ISSN 2409-546X
ПИ № ФС77-61102
8-800-555-1487

Использование магнитного поля Земли в решении проблем районов Крайнего Севера

Библиографическое описание: Коробко П. И., Фролова В. М., Лобанов И. А., Титова Н. А., Паньшина С. Г., Паньшин Е. А. Использование магнитного поля Земли в решении проблем районов Крайнего Севера // Юный ученый. — 2016. — №5. — С. 62-68. URL: http://yun.moluch.ru/archive/8/557/ (дата обращения: 16.12.2017).





Для большинства территорий Крайнего Севера единственный возможный способ транспортного сообщения — это самолет. Морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Другой очень острой проблемой районов Крайнего Севера является энергетика. Если в других более теплых регионах страны энергетические проблемы успешно решаются эксплуатацией гидроэлектростанций, то в районах, прилегающих к побережью Северного Ледовитого океана подобный вариант теряет свои преимущества (из-за замерзания зимой рек), а местами неосуществим из-за слишком малого перепада высот (необходимого для деятельности гидростанции).

Строительство электростанций на органическом топливе в условиях полярного климата и вечной мерзлоты экономически неоправданно, слишком долог срок их окупаемости, кроме того месторождения нефти и газа могут находится на значительном удалении от мест, где требуется электроэнергия. Таким образом, во многие прибрежные районы топливо завозится морем.

Очевидно, что зависимость района от периодических поставок топлива и от нерегулярного пассажирского и грузового сообщения не может позволить регионам развиваться в полную силу. В рамках данной статьи предлагается техническое решение для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард — Анадырь, а также способы получения энергии непосредственно в нуждающихся областях, что позволит открыть новые перспективы развития объектов, расположенных на Крайнем Севере.

Характеристики, которым должно отвечать разрабатываемое средство передвижения:

– использование возобновляемых, безопасных, экологическая чистых и обладающие большим потенциалом источников энергии. При этом следует отдавать предпочтение более дорогостоящему, но работающему на основе возобновляемых ресурсов и экологически чистому источнику энергии;

– использование новейших технологий и инновационных решений.

Для реализации данного проекта нами проведены следующие исследования:

– анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь — Салехард»;

– анализ используемого транспорта на территории предполагаемого маршрута;

– поиск возможных для использования возобновляемых источников энергии.

Прежде чем приступить к разработке технического решения для транспортного сообщения между населенными пунктами Салехард — Анадырь, мы провели анализ географических и климатических особенностей территорий, по которым должен пролегать маршрут «Анадырь — Салехард». Кратко можно сказать, что города Анадырь и Салехард находятся примерно на одной географической широте. Вероятный маршрут пролегает через полярную зону с субарктическим климатом. Эта территория входит в зону полярных сияний. Небольшой приток солнечной радиации, равнинный рельеф, открытый для вторжения воздушных масс с Арктики в летнее время и переохлажденных континентальных масс зимой, определяют резкую континентальность и суровость климата.

Многолетняя мерзлота, обилие болот, озер и рек. Длительная зима, короткое прохладное лето, сильные ветры, незначительная мощность снежного покрова — все это способствует промерзанию почвы на большую глубину.

Проведенный анализ транспорта, используемого на территории предполагаемого маршрута показал, что из-за неустойчивой погоды имеющую склонность к дождям, снегопадам и сильному ветру рейсы самолетов могут задерживаться или совсем отменяться. Весной и осенью в определенные промежутки самолеты не летают совсем. Существующее морское сообщение в сезон летней навигации используется только для доставки грузов. Пассажирское сообщение отсутствует по причине большой протяженности морских трасс. Железнодорожного и автомобильного сообщения с «большой землей» в принципе нет.

Нашей группой был проведен анализ новейших достижений науки и техники в области транспорта и использования новых видов энергии, которые можно будет использовать для воплощения проекта.

Совсем недавно, в конце прошлого столетия (1986 г) был открыт новый вид сверхпроводников, которые не нуждались в условиях очень низких температур на тот момент известные сверхпроводники — ртуть и свинец обретали свойства сверхпроводимости при температурах до -270°С. В настоящее время керамические проводники приобретают свойства сверхпроводимости при температуре от -191°С до -183°С. Эту температуру можно поддерживать при помощи жидкого азота (он образуется при температуре -195,75°С). Это открытие резко снизило стоимость сверхпроводников.

