CC BY
38РАСТЕНИЯ КАК ЭФФЕКТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
ШУМА В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
Иванов1 И.М. школьник, Иванов1 Е.А. школьник, Цебрук2И.С., Классен2Н.В.
1- Физико-математический лицей, Сергиев Посад, 2-Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, cebruk@issp.ac.ru
DOI: 10.24411/9999-004A-2019-10052
С приходом 21 века резко обострились экологические проблемы, связанные с загрязнением атмосферы земного шара газообразными продуктами сгорания углеводородных топлив. В результате накопления в верхних слоях двуоксиси углерода возник парниковый эффект, вызывающий монотонное повышение средней температуры атмосферы. Это уже нарушает равновесие атмосферы, приводя к непрерывному увеличению частоты тайфунов, ураганов, наводнений, засух и других погодных катаклизмов. Для решения этой проблемы необходимо в краткие сроки развить новые экологически чистые получения производства энергии, которые стали бы альтернативой углеводородной энергетики, которая с учетом тепловых электростанций, авиации, автомобильного, железнодорожного и водного транспорта производит более трех четвертей общей потребляемой человечеством энергии. Эта проблемы обостряется еще и тем, что в связи бурным развитием промышленности в Китае, Индии, Бразилии и других странах с большим количеством населения глобальное потребление энергии быстро возрастает. Среди альтернативных видов энергетики наиболее активно развиваются солнечная и ветровая. Значительное внимание уделяется методам получения электроэнергии от приливных волн, а также энергетике на биоматериалах. Но с энергетической точки зрения остается без внимания энергия шума, производимого различными техническими устройствами, которых становится все больше и больше (автомобили, самолеты, поезда и т.д.). Одним из наиболее шумящих устройств являются ветровые электрогенераторы, которых в связи с быстрым развитием ветроэнергетики становится все больше и больше (уже сейчас в некоторых странах доля электроэнергии, получаемой от ветра, приближается к цифре 30 -40 %). Шум промышленных ветрогенераторов настолько силен, что жилые дома строятся на расстояниях не ближе 300 м, т.к. внутри этого радиуса уровень шума превышает 50 децибел, что при постоянном нахождении в этой зоне опасно для организма (а шум в 120 децибел создает острые болевые ощущения). То есть в зоне площадью почти в 10 гектаров вокруг таких генераторов человеку находиться вредно для здоровья. Для защиты от промышленного шума обычно выстраиваются стенки из металлических щитов, которые значительную часть шума все-таки пропускают.
С другой стороны, высокая плотность энергии акустического шума в этой зоне создает естественный вопрос о его использовании для получения электроэнергии. Интенсивность шума в 100 децибел соответствует потоку энергии 0,01 вт/м2. Если на расстоянии 300 м она не должна превышать 40 дБ (т.е. порядка 10-8 вт/м2, т.к. интенсивность в децибелах определяется логарифмом отношения интенсивностей), то в непосредственной близости от генератора на расстоянии порядка 10 м шум может превысить 150 дБ, а поток энергии - 1000 вт/м2. Это означает, что на шумозащитную стенку высотой 10 м, выстроенную на этом радиусе, будет падать суммарный поток мощностью не менее 600 киловатт или 450 лошадиных сил. Такая энергия, будучи преобразованной в электричество, эквивалентна сжиганию около 40-50 литров бензина каждый час. Это указывает на экологическую и энергетическую целесообразность создания таких ограждений вокруг источников шума, которые не просто поглощали шум, но производили бы из него электроэнергию.
Из литературных данных мы определили, что деревья и кустарники -одни из наиболее эффективных поглотителей шума. С другой стороны, деформация растений, как было ранее показано, создает электроэнергию. Поэтому первой задачей на пути нахождения преобразователей шума в электричество мы приняли исследование генерации электроэнергии растениями при акустических воздействиях.
Методика исследований состояла в облучении комнатных растений или водных суспензий, приготовленных из их листьев, (спатифиллум, фикус, фиалка) звуком той или иной частоты от компьютерной звуковой колонки, на которую подавалось выходное напряжение от звукового генератора. В первой группе экспериментов проводились наблюдения с помощью оптического микроскопа зависимости поведения суспензий от частоты электрического выхода генератора. Во второй группе экспериментов проводилась регистрация электрических сигналов, возникающих при акустическом облучении от звуковой колонки живых растений между двумя электродами, которые были закреплены на листьях исследуемого растения. Сигналы измерялись либо осциллографом, либо мультиметром и изучались их зависимости от частоты и амплитуды звука.
