CC BY
18УДК 629.733 : 539.124
А.И. Салмин
ПРОБЛЕМА СОЗДАНИЯ АЭРОСТАТА, ЗАПОЛНЕННОГО ЭЛЕКТРОНАМИ
ВМЕСТО ПОДЪЁМНОГО ГАЗА
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
В статье обсуждается аэростат, заполненный электронами вместо подъёмного газа. Чтобы электроны не покидали оболочку, её внутренние стенки заряжены отрицательно. Для этого они выполнены в виде трёхслойного аккумулятора электроэнергии: внутренний слой - катод, наружный слой - анод, между ними слой сепаратора, заполненный электролитом. Есть ещё внешний слой защитной диэлектрической оболочки. Чтобы создать такую оболочку, специалисты должны рассмотреть ряд вопросов. Показывается, что не произойдёт пробой стенки аккумулятора, хотя внутри оболочки содержится большой заряд. Исследуется влияние вакуума на катодный слой оболочки. Показано, что электроны не оседают на стенки оболочки. Доказывается, что сила Кулона, которая возникает при взаимном отталкивании электронов, достаточна для противостояния атмосферному давлению. Оценивается масса плёночного аккумулятора в составе оболочки. Объясняется, почему не происходит разряда молнии снаружи оболочки.
Ключевые слова: аэростат, дирижабль, дирижаблестроение, электрон, давление, аккумулятор, парадокс.
В XXI веке конкуренция между самолётами и дирижаблями, видимо, как и в ХХ веке, решится в пользу самолётов, то есть самолётов в небе будет больше, чем дирижаблей. Но по мере иссякания легко доступных залежей нефти, когда дорого станет сжигать керосин в двигателях самолётов, инженеры вновь обратятся к строительству дирижаблей, расход топлива у которых гораздо меньше, чем у самолётов. Дирижаблям не требуется топливо для создания подъёмной силы, оно им нужно только для движения в отличие от самолётов. Конечно, будет развиваться производство топлива из растительного сырья, но оно ограничено приростом биомассы культурных растений в летний период и необходимостью расходовать большую часть этой биомассы на еду. Тогда дирижабли станут наряду с самолётами массовым видом транспорта.
Специалисты подсчитали, что мировая потребность в дирижаблях (без учёта России) составляет порядка 1000-1268 кораблей [1]. Если же использовать дирижабли в качестве летающих автомобилей и организовать их интенсивное регулируемое движение в воздухе [8, 10], то потребности в дирижаблях будут сопоставимы с численностью автомобильного транспорта. Но на пути массового производства дирижаблей возникает неожиданное препятствие. Использовать горючий водород в качестве подъёмного газа опасно. Дирижаблестрои-тели находятся под впечатлением аварий дирижаблей 1930-х годов, когда заполненные водородом дирижабли сгорали как факелы. Запасы же гелия в природе ограничены, может не найтись гелия для заполнения тысяч дирижаблей. Кроме того, изъятие гелия из природы может оказаться небезопасным. Экологи уже давно обсуждают проблемы озоновой дыры в атмосфере [6]. Если из верхних слоёв атмосферы изъять ещё и гелий, добывая его оттуда, то возникнет гелиевая дыра, что может создать новые экологические проблемы. Гелий не поглощает свет в ультрафиолетовом диапазоне, только в видимом. Чем вреден поглощаемый гелием в верхних слоях атмосферы свет мы узнаем только после его попадания в избыточном количестве на Землю. О последствиях можно пока только гадать и выдвигать разные гипотезы. Например, растения начнут производить более низкокачественный кислород, используемый нами для дыхания. Последствия могут оказаться столь тонкими, что мы поздно поймём их суть, и не сможем вовремя исправить положение.
Выход из создавшейся ситуации видится в том, чтобы использовать вместо подъёмного газа электроны, которые мы можем получить в сколь угодно большом количестве. Дири-
© Салмин А.И., 2012.
жабли с оболочкой, заполненной электронами, станут дирижаблями нового, четвёртого поколения [9].
Условно классификацию дирижаблей по поколениям можно представить следующим образом. Дирижабли второго поколения (цеппелины) выполняли функции, ставшие впоследствии функциями самолётов (бомбардировка, разведка, перевозка пассажиров и грузов между портами). Дирижабли первого поколения - это те экспериментальные образцы, которые строились до цеппелинов, чаще всего использующие нагретый воздух в качестве подъёмного газа. Дирижабли первого поколения с нагретым воздухом активно используются в спортивных целях до настоящего времени. Дирижабли третьего поколения - те, которые были спроектированы после цеппелинов и выполняют функции на стыке воздушного и водного транспорта или воздушного и наземного транспорта (строительство, сельское хозяйство, спорт, лесоводство, рыбоводство, коммунальное хозяйство, доставка самолётов и космических кораблей и т. д.).
