31.03.2025

Энергия, вырабатываемая движением Земли через ее собственное магнитное поле

Почти через два столетия после неудачных попыток Фарадея ученые продемонстрировали, что непрерывное вращение Земли может напрямую генерировать электрический ток.

Еще в 1832 году знаменитый британский физик Майкл Фарадей провел ряд экспериментов, призванных ответить на волнующий вопрос: может ли электричество вырабатываться вращением Земли через ее собственное магнитное поле?

Интригующая возможность возникает из-за того, что магнитное поле Земли не вращается вместе с Землей, как физический объект. Вместо этого оно создается в каждый момент и остается по сути фиксированным в пространстве. Поэтому в то время считалось, что, возможно, движение Земли через него может генерировать энергию.

Но эксперименты Фарадея потерпели сокрушительный провал, и несколько лет спустя физики выяснили, почему. Любое движение проводника через это магнитное поле действительно создает силу, действующую на электроны внутри него. Но эта сила перераспределяет электроны, создавая другое поле, которое в точности отменяет эффект исходного. Так что если вся цепь генерации энергии находится внутри поля, ничего не происходит.

Но в этом рассуждении есть лазейка, говорят Кристофер Чиба из Принстонского университета в Нью-Джерси и его коллеги. В 2016 году они указали, что это предполагает, что магнитное поле изменяется почти мгновенно в проводящем материале.

Но в некоторых типах «мягких» магнитных материалов изменения в поле распространяются через него медленнее. И когда это происходит, может оказаться возможным использовать этот эффект для генерации энергии с помощью проводников с тщательно сформированной геометрией.

Теперь Чиба и его коллеги показали, что такой проводник может извлекать электрическую энергию непосредственно из вращения Земли через свое собственное магнитное поле.

Их эксперимент относительно прост. Оказывается, что одна из геометрий, которая должна работать, — это цилиндрическая оболочка, прикрепленная к цепи. Они взяли марганцево-цинковый феррит, как «мягкий» магнитный материал с необходимой магнитной диффузией, и создали из него цилиндрическую оболочку размером с большой фонарик.

Их теория предсказывает, что оболочка должна генерировать мощность — несколько микровольт и связанный с ними ток — когда она ориентирована перпендикулярно движению Земли. Что она должна упасть до нуля, когда оболочка повернута на 90 градусов, так что она параллельна движению Земли. И что когда оболочка повернута еще на 90 градусов, мощность должна снова возрасти, но с током и напряжением в противоположном направлении.

В тщательно контролируемых лабораторных экспериментах именно это и наблюдала группа исследователей. «Эта небольшая демонстрационная система генерирует непрерывное постоянное напряжение и ток (низкой) прогнозируемой величины», — отметили Чиба и его коллеги.

Напротив, сплошной цилиндр аналогичного размера не показал никакого измеримого напряжения при любой ориентации.

Что особенно важно, команда контролировала различные сопутствующие эффекты, такие как термоэлектрические напряжения, вызванные градиентами температуры и внешними электромагнитными помехами. Они провели эксперимент в своей лаборатории, где условия можно было тщательно контролировать, и в близлежащем жилом районе, где условия было сложнее контролировать. В обоих наборах тестов результат был одинаковым — установка производила небольшое количество энергии, извлеченной из вращения Земли через ее собственное поле.

Это интересная работа со значительными последствиями. Хотя выходная мощность невелика, масштабирование этой технологии может привести к созданию специализированных методов генерации энергии для установок дистанционного зондирования.

«Даже если бы с помощью нашего эффекта можно было достичь только напряжений, намного ниже тех, которые требуются для бытового электроснабжения, такие устройства все равно могли бы иметь практическое применение в качестве «батарей», которым не требовалось бы топливо и которые не могли бы изнашиваться в обычном смысле», — говорят Чиба и его коллеги.

Одна из интригующих возможностей повышения напряжения — миниатюризация цилиндрических оболочек и создание массивов из них, соединенных последовательно. А в сценариях с большей относительной скоростью к магнитному полю — например, в случае спутников, вращающихся вокруг Земли — может быть достигнута значительная генерация электроэнергии.

Масштабирование мощности

Чиба и коллеги отмечают, что генерация энергии таким способом неизбежно замедлит скорость вращения Земли, но эффект будет незначительным. «Даже в экстремальном сценарии, когда наша цивилизация каким-то образом получит всю свою электрическую энергию из описанного здесь эффекта, вращение Земли замедлится на <1 миллисекунды за десятилетие», — говорят они.

Для сравнения, продолжительность земных суток естественным образом колеблется на несколько миллисекунд за десятилетие. «Земля также замедляет вращение из-за обмена угловым моментом с Луной, что в настоящее время удлиняет земные сутки на 2,5 миллисекунды за столетие», — говорят они.

Но сначала другим группам нужно будет подтвердить эффект в другом месте. «Следующим шагом будет воспроизведение (или опровержение) наших результатов независимой группой», — говорят Чиба и его коллеги.

Исследование опубликовано в журнале Physical Review Research .

Если они добьются успеха, нетрудно представить себе коммерциализацию этой технологии в не столь отдаленном будущем.

Источник sciencealert.com