Электрический свет тоже играет в нашей жизни немалую роль. Его можно зажечь в любой момент, и это кардинальным образом изменило режим сна и производственные ритмы человека: наши улицы и дома сияют миллионами маленьких солнц. Простейший вид электрического освещения — дуговая лампа. Изобретенная в 1800-х гг. и питавшаяся от вольтова столба, это, по сути дела, непрерывная искра — искусственная молния, бьющая между двумя угольными электродами. Неудобство дуговой лампы в том, что она невыносимо яркая и потому не годится для помещений. Хотя вызвать свечение тел с помощью электромагнетизма достаточно несложно, регулировать силу электрического света — задача потруднее.
Физические явления, на которых основана конструкция лампочки накаливания, достаточно просты. Электрическое сопротивление — свойство любого вещества, и благодаря ему тонкую нить накаливания можно раскалить, пропуская через нее ток. Раскаляясь, вещества начинают сами испускать лучи — температурное излучение: железный прут в пламени горна становится сначала багровым, потом оранжевым, желтым и, наконец, ослепительно-белым. Но дьявол прячется в деталях: если угольная или металлическая нить накаливания добела раскалится на воздухе, она вступит в реакцию с кислородом и сгорит. Ее можно поместить в герметичную стеклянную колбу, откачав оттуда воздух, но в вакууме раскаленные вещества легко испаряются. Проблему решает заполнение колбы разреженным инертным газом, но для этого все равно потребуется исследование и эксперименты, подбор методом проб и ошибок среди разных карбонизированных материалов и видов тонкой проволоки надежного варианта нити накаливания.
Генерация и распределение
Мы уже разобрали, как генератор превращает механическое движение в электрический ток, но откуда взять это движение? Очевидное решение — построить ветряк или водяное колесо и установить генератор там. Генератор хорошо работает, когда вращается со скоростью в сотни оборотов в минуту, поэтому вам понадобится система шестерен или ремней и блоков, чтобы ускорить мощное, но медленное вращение вала. Возрождающаяся цивилизация, видимо, будет похожа на стимпанковый винегрет разнородных технологий, со старинного вида четырехлопастными ветряными мельницами и водяными колесами, направляющими силу стихий не на помол зерна и подъем свайного молота, а на генерацию электричества для питания местной сети.
Проведенные в 2005 г. расчеты показали, что обычная ветряная мельница, дооборудованная вместо жерновов системой шестерен и генератором, может за год произвести 50 000 квт·ч электроэнергии — вчетверо больше, чем я расходую в своей квартире. Но, пожалуй, самый вдохновляющий пример, чего можно достичь, располагая лишь простейшими технологиями, оставил нам американский изобретатель Чарльз Френсис Браш. В 1887 г. он построил у себя в саду башню-ветряк с 17-метровым в диаметре колесом, состоявшим из 144 лопастей, выполненных из тонких, выгнутых кедровых реек. Эта электростанция вырабатывала более киловатта электричества, которое Браш пустил на питание доброй сотни ламп накаливания — они на тот момент тоже были передовой технологией, — освещавших его дом, а все излишки накапливал в 400 аккумуляторных батареях, размещенных в подвале.
Неудобство такой конструкции в том, что система множественных шестерен, необходимая для придания валу нужной скорости вращения, отнимает слишком много энергии. Для ветрогенераторов проблема снимается кардинальным изменением системы. Вместо широких лопастей-парусов, захватывающих много ветра, но создающих мощную турбулентность и торможение, а значит, неспособных к скоростному вращению, современные ветряки используют три длинных и узких лопасти-лезвия. Система построена на знаниях аэродинамики, полученных при разработке пропеллеров для самолетов и вертолетов, и хотя небольшая площадь поверхности означает, что при слабом ветре колесо вращается с трудом, зато, лишь подует посильнее, оно крутится с головокружительной скоростью и конвертирует в электричество гораздо большую часть механической энергии.
У водяного колеса выходная мощность тоже ограниченна. Количество энергии, содержащееся в потоке воды, зависит от его мощности и высоты падения. Мощность потока — это объем жидкости, протекающий за единицу времени, а высота падения в случае с верхнебойным водяным колесом — расстояние между желобом и лотком. Энергетические возможности водяного колеса не особенно велики, оттого что максимальная высота падения струи ограничена диаметром колеса, а при диаметре больше 20 м колеса становятся слишком тяжелыми и потому неэффективными.
А вот водяные турбины, с другой стороны, таких ограничений не знают. Самая мощная в мире гидроэлектростанция «Три ущелья» на реке Янцзы создает перепад в 80 м между водным зеркалом водохранилища и турбинами в основании плотины, за счет чего и получает колоссальную энергию.
Лучшая турбина, которую вы можете построить для применения с большой высотой и небольшой мощностью потока (то есть под узкой трубой, выбрасывающей струю под высоким давлением), — это турбина Пелтона, состоящая из ковшей, расположенных на ободе колеса (немного похоже на уложенные кругом ложки). Принцип в том, чтобы струя воды не останавливалась в каждом ковше, но хитро разворачивалась и снова выплескивалась вперед. Каждый ковш выполняется в виде слегка искривленного ведра, как бы разделенного на две половины проходящим вдоль стенки гребнем, рассекающим падающую прямо в ковш струю так, чтобы она, разделившись строго надвое, завихрялась в обоих углублениях и выплескивалась через передний край ковша. Именно это изменение направления прикладывает к ковшу значительное усилие и вращает турбину, а струя бьет по очереди в каждый ковш, и колесо не останавливается.
Для обратной ситуации, когда высота потока у вас невелика, но велика его мощность, лучше подойдет турбина поперечного тока. Здесь вода направляется на вершину колеса с короткими изогнутыми лопастями, расположенными радиально, и толкает их сначала на входе в колесо, а затем, вторично, выходя из колеса в нижней точке. С первого взгляда эта конструкция напоминает традиционную водяную мельницу, но ее существенное отличие в том, что турбину вращает не вес падающей воды, улавливаемой лопастями, а струя, толкающая лопасти сзади.
Как пелтоновскую, так и поперечноточную турбину несложно изготовить, имея простые металлообрабатывающие станки, и сегодня обе они рекомендуются для развивающихся стран как технологии, для которых все можно произвести на месте. Они отлично подойдут для восстановления цивилизации в постапокалиптическом мире.
При всей эффективности ветрогенераторов и водяных турбин, использующих, к тому же, возобновляемые источники энергии, сегодня бóльшая часть электроэнергии генерируется иными способами. Век пара, строго говоря, на самом деле не закончился. Мы ушли от широкого применения паровых машин в двигателях станков или транспортных средств, но с помощью пара сегодня вырабатывается более 80 % всего потребляемого в мире электричества: котлы кипятит тепло, высвобождаемое при сжигании угля или газа либо при распаде нестабильных тяжелых атомов в ядерном реакторе.
Как мы уже видели, произвести тепло просто, а вот преобразовать тепловую энергию в механическую — это задача посложнее. Решить ее может паровая машина, но медленный ход поршня невозможно без энергопотерь превратить в быстрое вращение, пригодное для электрогенератора.