Дирижабль четвёртого поколения имеет заряженную оболочку. В простейшем случае, чтобы поддерживать одноимённый с электронами отрицательный заряд на внутреннем слое оболочки, оболочка изготавливается в форме аккумулятора электроэнергии [9]. Внутренний слой с отрицательным зарядом играет роль катода, следующим слоем является сепаратор, пропитанный электролитом, следующий слой играет роль анода, он положительно заряженный, и последний наружный слой - диэлектрическая защитная оболочка. Внутрь такой заряженной оболочки можно поместить любые заряженные составляющие атом частицы, в том числе положительно заряженные, тогда слои оболочки придётся поменять местами, чтобы положительно заряженный слой был внутри. Но электрон - это единственная надёжная стабильная частица, остальные частицы имеют время жизни, поэтому не подходят для решения рассматриваемой задачи. Кроме того, с помощью простейшей телевизионной электронной пушки мы можем получить любое количество электронов. Чтобы получить большое количество других частиц, потребуется длительная работа ускорителя, которая обесценивается в связи с коротким временем жизни частиц. Поэтому электрон - наиболее подходящее содержимое для заряженной оболочки.
Наличие электронов в оболочке позволяет сделать её стенки достаточно тонкими. Известно, что вакуумный дирижабль, то есть дирижабль, содержащий вместо подъёмного газа внутри оболочки вакуум, невозможно построить, поскольку его стенки должны быть такими толстыми, что их вес будет превышать подъёмную силу аэростата [2]. Вакуум не способен противостоять атмосферному давлению, поэтому, чтобы не допустить, чтобы шар лопнул, требуется делать стенки оболочки массивными. В оболочке, заполненной электронами, в ответ на внешнее атмосферное давление, пытающееся сжать её, электроны отталкиваются друг от друга кулоновскими силами, не позволяя оболочке схлопываться. Поскольку кулоновские силы и отталкивание электронов друг от друга растут при сближении электронов, увеличению внешнего давления будет противостоять всё увеличивающаяся сила отталкивания электронов друг от друга. Поэтому оболочка с электронами может существовать в атмосфере других планет, чьё атмосферное давление больше земного, а также под водой, в гидросфере Земли. При погружении оболочки с электронами под воду она будет сжиматься за счёт уменьшения расстояния между электронами при увеличении внешнего давления до того момента, как произойдёт пробой аккумулятора оболочки. Чем больше объём оболочки, тем больше количество электронов в ней, и тем позже наступит пробой оболочки.
Возможно экспериментально найти, сколько электронов п мы запустили в оболочку, исходя из времени включения электронной пушки г, силы тока в ней I и заряда электрона е
п = I: (ег). (1)
Если мы, регулируя силу тока и время включения электронной пушки по формуле 1, заполним оболочку объёмом 1 м3 таким же количеством электронов, каково количество молекул водорода, то их масса будет меньше массы такого же по количеству молекул водорода
во столько же раз, во сколько масса электрона меньше массы молекулы водорода, то есть в 7354 раза.
Практическое наполнение оболочки электронами подразумевает ответ на ряд вопросов. Первый вопрос: достаточна ли сила Кулона, которая возникает при взаимном отталкивании электронов, для противостояния атмосферному давлению? Не понадобится ли слишком большая концентрация электронов, технически недостижимая, чтобы сопротивляться атмосферному давлению?
Для ответа на этот вопрос построим следующую модель. Мысленно проведём вертикальную ось, протыкающую оболочку в любом её месте. На этой оси будет располагаться сверху маленький участок верхней части оболочки, который давит на электроны сверху, снизу - маленький участок нижней части оболочки, который давит на электроны снизу, а между ними вдоль оси будет располагаться стопка электронов, которая сжимается непосредственно этими двумя участками оболочки. Электроны не будут располагаться строго один под другим, будут отклоняться от оси влево и вправо, но для оценочных расчётов можно их считать располагающимися строго один под другим с некоторой погрешностью, средним отклонением. Таких вертикальных осей можно провести очень много, хотя и не бесконечное число раз. Площадь участков оболочки, сжимающих каждую стопку электронов, будет мала, но не бесконечно мала. Линейные размеры участков оболочки сопоставимы со средним размером электрона, поскольку размеры стопки в горизонтальной плоскости ограничены размером электрона. Может возникнуть вопрос, как молекулярное давление воздуха передаётся на площадку, пропорциональную размерам электрона, то есть намного меньшую, чем размеры молекул. Оболочка играет роль рычага, передающего это давление. Давление на стопку воспринимает горизонтальная площадка, покрывающая пространство над и между соседними стопками электронов, расстояние между которыми сопоставимо со средним расстоянием между электронами. Но передаётся давление на участок, сопоставимый с размерами электрона.
