Земляная батарея: Земляная батарейка

В США созданы первые прототипы бета-гальванической батареи, способной работать 28 тыс. лет. В ее основе лежит сердечник из переработанных ядерных отходов, но для человека она безопасна за счет покрытия из специальных синтетических алмазов. В России тоже есть подобные батареи, но они работают не дольше 20 лет.

Бесконечный источник энергии

Американские ученые из компании Nano Diamond Battery разработали «вечный» источник питания, способный работать тысячи и даже десятки тысяч лет. Они создали так называемую «бета-гальваническую батарею» (betavoltaic) и, по их заверениям, даже успешно испытали их в лабораторных условиях. В отечественном институте НИТУ «МИСиС» бета-гальванические элементы питания называют бетавольтаическими.

Как сообщил ресурсу New Atlas исполнительный директор Nano Diamond Battery Нима Голшарифи (Nima Golsharifi), одна такая батарейка может работать до 28 тыс. лет. Такой элемент питания может использоваться, по мнению разработчиков, в самых разных видах техники, начиная от носимых устройств и мобильных гаджетов и заканчивая средствами передвижения – поездами, электромобилями и даже самолетами.

Как работают такие батареи

В основе работы бета-гальванических батарей лежит принцип преобразования альфа- и бета-излучений радиоактивного вещества в обычный электрический ток, питающий всю современную технику. Как заверил Нима Голшарифи, созданным компанией источникам энергии можно придавать практически любую форму, другими словами, их можно выпускать в виде привычных многим батареек различных форматов – АА, 18650, CR2032 и др.

Батарейка Nano Diamond Battery может работать тысячелетиями

Конструкция бета-гальванической батареи состоит в первую очередь из радиоактивного сердечника, который выступает в качестве источника изотопов. Нима Голшарифи подчеркнул, что сердечник изготавливается из небольшого количества переработанных ядерных отходов.

Для того чтобы сделать батареи безвредными для людей и окружающей среды, специалисты Nano Diamond Battery покрыли «фонящий» сердечник специальными нерадиоактивными синтетическими алмазами, выращенными в лабораторных условиях. Это очень дешевые в производстве аналоги обычных алмазов.

Изотопы радиоактивного элемента в процессе так называемого «неупругого рассеяния» взаимодействуют с алмазным покрытием, и в итоге энергия бета-излучения преобразуется в электрический ток.

Для чего нужна «вечная» батарея

Столь значительный период работы батарей разработчики объяснили тем, что используемое в качестве сердечника вещество может оставаться радиоактивным сотни и тысячи лет. Они отметили также, что такие батареи могут вырабатывать чрезмерно большое количество энергии, которую они предлагают хранить в дополнительной «буферной» емкости. В качестве такой емкости могут служить суперконденсаторы, а в России, как сообщал CNews, как раз научились изготавливать их из бесполезного сорного растения – борщевика.

Лабораторные испытания

Прототипы бета-гальванических батарей, разработанные в Nano Diamond Battery, были протестированы в двух лабораториях – Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и Ливерморской национальной лаборатории им Э. Лоуренса. Результаты испытаний показали, что творение ученых компании обходили другие элементы питания на основе синтетических алмазов – если те демонстрировали 15-процентный прирост эффективности в сравнении с традиционными батареями, включая литий-ионные, то в случае разработки Nano Diamond Battery этот показатель был 40-процентным.

Форму батарее Nano Diamond Battery можно придать любую

В то же время разработчики пока не могут точно сказать, когда элементы питания, основанные на разработанной ими технологии, начнут использоваться повсеместно. Первые версии таких элементов питания, пригодные для повседневного использования, могут появиться в течение двух лет.

OSDU: что нужно знать об открытых стандартах работы с данными в нефтегазе

По их заявлению, использование таких батарей, к примеру, электромобилях намного более эффективно в сравнении с литиевыми. При тех же габаритах они смогут нести в себе большее количество энергии, а использование дешевого искусственного алмаза вместо дорогого лития позволит снизить итоговую стоимость электрокаров.

Тем временем в России

Отечественные специалисты тоже смотрят в сторону атомных портативных элементов питания. К примеру, сотрудники НИТУ «МИСиС» в августе 2020 г. продемонстрировали собственный прототип такой батареи, конструкция которой основана на запатентованной микроканальной 3D-структуре никелевого бета-гальванического элемента. Срок службы такой батарейки – 20 лет.

Особенность трехмерной структуры батарейки заключается в том, что радиоактивный элемент наносится с двух сторон так называемого планарного p-n перехода, что позволяет упростить технологию изготовления элемента, а также контролировать обратный ток, который «крадет» мощность батареи. Особая микроканальная структура обеспечивает увеличение эффективной площади преобразования бета-излучения в 14 раз, что в результате дает общее увеличение тока.

Отечественный вариант бета-гальванической батареи

За счет оригинальной 3D-структуры бета-гальванического элемента размеры батареи, по словам разработчиков, уменьшились втрое, удельная мощность повысилась в 10 раз, а себестоимость снизилась на 50%.

«Выходные электрические параметры предложенной конструкции составили: ток короткого замыкания IКЗ — 230 нА/см² (в обычной планарной — 24 нА), итоговая мощность — 31 нВт/см², (в планарной — 3 нВт). Конструкция позволяет на порядок повысить эффективность преобразования энергии, выделяющейся при распаде β-источника, в электроэнергию, что в перспективе снизит себестоимость источника примерно на 50% за счет рационального расходования дорогостоящего радиоизотопа, — отметил один из разработчиков Сергей Леготин, доцент кафедры полупроводниковой электроники и физики полупроводников НИТУ «МИСиС».

