书城科普读物青少年身边的环保丛书:人类的环保之路
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第40章 对其他新能源的研发和利用

除了这些近几年已广为人知的新能源,还有一些环保能源尚在研究或推广当中。这些能源的研发为能源危机找到了更多的出路。

地球发电机

地球是个天然磁体

我们的地球是一个庞大的天然磁体,它的磁场却比较弱,总磁场强度不过0.6奥斯特。地球磁场的强度由奥斯特换算为伽玛,则是6×104伽玛。然而,地球却在不停地转动,它每23小时56分便自转1周,所具有的动能是一个很大的数值,为2.58×1029焦耳。

具有磁场的天体旋转时,由于单极感应作用,就会产生动势。如果我们把整个地球作为发电机的转子,以南、北两极为正极,以赤道为负极,理论上可以获得10万伏左右的电压。这便是人们把地球本身当做一个巨大的发电机的一种设想。不过,如何把地球自转发出来的电引出来使用,还须有另外的方案或设想。

电磁感应定律告诉我们,导体在磁场中做切割磁力线的运动便会产生感应电流。由于地球本身具有磁性,所以,在地球及其周围存在着地磁场。地球上的河流和海洋也是导电体。随着地球的自转,它们自然而然地就相对于地磁场产生了切割磁力线的运动,那么,河流和海洋中就有地磁场的感生电流了。要知道,光海洋就覆盖着地球表面的71%呢!如果想办法把河流和海洋中的感生电流引出雷电给地球充电来,不就有巨大的电能供我们使用了吗?显然,这是利用地球发电机的一种方案。

还有,地球本身又是一个巨大的蓄电池,它经常在雷雨中炫目的闪光中充电。雷雨云聚集和储存的大量负电荷,使云层下面的大地表面感应出正电荷。两种不同极性的电荷互相吸引,就驱使电子从云层奔向大地,形成闪电给地球充电。据估算,每秒钟约有100次闪电,电压可达1亿伏,电流可达16万安培,可以产生37.5亿千瓦的电能,比目前美国所有电厂的最大容量之和还多。但闪电持续时间很短,只有若干分之一秒。闪电中大约75%的能量作为热能耗散掉了,它使闪电通道内的空气温度达到15000℃。空气受热迅速膨胀,就像爆炸时的气体一样,产生震耳欲聋的雷声,在30千米以外都能听到。

阿拉斯加上空的绚丽极光

1752年,伟大的富兰克林曾带着他的儿子在雷雨中用风筝捕捉闪电。他的不怕牺牲、勇于探索的精神实在可嘉,但是他的实验结果,除了导致避雷针的发明外,在利用闪电方面却影响不大。至今还没有人找到利用闪电能的有效途径。在地球表面产生的具有强大能量的闪电,能不能直接用来为人类造福呢?已转化为热能的75%的闪电能是否也可利用呢?有没有办法使闪电不把那么多的能量转化为热能,仍保持电能的状态为我们所用呢?能不能撇开上述思路另辟蹊径?譬如,既然闪电已把能量传给了地球,我们能不能利用蓄电池,想办法把电能引出来使用呢?这些答案恐怕要由未来的科学家们给出了。

此外,极光又是“地球发电机”以另一种形式发出的“希望之光”,也是一种威力巨大的“天然发电站”。

在地球的南、北两极,高阔的天幕上,竞相辉映着五彩缤纷的光弧。有的像探照灯的光芒在空中晃动,有的像彩带在空中飞舞,有的像帷幕随风飘拂,有的像成串的珍珠闪闪发光……光弧的颜色或红或绿,或蓝或紫,时明时暗,构成一幅瑰丽的景观。这就是极光。它是地球两极特有的自然现象,多出现在每年3月、4月、9月和10月4个月份。那么,极光是怎样发生的呢?