Сначала рассчитаем силу Кулона, действующую между двумя соседними электронами в стопке. Для этого потребуется оценить среднее расстояние между соседними электронами. Пусть концентрация электронов равна концентрации молекул водорода в такой же по объёму оболочке при нормальных условиях. Вычислим число молекул водорода в объёме 1 м . 1 моль водорода содержит, как и все газы, число молекул, равное числу Авогадро: ЫА = 6,022 1023 моль-1. 1 моль водорода, как и все газы при нормальных условиях, составляет объём УшолЬ = 22,4 10-3 м3. В 1 м3 водорода содержится
1000 : 22,4 10-3 = 44642,8 моль водорода. (2)
В 1 м водорода содержится число молекул ЧН1
ЧН1 = 44642,8 ЫА = 44642,8 6,022045 1023 = 268838,9 1023. (3)
В одном измерении содержится в корень из трёх раз меньше молекул или электронов, чем в объёме. Тогда число электронов в стопке ЧСТ
ЧСТ = (2688389 1024 )1/3 = 29,95 108 штук . (4)
Тогда расстояние между двумя соседними электронами в стопке гст, оно же среднее расстояние между электронами, равно
гст = 1 м : ЧсТ = 1 м : 29,95 108 = 3,33 10-10 м. (5)
Подставим это число в формулу для силы Кулона
^кл = е2 : (4п 80 О = (1,602 10-19 Кл)2 : (4 3,14 8,85 10-12 Ф/м (3,33 10-10 м)2 ) =
= 2,08 10-9 Н (6)
Чтобы вычислить силу, которой атмосфера давит на стопку электронов, запишем условие, подобное условию рычага. Как было сказано ранее, сила атмосферного давления ^АТМ давит на квадратную площадку в составе оболочки, сторона которой равна расстоянию
между стопками электронов или среднему расстоянию между электронами гст. Сила Кулона Fk.^ действующая со стороны электрона, давит преимущественно на квадратную площадку, сторона которой равна диаметру электрона или удвоенному радиусу электрона 2re. Из равенства электрического и атмосферного давлений следует уравнение, отдалённо напоминающее уравнение рычага
Fk. : 4 r2 = Fatm : rj. (7)
Чтобы наглядно понять уравнение 7, представьте себе ногу в ботинке, наступившем на не до конца вбитый гвоздь. Нога давит на всю подошву ботинка, но гвоздь давит не на всю подошву, а только на площадку над шляпкой гвоздя. За счёт разной площади распределения силы меньшая сила со стороны гвоздя уравновешивает большую силу со стороны ноги. Из уравнения 7 выразим силу Кулона, действующую со стороны электрона, через атмосферное давление РАТМ :
Fk. = (Fatm : rj) 4re2= Ратм 4re2 = 101325 Па 4 (2,8 10-15 м)2 = 31,77 10-25Н. (8)
Сравнивая силы в формулах 6 и 8, мы видим, что сила, требующаяся для уравновешивания атмосферного давления, много меньше силы отталкивания электронов при концентрации электронов, равной концентрации молекул водорода в нормальных условиях. Чтобы электроны не разорвали оболочку, их количество в стопке должно быть во много раз меньше, чем количество молекул водорода в стопке такого же размера в оболочке такого же объёма в нормальных условиях. Возможно посчитать количество электронов в оболочке объёмом 1 м3. Но при подсчёте электрической силы, уравновешивающей атмосферное давление, следует учитывать, что на площадку 4^2,равную квадрату диаметра электрона или учетверённому квадрату его радиуса, давит электрическая сила не со стороны одного электрона, а нескольких. Их электрические силы по правилу суперпозиции необходимо сложить. При подсчёте следует сложить электрические силы, действующие со стороны первого и второго электронов стопки, а также со стороны первых электронов четырёх соседних стопок. Влияние более удалённых электронов менее выражено, поскольку кулоновская сила падает с квадратом расстояния, поэтому им пренебрегаем. Сила, действующая со стороны атмосферного давления Fatm, равна
Fk. = Ратм rj = F01 + F02 + Fn + F21 + F31 + F41. (9)
Здесь РАТМ - атмосферное давление, гст - среднее расстояние между электронами, а также между первым электроном внутри оболочки и электроном в составе иона оболочки, F01 - сила, действующая на электрон в составе иона оболочки со стороны первого электрона стопки, F02 - сила, действующая на электрон в составе иона оболочки со стороны второго электрона стопки, F11 - сила, действующая на электрон в составе иона оболочки со стороны первого электрона первой соседней стопки, F21 - сила, действующая на электрон в составе иона оболочки со стороны первого электрона второй соседней стопки, F31 - сила, действующая на электрон в составе иона оболочки со стороны первого электрона третьей соседней стопки, F41 - сила, действующая на электрон в составе иона оболочки со стороны первого электрона четвёртой соседней стопки.