Это открытие позволит создавать мощные супермагниты, удерживающие в воздухе транспортные средства наподобие поезда.

Для того, чтобы привести в движение поезд на магнитной подушке достаточно струи сжатого воздуха для преодоления силы сопротивления воздуха [1, с. 386–391].

Но для использования жидкого азота необходимо холодильное оборудование. А для работы холодильного оборудования необходим источник энергии. Где его взять в тундре? Необходим источник энергии.

Поиск источников энергии.

При рассмотрении климатических и географических особенностей территории предполагаемого маршрута мы выяснили, что маршрут находится в зоне полярных сияний.

Полярное сияние — самое грандиозное явление, которое человек может наблюдать на Земле. Но полярное сияние не только грандиозное и красивое зрелище. Оно является единственным проявлением воздействия солнечной радиации на околоземное космическое пространство и земную атмосферу, которое можно увидеть невооруженным глазом.

Полярное сияние — это свечение земной атмосферы под воздействием потоков солнечных частиц, которые вторгаются в атмосферу.

Солнечные потоки подходя к Земле, обтекают ее, так как Земля защищена от этих частиц собственным магнитным полем. Однако конфигурация магнитного поля Земли такова, что часть этих частиц проникает внутрь магнитосферы, а из нее в верхнюю атмосферу. Обладая большим количеством энергии и проникая в атмосферу Земли эти частицы сталкиваясь с атомами и молекулами верхней атмосферы вызывают ее свечение.

Полярное сияние можно сравнить с Жар-птицей из народных преданий и сказок. Оказывается, наши ученые уже придумали как поймать эту Жар-птицу за хвост. И если в этом проекте мы используем это, то мы дадим жизнь уникальному изобретению российского физика Данилкина Н. П. («Институт прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова». Им был изобретен уникальный метод получения электрической энергии из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой [2, с. 71–75].

Суть метода в следующем.

Предполагается использовать возможность извлечения электрической энергии из ионосферы, где протекают токи на высотах более 100 км над поверхностью Земли. Такая электростанция должна располагаться на поверхности Земли и будет черпать энергию из околоземного космического пространства, используя преобразование электромагнитной энергии, являющейся следствием работы сил планетарного характера, в электрический ток технического назначения.

Оказывается, что основная «перекачка» энергии по цепочке солнечно-земных связей происходит в результате солнечных вспышек, которые сопровождаются магнитными бурями. Однако в зоне полярных сияний и в спокойном состоянии, а тем более в периоды магнитных бурь, напряженность магнитного поля на поверхности Земли претерпевает непрерывные изменения.

Поэтому, если на поверхности Земли расположить однопроводный контур, то в таком контуре в период изменения напряженности магнитного поля в соответствии законами физики возникает электродвижущая сила, вызывающая электрический ток.

Суммарная мощность токов, постоянно текущих в ионосфере Земли, значительно превышает потребности человечества. Если технологически грамотно научиться подсоединяться к этим токам, то весь процесс окажется экологически чистым и безопасным.

Для того чтобы увеличить мощность такой электростанции, параллельно этому контуру можно подключить необходимое количество контуров.

Имеется еще путь уменьшения электрического сопротивления контура за счет использования явления сверхпроводимости.

Конечно же прежде чем строить электростанции и прокладывать путепровод для поезда на магнитной подушке необходимо провести множество серьёзных расчетов, экспериментов и опытно-конструкторских работ. Несмотря на это уже существуют факты, доказывающие технологическую возможность и потенциал такой электростанции. Например, это хорошо иллюстрируется событиями, случившимися в провинции Квебек (Канада) 13–14 марта 1989 г. [3, с.9]. В это время после мощной вспышки на Солнце и прохождения большого заряда энергии по цепочке процессов на линии «Солнце–Земля» характеристики поля электромагнитной индукции в данной зоне оказались расположенными таким образом, что в высоковольтных линиях электропередачи возникли сильные индукционные токи. При этом мощность этих токов оказалась такова, что предохранители отключили 40 % мощности всей энергосистемы «Гидро-Квебек», что составило 9 ГВт. Отметим, что эти мощные индукционные токи возникли в системе, не ориентированной на их получение!

