Грозовая энергетика, как перспективный источник энергии
Это направление пока еще можно назвать теоретическим. Его суть состоит в том, чтобы улавливать энергию молний с последующим перенаправлением ее в электросети. Такой источник энергии является возобновляемым, специалисты относят его к альтернативным, иначе говоря, экологически безопасным.
Как мы помним из школьного курса, образование молний представляет собой довольно сложный процесс. Из наэлектризованных облаков по направлению к земле устремляется главный разряд, сформированный электронными лавинами, объединенными в стримеры (разряды). За этим разрядом-лидером образуется горячий ионизированный канал. В свою очередь, по этому каналу в направлении от Земли движется главный разряд молнии, который вырывается с поверхности под действием мощного электрического поля. Процесс протекает молниеносно, повторяясь по несколько раз за долю секунды. Главная задача – уловить этот разряд и направить его в электросеть.
О преимуществах
Небесным электричеством люди заинтересовались очень давно. Стоит вспомнить Бенджамина Франклина, который в своих опытах запускал во время грозы воздушных змеев и в результате понял, что они собирают электрические заряды.
Если говорить об энергии молний, то в одном разряде собрано пять миллиардов джоулей чистейшей энергии, эквивалентной 145 литрам бензина. Ученые рассчитали, что один разряд молнии может обеспечить энергией население Соединенных Штатов на 20 минут. А если учесть, что каждый год по всей Земле ударяет полтора миллиарда разрядов (от 40 до 50 разрядов за секунду), то перспективы открываются поистине потрясающие.
Об экспериментах
Представители компании Alternative Energy Holdings в 2006 году сделали заявление, что ими успешно создан прототип конструкции, при помощи которой можно наглядно показать, как происходит захват молнии и ее преобразование в энергию для бытовых нужд. Как сказали в Alternative Energy Holdings, действующий промышленный аналог способен окупить себя за 4-7 лет, если розничная стоимость энергии будет составлять 0,005 $ за киловатт/час. Но проведенная серия опытов, видимо, не продемонстрировала впечатляющих результатов, и руководители проекта закрыли его. После чего энергия молний и энергия атомной бомбы были поставлены в один ряд (по словам Мартина А. Умани).
Через несколько лет (в 2013 году) сотрудники саунгемптонского университета смоделировали в лаборатории искусственный заряд, совпадающий с параметрами естественных молний. Используя сравнительно простое оборудование, ученые сумели уловить заряд и с его помощью целиком зарядить аккумулятор смартфона за считанные минуты.
О перспективах
Фермы по «отлову» молний пока еще просто мечта. На них можно было бы бесконечно получать дешевую энергию, не нанося вреда экологии. Главная проблема, препятствующая развитию этого направления, заключается в невозможности предсказания места и времени очередной грозы. То есть даже в местах с установленным максимальным числом ударов молний необходимо монтировать большое количество «ловушек».
Есть еще другие проблемы, которые заключаются в следующем:
- молнии представляют собой кратковременные энергетические всплески длительностью в доли секунды, которые необходимо осваивать очень быстро. Решить эту задачу можно при наличии мощных конденсаторов. Однако такие устройства еще не созданы, а если и будут разработаны в будущем, то окажутся очень дорогими. Не исключено применение и различных колебательных систем с наличием контуров 2 и 3 рода, которые позволяют проводить согласование нагрузки с внутренним сопротивлением генераторов;
- молнии могут образовываться из энергии, скопившейся в верхней и нижней частях облаков. В первом случае они будут положительными, во втором – отрицательными. Это тоже необходимо учитывать, оборудуя молниевую ферму. Кроме того, для «ловли» заряда со знаком плюс потребуется дополнительная энергия, наглядным доказательством чего служит люстра Чижевского;
- по своей мощности заряды тоже сильно различаются. У большинства молний данный параметр составляет от 5 до 20 кА, однако у некоторых всполохов может достигать 200 кА. Для бытового использования каждый из разрядов необходимо стандартизировать (50-60 Гц, 220 В);
- заряженные ионы в кубометре атмосферы имеют низкую плотность, а сопротивление воздуха, наоборот, высокое. Это говорит о том, что для улавливания молний необходимы ионизированные электроды, приподнятые над землей на максимальную величину, однако и они улавливают энергию лишь в виде микротоков. Но если электрод будет расположен слишком высоко (т.е. близко к облакам), то возможно самопроизвольное образование молнии, проще говоря, возникнет мощный и кратковременный всплеск напряжения, создающий риск поломки оборудования.
И все же такие проблемы не останавливают людей, мечтающих создать молниевые фермы. Ведь мечта об укрощении природы и получении доступа к возобновляемым энергетическим ресурсам существует сотни лет и становится все более реальной.
