От архивите: Състоянието на слънчевата енергия през 50-те години

За да отбележим нашата 150-та година, преразглеждаме Научно-популярна истории (както попадения, така и пропуски), които помогнаха за дефинирането на научния прогрес, разбирането и иновациите – с допълнителен намек за съвременен контекст. Разгледайте Забележителни страници и вижте цялото ни отразяване на годишнината тук.

тизползването на силата на концентрирана слънчева светлина датира от древността. По време на обсадата на Сиракуза през 212 г. пр.н.е, легендарният гръцки математик Архимед изобретил слънчев лъч на смъртта. Неговите полирани бронзови щитове отразяваха стените на слънчевата светлина върху приближаващите се римски кораби, за да ги запалят – подвиг, който е бил репликирани в съвремието.

По времето Научно-популярна публикува книгата на Алдън П. Арманьяк “Sun Furnace започва работа” през март 1954 г., плодовитият писател и редактор е много влюбен в него четири и повече десетилетия за отразяване на научния ритъм. Не е непознат да разказва завладяващи истории със сигнал, Арманяк, инженер-химик от Колумбийския университет, се стреми да направи науката забавна. Той пропусна да спомене Архимед в своята обиколка на слънчевите технологии, но цитира Лавоазиеизвестен френски химик от 18-ти век, който използва слънчеви огледала за топене на метали.

Залятата от слънцето характеристика на Armagnac обхваща редица нововъзникващи соларни технологии, включително пещ, в която „стоманата се топи и капе като восък за запечатване върху пламък;“ фотоволтаици, чийто електрически добив беше толкова окаян през 1954 г., че един скептик каза: „Учените трябва да разбират много по-добре материята и енергията, преди да можем да разчитаме на зареждането на автомобилните си батерии от термоелектрически или фотоелектрични генератори на покрива на гаража;“ фотосинтеза, използвана за отглеждане на хранителна култура от едноклетъчни водорасли с висок добив, за която Armagnac не се чуди, „ако небцето ни не е достатъчно прогресивно, за да си представим такава ултрамодерна храна, можем да храним с нея едър рогат добитък или домашни птици, и да бъдете наградени със старомодни пържоли или фрикасета;“ и накрая, слънчева светлина в бутилка или улавяне на лъчи в епруветки, за да се използват нейните каталитични характеристики: „Известно е, че слънчевата светлина предизвиква различни химични реакции“, пише Арманьяк, „както когато превръща празния филм в портрет на леля Ела ” Предполагам, че не беше фен на пиенето на ултравиолетова светлина за лечение на болести.

„Слънчевата пещ тръгва на работа“ (Олдън П. Арманяк, март 1954 г.)

Създаден от човека ад изпробва материали за реактивни и ракетни двигатели и показва един начин за улавяне на безплатна слънчева енергия.

На върха на 6000-футова планина близо до Сан Диего, Калифорния, те впрягат слънцето, за да помогнат за изграждането на самолети.

Наскоро инсталирана слънчева пещ фокусира слънчевите лъчи, с огледало от полиран алуминий с диаметър 10 фута, върху място, по-малко от стотинка. Той далеч надвишава температурата на горелката или електрическата пещ.

Изследователи от Consolidated Vultee Aircraft Corporation прилагат страхотната топлина на слънчевата пещ върху материали, които се изпитват за реактивни и ракетни двигатели и за управляеми ракети. Целта на техните експерименти е да разработят вещества, по-устойчиви на топлина и термичен удар от всички известни досега – неща, които няма да омекнат и да потекат, да речем, когато ракета с голям обсег крещи обратно към земята от шеметни височини.

Че възможностите са обещаващи се показва от неотдавнашното откритие на два суперогнеупора, хафниев карбид и танталов карбид, с фантастично високи точки на топене – съответно 7 530 и 7 020 градуса F. Първият изглежда като рекорд за всяко известно вещество. За сравнение, желязото се топи при едва 2800 градуса, а волфрамът оглавява списъка с метали при 6100 градуса; докато графитът, дълго време е върховният топлоустойчив материал, се превръща от твърдо в пара при около 6600 градуса.

Слънчевата пещ на калифорнийските експериментатори, по същество огромна горяща чаша, осигурява най-практичния начин за изследване на това новооткриващо се царство на екстремно високи температури. Когато условията на небето са идеални, това дава приблизително 8500 градуса F. Във фокуса на голямото огледало тази топлина се концентрира в петно ​​с диаметър 5/16 от инча.

