidade de energia a granel por um fator de ε , porque em um dielétrico é igual a ^{[ 650 ]} ED / 8π = ε E ² / 8π. Parece, aqui está, felicidade? Mas, infelizmente, a pressão de compressão no capacitor também aumenta em um fator de ε com um E interno fixo, e é assim que acontece. Mas ainda negligenciamos a falha elétrica. A probabilidade aumenta catastroficamente assim que o campo E se torna comparável aos campos interatômicos criados pelos elétrons de valência externa. Ou seja, aqui tudo está contra o limite da primavera.

Então, e os super capacitores ^{[ 220 ]} , com capacidades malucas de até centenas de farads? Infelizmente, nada. De acordo com o princípio da ação, eles são divididos em duas classes. Os eletroquímicos são, na verdade, baterias redox que armazenam energia em forma química, muito rápido. E eletrostático, mais parecido com capacitores no sentido usual, apenas com uma lacuna muito fina entre os "eletrodos", com algumas moléculas de largura. No primeiro, o suprimento de energia obviamente depende da química. O segundo - na quantidade de campo elétrico avaria. O que não pode exceder significativamente pela força os campos elétricos interatômicos que mantêm a matéria em integridade. E essas são as mesmas unidades de eV por tamanho de átomo. Assim, os super capacitores também são limitados no armazenamento de energia em ~ 30 MJ / kg. A Wikipedia testemunha ^{[ 22 3 ]} : nenhum desses dispositivos chega nem perto desse limite de densidade de energia. E, com base em nosso entendimento, não funcionará.

Em nossa última tentativa de ultrapassar esse limite por eletrostática, vamos dar uma olhada em um capacitor esférico no vácuo:



Pegue uma esfera de metal perfeitamente lisa com raio r . Deixe esfriar até (quase) zero absoluto. Levamos longe, muito longe, para um vácuo infinitamente profundo. E disparado por um feixe de elétrons, muito longe. Quando os elétrons atingem a esfera, eles dão uma carga q e (como você pode calcular) a energia total W = q 2/2 r . Parece ser independente da massa da esfera. É ???

Infelizmente, esse capacitor não pode ser carregado indefinidamente. Mas somente até o campo elétrico criado por ele perto da superfície se tornar comparável em força aos campos elétricos entre os átomos. Se você aproximar esse valor com uma carga negativa, a emissão eletrônica selvagem começará ([ 390 , p. 13], [ 400 ]) e a carga voará para o vácuo ao redor em alguns minutos. Se positivo, a estrutura cristalina do capacitor perde força, a substância "evapora" ou simplesmente desmorona. Levei um dia para calcular que, no primeiro caso, a densidade de energia por quilograma seria de apenas 20 KJ / kg. No segundo - 10-30 MJ / kg já nos são familiares. Finalmente, se a esfera é oca, o limite é determinado por sua resistência à tração.

E se o campo não é elétrico, mas magnético? Bem, eles pegaram um anel de um supercondutor com um raio R , uma espessura de fio de 2r , lançaram uma corrente elétrica nele com uma força de I , esfriaram - e por favor: a corrente circula para sempre, a energia no campo magnético está aguardando o uso. O que não é uma bateria ideal?



Mas lembre-se de que correntes dirigidas opostas se repelem. Portanto, uma força de tração atuará no anel. Para combater o que você deve ter um pouco de massa e elasticidade. Tendo aliviado os leitores dos detalhes do cálculo, informarei que aqui a energia armazenada no anel é aproximadamente igual à mesma relação σ / ρ .