F01 = e2 : (4 п 80 rj), (10)
F02 = e2 : (4 п 8о (2r СТ )2), (11)
F11 = F21 = F31 = F41 = e2 : (4 п 80 (20,5 rCT )2). (12)
В формуле 11 расстояние гст удвоено, поскольку второй электрон находится в два раза дальше от электрона в составе иона оболочки, чем первый электрон. В формуле 12 расстояние гст содержит множитель 20,5, поскольку по теореме Пифагора расстояние rx между электроном в составе иона оболочки и первым электроном соседней стопки равно корню квадратному суммы расстояния между первым электроном стопки и электроном в составе иона
оболочки в квадрате гст2 и расстояния между первыми электронами соседних стопок в квадрате гст2:
Гх = (гст + Гст ) 2 Гст • (13)
Если мы подставим формулы 10-12 в формулу 9, то сможем найти среднее расстояние между электронами гст:
^КЛ = (е2 / 4 П80) ((1/ Гст2) + (1/ 4Гст2) + (1/ 2гст2)> (14)
Отсюда
гСт = (3,25 / 4п80 ^кл)0,5^ = (3,25 / 4 3,14 8,85 10-12 Ф/м 31,77 10-25 Н)0,5 1,602 10-19Кл =
= 1,54 10-3 м. (15)
Тогда, согласно формуле 5, число электронов в стопке должно быть
Чст = 1 : Гст = 1 м : 1,54 10-3 м = 649 штук. (16)
В 1 м3 число электронов Че должно быть
Ч = (Чст)3= 273359449 штук. (17)
Тогда полный заряд Q электронов в аэростате объёмом 1 м3 будет составлять произведение числа электронов на заряд электрона:
Q = Че e = 273359449 1,602 10-19 = 437,9 10-13 Кл. (18)
Таким образом, для достижения поставленной задачи наполнения оболочки не требуется концентрировать в оболочке большой заряд.
Второй вопрос практического наполнения оболочки электронами: не произойдёт ли пробой стенки аккумулятора, поскольку внутри оболочки содержится большой заряд?
Чтобы произошёл пробой, энергия аккумулятора, которая тратится на разведение положительных и отрицательных зарядов (на создание разности потенциалов между анодом и катодом), должна стать меньше, чем энергия давления электронов изнутри оболочки, которая равна энергии встречного ему атмосферного давления.
Энергию аккумулятора можно оценить, например, вырезав кольцеобразный элемент из оболочки. Максимальная мощность Р такого аккумулятора будет
Р = / 80 4 (19)
Здесь 80 - электродвижущая сила источника, ¡0 - ток зарядки или разрядки.
При ширине кольцеобразного элемента 4,5 см, что соответствует длине аккумуляторной пальчиковой батарейки, создаваемая им ЭДС равна 1,5 В, а ёмкость составляет величину порядка 1500 мА час [3]. Хотя в специальной литературе последняя величина называется ёмкостью, по размерности она является зарядом q, перенесённым для создания разности потенциалов между анодом и катодом. Ёмкость целой оболочки будет превышать ёмкость кольцеобразного элемента. Энергия кольцеобразного элемента аккумулятора будет
Е = Р М = У2 80¡0 М = !/2 80 q = !/2 1,5 В 1,5 А час : 3600 = 0,0003125 Дж. (20)
Здесь М - промежуток времени, на протяжении которого совершалась работа по разделению зарядов между анодом и катодом, 3600 - количество секунд в часе. В каждой точке кольцеобразного элемента аккумулятора электрону надо преодолеть именно такую энергию, чтобы пробить аккумулятор, то есть чтобы соединиться с положительным зарядом на противоположном его электроде и нейтрализовать его, создав условия для утечки электронов из оболочки.