Металът се топи като масло на печка

Неговата интензивност изгаря дупка в огнеупорна тухла с лекота. Стоманата се топи и капе като уплътняващ восък над пламък, когато пръчката се държи с върха си във фокусната точка. Подвижен цилиндричен сенник контролира температурата от хиляди градуса с точност до градус или два, триумф на прецизност. Снабдено с астрономическо задвижване, голямото огледало се завърта автоматично, за да следва слънцето, което позволява експерименти с продължителност часове.

Най-доброто от всичко е, че чистите проби от материали могат да бъдат подложени на изгаряща топлина без замърсяване с чужди вещества, като въглерод в електрически пещи. И няма електрически и магнитни полета, нито изпарения, които да нарушават реакциите или да възпрепятстват спектроскопското наблюдение.

Пионерите на науката поведоха

Отивайки да работи за индустрията, слънчевата пещ е заменила академични одежди с гащеризони. Поради своите предимства дълго време бяха оценени само от учените на чистата наука. Лавоазие и други велики химици от миналото са топили метали със слънчеви пещи, които съставлявали по размер какъвто и да е липсвал на техните лещи или огледала в оптично съвършенство. Тогава идеята изглежда е била забравена, до последните години.

В чужбина френските експерименти, които започнаха преди няколко години със 78-инчово огледало за прожектори (PSM Aug. ’50. p. 122), сега доведоха до вероятно най-голямата слънчева пещ в света. Използвайки композитно огледало с диаметър 40 фута, мозайка от малки стъкла на прозорците, тази полуиндустриална инсталация в Пиренеите влезе в експлоатация през 1952 г.

В тази страна първото практическо използване на слънчева пещ изглежда датира само малко по-рано, към малко известен проект от Втората световна война. 120-инчова слънчева пещ е построена за AC Spark Plug Division на General Motors във Флинт, Мичиган със сътрудничеството на Aluminium Company of America. Първоначално 16 отразяващи сектора от четвъртинчов лист алуминий му дадоха гореща точка с размер на чинийка с температура до 2000 градуса и диаметър 5 инча. След войната, когато се превърна в излишък, то беше преместено в Rockhurst College в Канзас Сити, Мисури, и използвано в научни изследвания от неговия дизайнер д-р Уили Кон. След като промени формата на огледалото, за да получи по-малка гореща точка и много по-високи температури , той усъвършенства техниката за точно контролиране и измерване на екстремната топлина.

Нов собственик. Финална версия

Това е слънчевата пещ, която Consolidated Vultee сега закупи, модифицира допълнително, за да отговаря на новите си задачи, и пусна за работа. Между другото, преместването на пещта на юг по географска ширина от Канзас Сити до Сан Диего изискваше ново закрепване за голямото огледало – то се върти в пръстена си на кардана, като астрономически телескоп, по „полярна ос“, успоредна на тази, върху която се върти Земята.

За учените, които гледат в бъдещето, слънчевите пещи илюстрират само един от многото начини за използване на слънцето. Примамливият факт е, че пълна конска сила слънчева енергия, безплатна за вземане, пада по обяд на всеки квадратен ярд от земята. Какъв напредък постигат експериментаторите към улавянето му, наскоро беше прегледан от д-р Джордж Р. Харисън, декан на Училището по наука в MIT.

Индия има слънчева готварска печка

Устройствата, използващи директно слънчевата топлина, както слънчевата пещ, представляват най-простия подход и най-успешния до момента. Индия усъвършенства слънчева готварска печка; която правителствена агенция сега продава за 14 долара, използвайки кръгло огледало на квадратна площ. Слънчевите камери на спасителни салове правят питейна вода от морска вода. Експерименталните соларни къщи, нагрявани предимно или изцяло от слънцето, са обещаващи и ще изглеждат много по-интересни, ако необходимата инвестиция – все още по-висока, отколкото за обикновена отоплителна централа – може да бъде намалена. За отопление на жилища и топла вода не са необходими огледала или лещи. Температури до 400 градуса F. могат да се получат в плоски колектори, по същество покрити със стъкло кутии, облицовани с черно боядисан метал, през които вода или въздух циркулират, за да се нагряват. Парните двигатели могат да работят на слънчева енергия, както демонстрира д-р Чарлз Г. Абът от Смитсонианския институт в своите пионерски експерименти. Засега обаче това е скъп начин – котел на Abbot с огледало, достатъчно голямо, за да произведе две конски сили, вероятно ще струва около 1000 долара. Топлинните двигатели, които биха могли да работят ефективно при по-ниска температура от конвенционалните типове, като се освобождават от цената и усложненията на огледалата, биха били друга история. Това е нещо, върху което изобретателите да работят.

Слънцето в електричество?

