Niekam ne paslaptis, kad elektros energija yra perduodama laidais: vienfazei linijai reikia dviejų laidų, trifazei – trijų.
Tačiau yra istorinių ir nūdienos faktų apie elektros energijos perdavimą vienu laidu ir galimybes ją „transportuoti“ be laidų! Trumpai apie viską iš eilės.
Vienlaidis būdas
1892 m. Londone, o po metų ir Filadelfijoje, įžymus išradėjas serbas N.Tesla demonstravo elektros energijos perdavimą vienu laidu. Kaip jis tai darė – lieka paslaptyje, nes dalis išlikusių jo rankraščių iki šiol neiššifruoti, kita dalis – sudegė gaisro metu. Toks eksperimentas ir dabar būtų didelė sensacija, kadangi bet kuriam elektrikui (ir ketinančiam juo būti) akivaizdu – būtina srovės tekėjimo sąlyga – uždara grandinė, o šio eksperimento metu naudojamas vienas neįžemintas laidas!
Galbūt energetikai dar labiau nustebs sužinoję, kad Rusijos inžinierius S. Avramenko vienlaidžio elektros energijos perdavimo eksperimentus atlikinėjo dar 1980 metais. Vienas šio inžinieriaus pasiūlytas būdas, kaip tai realizuoti, pavaizduotas 1 pav.:
1 pav. T – transformatorius, Л – laidas, D1, D2 – diodai, C- kondensatorius, P – iškroviklis.
Naudojamo transformatoriaus ypatybes išradėjas laiko paslaptyje. Yra žinoma tik tai, kad jis panašus į rezonansinį Teslos transformatorių. Jo pirminė apvija maitinama įtampa, kurios dažnis lygus rezonansiniam antrinės apvijos dažniui.
Prie transformatoriaus gnybtų (paveiksle – apatiniai) pajungus kintamosios srovės šaltinį, iškroviklis kibirkščiuoja – vyksta oro tarpo pramušimas (išlydis), nors tradiciniai loginiai samprotavimai tam prieštarauja – juk transformatoriaus išvadai (paveiksle 1 ir 2) nėra sujungti elektros grandine. Išlydis tarp iškroviklio gnybtų gali būti ištisinis ir besikartojantis. Tai priklauso nuo kondensatoriaus talpos ir nuo prie transformatoriaus prijungtos įtampos didumo ir dažnio.
Akivaizdu, kad tarp iškroviklio gnybtų periodiškai kaupiasi elektros krūviai, kurie, tikėtina, ten gali patekti tik nuo taško 3 per diodus D1, D2. Jei taip yra, tai linija Л teka elektros srovė, kuri grandinės dalyje nuo taško 3 į dešinę (ši grandinės dalis vadinama Avramenkos šakute) teka pastovia kryptimi ir yra pulsuojanti. Jei prie transformatoriaus pajungtos 60 V įtampos dažnis siekia 3 kHz, prieš iškroviklį įjungtas voltmetras rodo nuo 10 iki 20 kV įtampą, o ampermetras – dešimčių μA srovę.
Keistenybės tęsiasi kai į grandinę įjungiamas rezistorius R1 , o tarp iškroviklio gnybtų – rezistorius R2 (2 pav.).
2 pav. R1 = 2 ÷ 5 Ω, R2 = 2 ÷ 100 Ω.
Išmatavus srovės stiprumą magnetoelektriniu ampermetru ir įtampą – elektrostatiniu voltmetru ir sudauginus gautus dydžius, suskaičiuota galios vertė yra daug mažesnė už vertę, gautą tiksliu kolorimetriniu būdu matuojant rezistoriuje R2 išsiskiriantį šilumos kiekį. Kodėl gaunamas šis skirtumas – mokslinio paaiškinimo nėra.