Реальна ли электростанция, работающая от молний?
Для начала давайте определимся с вопросом, что такое молния? В общем случае это — очень большой разряд между двумя электродами. Обычно тут они представлены тучей, со скопившимся электричеством и поверхностью планеты, куда уйдет заряд.
Молнии бывают очень разными. Вот их перечень: внутриоблачные (разряд происходит между тучами), атмосферные — спрайты, эльфы и джеты (разряд из тучи не вниз, а вверх — в более высокие слои атмосферы), наземные — самые частые, заряд из тучи уходит в недра Земли. Мощности молний тоже бывают разными — от миллиона вольт до миллиарда!
Молнии есть не только на Земле, но и на других планетах Солнечной системы: Венере, Юпитере, Сатурне, Уране и на некоторых спутниках планет. Скажем, на спутнике Юпитера — Ио. Самые грандиозные по масштабам и напряжению молнии зафиксированы на Юпитере.
Нет ничего странного в том, что люди поклонялись богам-громовержцам, так как разряд молнии почти всегда связан с громом (пробоем между электродами и появлением ударной звуковой волны при этом). Простейший школьный опыт по физике показывает, как рождается гром — резкий треск при появлении искры между электродами школьного прибора. 
Бенджамин Франклин в 1752 г. установил, что металлические острия, соединённые с землёй, снимают электрические заряды с заряженных тел без соприкосновения с ними и предложил проект молниеотвода
Фото: ru.wikipedia.org
Конечно же, давно у ученых появилась мысль о том, как же «заставить» молнию отдавать электричество на пользу людям. Американский ученый Франклин (его изображение есть на стодолларовой купюре) изучал природу молнии, поднимая в тучу шар с приборами. Ломоносов тоже в свое время занимался этим, но в лаборатории. При одном из опытов молнией был убит его научный ассистент. 
Молниеотвод на памятнике
Фото: ru.wikipedia.org
Идея использования молний в нуждах человечества продолжает пока представлять собой очень сложную проблему. Прежде всего, из-за того, что не совсем ясно, как «поймать» молнию и сохранить ее энергию с последующей передачей небольшими порциями в энергетическую общую сеть города или предприятий. Дальше всех стран в этом продвинулись в США и Китае.
Первоначально предполагалось создание электростанции, работающей на молниях, с высоким стальным стержнем и мощнейшими конденсаторами с последующим распределением электроэнергии «пойманной» молнии с конденсаторов на аккумуляторы и передачей электричества в сеть. На бумаге все получалось хорошо. Во всяком случае, неплохо описывалось математикой. Но ведь молния никогда не работает «по графику»! И где гарантия, что она ударит именно в приготовленный для нее стержень? Кроме того, размеры и надежность конденсаторов должны быть такими, каких еще не производит современная промышленность. 
Можно «создавать» грозовые тучи по заказу над тем местом, где находится электростанция
Фото: pixabay.com
Тем не менее американцы и китайцы не теряют надежду на то, что им удастся решить проблему. Каким образом? Уже существует технология, с помощью которой можно «сгущать» облака, превращая их в грозовые. Для этого внутри облаков просто распыляется металлизированная пыль, на которую начинают «садиться» капли, увеличиваясь в размерах. Технология активно используется в США для того, чтобы в засуху вызвать дождь. В России эта технология применялась для рассеивания туч, если требовалась солнечная погода (один из парадов в Москве).
Получается, что, применяя описанную выше технологию, можно «создавать» грозовые тучи по заказу над тем местом, где находится электростанция, работающая на молниях. Вместо металлического (высокого и толстого) стержня приемником молнии будет лазерный луч. Тут большой плюс в том, что его можно регулировать и направлять под любым углом, привлекая молнию. 
Мексика предъявила США судебный иск на то, что американцы воруют мексиканский дождь
Фото: pixabay.com
На какой стадии сейчас находятся научные разработки в США и Китае — точно неизвестно. Но то, что они продолжаются — факт. В частности, Мексика предъявила США судебный иск на то, что американцы, мол, воруют мексиканский дождь, «притягивая» каким-то образом облака к своей территории. К иску приложены данные о количестве осадков в Мексике и США за весь период наблюдения синоптиками.
Спорно, конечно. Но в чем-то, вероятно, мексиканцы и правы. Тем более что разряд всего лишь одной молнии с последующей отдачей ее энергии в сеть обеспечивает всю Америку очень дешевым электричеством на 20 часов. Правда, тут не факт, а всего лишь расчеты ученых. Но дыма без огня не бывает. Не так ли?
Как можно преобразовать и использовать энергию молнии?