Рис.1. Последствия мощной магнитной бури в провинции Квебек (Канада) 13–14 марта 1989 г.

Другое известное событие произошло 1–2 сентября 1859 года. Это была мощнейшая за историю наблюдений геомагнитная буря. Комплекс событий, включающий в себя как геомагнитную бурю, так и вызвавшие её мощные активные явления на Солнце, иногда называют «Событием Кэррингтона» [4]

С 28 августа по 2 сентября на Солнце наблюдались многочисленные пятна и вспышки. Сразу после полудня 1 сентября британский астроном Ричард Кэррингтон наблюдал наибольшую вспышку, которая вызвала крупный выброс массы солнечной радиации. Он устремился к Земле и достиг её через 18 часов, что очень быстро, так как это расстояние обычно проходится выбросом за 3–4 дня. Выброс двигался так быстро потому, что предыдущие выбросы расчистили ему путь. Началась крупнейшая за всю историю регистрации геомагнитная буря, вызвавшая отказ телеграфных систем по всей Европе и Северной Америке. Северные сияния наблюдались по всему миру, даже над Карибами;

В результате 1 и 2 сентября 1859 года отказала вся телеграфная система в Северной Америке и по всей Европе: искрили линии передач, спонтанно возгоралась телеграфная бумага, а некоторые устройства, например телеграф, невозмутимо продолжали свою работу, будучи уже отключенными от источника питания.

Из расчетов российского физика Данилкина Н. П. (Институт прикладной геофизики им. академика Е. К. Федорова) можно сделать два вывода:

– предложенный метод способен извлечь из ионосферы достаточную для промышленных целей электроэнергию;

– ионосфера и магнитосфера обладают достаточным для указанных целей запасом энергии.

Главными недостатками данного способа получения энергии на уровне современной технологии являются весьма внушительные размеры работающего контура и очевидная дороговизна его создания. Однако достоинства метода могут превысить эти недостатки, особенно, если будут открыты новые удобные для решения данной задачи материалы.

К числу преимуществ этой электростанции следует отнести:

– такая станция, будучи однажды построенной, не будет изнашиваться и теоретически будет функционировать столько, сколько светит Солнце и работает цепочка связей «Солнце — Земля»;

– технологический процесс извлечения энергии из ионосферы оказывается экологически чистым и безопасным, и даже теоретической возможности вызвать катастрофу не существует.

Вывод. На Земле имеется альтернативный, экологически чистый и возобновляемый источник планетарной электромагнитной энергии, непрерывно пополняемый процессами, берущими начало на Солнце и приходящими к Земле по цепочке солнечно-земных связей. Современный технологический уровень позволяет использовать эту энергию.

Экспериментальное подтверждение разрабатываемого проекта в лабораторных условиях.

Для того чтобы получить экспериментальное подтверждение идее получения электричества из ионосферы достаточно проделать опыт, демонстрируемый в школьном курсе физики.

Проделав этот опыт, мы рассмотрели, что представляет собой явление электромагнитной индукции. Для опыта нам понадобился гальванометр, постоянный магнит и катушка с намотанной на нее проволокой. Концы проволоки соединили с катушкой. Когда мы вдвигали внутрь катушки постоянный магнит, гальванометр отклонялся. Это означает, что в цепи возник электрический ток.

Так как никакого источника тока у нас в цепи нет, то логично предположить, что ток возникает вследствие появления магнитного поля внутри катушки. Когда мы будем вытаскивать магнит обратно из катушки, мы увидим, что снова изменятся показания гальванометра, но его стрелка при этом отклонится в противоположную сторону. Мы опять получили ток, но уже направленный в другую сторону.

Рис. .1 Явление электромагнитной индукции

После этого мы проделали похожий опыт с теми же элементами, только при этом зафиксировали магнит неподвижно. Теперь мы снимали и надевали на магнит саму катушку, подсоединенную к гальванометру. В результате мы получили аналогичные события. Отклоняясь, стрелка гальванометра показывала нам появление тока в цепи. При этом, когда магнит был неподвижен, тока в цепи не было — стрелка стояла на ноле.