1990 m. Vienoje iš Maskvos energetikos instituto laboratorijų aukštų pareigūnų su moksliniais laipsniais akivaizdoje buvo atliktas analogiškas eksperimentas naudojant ne įprastą varinį ar aliumininį laidą, o 15 μm skersmens volframinį! Nepaisant to laidininkas eksperimento metu liko šaltas, nors, vadovaujantis įprasta logika, juo tekant srovei, turėjo įkaisti dėl didelės varžos. Šiam reiškiniui įtikinamo paaiškinimo taip pat nėra.
Bandant atskleisti šio reiškinio prigimtį ir mechanizmą išketa keletas hipotezių. Anot vienos jų, tai gali būti paaiškinta slinkties srovėmis ir rezonansiniais reiškiniais – maitinimo šaltinio įtampos dažnio ir laidininką sudarančių atomų savųjų svyravimų dažnių sutapimu.
Žiūrint iš mokslo istorijos pusės – tai nėra naujas reiškinys. Apie akimirksniu sklindančias sroves yra užsiminęs M.Faradėjus, o J.C.Maksvelio klasikinėje elektrodinamikos teorijoje galima rasti mintį, kad tekanti laidininku poliarizacijos srovė jo nekaitina, t.y. teka nepatirdama varžos.
Praktinė šio eksperimento nauda būtų milžiniška: sumažėtų energijos nuostoliai, elektros linijų tiesimo kaštai ir t.t. Kol kas minėtas išradėjas tokiu būdu realizavo elektros energijos perdavimą 160 m atstumu.
Ar įmanoma ateitis be laidų?
I šį klausimą daugiau nei prieš 100 metų teigiamai atsakė jau minėtas genialusis išradėjas N.Tesla. Gaila, kad apie šio mokslininko ir vienlaidžio elektros energijos perdavimo eksperimentus išlikusi informacija skurdi. Žinoma, kad 1899 metais Kolorado-Springse (JAV) jis viešai demonstravo šviečiančias lempas ir besisukančius variklius, maitinamus aukšto dažnio elektros srove be laidų. Šiam fantastiškam eksperimentui buvo pastatytas kelių dešimčių metrų aukščio bokštas, kurį dengė milžiniška varinė pusiausferinė iškroviklio kepurė. Įjungus įrenginį į šalis nusitiesė iki 40 m ilgio kibirkštys lydimos griausmų, girdimų keliolikos kilometrų spinduliu. Svarbiausia tai, kad tuo pat metu užsižiebė daugiau kaip 200 su elektros energijos šaltiniu nesujungtų lempų, nutolusių nuo iškroviklio didesniu nei 20km atstumu.
Šis bandymas paliko didelį įspūdį D.P.Morganui, vienam iš pačių turtingiausių Amerikos verslininkų, kuris pakvietė N.Teslą vykdyti grandiozinį projektą – Pasaulinio belaidžio energijos perdavimo centro kūrimą. Šiam tikslui Long-Ailende buvo pastatytas 57m aukščio bokštas su plienine šachta, 36m įgilinta į žemę. Bokštą dengė 20m skersmens 55 tonų metalinis kupolas. Apie 1905 metais įvykusį pirmąjį įrenginio bandymą laikraščiai rašė – „Tesla užžiebė tūkstančius mylių vandenyno padangės!“.
Pats N.Tesla buvo įsitikinęs, kad efektyvaus elektros energijos perdavimo be laidų erdve problema išspręsta. Apie tai jis pareiškė savo kalboje T.Edisono vardo apdovanojimo įteikimo jam metu. Tačiau kaip N.Tesla sugebėjo perduoti elektros energiją 97% efektyvumu dideliais atstumais – nėra žinoma. Po N.Teslos mirties pakartoti jo eksperimentų niekam nepavyko ir belaidis elektros energijos perdavimas buvo užmirštas ilgam laikui.
Naujos senos technologijos
Masačusetso technologijos instituto (MTI) profesoriui M.Soliačičiui kilo mintis rasti būdą pakrauti mobilius telefonus, nešiojamus kompiuterius ir kitus įrenginius nuotoliniu būdu nenaudojant laidų.