Мы уже рассчитывали кулоновскую силу, действующую со стороны ближайших электронов на оболочку. Согласно формуле 8 она равна 31,77 10-25Н. Эта сила должна переместить электрон или отрицательно заряженный ион катода через катод и сепаратор до анода. Примем толщину катода 1 мм, толщину сепаратора 1 мм. То есть расстояние 1, на которое необходимо произвести смещение равно 2 мм. Работа по перемещению единичного заряда будет равна
А = Fкл I = 31,77 10-25Н 2 10-3 м = 63,54 10-28 Дж. (21)
Сравнивая это значение с формулой 20, приходим к выводу, что полученное значение на 32 порядка меньше значения, которое требуется для пробоя аккумулятора. Оценка произведена для описанного в печати [3] аккумулятора в форме пальчиковой батарейки. Как будет показано далее, для оболочки понадобится плёночный аккумулятор. Однако расчёт произведён для аккумулятора в форме пальчиковой батарейки. Для плёночного аккумулятора итоговое значение в формуле 20 придётся уменьшить примерно на 9 порядков, что всё равно по сравнению с итоговой формулой 21 на 19 порядков меньше. Таким образом, оболочка должна выдержать атмосферное давление.
Необходимо отдельно объяснить поведение электронов внутри массива. Разогнанные в ускорителе электроны пробивают любую электрическую пробку. Но в нашем случае мы имеем дело с медленными электронами, которые, в силу тесноты их расположения внутри оболочки не имеют места разогнаться, соударяясь друг с другом, и не имеют разгоняющей силы кроме создаваемой маломощной электронной пушкой, которая после заполнения оболочки выключается. После выключения пушки быстрые электроны осядут на аноде, в оболочке останутся только медленные электроны.
Третий вопрос практического наполнения оболочки электронами: каково влияние вакуума на катодный слой оболочки?
Внутри оболочки с электронами создан высокий вакуум с давлением 0,01 Па. То есть внутри оболочки присутствуют остатки воздуха, попавшие туда при её изготовлении, но незначительное количество. Особенностью вакуума является испарение конструктивных материалов, которые в нём находятся [4]. Благодаря особенностям конструкции оболочки, это испарение в готовой оболочке будет сведено к минимуму. Дело в том, что с поверхности катодного слоя оболочки будут пытаться испариться отрицательные ионы, составляющие катодный слой. Но внутри оболочки не просто вакуум, там находятся ещё и электроны. Это особая среда - вакуум, заполненный электронами. Точно так же, как катодный слой препятствует электронам проникать в оболочку, будет происходить обратный процесс, электроны будут мешать испарившимся одноимённо заряженным ионам покидать оболочку. В составе катодного слоя есть ещё и не заряженные атомы железа. В случае их диффузии электроны будут оседать на орбиталях атомов железа, и образовавшиеся таким образом ионы железа будут прижиматься обратно к катодному слою вблизи места своего выхода электростатической силой, действующей со стороны не осевших электронов. Так вокруг катодного слоя возникнет сплошной слой диффундировавших ионов железа. Этот слой предотвратит дальнейшую диффузию атомов железа, которые окажутся не в вакууме, а в окружении ионов железа.
Единственная возможность для испарения возникает в процессе заполнения оболочки. Перед тем, как наполнить оболочку электронами, из неё выкачивают воздух. Тогда катодный слой оболочки соприкасается с вакуумом, и ничто не мешает испаряться веществу катода. Разумеется, что катодный слой оболочки - сплошной слой, сквозь него не могут проникать в вакуум ионы электролита, заполняющие слой оболочки, служащий сепаратором между катодом и анодом.
Таким образом, перед изготовителями оболочки встаёт задача: из чего должен быть сделан катодный слой оболочки, чтобы он не повредился и не испарился в процессе откачки воздуха из оболочки?
Распространённые металл-гидридные аккумуляторы для оболочки не подходят, поскольку гидрид металла невозможно изготовить в виде сплошного слоя. Гидриды щелочных и щёлочно-земельных металлов - это кристаллы [5]. Единственное исключение - это гидрид магния [5]. Но гидрид магния имеет низкую температуру плавления и разложения - 3000С [5]. А известно, что чем ниже температура плавления, тем лучше испаряется в вакууме вещество. Поэтому эта группа материалов для катодного слоя не подходит.
Никель-кадмиевые, серебряно-кадмиевые, серебряно-цинковые аккумуляторы тоже не
подходят для вакуумной среды. Температура плавления кадмия - 2500С, цинка - 4200С, специалисты не рекомендуют использовать эти два материала при соприкосновении с вакуумом [4].
Свинцовые аккумуляторы тоже не подходят из-за низкой температуры плавления свинца - 3300С [4].
Остаются только никель-железные аккумуляторы. Железо в качестве катодного слоя выглядит достаточно надёжным, чтобы выдержать вакуум и образовать сплошной слой материала катода.