Миниатюрен „слънчев мотор“, показан неотдавна от Чарлз Ф. Кетеринг, изследователски ас на General Motors, демонстрира бъдещата възможност за превръщане на слънчевата светлина направо в електричество. Ток, достатъчен, за да се върти, се генерира, когато пламъкът на свещ загрее тръба, настръхнала с усукани проводници, или когато лъчът на лампата е насочен към група фотоволтаични клетки.

Завъртете заедно краищата на парчета медна и сребърна тел, загрейте един от двата кръстовища и ще се генерира ток. Това е ефектът, който термодвойка прилага, за да работи с измервателния уред за температура на електрически пирометър. Напрежението и токът могат да бъдат умножени до значителни цифри чрез свързване на много термодвойки и нагряване на един набор от връзки. Така че е лесно във въображението си да си представим слънчева електроцентрала, където декари от термодвойки превръщат слънчевите лъчи в безплатни киловати. Уловката е в прословуто ниската им ефективност като енергийни преобразуватели, въпреки че подобрените сплави на термодвойки напоследък значително повишиха цифрата.

За разлика от фотоклетките, които просто контролират тока от външен източник, фотоволтаичните клетки всъщност генерират ток, когато светлината падне върху тях. Светломерите на феновете на камерите използват фотоволтаични клетки, докато клетка от селен или меден оксид от този тип може да преобразува до 12 процента от светлината с някои дължини на вълната в електричество, ниската му обща ефективност се сравнява с тази на термодвойка. В крайна сметка цифрата може да се подобри, но както д-р Харисън коментира иронично: „Учените трябва да разбират много по-добре материята и енергията, преди да можем да разчитаме на зареждането на автомобилните си батерии от термоелектрически или фотоелектрични генератори на покрива на гаража.“

Подобряване по пътя на природата

Остава химическият път за използване на слънчевата енергия – изпитан и доказан от природата, много преди човекът да се появи, за да озадачава проблема. Всички с изключение на пет процента от енергията, която използваме, включително въглищата, които изгаряме, и храната, която ядем, е била съхранявана от фотосинтеза в растенията, които я улавят от слънцето. Можем ли да се справим по-добре, отколкото да засадим пшеница, царевица или захарна тръстика във ферми и плантации и да оставим природата да поеме? Някои мислят така.

Може да е било предварителен преглед на бъдещето, когато реколта, състояща се от 100 паунда изсушени, микроскопични растения, е била събрана в Кеймбридж. Масака, неотдавна, за Института Карнеги във Вашингтон.

Странният продукт се състоеше от безброй едноклетъчни водорасли от вид, наречен Chlorella. Те са били отглеждани във вода, съдържаща подходящи соли, циркулираща с газ въглероден диоксид в пластмасова тръба, докато слънчевата светлина се излива през стените на тръбата.

Експертите прогнозират, че добивът от един декар храна може да се умножи многократно чрез отглеждане на хлорела в резервоари, вместо изобщо да се засажда почвата. Изсушеният или замразен продукт, уверени сме, образува подхранваща паста с „деликатен тревист вкус“. И ако небцето ни не е достатъчно прогресивно, за да си представим такава ултрамодерна храна, можем да храним с нея едър рогат добитък или домашни птици и да бъдем възнаградени със старомодни пържоли или фрикасета в изобилие.

Цериевите соли влизат в действие

И накрая, химиците говорят за заобикаляне изцяло на биологичните процеси и за улавяне на слънчевата светлина направо в колби и епруветки! Известно е, че слънчевата светлина предизвиква различни химични реакции, например когато превръща празния филм в портрет на леля Ела. По-обещаваща за доставяне на полезни количества енергия е фотохимична реакция, проявявана от соли на церий, разтворени във вода, която проф. Лорънс Дж. Хайдт от Масачузетския технологичен институт изследва.

Йоните на цериевите соли могат да приемат две форми, наречени церова и цериева. Когато слънчевата светлина въздейства върху разтвора, те преминават от една форма в друга – и след това отново. Това може да изглежда не води до никъде. Но в процеса част от водата се разлага на елементарен водород и кислород. Общият резултат е, че с цериеви соли, които играят ролята на катализатор, слънчевата светлина разгражда водата на газове, които могат да бъдат изгорени за гориво.

Все още сме далеч от начертаването на плановете за газов завод, захранван със слънчева енергия. Един процент би бил щедра оценка на ефективността на тази реакция при превръщането на слънчевата в химическа енергия. Но това е пробив на нов фронт, един по-обещаващ подход, който бъдещите експериментатори да изследват.

Част от текста е редактиран, за да отговаря на съвременните стандарти и стил.