Transformatoriuose ir elektros varikliuose elektros energija tarp atskirų apvijų perduodama joms nesiliečiant. Tai vyksta elektromagnetinės indukcijos būdu. Jei būtų galima prailginti elektromagnetinės indukcijos veikimo zoną, tai elektros energiją galima būtų perduoti, pavyzdžiui, iš vieno kambario kampo į kitą. MTI mokslininkams, vadovaujant M.Soliačičiui, pavyko sukurti ir išbandyti saugaus tokiu būdu perduodamos energijos mechanizmą: energija iš šaltinio siunčiama kryptingai į imtuvą, nustatytą siunčiamam dažniui, ir erdvėje nesisklaido. Šiuo principu 2007 metais jiems pavyko užžiebti lemputę, esančią 2m atstumu nuo energijos šaltinio. Eksperimentinį įrenginį sudarė: dvi varinės 60cm skersmens ritės, prie energijos šaltinio prijungtas siųstuvas ir imtuvas su prijungta kaitinimo lempute. Siųstuvo ir imtuvo kontūrai buvo suderinti 10MHz rezonansiniam dažniui. Lemputė imdavo švytėti kai siųstuvo elektromagnetinės spinduliuotės poveikyje atsidūrusio imtuvo kontūre pradėdavo tekėti elektros srovė. Ji švietė net ir tada kai tarp ričių buvo patalpinti įvairūs mediniai ar metaliniai daiktai, elektronikos įrenginiai. Šio įrenginio naudingumo koeficientas – 40-45%, bet tai, anot M.Soliačičiaus – tik pradžia.
Be minėto profesoriaus šioje srityje dirba daug kitų mokslininkų įvairiose šalyse. Jų pagrindinis tikslas – ženkliai padidinti energijos perdavimo atstumą ir efektyvumą.
Ne mažiau svarbu sukurti saugų belaidį elektros energijos transportavimo būdą. Būtent dėl to, Rusijos žemės ūkio mokslų akademijos akademikas D.S.Strelkovas mano, kad MTI mokslininkų sukurtas mechanizmas netaps šio būdo tobulinimo pagrindu ateityje vien dėl to, kad amerikiečiai bandymų metu naudoja energetikoje superaukštą dažnį – 10 MHz. Ano jo, naudojant panašius ir dar didesnius dažnius, žmonės atsidurtų savotiškoje mikrobangų krosnelėje. Tokiu būdu, nejausdami to, būtume kaitinami erdvę užpildžiusio elektromagnetinio smogo.
Kokia numatoma ateitis?
Akademikas D.S.Strelkovas mano, kad ateityje efektyviai perduoti elektros energiją dideliais atstumais naudojant mažiau laidų – visai realu. Tam tikslui pasiekti būtina naudoti kitas technologijas. Viena tokių saugių technologijų, kurią siūlo šio akademiko vadovaujama Rusijos mokslininkų grupė, paremta rezonansiniu elektros energijos perdavimu požeminėmis izoliuotomis vienlaidėmis linijomis, kuriomis perduodant netgi TW (teravatų) galingumo srautus nuostoliai siektų tik 3-4%. Ateityje tai gali tapti realybe dėka seniai pamirštų N.Teslos atradimų – stacionarių bangų, rezonansinių režimų, fazių poslinkio tarp srovės ir įtampos, elektrostatinės (ne elektromagnetinės) indukcijos dėsnių ir naudojant žymiai mažesnius 1-20kHz dažnius.
Taigi, elektros energetika nestovi vietoje – tai kas šiandien yra įprasta, ateityje gali būti laikoma atgyvena. Kokie bus novatoriški elektros perdavimo būdai priklausys ir nuo Jūsų – būsimųjų elektrikų, elektros inžinerijos specialistų. Tad kūrybai ir savęs realizavimui yra labai plačios galimybės.
Artūras Gavėnas