Рис. 2. Проведение эксперимента проекта в лабораторных условиях

Катушку можно заменить проводящим контуром и проделать опыты по перемещению и вращению самого контура в постоянном магнитном поле, либо же магнита внутри неподвижного контура. Результаты будут те же — появление тока в цепи при движении магнита или контура.

Таким образом, проведенный эксперимент позволяет сделать вывод:

При всяком изменении магнитного потока, пронизывающего контур замкнутого проводника, возникает электрический ток в этом проводнике. При этом электрический ток существует в течение всего процесса изменения магнитного потока.

Этот же принцип используется и в методе получения электроэнергии из ионосферы. Наша планета Земля — это огромный магнит, обладающий постоянным магнитным полем. Вследствие воздействия на нашу планету солнечной радиации магнитное поле Земли претерпевает постоянные изменения. Особенно большие значения вариаций магнитного поля наблюдаются в зоне полярных сияний. Там часто можно наблюдать магнитные бури и суббури.

Описание технического решения.

После проведения запланированных исследований подготовлено следующее решение:

Транспорт, соединяющий два региона в условиях Крайнего Севера должен представлять из себя комфортабельный поезд на магнитной подушке с использование сверхпроводников последнего поколения. В случае, если не получится практически воплотить идею использования сверхпроводников, использовать свойство отталкивание одноименных полюсов магнитов.

Рис. 3. Схема проекта

1) Энергию, необходимую для питания путепровода и поезда на магнитной подушке получать с помощью метода получения электроэнергии из ионосферы. Кроме того, по всему маршруту можно расставить мощные ветрогенераторы и использовать энергию сильных ветров в этих местах.

2) Если платформу, от которой должен отправляться поезд установить на высоте 400 метров, и потом дорогу, по которой будет скользить поезд на магнитной подушке проложить под уклон, то к моменту достижения уровня Земли поезд будет иметь скорость около 310 км/ч. Приближаясь к станции назначения дорога, по которой движется поезд, медленно начнет подниматься до 400 м. И в пункте прибытия поезд остановится. Если же ему не хватит скорости на каком-либо участке, с помощью струи сжатого воздуха поезду будет сообщена необходимая скорость.

Рис. 4. Схема платформы отправления и прибытия

План выполнения предполагаемого проекта.

Для реализации проекта необходимо:

1) Проведение научно-исследовательской работы по разработке транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 2–3 года);

2) Проведение опытно-конструкторской работы по созданию транспорта на магнитной подушке с использованием электрической энергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой. Результат работы: опытный образец участка дороги с поездом на магнитной подушке с использованием электроэнергии, получаемой из верхних слоев атмосферы в зоне полярных сияний, называемой ионосферой (срок выполнения работ по оценке специалистов 5–7 лет).

– реализация проекта на участке Анадырь-Салехард. (срок выполнения работ по оценке специалистов 25–30 лет).

Оценка эффективности ирезультативности.

Вывод

На Земле имеется альтернативный, экологически чистый и возобновляемый источник планетарной электромагнитной энергии, непрерывно пополняемый процессами, берущими начало на Солнце и приходящими к Земле по цепочке солнечно-земных связей. Современный технологический уровень позволяет использовать эту энергию.

Недостатки проекта

– внушительные размеры

– дороговизна его создания.

Преимущества проекта:

– износостойкость электростанции;

– неисчерпаемый источник энергии (Солнце);

– экологичность;

– рентабельность, за счет бесплатной электроэнергии;

– имея такой источник электроэнергии можно развивать инфраструктуру на всей территории, где пролегает путепровод для поезда.

– перспектива освоения новых территорий.

Литература:

  1. Каку М. Физика будущего. Перевод с английского. Москва 2014 г.;
  2. Данилкин Н. П. «О возможности получения электрической энергии из ионосферы» «Электричество». 1996, № 4, с. 71–75;
  3. Дмитриев А. Н., Шитов А. В., Техногенное воздействие на природные процессы Земли. Горно-Алтайск, 2001 с. 9;
  4. Dokumentika.org[Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://dokumentika.org/zemli/solnechnaya-burya-1859-goda.
Социальные комментарии Cackle