Per aspera ad astra

Как только энергия была различными способами добыта, она должна либо быть передана непосредственно потребителю для немедленного использования, либо сохранена в какой-либо форме для последующего использования когда-нибудь в будущем. Плотность энергии в определённой среды - это количество энергии, хранящейся в среде на единицу объема, а энергия на единицу массы - это удельная энергия. Для некоторых целей наиболее важна удельная энергия, например, в ракетной технике, где топливо должно переноситься на борт корабля при запуске и разгоняться вместе с полезной нагрузкой перед использованием. В других случаях также важна плотность энергии, когда размер системы хранения энергии является проблемой, например, в небольших транспортных средствах или механизмах с автономным источником питания. Плотность мощности - это мера того, сколько энергии может быть извлечено из заданного объёма носителя энергии в заданное временной промежуток, а мощность на единицу массы - это удельная мощность. Некоторые накопители энергии медленно выделяют накопленную энергию, поэтому они не подходят для приложений, которые требуют достаточно большого количества энергии в течение маленького промежутка времени. Другие же могут наоборот давать очень высокую выходную мощность; иногда этот выход может быть достаточно мощным, чтобы использовать его в качестве оружия или двигателя. Ниже приводится список основных способов хранения энергии, используемых человеческой цивилизацией в течение своей долгой истории: 1) Конденсаторы — это устройства, которые могут накапливать электрический заряд в виде электрического поля, которое поддерживается в структуре конденсатора. Самые мощные конденсаторы, в теории могли бы хранить до 25 МДж на килограмм, но со временем они неизбежно будут испускать электрический заряд в окружающее пространство, делая их не подходящими для хранения энергии в течение длительного промежутка времени. 2) Химические батареи Химические батареи хранят в саоих элементах электрическую энергию в химической форме и при активации разряжают эту энергию. Первичные батареи нельзя перезаряжать, в то время как вторичные батареи можно перезаряжать по несколько раз. Таким образом, в качестве устройств накопления энергии затраты на создание первичных батарей становятся частью накладных расходов таких систем. Вторичные батареи имеют аналогичную начальную стоимость, но процесс перезарядки увеличивает их общий срок службы и стоимость их изготовления. Наиболее эффективные химические батареи теоретически могут иметь удельную энергию равную приблизительно 10 МДж на килограмм. 3) Химическое топливо Производство химического топлива для хранения энергии требует ввода энергии на этапе производства, а энергия, получаемая при использовании топлива или батареи, как правило всегда будет меньше той энергии, которую вы вложили во время производства химического топлива. Наиболее распространенными видами химического топлива, производимыми для использования в кислородной атмосфере, являются водород, керосин и спирт. Обратите внимание, что в атмосфере водорода кислород можно рассматривать как топливо, хотя технически кислород всегда является окислителем ( акцептором электронов ), водород всегда является топливом ( донором электронов ) при сгорании водорода и кислорода. Водород, используемый в качестве топлива в атмосфере, богатой кислородом, при сгорании выделяет довольно большое количество энергии, в некоторых случаях достигая планки в 120 МДж на килограмм. Однако, фактическая работа ( механическая или электрическая ), производимая при сжигании топлива в двигателе внутреннего сгорания, может оказаться намного меньшей ( обычно от трети до одной пятой тепловой энергии ) из-за неизбежных потерь тепла во время работы движущихся элементов или излучения инфракрасных лучей ( тепла ). Также водород имеет очень низкую плотность, поэтому его необходимо сжиживать до жидкого или твёрдого, во многих случаях металлического состояния, что делает его менее удобным источником питания, чем некоторые углеводородные виды топлива, которые уже являются жидкими при стандартных земных температурах. Углеводородное топливо при использовании в кислородной атмосфере также имеет высокую энергию сгорания, вплоть до 40 МДж/кг. Так открытие ископаемого топлива, в частности нефти, стало большим стимулом для экономического развития в индустриальную эпоху и способствовало первоначальному успеху всей технологической цивилизации. 4) Биохимическое хранение Как известно внутри живых организмах постоянно проходит серия реакций, которые концентрируют энергию окружающей среды в накопленной химической энергии, которая позже высвобождается для обеспечения энергии всех жизненноважных процессов. Типичным примером этого является «цикл Кребса» аденинтрифосфата в биологической клетке, генерирующий молекулу АТФ, которая используется другими клеточными структурами для кинетических действий. Сахароза, например, при метаболизме в кислородной атмосфере имеет удельную энергию в 17 МДж / кг. В принципе, столь богатые энергией соединения можно производить искусственно для обеспечения энергией живых организмов или выращивать органически и после собирать урожай. Так богатые энергией питательные вещества используются не только в качестве пищи для живых организмов, но и для использования в качестве биотоплива. 