Андрей Солвер, 23 марта 2025 г.

    Из Мексиканского залива мимо Флориды течет мощное морское течение. Это начало Гольфстрима, который пересекает Атлантику и высвобождает накопленное тепло, согревая Европу. Помимо тепла, это течение обладает гигантской кинетической энергией. Флоридское течение переносит около 32 миллионов кубометров воды в секунду со средней скоростью 1,8 м/с, а в некоторых районах, недалеко от Майами, в 30 километрах к востоку, достигает 2,8 м/с.

    Это огромная энергия. Примерно 2470 водосбросов плотины Гувера.

    Возможно ли использовать эту энергию? Банальные предложения по установке подводных турбин наталкиваются на множество инженерных, экологических, финансовых и других проблем и ограничений. Капитальные затраты на строительство любых традиционных генераторов, основанных на ротации, будут очень высокими, а строительство какой-либо крупной инфраструктуры (плотины) на морском дне – буквально нереалистичная утопия.

    Банальный подход не учитывает главного свойства этой мощной морской реки, отличающего ее от всех наземных рек. Этот невидимый козырь дает огромное преимущество перед всеми гидроэлектростанциями мира.

    Это соль. В отличие от пресной речной воды, морская вода является хорошим проводником электрического тока. Электричество можно получать непосредственно из воды, без каких-либо движущихся частей в генераторе. Единственной движущейся частью, линейным ротором, является сама морская вода.

    Со школьных времен мы знаем, что движение проводника в магнитном поле генерирует электрический ток. Электромагнитная индукция была открыта Майклом Фарадеем в 1831 году. Он первый и, скорее всего, последний человек, кто попытался получить электричество из движущейся природной воды. В 1832 году он с помощниками спускал с лондонского моста в Темзу медные листы, подсоединенные к гальванометру.

    Из закона электромагнитной индукции Фарадея следовало, что вода, текущая с запада на восток, пересекает линии магнитного поля Земли и должна вырабатывать электричество. Однако, несмотря на уже довольно высокую чувствительность гальванометров того времени (Ампер, Гаусс и другие ученые уже использовали и постоянно совершенствовали измерительные приборы), обнаружить появление электрического тока из реки не получилось. Это не значит, что его не существует, а что этот электрический ток исчезающе мал.

    Максимальную электрическую мощность можно рассчитать по формуле:

где

v – скорость потока в метрах в секунду, м/с,

B – магнитная индукция  в теслах, Тл,

S – площадь электродов в квадратных метрах, м²,

L – расстояние между электродами в метрах, м,

ρ – удельное электрическое сопротивление воды, в омах × метр, Ω · м.

    Из этой формулы становится ясно, почему эксперимент Фарадея окончился неудачей. Во-первых, индукция магнитного поля Земли очень мала B = 10^–4 Tл и уменьшается еще больше, когда возводится в квадратную степень – 10^–8 Tл или 0.00000001 тесла. Такой маленький множитель в числителе сводит на нет все остальные значения. А во-вторых, удельное сопротивление пресной речной воды довольно высокое – ρ = 100–200 Ω · м, а сопротивление дождевой воды очень высокое – ρ = 20,000 Ω · м, дистиллированная вода считается хорошим изолятором. Большие числа в знаменателе дроби полностью исключают возможность регистрации такой малой электрической мощности.

     Но удельное сопротивление соленой морской воды намного ниже: ρ = 0.2 Ω · м, и знаменатель становится меньше единицы, увеличивая общее значение формулы. В то же время использование мощного магнитного поля постоянных магнитов позволяет получать значительный электрический ток. Современные мощные неодимовые магниты Nd₂Fe₁₄B обладают высокой магнитной индукцией B = 1.2 – 1.4 Tл, они недорогие и производятся в промышленных масштабах. Также вполне подойдут более дешевые магниты Alnico, из сплава алюминия, никеля и кобальта с B = 1.0 – 1.25 Tл.

    Удивительно, что за последние 193 года после исследований Фарадея наука шагнула далеко вперед: магнитная гидродинамика позволила создать мощные промышленные MHD–генераторы, работающие на высокотемпературной плазме при тысячах градусов со сверхзвуковыми скоростями. Сверхпроводники, охлаждаемые жидкими газами, используются для усиления магнитного поля, а MHD–насосы перекачивают расплавленные металлы в ядерных реакторах... Однако за почти два столетия никто не предложил работающей технологии прямого получения электроэнергии из движущейся воды.

     За исключением общих дискуссий о такой возможности и фантастического романа, в котором идея Фарадея была перенесена в океан с нелепым предложением установить контакты размером в 1 км ² (!) и расстоянием между ними в 100 м. Не будем здесь обсуждать масштаб мыслей автора, а только подсчитаем по формуле – такая гигантская конструкция могла бы выдавать максимальную мощность P_max = 1 Ватт.

     Несмотря на хорошо известную пригодность солевых электролитов для МГД–генерации электроэнергии, основные разработки устройств были направлены на использование энергоемкой плазмы из-за главных параметров: низкого сопротивления ρ ионизированной среды и высокой скорости v потока. Более того, квадрат делает скорость ключевой характеристикой: если нужна высокая мощность, то должна быть высокая скорость. Поэтому все забыли о медленном течении природных вод. В конце концов, увеличить скорость морского течения невозможно... Или всё таки можно?

     Давайте обратимся к истокам гидродинамики, к соотношению Бенедетто Кастелли, и для наглядности представим трубку Вентури. Скорость потока v обратно пропорциональна площади сечения S.

     Согласно закону сохранения и уравнению неразрывности, все три окрашенных объема равны, но длины L через которые проходит вода за один и тот же промежуток времени, различны. На изображении скорость воды v₂ в узкой части трубы почти в 9 раз выше, чем в широких частях v₁ и v₃.

    Узкое и быстрое Флоридское течение между Мексиканским заливом и Атлантикой можно рассматривать как большую трубку Вентури, и, рекурсивно размещая такие же элементы, скорость течения можно увеличить до очень больших значений.

     В представленном электрической ячейке площадь поперечного сечения щели составляет 5 % от общей площади водозабора. Таким образом, скорость морского течения, равная 2 метрам в секунду, легко превращается в 2 / 0.05 = 40 м/с. Это, конечно, не сверхзвуковая скорость (более 331 м/с в воздухе), но вполне достаточная для МГД–генерации электроэнергии. Все, кто поливал из шланга, знают как скорость воды увеличивается при уменьшении выходного отверстия.