Четвёртый вопрос практического наполнения оболочки электронами: будут ли электроны оседать на стенки оболочки?
При ответе на этот вопрос мы сталкиваемся с парадоксом. Согласно одним законам физики они будут оседать, согласно другим законам физики не будут.
С точки зрения закона Кулона электроны не должны оседать на стенки оболочки. Между отрицательными ионами оболочки и электронами, приближающимися к оболочке, возникает сила отталкивания по закону Кулона.
С точки зрения заряженной сферической поверхности оболочки электроны должны оседать на стенки оболочки. Оболочка с электронами не представляет из себя однородно заряженный шар. Природа заряда оболочки другая, чем у её содержимого из электронов. Заряды катодного слоя оболочки - ионы, а внутри оболочки находятся электроны, поэтому смоделировать эту систему однородно заряженным шаром не получится. Катодный слой возможно смоделировать однородно заряженной сферой, состоящей из ионов, внутрь которой поместили электроны. Но тогда получается, что однородно заряженная сфера не создаёт напряжённости поля внутри себя, потенциал внутри неё одинаковый во всех точках [7], и если поместить в такую сферу электроны, на них не будет действовать со стороны стенок сферы электрическая сила, они осядут на оболочке.
Две закономерности физики не могут противоречить друг другу. Следовательно, существует некий параметр и его значение, при котором до достижения этого значения соблюдается закон Кулона, при превышении этого значения действует закономерность заряженной сферы. В качестве такого параметра можно предложить расстояние от электрона внутри массива до ионов катодного слоя оболочки.
Если рассматривать макроскопическую систему, то есть взять большое расстояние от иона внутри катодного слоя оболочки до электрона, действует закономерность сферически заряженной поверхности, на электрон не действует сила со стороны оболочки. Если рассматривать микроскопическую систему или даже наносистему, на малых расстояниях, соизмеримых с величиной иона со стороны иона на электрон действует сила Кулона, электрон отталкивается. При подлёте электрона к иону он не может миновать малого расстояния до иона, поэтому электроны не оседают на оболочке, они отталкиваются силой Кулона.
Возможно поставить эксперимент с целью демонстрации архимедовой силы, создаваемой заряженной оболочкой с помещёнными внутрь неё электронами, и демонстрации того, что электроны не осаждаются на стенке оболочки. Если такую оболочку в сложенном состоянии без электронов взвесить на весах, а потом заполнить электронами и снова взвесить, то оболочка с электронами будет весить меньше пустой оболочки благодаря наличию архимедовой силы. Подобный эксперимент автор проделывал с электрическими лампочками. Если лампочку поместить в целлофановый пакет во избежание разлетания осколков, наклеить на место будущего прокола скотч, и взвесить, а затем гвоздём проделать отверстие в лампочке в месте, где наклеен скотч, и снова взвесить, дырявая лампочка будет весить на несколько миллиграммов больше, чем целая, благодаря создаваемой вакуумом внутри лампочки архимедовой силе. Аналогичным образом можно поступить с оболочкой, заполненной электронами, и пустой оболочкой.
Для описанного эксперимента понадобится конусообразная оболочка. Внутри оболочки в вершине конуса помещается плоский круглый катод радиусом порядка 5 мм, а в круглом основании конуса помещается плоский круглый анод диаметром порядка 10 см. Ма-
лый радиус катода объясняется тем, что для эмиссии с него электронов его требуется нагревать. Катод снабжён нагревательным элементом. Можно в качестве катода взять электронную пушку телевизора от электронно-лучевой трубки. Коническая оболочка помещается на весы, и вместе с ними помещается в вакуумную камеру. В заполненной воздухом вакуумной камере заполненная воздухом коническая оболочка взвешивается. После этого из оболочки отдельным насосом и из камеры своим насосом откачивается воздух. Далее на анод конической оболочки и катод электронной пушки подаётся напряжение порядка 25 кВ. При этом внутренняя полость оболочки напоминает электронно-лучевую трубку, но вместо экрана у неё служит анод. Электроны заполняют коническую оболочку. Потом ток и напряжение выключаются. Камера при этом не схлопывается под силой тяжести, поскольку внутри неё остаются электроны, не осевшие на аноде. Далее вакуумная камера снаружи оболочки заполняется воздухом, оболочка при этом не схлопывается под действием атмосферного давления, поскольку электроны внутри неё отталкиваются друг от друга силой Кулона. Далее оболочка повторно взвешивается. Заполненная электронами оболочка должна весить меньше заполненной воздухом оболочки.
