Вольты из воздуха

Установка, разработанная учеником городской Назарбаев Интеллектуальной школы (НИШ) физико-математического нап­равления Талгатом Мулдашем, способна «отбирать» заряженные частицы из атмосферного воздуха. Открытию предшествовало масштабное исследование, в ходе которого были потрачены десятки воздушных шаров и несчетное количество метров металлической фольги.

Отправной точкой для проведения научных изысканий стала выставка «ЭКСПО-2017» в Астане. Как и многие другие молодые ученые, Талгат долго ломал голову над тем, как можно получить энергию необычным способом. И вскоре родилась идея: источником электричества может стать атмосферный воздух, а точнее – его заряженные частицы.

– Я с детства интересовался физикой, для меня это не просто школьный предмет, а нечто большее, – рассказал Талгат Мулдаш. – Все происходящее вокруг нас объясняется законами физики. Даже мои фобии исчезли благодаря увлечению этой наукой. В детстве я боялся темноты, но потом узнал, что она объясняется отсутствием фотонов, и страхи прошли.

После поступления в Назарбаев Интеллектуальную школу перед юным исследователем открылись новые возможности, а его тяга к знаниям породила безграничный интерес к науке.

– Мой кумир – Никола Тесла, открывший переменный ток, без которого не может существовать никакая современная электроника, – говорит он. – Когда увлекся идеей получить электрическую энергию из воздуха, то обратился к его работам и опыту других великих ученых.

По словам учителя физики НИШ Уральска и «по совместительству» отца школьника Умыргали Бекешева, попытки извлечь электричество из воздуха предпринимались и ранее, причем еще несколько веков назад.

– Этим занимались крупные ученые, начиная с Михаила Ломоносова, – отмечает преподаватель. – Его друг Георг Вильгельм Рихман был убит ударом молнии в процессе эксперимента. Проблема в том, что ученые пытались решать глобальные задачи, их привлекали огромные заряды энергии, которые несут в себе молнии. Они хотели их «собрать», чтобы потом использовать, как говорится, в мирных целях. Наши ребята решили действовать по-другому. Их целью стало извлечение небольших объемов электричества.

Но способ сделать это стал основной загвоздкой. Ведь прежде всего необходимо понять, заряжен воздух или нет, есть ли в нем электрические частицы. Доказательство этого стало первым этапом исследовательской работы и потребовало проведения эксперимента. Естественно, для изучения юным физикам были доступны только нижние слои атмосферы.

– Если вы хотите узнать, заряжено ли какое-то тело, необходимо сравнить его потенциал, например, с землей, – поясняет Умыргали Бекешев. – Если есть отличие, разность потенциалов, то можно говорить о наличии электричества. Сравнить можно с помощью чувствительного вольтметра, один щуп которого втыкают в землю, другим касают­ся объекта. Но в нашем случае им является воздух. Как его проверить с помощью вольтметра? Вместе с ребятами мы придумали сложить фольгу в виде гармошки, поднять ее в воздух, соединив очень тонким проводом с измерительным прибором.

И здесь не обошлось без сложностей: слишком тонкая проволока рвалась от порывов ветра, а та, что потолще, не давала прибору подняться в воздух из-за слишком большой массы. В результате в воздух запустили два десятка гелиевых шаров, привязанных к фольге, соединенной тонкой проволокой с рыболовной леской.

– Сначала ничего не происходило, но когда конструкция поднялась ввысь, стрелка на вольтметре начала дергаться, чем и подтвердила, что идея с электричеством, содержащимся в воздухе, стоящая, и ее нужно развивать, – рассказал преподаватель.

Эксперимент, придуманный и проведенный школьниками, кроме того, доказал: чем выше, тем больший заряд электричест­ва содержится в атмосферном воздухе. С этой разработкой ученики Назарбаев Интеллектуальной школы физико-математического направления Талгат Мулдаш и Мерхан Мергалиев заняли первое место на областном конкурсе инновационных проектов среди школьников и студентов INNOVA 2015 в номинации «Лучший школьный инновационный проект».

Вторым этапом изысканий стало создание установки, которая, пропуская сквозь себя поток воздуха, извлекала бы из него все заряженные частицы.

С этой целью был изготовлен специальный цилиндр, внутрь которого исследователи помес­тили пластины из фольги, способные накапливать заряд из атмосферного воздуха. Для проведения эксперимента «ловушку для электричества» установили на крыше школы.

– При сильном ветре вольтметр показывал уже единицы вольт, – рассказали участники эксперимен­та. – Это, конечно, результаты незначительные, но достаточные для того, чтобы убедить в жизнеспособности выдвинутой идеи.

Ведь периодически снимая данные с установки, можно изучить, при каких условиях изменяется концентрация заряженных час­тиц в воздухе. Экспериментальным путем школьники обосновали, что она зависит от времени года и суток, силы ветра, влажности воздуха, других факторов.

Юных исследователей огорчало лишь одно: когда прекращался ветер, воздух невозможно было «загнать» в экспериментальный цилиндр. Несмотря на это, второй этап исследования принес свои дивиденды, ребята вновь одержали победу в областном конкурсе инновационных проектов со своим устройством для получения электроэнергии из воздуха.

Как водится, препятствия на пути только раззадоривают нас­тоящих искателей, и теперь им пришлось ломать голову над тем, как использовать установку в безветренную погоду.

– Мы все знаем, что в вертикальных трубах существует тяга, – поясняет Талгат. – Воздух внизу всегда немного теплее, чем наверху, разница существует и между показателями давления. Следст­вием этого являются конвективные потоки: воздух по трубе всегда идет снизу вверх.

Чтобы заставить установку работать даже при отсутствии ветра, ребята решили расположить ее не горизонтально, а вертикально. Кроме того, был создан макет и сделаны все расчеты для того, чтобы доказать: если помес­тить подобную трубу на фасад многоэтажного жилого дома, то получаемую таким образом электроэнергию можно будет направить, к примеру, на освещение подъездов.

Схема установки такова, что процесс «отъема» заряженных частиц происходит в нижней час­ти трубы, «начинка» верхней час­ти – пластмассовая и участвует только в разгоне потока воздуха и не дает потерять выделенное электричество.

В городах воздух не совсем чист, имеет примеси и пыль, а значит, пластины-ловушки засорились бы очень быстро, поэтому вмес­то них было решено установить сменные картриджи. На верхнюю часть трубы придумали поставить дефлекторы, которые при наличии даже незначительного бокового ветра разгоняют воздух в трубе еще сильнее, засасывая его вовнутрь. Такие устройства обычно применяются на печных и других воздухоотводных трубах.

Исследователи соорудили макет, но осуществить проект в полном размере пока не могут, хотя все вычисления уже сделаны.

– Для освещения подъездов, естественно, потребуются экономичные светодиоды, потому как напряжение будет невысоким, – говорит Умыргали Бекешев. – Эффективнее также применять фотодиоды, которые загораются при слабом освещении или реагируют на движение. Возможно также установить аккумулятор, который бы накапливал электро­энергию, пока она не использует­ся.