5) Хранение энергии с помощью конденсированных сред Определённые формы конденсированного вещества могут использоваться для хранения энергии, в частности сверхплотный ридберговский дейтерий, состояние вещества, при котором атомы сплющены и расположены в плоские группы. При декомпрессии этот вид материи может выделять вплоть 15 ГДж на килограмм, хотя магнитогидродинамическое оборудование, необходимое для этой формы хранения энергии, добавляет определённое количество массы к ридберговским системам хранения электроэнергии. 6) Антивещество Учитывая КПД преобразования антиматерии в энергию и того, что удельная энергия антивещества (1,8 x 10-10 МДж / кг, учитывая наличия соразмерному по массе обычному веществу ) настолько велика, этот метод хранения энергии можно смело считать самым эффективным из всех возможных. Однако стоит упомянуть что антивещество всё ещё остаётся крайне опасным материалом, которое при малейшем физическом контакте с обычным веществом тут же взрывается с выделением огромных объёмов энергии. Наиболее простым способом для хранения антиматерии является использование магнитной/электростатической бутылки, способной хранить антивещество с помощью магнитной левитации, до тех пор пока к ним подаётся электричество. 7) Использование углового момента ( маховики ) Накопление механической энергии с помощью вращения маховиков ограничено максимальной прочностью материала из которого был изготовлен используемый маховик и общей плотностью этого материала. Из-за этих ограничений маховики могут хранить примерно такое же количество энергии что и лучшие виды химического топлива, батареи или конденсаторы: до 50 МДж / кг при максимальной ёмкости, от 15 до 25 МДж / кг с подходящим запасом прочности материалов из которых сделаны маховики. Так чтобы эффективно устранить гироскопические эффекты, маховики свободно плавают в своих корпусах. Эти маховики подвешены в как можно более чистом вакууме магнитными подшипниками и имеют вращение, генерируемое "бесконтактными" индуктивными двигателями, которые удваиваются как бесконтактные генераторы, когда из них высвобождается энергия. Сама матрица может безопасно транспортироваться до тех пор, пока не потребуется энергия, тогда угловой момент маховиков может быть извлечен и использован, путём выработки электроэнергии. Хотя энергоёмкость полностью заряженной наноматрицы-маховика достаточно высока ( на порядок выше, чем у бензина ), плотность мощности несколько ниже, чем у других способов хранения; это происходит потому, что энергия может быть извлечена только с относительно медленной скоростью, во избежания повреждения матрицы перегревом. Поскольку количество энергии, хранящейся в маховике, зависит от его объема, а энергия, теряемая подшипниками колеса, зависит от их площади, маховики большего размера могут более эффективно накапливать энергию. 8) Торсионные батареи Механическая энергия может храниться в устройствах созданных из углеродных нанотрубок, вращая их, как пружину в старинных механических часах. Тем не менее это средство хранения энергии ограничено теми же физическими ограничениями, что и маховики или сверхпроводящие устройства хранения, поэтому они могут хранить примерно такое же количество энергии на килограмм, что и остальные варианты. Когда торсионная батарея разматывается, она может выполнять механическую работу или вращать генератор для выработки электричества. Поскольку эти батареи не разряжаются, как маховики, они могут обеспечивать неограниченно долгосрочное хранение энергии. Они также лучше подходят для питания наноразмерных устройств, таких как нанороботы. Для более же крупных устройств многие нанотрубки можно объединить в более крупные и жёсткие углеродные пружины. Угроза поломки. Некоторые методы хранения энергии, такие как определенные виды химических батарей или биохимических питательных веществ, безопасны даже при серьезном повреждении. Другие же ( наиболее ярким примером является риски при хранении и использовании антивещества ) напротив требуют соблюдения строгих правил безопасности, так сжатое жидкое топливо может быстро расшириться, если его резервуары окажутся пробиты, что приведёт к повышению возможности взрыва кипящей жидкости, расширяющейся паром. Сверхпроводящие петли также могут катастрофически выходить из строя, если они треснуты или сломаны. Возникающая ЭДС заставляет циркулирующий ток через воздушный зазор, создавая плазменный дуговый разряд. Плазменная дуга разрушает контактирующий с ней материал, увеличивая размер зазора и тем самым увеличивая скорость потери энергии. В течение миллисекунд большая часть устройства может испариться до состояния плазмы высокого давления, более горячую, чем поверхность Солнца. Когда структура защитного корпуса разрушается, магнитное давление, действующее на ток, приводит к взрыву контейнера. Возникающий в результате взрыв плазмы высокого давления в сочетании с магнитным давлением приводит к окончательному уничтожению всего устройства и всему его окружению в пределах нескольких метров. Этот взрыв будет иметь мощность примерно в 3-5 раз больший, чем при эквивалентной массе тринитротолуола или более привычными словами, тротила ( или в 8 раз, если соленоид находится под напряжением до максимальной ( небезопасной ) мощности ).