Проблем тут масса. Предугадать заранее, где случится гроза, едва ли возможно. А ждать её на одном месте — долго. Кроме того, молния — это напряжения порядка сотен миллионов вольт и пиковый ток до 200 килоампер (в некоторых измеренных молниях; обычно — 5-20 килоампер) . Энергию явно нужно где-то накапливать за те тысячные доли секунды, что длится главная фаза разряда (удар молнии, кажущийся мгновенным, на самом деле состоит из нескольких фаз) . Надо добавить, что и те молнии, которые пробегают между облаками и землёй, делятся на два «зеркальных» типа: одни вызываются отрицательными разрядами, накапливающимися в нижней части грозового облака, а другие — положительными, которые собираются в его верхней части.
В разное время разные изобретатели предлагали самые необычные накопители — от подземных резервуаров с металлом, который плавился бы от молний, попадающих в молниеотвод, и нагревал бы воду, чей пар вращал бы турбину, до электролизёров, разлагающих разрядами молний воду на кислород и водород.. .
Американская компания Alternative Energy Holdings сообщает, что собирается осчастливить мир экологически чистой электростанцией, вырабатывающей ток по смешной цене $0,005 за киловатт-час. Как именно в компании намерены собирать энергию разрядов молний — не указывается. Можно только предположить, что речь идёт о молниеотводах, снабжённых гигантскими наборами суперконденсаторов и преобразователей напряжения. заявляет, что построит первый рабочий прототип такой станции, способной накапливать энергию грозовых разрядов, уже в 2007 году.
У меня есть страшное желание ознакомиться с проектом. Вопросы у меня такие: проводники, изоляторы, думаю что дробить надо токи, требования к конденсаторам и «аккумуляторам».
Комплексная система молниезащиты (грозозащиты)
Комплексная система молниезащиты состоит из двух основных функциональных частей — внешней и внутренней молниезащиты.
Назначение внешней молниезащиты — защита от прямого удара молнии с последующей канализацией энергии разряда в землю.
В её состав входят:
молниеприёмники — часть внешней молниезащиты, которая предназначена для приема разряда молнии;
токоотводы — часть внешней молниезащиты, которая предназначена для отвода тока разряда молнии от молниеприёмников к заземляющему устройству;
заземляющее устройство — часть внешней молниезащиты, канализирующая энергию молнии в землю для последующего её безопасного распределения.
Основное назначение внутренней молниезащиты — это защита электронного оборудования и электропроводки от импульса перенапряжения, который возникает не только при прямом, но, что более вероятно, при удаленном (до 1 км) ударе.
Существует ряд явлений, вызывающих импульсные перенапряжения в низковольтных и информационных сетях, а также в установках, преобразующих энергию и генерирующих электрический ток.
Наибольшую опасность представляет:
прямое попадание молнии;
удар молнии в непосредственной близости;
удар молнии в нескольких сотен метров;
коммутационное перенапряжение.
Решение проблем перенапряжения четко изложены в международных нормах в (IEC 61312-1) (концепция защиты на основе метода создания защитных зон на пути проникновения импульса перенапряжения)
Молния – это величественное и грозное явление природы, которое невольно вызывает чувство страха. Долгое время человек не умел объяснить причину, вызывающую грозовые явления. Люди считали грозу деянием богов, наказывающих человека за грехи. Электрическая природа грозовых, явлений была доказана в середине XVIII века великими русскими учеными М. В. Ломоносовым и его другом Г. В. Рихманом. В земной атмосфере воздух находится в постоянном движении, благодаря трению восходящих и нисходящих потоков частички воздуха электризуются, а когда они сталкиваются с капельками воды в облаках, то отдают им свой заряд. На облаках с течением времени скапливаются весьма большие заряды, и между ними возникает сильное электрическое поле. Оно и вызывает молнию. Люди стремились изучить молнию, узнать ее природу, научиться ее побеждать. И они добились этого. Теперь молния уже перестала быть загадочной. Мы знаем теперь, как себя вести в лесу, в турпоходе, если нас застанет гроза. Кстати, давайте проверим. (На сцене макет дерева. Играет музыка, гремит гроза. Выходят трое. Один садится под дерево с зонтом, второй – лег на землю и накрылся зонтом, третий – присел, сложил зонт, собачку взял на руки. )
ОТВЕТ: При близком разряде молнии между головой и ногами может возникнуть смертельная разность потенциалов. Значительный ток может пройти через цепь собаки. Цепочка увеличивает длину этой цепи и значит разность потенциалов. Если одежда и тело намокнут от дождя, то основная часть тока может пройти по слою воды на поверхность кожи, не проникая внутрь тела. Значит защита от влаги под раскрытым зонтом увеличивает опасность.