我们已经知道,太阳的内部和表面进行着剧烈的热核反应,不断地产生出强大的带电微粒流——电子流。这种电子流顺着地磁场的磁力线,来到地磁极附近,以光的速度向四面八方散射。其中一部分电子流射入大气层时,使大气中的气体分子和原子发生电离,产生出大量的带电离子,发出光和电来。极光爆发时,会产生强烈的磁暴和电离层扰动,使无线电通讯和电视广播等受到干扰破坏,使飞机、轮船上的磁罗盘失灵。

尽管如此,作为一种未来很有希望的新能源,它将给人类带来巨大的好处。有人推算过,极光发射出的电量高达1亿千瓦,相当于目前美国全年耗电量的100倍以上。有的科学家设想,将来在北极或南极地区,建造一座高达100千米的巨型塔架,用适当的方法把高空中极光的电能接收下来,供人们使用。

潜能

天上星星亮晶晶,数也数不清。科学家们把这些星分成恒星、行星、卫星、彗星、流星等。

恒星本身发出光和热,我们的太阳就是恒星。由于过去人们认为恒星的位置是固定不动的,所以,把它们叫做恒星。实际上,恒星也在运动。许许多多的恒星组成一个集合体,就像动物世界中的动物群、密林里的植物群,科学家们把它们称为星系,比如银河系。我们知道,自然界的生物都有生有死,只是各种生物的寿命长短不一样。其实,自然界的物质都在不停地运动着,恒星也不例外,它们也有产生的过程,也有消亡的过程。

我们日常生活中,除了用煤气、液化气烧菜煮饭以外,还有许多家庭在使用煤炉,比如用煤做成煤饼或煤球放在炉内作为燃料燃烧,放出光和热。当煤燃烧完了,就不会产生光和热,而变成一堆煤灰了。恒星能发出光和热,也是因为它内部的燃料在燃烧。恒星内部的燃料不是煤,而是原子核,通过原子核的聚变反应,产生大量的光和汽车动态潜能利用热。当恒星内部的核燃料用完了,它的剩余物质被紧紧地挤在一起,压缩得非常紧密,连光都只能进,不能出,不能离开它们的表面。科学家把这种剩余物质叫做黑洞。恒星老了,衰退了,收缩成黑洞。黑洞有巨大的吸引力,如果宇宙飞船、航天飞机飞过黑洞,就会立刻消失。凡是在黑洞附过的物质都被它吸进去,消失得无影无踪。

黑洞似乎很可怕,可是,经过科学家们的研究,找到了一种开发和利用黑洞的能量的方法:把生产原子能的核反应堆放到黑洞里去。人们把核燃料发射到黑洞里,由黑洞内巨大的引力压缩核燃料,迫使其实现核聚变反应,释放巨大的能量,人造卫星电站接收能量反射到地面。科学家把这种能量称作潜能。

潜能的开发利用,是一项巨大的星际工程。为使这一工程成功,人类要付出惊人的代价。尽管科学家在地球上还可燃冰没有实现这样的任务,但是,一旦这项工程成功了,那就能源源不断地获得非常巨大的能量,而且是一本万利的。

可燃冰

地层中一种蕴藏量十分丰富的新能源,已引起各国科学家的关注。它是一种和水结合在一起的固定化合物,外形和冰相似,有的科学家称其为“可燃冰”。“可燃冰”在低温和高压的条件下呈稳定状态。当冰体融化后,它所释放出的气体体积相当于原来的100倍。

“可燃冰”是20世纪60年代后期在前苏联境内的永冻区首先发现的。最近,人们又在危地马拉沿海区域,发现了一个储量相当可观的“可燃冰”矿。矿体埋于距海底250米深的地层中。

据科学家估计,“可燃冰”的蕴藏量比目前地球上煤、石油、天然气储量的总和还要多几百倍。前苏联科学家甚至推测,地球上含有“可燃冰”的面积可能要占海洋面积的9%、陆地面积的25%。如果真是这样,“可燃冰”可是一种引人注目的新能源。