Aqui, as pessoas conhecedoras provavelmente pensarão: “Configuração impotente! Mas e a configuração impotente?! ” Existe uma coisa dessas. É com um campo magnético que é possível uma geometria astuta na qual o campo é paralelo à corrente no sistema - e, portanto, não exerce nenhuma força nessa corrente. Na versão mais simples dessa configuração, a corrente é enrolada em espiral, o campo é enrolado na mesma direção e a força nos fios (quase) não age:



^{[Crédito da imagem: Szabolcs Rembeczki, projeto e otimização de ímãs de alto campo com força reduzida, [ 370 ]]}

À primeira vista, esse projeto remove finalmente a matéria comum do papel de uma mola e salta sobre o limite da mola. No entanto, estava lá. Uma análise completa e precisa ^{[ 370 ]} mostra que, em primeiro lugar, um estado impotente é possível apenas em pontos individuais do espaço - mas não em todo o espaço; e segundo, o sistema impotente de tamanho finito ainda requer apoios externos para sua existência. Além disso, Szabolcs Rembeczki fornece o resultado exato de outro autor (GE March) de 1996, onde a reserva total de energia em um sistema desse tipo é comparada à energia elástica desses suportes:


^{[Crédito da imagem: Szabolcs Rembeczki, projeto e otimização de ímãs de alto campo com força reduzida, [ 370 ]]}

Reescrevendo um pouco a última expressão, obtemos: E / M ≤ σ / ρ . Ou seja, a energia para massa ainda não excede o limite de primavera.

Por fim, toque brevemente no sal fundido, porque esse tópico é popular. Quanta energia pode armazenar um quilograma de derretimento? Obviamente, essa é a energia necessária para aquecer até a temperatura de fusão, mais o calor específico dessa fusão em si. O primeiro de dois é insignificante: como 1 eV é de 11.600 graus, obviamente, nenhum corpo sólido pode conter mais de ± 0,4 eV / átomo de calor. O segundo é determinado pela energia de ligação da rede sólida e, por esse motivo, não excede as unidades de eV por átomo. Por exemplo, no cloreto de sódio NaCl (uma substância próxima à ionicidade total e relativamente inofensiva), o calor da fusão é de ^{[ 660 ]} 0,52 MJ / kg, ou cerca de 0,3 eV por átomo. Sobre o que este tópico pode ser fechado.

O resultado é triste e um pouco engraçado.

Apesar do progresso da engenharia milenar; Apesar da enorme, aparentemente, uma variedade de maneiras de armazenar energia, a maioria desses métodos se baseia no mesmo princípio. O princípio subjacente ao dispositivo, conhecido por nós há centenas de anos.

Este dispositivo é uma mola:



Nós somos a civilização das nascentes.

Nossos foguetes são caros e pesados, porque, de fato, a primavera armazena sua energia, cuja densidade mal é suficiente para superar o poço gravitacional da Terra. O limite da mola determina a força mecânica dos foguetes, opondo-se à massa da mola de combustível químico carregada. O limite da mola determina a altura máxima de nossos edifícios, o comprimento da ponte, a capacidade da bateria e a espessura das carrocerias dos caminhões.

Tudo o que armazena energia na redistribuição dos campos elétricos dos elétrons externos de valência da matéria comum repousa no limite da mola: 3-4 eV por átomo ou 20-30 MJ / kg. O material que usamos todos os dias é como um corretor ganancioso. Todas as transações passam estritamente por ele: energia => matéria => campos elétricos => matéria => energia. Mas o corretor proíbe armazenar mais de 3-4 elétron-volts por átomo em uma conta e combate uma comissão colossal na forma da massa de um átomo pesado para cada conta.

E embora os elétrons internos de um átomo tenham energias de ligação de centenas e milhares de elétron-volts e os núcleos tenham milhões e bilhões, mal estamos começando a trabalhar com essas forças. Até agora, aprendemos a manipular apenas a fina camada externa de um átomo. Nele, na forma de força do campo elétrico, quase todas as reservas de energia de nossa civilização são armazenadas.

Alguns marcianos, como você percebeu, por muito tempo teriam abandonado as mãos dos pseudópodes. Mas veremos na próxima seção que tipo de caminhos a Natureza oferece para contornar o limite da primavera. Na verdade, vamos ver.

Para ser continuado .