Так в общих чертах выглядит эксперимент. Можно указать на некоторые подробности. Например, чтобы электроны не покидали свободно коническую оболочку через отверстие для шланга, через которое откачивали воздух, необходимо канал для отвода воздуха согнуть на 900. Начальный участок канала для отвода воздуха, загнутый на 90 градусов, делается в виде аппендикса из материалов оболочки, куда вклеиваются распорные кольца. Дальний участок канала для отвода воздуха делается из резины и приклеивается к начальному участку. Саму камеру следует положить в целлофановый пакет для более удобного перемещения и взвешивать вместе с пакетом. К аноду следует присоединить не один провод в центре, а разветвлённый провод, концы которого радиально расходятся к краям круга анода и присоединяются в центре и по краям анода, чтобы поток электронов более равномерно распределялся по аноду и по пространству внутри оболочки.
Пятый вопрос практического наполнения оболочки электронами: как снизить вес оболочки?
Если использовать трёхслойный аккумулятор, который используется в пальчиковых батарейках, то его вес слишком тяжёл для стенки аэростата. Необходимо разработать плёночный аккумулятор. Оценим его размеры. Масса воздуха твозд , которую содержит оболочка в виде круглого шара радиусом R= 3 м равна
твозд = Рвозд Квозд = Рвозд 4 п Я3 : 3 = 1,298 кг/м3 4 3,14 27 м3 = 113,04 кг. (22)
Здесь рвозд - плотность воздуха, Увозд - объём воздуха в шаре, если заполнить шар воздухом, а не электронами. По закону Архимеда приблизительно такую массу (за вычетом массы электронов) способен поднять шар, если его заполнить электронами. Из этой массы нужно вычесть массу оболочки. То есть масса оболочки должна быть на порядок меньше этой величины, чтобы шар мог поднять значимый груз. Оценим массу катодного слоя тк
тк = Рстали Ук = Рстали 4 п Як2 й = 7,7 103 кг/м3 4 3,14 9 м2 2 10-5 м = 17,40 кг . (23)
Здесь рстали - плотность стали (железа катода), Ук - объём катода, Я - радиус катода, й - толщина катода. Оценим массу сепаратора и анодного слоя, предположив, что основой в нём является капрон.
та1 = Ркая У а = (Ркап й) 4 п Я«2 = 0,260 кг/м2 4 3,14 9 м2 = 29,39 кг. (24)
Здесь ркап - плотность капрона, Уа - объём анода, (ркап й) - плотность ткани, измеряемая в единицах массы, приходящейся на метр квадратный площади, Яа - радиус анода, который взят приблизительно как 3 метра. Масса сепаратора приблизительно равна массе анодного слоя, они из материала на одинаковой основе. Реально масса сепаратора и анода будет больше, поскольку они пропитаны электролитом и анодным веществом, но для оценочных расчетов примем к сведению только массу основы. Оболочка при обычной толщине капрона
получится слишком тяжёлая. Толщину капроновой основы необходимо сделать меньше, чтобы она сравнялась с толщиной катодного слоя. Это возможно сделать, если не ткать основу анодного слоя, сепаратора и защитной оболочки, а отливать их целиком из капрона толщиной, меньшей, чем у нити капрона. Если анодный слой и слой сепаратора сделать в пять раз тоньше, то масса этих слоёв mа уменьшится в пять раз:
mа = mа1: 5 = 29,39 кг : 5 = 5,878 кг. (25)
Внешнюю защитную оболочку возможно сделать из изолятора полиэтилена. Её масса будет равна
mз = Рполиэт Vз = Рполиэт 4 пЯз ^э = 0,935 кг/м3 4 3,14 9 м2 5 10-5 м = 5,28 кг. (26)
Здесь рполиэт - плотность полиэтилена, Vз - объём защитного слоя оболочки, ЯЗ - радиус защитного слоя, ёЗ - толщина защитного слоя. Тогда масса стенок шара М равна
М = 17,40 кг + 2 5,878 кг + 5,28 кг = 34,436 кг. (27)
Сравнивая значения формул 22 и 27, делаем вывод, что оболочка с указанными параметрами будет поднимать 78,6 кг груза. Если дирижабль делать, помещая под общую внешнюю оболочку несколько описанных оболочек, то он сможет взять на борт несколько пассажиров с багажом. Оболочку можно использовать и отдельно, например, для создания аэростата, служащего метеорологическим зондом.
Таким образом, для того, чтобы шар описанной конструкции мог взлететь и поднять груз, необходимо использовать плёночный аккумулятор в его оболочке. Американские и японские фирмы выпускают плёночные аккумуляторы, так что данная задача достижима.