При оптико-микроскопических наблюдениях суспензий было обнаружено, что при некоторых частотах зеленые микрочастицы от растертых листьев начинают совершать возвратно-поступательное движение, хотя при акустическом облучении с другими частотами они остаются неподвижными. Это показывает, что на некоторых акустических частотах в компонентах зеленой массы растений происходят изменения структуры или химического состава, стимулирующие их двигательную активность. Во второй группе экспериментов на листьях растений наблюдались синусоидальные электрические сигналы с частотой, совпадающей с частотой, задаваемой генератором. Это соответствует полученным в нашей группе ранее результатам о генерации электрических потенциалов на растениях при статическом деформировании стеблей или
листьев (если принять в расчет, что акустическое воздействие вызывает знакопеременные деформации листьев и стеблей). Но при этом были обнаружены две особенности: первая состояла в том, что амплитуда сигнала на растении немонотонным образом зависела от подаваемой с генератора частоты: на некоторых частотах величина сигнала достигала максимума. То есть растение проявляло признаки резонансного поведения. При этом резонансные частоты были значительно ниже тех частот, которые наблюдались бы при акустических резонансах на листьях иди стеблях. Поперечные размеры компонентов растений изменялись от нескольких миллиметров до пяти сантиметров. Резонансная частота в таком случае должна соответствовать отношению скорости звука в материале к поперечному размеру резонатора, т.е. листа или стебля. Скорость звука в растениях, которые более чем на 70 % состоят из водных суспензий, должна быть порядка скорости звука в воде (т.е. около 1500 м/сек). При делении этой величины на самый большой удвоенный для резонанса первого порядка размер (0,05 м) возникает частота в 15 000 гц, которая в несколько раз выше наблюдаемых резонансных значений. Следовательно, наблюдаемые максимумы резонансного типа имеют другие причины. Возможно, их природа соответствует резонансам, наблюдаемым в микроскоп на суспензиях, и связана с активизацией движения микро- или нано-частиц в суспензиях, заполняющих ткани листьев или стеблей. Вторая особенность состоит в задержке электрического отклика растения на изменение акустического воздействия, которая составляла не менее 10 секунд. Это указывает на то, что при изменении воздействия в структуре твердых или жидких компонентов растения происходят те или иные изменения. Например, изменяется концентрация микро- и нано-частиц в суспензии, перемещения которых при акустическом облучении растения и дают электрический сигнал. Задержка в реакции растения обусловлена тем, что на изменение состава водной суспензии требуется некоторое время. Так или иначе можно заключить, что электрические сигналы, возникающие в растениях при акустическом облучении связаны, главным образом, не с пьезоэлектрическим откликом твердых тканей, основу которых составляет пьезоэлектрически активная целлюлоза, а иными процессами, в которых участвуют и водные суспензии. Этот вывод позволяет, с одной стороны, понять эффективное поглощение акустической энергии растениями. С другой стороны, этот механизм предопределяет значительное увеличение электрических потенциалов, генерируемых в растениях, по сравнению с обычными пьезоэлектриками. Из этих двух выводов следует заключить, что звукозащитные стенки, описанные выше, следует организовывать не из неорганических материалов, а из зеленых насаждений, которые обеспечат повышенные эффективности как поглощения звука, так и генерируемой при этом электроэнергии. Более детальным обоснованием этого заключения и разработкой соответствующих технических решений мы планируем заниматься в дальнейшем.
Из результатов данной работы можно сделать следующие выводы:
1. Зеленые насаждения способны обеспечить гораздо более эффективное преобразование шума в электроэнергию по сравнению с обычными пьезоэлектрическими преобразователями.
2. Одновременно с преобразованием шума в электричество зеленые насаждения обеспечивают защиту окрестностей от шума значительно эффективнее по сравнению с шумоотражающими стенками, которые широко применяются в настоящее время.
3. Высаживание зеленых насаждений вблизи ветроэлектрогенераторов не только защищает окрестности от их мощного шума, но и значительно повышает их энергетическую эффективность.
