Спасти Африку от Сахары и не умереть.

На «хвосте» цикла Карно.

Как известно на нашей планете идет глобальное потепление с мало и плохо предсказуемыми последствиями. Кто-то предлагает ослабить его с помощью химических реагентов (например, за счет введения двуокиси серы в атмосферу) или утилизации парниковых газов из атмосферы. Нетрудно догадаться, чем грозят предложенные методы, первый рано или поздно вызовет уже забытые кислотные дожди, второй настолько энергозатратен, что ведет к обратному эффекту. Есть другой путь, рекуперировать (не вполне удачный термин, но за неимением лучшего) или попросту обратить избыток тепловой энергии в атмосфере в механическую или электрическую энергию, полезную человеку, с учетом ограничений накладываемых вторым началом термодинамики. К сожалению, данный путь отвергается большинством физиков как неразрешимый, видимо вследствие того, что до сегодняшнего дня не разработан способ такой рекуперации, а значит, видимо и не возможен. Соответственно с их точки зрения попытки найти такой способ бесперспективны. Мне кажется, что один из возможных методов решения этой задачи мне удалось найти. Так как, я плохо умею выражать собственные мысли (дислексия), но при этом хорошо умею решать задачи по естественным наукам, то дальнейшее изложение статьи буду вести как решение стандартной задачи:
        Дано: Тропосфера планеты Земля с ее глобальными и локальными характеристиками.
Найти: способ рекуперации тепла непосредственно из тропосферы в механическую или электрическую энергию, хотя бы локально.
Особые ограничения: способ должен быть экономически эффективным и экологически чистым.
Решение:
Для начала следует разобраться, что такое тропосфера с точки зрения термодинамики: распределение функции температуры, давления и удельного объема по высоте тропосферы представляет собой вид политропы, не подчиняющееся законам идеального газа, вследствие наличия значительных масс водяного пара и углекислого газа, препятствующих свободному выходу инфракрасного излучения за пределы атмосферы. Соответственно имеется возможность получения термодинамического неравновесия, если создать условия для движения  воздушной массы в соответствии с законами идеального газа. Предположим, что такие условия созданы в виде изолированного от внешнего излучения канала, связывающей нижний слой атмосферы с более высоким. Очевидно, что состояние воздушной среды в канале будет подчиняться первому началу термодинамики и законам идеального газа (в виде близкого к адиабатному сжатию). Соответственно мы можем применить уравнение первого начала термодинамики для потока вещества:

dq=du+d(pv)+deкинет+dепотен+dlтехн

Проинтегрировав и распределив, для более удобного восприятия получаем:

h1+gz1+v12 /2= h2+gz2+v22 /2+q+lтех + lтрен
  где:
h – энтальпия; gz – потенциальная энергия; v2 /2 – кинетическая энергия;
q – выделяющаяся теплота; lтех  - полезная работа; lтрен – работа сил трения