燃料电池

全球燃料电池应用系统的增长

燃料电池主要由燃料、氧化剂、电极、电解液组成。使用的燃料非常广泛,如氢、甲醇、液氨、烃等。燃料电池和一般电池类似,都是通过电极上的氧化还原反应使化学能转换成电能。但一般电池内部的反应物质消耗完后就不能继续供电,而燃料电池因为反应物质贮存在电池外,只要燃料和氧化剂不断输入电池,就能源源不断地发电。随着这项技术的改进,燃料电池有可能代替火力发电,形成强大的燃料电池发电网。

燃料电池是直接将化学能转变成电能的一种新型发电装置,它热损耗小,发电效率可达40%~60%,比火力发电高出5%~20%。此外,燃料电池除利用排热再发电外,还可以生产蒸汽或热水,因此它的综合效率可达80%左右,并可实现城市热电联供。

美国是世界上发展燃料电池最快的国家,目前至少有23台燃料电池机组在发电,总装机容量已达11兆瓦。美国开发燃料电池的重点是提高燃料利用率和降低燃料电池的生产费用及发电成本。最近,美能源部又研制成功一种陶瓷燃料电池,这种电池将液体或气体燃料放在2块波纹状陶瓷片里面,使燃料同氧化剂直接进行化学反应产生电流,因而可免除一般燃料电池所需的燃料箱。它同内燃机或其他燃料电池比较,释放的功率高2倍,发电效率达55%~60%。

最近,美国贝尔通讯研究公司开发出一种用燃料——煤气作电源的电池。这种电池又轻又薄,却能比普通电池产生更大的电力。该电池的设计是在2个作为电极的白金薄片中间,夹上一层厚度小于5000亿分之一米、由氧化铝薄片做的煤气渗透薄膜。能量产生的过程是电化学反应的过程,当电池将氢和氧转化为水时,就释放出电力。初步测试显示,它能用1千克的煤气产生1000瓦的电力。这种电池轻薄方便,充电也方便——只需更换煤气胶囊,它是电池开发研究的一个新产品。但是,这种电池目前的成本太高,还不能推广至商业用途。

据专家估计,全世界的煤还可开采200年,天然气可开采45年,而石油只能开采28年。怎么办?科学家为解决能源问题苦苦探索着。经过长期潜心研究,找到了一种新型能源——铝,制成了以铝为燃料的电池“铝—空气电池”。这将使铝成为人类取之不尽的、用之不竭的能源。

“铝—空气电池”,说起来也简单,只是采用一个铝阳极和一个空气阴极,使铝在溶液态电解质中溶解。用过的铝可以回收再用。此外,这种新型的电池还有着很多优点:①体积小,将它用作汽车动力,连同汽车驱动马达也只相当于汽车内燃机加油箱的大小,它所释放的能量是汽油的4倍;②用水省,用它作汽车动力,行驶400千米后才需要加水,因此它特别适宜于干旱地区使用;③使用方便,在使用过程中调换新的铝片电极,只需要几分钟;④没有废气废液,不会引起环境污染。

“铝—空气电池”的用途十分广泛,因此有着十分广阔的前景。它除了作为汽车动力外,世界各国已成功研制多种小功率“铝—空气电池”,应用于野营炊具、收音机、紧急照明灯、钻机、电焊机等小型设备上。美国海军科技人员研制的一种用于海上照明的“铝—空气电池”很是实用,只要把铝板浸到海水里,电池就会源源不断地为人们输送出廉价电能。挪威制造的功率为120瓦的“铝—空气电池”已作为边远地区通信站的电源使用,有很高的实用价值和经济效益。

诚然,广泛应用“铝—空气电池”,目前还存在一些问题,主要是它的功率不大,科学家已研制生产的最大的“铝—空气电池”只有500瓦,因此成本很高。如可以驱动一辆汽车的“铝—空气电池”,它的价格要上百美元。但是人类智慧是无穷的,我们相信,不久的将来,它定能成为一种廉价的能源。到那时候,汽车、机器、炊具、照明等,以铝为燃料的日子就到来了。