Шестой вопрос практического наполнения оболочки электронами: не опасна ли оболочка для людей снаружи, не произойдёт ли разряда типа молнии при приближении человека к оболочке?
Во-первых, разряд молнии - это разряд отрицательных зарядов, электронов, а снаружи находится положительно заряженный слой оболочки, ионы менее мобильны, чем электроны. Отрицательно заряженный слой электрохимическими силами аккумулятора поддерживается внутри оболочки. Во-вторых, анодный слой покрыт снаружи защитным слоем изолятора, который предохраняет оболочку от разряда.
Седьмой вопрос практического наполнения оболочки электронами: будет ли оболочка устойчива при полёте в отрицательно заряженных облаках?
Четырёхслойная оболочка подходит для полётов вблизи поверхности Земли, вдали от облаков. Для защиты от отрицательного заряда облаков требуется добавить к оболочке ещё два слоя противогрозовой защиты. Для этого между наружным защитным слоем и анодным слоем добавляется ещё один слой сепаратора и второй катодный слой при уменьшении толщины слоёв в два раза от исходной толщины по формуле 29 для сохранения веса оболочки. Тогда второй наружный катодный слой будет отталкивать отрицательный заряд из облаков. Кроме того, снаружи оболочки находится защитный слой, который изолирует её от заряда облаков.
Библиографический список
1. Арие, М.Я. Дирижабль нового поколения / М.Я. Арие, А.Г. Полянкер. - Киев: Наукова Думка, 1983. С.136-138.
2. Броуде, В.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты / В.Г. Броуде. - М.: Машиностроение, 1976. С.87-89.
3. Варламов, Р.Г. Современные источники питания. Справочник / Р.Г. Варламов. - М.: ДМК, 1998. С.85-99.
4. Гущин, В.Н. Основы устройства космических аппаратов / В.Н. Гущин. - М.: Машиностроение, 2003. С. 135-140.
5. Гидриды // Химическая энциклопедия. - М.: БСЭ, 1988. Т. 1.
6. Калинин, В. Озоновые дыры // интернет, www.endec.ru / Terra / Str DZ.php
7. Савельев, И.В. Курс общей физики / И.В. Савельев. - М.: Наука, 1982. Т. 2. С. 54-55.
8. Салмин, А.И. Комбинированный летательный аппарат легче воздуха. // Патент на изобретение РФ № 2318697, по заявке № 2006104265/11 от 13.02.2006. С. 18-19.
9. Салмин, А.И. Многослойная аэростатическая оболочка, заполненная электронами // Патент на изобретение РФ № 2376195, по заявке № 2007116200/11 от 27.04.2007
10. Салмин, А.И. О перспективах введения специальности «Воздухоплавательная техника» // Региональные проблемы подготовки специалистов технического профиля: мат. всероссийской конференции; НГТУ. - Н. Новгород, 2002. С. 108-111.
11. Хомская, Е.Д. Нейропсихология / Е.Д. Хомская. - М.: МГУ, 1992. С. 203-212.
12. Хомская, Е.Д. Мозг и эмоции / Е.Д. Хомская, Н.Я. Батова. - М.: МГУ, 1992. С. 116-117.
Дата поступления в редакцию 17.04.2012
A.I. Salmin
PROBLEM OF CREATION OF AEROSTAT, FILLED BY ELECTRONS INSTEAD OF LIFTING GAS
Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.Y. Alekseev
Purpose: Before producing aerostat, filled by elektrons, one would to prove, what it exists. Design/methodology/approach:The article contains theoretical calculations of parameters of aerostat. Findings: In the article aerostat, filled by electrons instead of lifting gas, is discussed. These electrons do not escape cover, its inside walls are charged negatively. For that they are made in the form of three-ply storage of electric power: inside ply is cathode, external ply is anode, between them there is a ply of separator, that is filled by electrolyt. There is still external ply of cleaning out dielectrical casing. So that such a casing would be created, specialists must consider series of questions. One show, a break-down of casing of storage do not happen, though big charge is included in casing. The influence of vacuum is investigated to cathode ply of casing. One show, that electrons deposit to walls of casing. One prove, that the force of Culon, which occur in the presence of mutually repulsion of electrons, is sufficient for opposition atmosphere pressure. One estimate the mass of filmy storage in composition of casing. One explain, why discharge of lightning do not happen from the outside of casing.
Research limitations/ implications: The present study provides a starting-point for further research in the eurasian manufacturing sector.
Originality/ value: The article answer disputable questions by earlier patented application and demonstrate prospects of development of aerostats, filled by electrons, in XXI century.
Key words: aerostat, airship, airship-construction, electron, pressure, storage, paradox.