Чтобы за что-то «зацепиться», преобразуем и подставим в него значения соответствующих значений из Международной стандартной атмосферы для высот ноль (давление 101325 Па, плотность 1.225 кг/м3, температура 288,2 К) и тысяча (давление 89875 Па, плотность 1.1123 кг/м3, температура 281.6 К) метров над уровнем моря, пренебрегая в уравнении малозначимыми параметрами (v1 =0; lтрен =0; lтех =0), получим, что в канале должен образовываться нисходящий воздушный поток со скоростью около 40 м/с. Если учитывать lтех как функцию от скорости потока с ориентировочным КПД в 50%, то скорость потока составит около 32 м/с, а мощность порядка 10.5 кВт/м2 сечения канала.
На первый взгляд задачка решена, ведь результат не особо противоречит второму началу термодинамики (работу на сжатие выполняет гравитация) и «воздушные ямы» тому подтверждение, определяя давление внизу канала нетрудно заметить, что оно меньше давления тропосферы на таком же уровне. То есть, движение будет отсутствовать. Или по-другому говоря, работа силы тяжести на сжатие недостаточна для установления такого потока.  Можно ли увеличить работу силы тяжести? Очевидно, нет.
Но есть другой путь, применяемый как правило в компрессорах, где для снижения затрат работы на сжатие применяется активное или пассивное теплоотводение от зоны сжатия. Это приводит к снижению затрат работы на сжатие, при котором, охлаждение сжимаемого газа ведет к совершению им самим дополнительной работы, или иначе говоря приближает кривую сжатия к изотермическому процессу. К сожалению, данный путь технически малопригоден, ведь создать радиатор на такой высоте и требуемых характеристик практически невозможен, а соответственно и очень затратен.
  Мое решение до смешного просто, а само решение вызывает у меня в душе двоякие чувства. С одной стороны льстит, что никто ранее не догадался (по патентным базам аналогичного решения я не нашел). На мой взгляд этому есть две основные причины: 1. в диаграмме «влагосодержание-энтальпия» можно ввести плотность и задача была бы упрощена; 2. формулы определения работы на сжатие при политропных процессах полностью определяют работу с учетом теплопередачи, что значительно затрудняет расчеты (к примеру: если из формулы при политропном сжатии извлечь например конечное давление и попытаться определить его зная затраченную работу, то результат будет гораздо ниже реального). С другой возникает вопрос: почему никто ранее не догадался, ведь для проверки гипотезы мне всего лишь понадобились совершенно простые вещи: труба из теплоизолирующего материала (картона) длинной с десяток  метров, небольшое ветроколесо от детской игрушки, соответствующие погодные условия и еще кое-что, такое же доступное. В принципе  любой читатель сможет повторить мои опыты, конечно, какого-либо промышленного применения он получить не сможет, но на то он и опыт.
На мой взгляд, этому есть две основные причины: 1. в диаграмме «влагосодержание-энтальпия» можно ввести плотность и задача была бы упрощена; 2. формулы определения работы на сжатие при политропных процессах полностью определяют работу с учетом теплопередачи, что значительно затрудняет расчеты (к примеру: если из формулы при политропном сжатии извлечь конечное давление и попытаться определить его, зная затраченную работу, то результат будет гораздо ниже реального).
Итак, собственно решение. Как я уже описано ранее, для решения поставленной задачи допустимо применение не только глобальных, но и локальных характеристик тропосферы. К примеру, возьмем континентальный климат пустыни Сахара. Площадь ее составляет семь миллионов квадратных километров, среднегодовые температуры в среднем двадцать четыре градуса Цельсия, практически безоблачно и соответственно отсутствие осадков, малопригодны для практического применения и малозаселены. Кроме того, следует отметить очень важную деталь для дальнейшего решения: низкая относительная влажность, редко превышающая пятнадцать процентов.
Итак: представим себе, что в канал, у его вершины, подается капельная вода или попросту стоит распылитель (разбрызгиватель) воды. Воздух соответственно отдает часть своей тепловой энергии в теплоту парообразования и становится холоднее, соответственно растет его плотность и он начинает падать вниз по каналу, где приобретает дополнительную тепловую энергию, за счет работы силы тяжести. Причем эта бесплатная  энергия также практически полностью переходит в теплоту парообразования, и температура растет малозначительно, т.е. так же как в компрессоре. Результатом чего становится значительная разница столбов давления воздуха между естественной средой и каналом.
  Критики могут возразить:
  1. затраты на доставку и подъем воды достаточно велики!  Что бы поднять один килограмм воды на высоту даже двух тысяч метров необходимо затратить двадцать килоджоулей энергии. Этот же килограмм воды для парообразования отберет от воздуха ориентировочно порядка двух мегаджоулей тепла;
  2. Где взять столько воды в пустыне? Парадокс в том, что качество воды как такового принципиального значения по большому счету не имеет. Годится практически любая: дистиллированная, пресная, соленая (соленой нужно несколько больше, чтобы избежать кристаллообразования), даже крепкий рассол. Количество же ее не настолько велико, чтобы стать проблемой!
  3. Технология довольно дорогая. При элементарном расчете стоимости строительства выходит, что ввод одной единицы мощности энергии будет примерно равен аналогичному для тепловой электростанции и почти на порядок меньше, чем для атомных и тем более для «экологически чистых» источников энергии.
4. Значительная высота сооружения. По-моему, архитектор Останкинской телебашни Н.В.Никитин, в своей деятельности проектировал сооружение высотой с Фудзияму, т.е. почти четыре километра, а было это лет сорок назад!
5. Раз образуется пар, значит, растет объем воздуха. См.п 1.
  6. В ночное время будет спад мощности. С таким доводом соглашусь, но способов аккумулирования энергии гораздо больше, тем более такой дешевой.
Ряд и далее можно продолжать бесконечно. Но читателя скорее интересует конечный результат. Что в результате: если только в пустыне Сахара преобразовывать лишь один процент от солнечного тепла, которую она получает, то только она способна на 85 (девяносто) процентов удовлетворить текущие потребности человечества в энергии всех типов (порядка одиннадцати тераватт). Экологические последствия: неприятно выступать в качестве «заклинателя дождя», но при первом приближении в случае массового применения произойдет некоторое сглаживание разницы дневных и ночных температур, кроме того, рост влажности воздуха приведет к увеличению выпадения количества осадков в регионе и возможно обратит рост пустыни. А это новые сельскохозяйственные территории и т.д. и т.п.
Я не стал приводить методику расчетов, она скучна, тем более, что обывателя интересует конечный результат, а человек науки сам в состоянии проверить и просчитать. Приведу лишь ориентировочную диаграмму в координатах давление «Р» - объем «V».
Рис. 1. Показан цикл работы машины в координатах Давление (Р) - Объем(V); (Кривая а – политропа атмосферы по высоте, точка 1 – состояние атмосферы на высоте впрыска воды, кривая 1-2 – изобарное сжатие вследствие парообразования, кривая 2-3 – конечное политропное сжатие воздуха в канале, кривая 3-4 выход воздуха из канала, точка 4 естественное состояние атмосферы внизу канала.
Ориентировочный теоретический КПД рассчитанный для температуры воздуха на уровне нижней границы канала в 24 градуса Цельсия, влажности в 15% и высоты канала в 1000 м, составит около 23%, следует отметить, что практический КПД будет в пять-шесть раз ниже. Что касается скорости воздуха в канале, то она составит порядка сотен  километров в час. Диаграмму температура-энтропия не привожу, во-первых, ее грамотное построение проблематично даже для специалиста (изобарное сжатие носит изоэнтальпийный характер), а во-вторых, она малоинтересна читателю.
P.S.
Я пожалуй впервые в своей жизни не знаю что делать? Во-первых, заказа на такую разработку я не от кого не получал. Что касается патентной заявки, то я ее, конечно, подал, но «вправе ли глаз требовать платы за то что видит» из М.Аврелия. Во-вторых, как требовалось в задаче: «найти глобальное решение», как мне кажется, я его сумел найти, но это уже совсем другое решение...

25.08.2008г.                                            Мазунов А.М.