Батарейка может быть применена в нескольких функциональных режимах: в качестве аварийного источника питания и датчика температуры в устройствах, используемых при экстремальных температурах и в труднодоступных (или совсем не доступных) местах: в космосе, под водой, в высокогорных районах.

АЛЕКСАНДРОВСКАЯ БАТАРЕЯ. Противостояние

АЛЕКСАНДРОВСКАЯ БАТАРЕЯ

Ее проект был первым и наиболее сильным, из первых четырех, утвержденных А.В. Суворовым в конце XVIII в. общем плане строительства береговых батарей Севастопольской крепости.^{1161} Форму ее вписали в очертания длинного узкого мыса, на котором стояла батарея. На оконечности мыса возвели круглую двухэтажную башню диаметром более 20 м., своды которой защищала насыпь из грунта. 12 орудий прикрывали рейд и проход в бухту. К башне примыкали одноярусные казематы с открытой платформой для стрельбы через банк. Их орудия защищали подходы к рейду. Основания башни и казематов возвышались над уровнем моря на 6 м, а на отметке 14 м возводилась земляная батарея с двумя фасами для размещения 18 орудий. Гарнизон укрепления размещался в казарме на территории батареи. Артиллерийская прислуга на батарее была от роты №4 и полуроты №5 Севастопольского артиллерийского гарнизона. Командовал батареей командир роты №4 капитан П.А. Козловский, «…замечательный пунктуальной точностью в исполнении служебных обязанностей и отличной чистотой и порядком, которые он соблюдал на батарее даже во время войны».^{1162}

Для фланкирования находившейся на противоположном берегу Константиновской батареи на верхней площадке казематированной части Александровской батареи ¹/₂-пудовые единороги были заменены 1-пудовыми и 18-фунтовыми пушками.^{1163}

Батарея открыла огонь после того, как вступила в дело соседняя батарея №10. Одновременно с ней начала стрельбу батарея № 8 с бастионом батареи № 7, но их огонь по сравнению с огнем батареи № 10 из-за дальности расстояния был менее эффективен. ^{1164}

С этого времени грохот орудийных выстрелов слился, действительно, как у Лермонтова, в «один протяжный вой». Снаряды долетали до Херсонеса, в Балаклаве, казалось бы, достаточно удаленной от места сражения, не осталось ни одного целого стекла в домах.^{1165}

На батарее сосредоточила огонь вторая половина французской эскадры: «Париж», «Валми», «Генри IV», «Наполеон», «Юпитер» и два турецких корабля.

Русские, заметив на «Наполеоне» адмиральский флаг, сосредоточили огонь на нем. Хотя это громко сказано, на самом деле против лучшего в мире линейного корабля действовали всего 9 орудий из казематов, которым помогали, правда, 2 орудия с Константиновской и 1 с выступающего правого фаса батареи № 10.^{1166}

К 16 часам огонь стал стихать. Союзные эскадры начали покидать поле сражения. Безветрие привело к тому, что пороховой дым плотно закрыл акваторию, лишив не только противников возможности видеть друг друга, но и соседние корабли часто теряли один другого.

Честно говоря, очень хочется касательно ухода союзных эскадр применить словосочетание «бежали бесславно». Но, увы, давайте будем справедливы, флот именно выходил из боя, а не бежал в панике. Хотя определенные проблемы были, особенно у тех, кто получил тяжелые повреждения.

В довершение всем несчастьям, преследовавшим союзников в это день на море, в сумерках дымящийся «Санспарейл» врезался в «Камбрию», спешившую на помощь.

Михайловская и Константиновская батареи в Севастополе

Севастополь – исконно русский город, который выдержал 2 героических обороны и прославился мужеством и стойкостью своих защитников. Изначально Севастополь строился как город-крепость. В первую очередь строились оборонительные сооружения – земляные батареи по берегам бухты, чтобы прикрыть флот. Места для строительства выбирал фельдмаршал Суворов. Их было построено пять. Три на южной стороне города – Александровская, Николаевская и Павловская (взорваны в конце 1-ой обороны), и две на северной – Михайловская и Константиновская, которые уцелели до наших дней. Их хорошо видно с южного берега Севастопольской бухты, но, если вы хотите полностью проникнуться историей легендарного города, тогда обязательно побывайте на морской экскурсии на катере или яхте судоходной компании «Роза ветров», во время которой вы сможете окунуться в славную историю памятных мест и приблизиться к стенам равелинов, которые и сегодня не дают забыть о героизме защитников города.

Исторические сведения

Константиновскую и Михайловскую батарею соорудили в 1840 и 1846 годах соответственно. Они представляют собой военные укрепления с отверстиями для орудий – бойницами. Вначале на одноименном Константиновском мысе была построена земляная батарея, а в 1874 по указанию Суворова соорудили двухъярусную каменно-земляную. Константиновский равелин в том виде, который мы знаем сейчас, построен по проекту инженера-полковника Карла Ивановича Бюрно. Сооружена батарея в виде подковы из крымбальского известняка. Она повторяет очертания мыса: левый фас обращен к рейду, а правый – к морю. Общая длина фасада – 230 метров, ширина – 25 метров, а высота над уровнем моря – 12 метров. И несмотря на то, что в октябре 1854 года батарея сильно пострадала во время бомбардировки, она позволила дать достойный отпор врагу.

Михайловский форт построен буквой П, длина фасада 205 м, толщина оборонительной стены 1,8 м. Здесь было размещено 77 мощных орудий – практически линейный корабль!

Во время Крымской войны Константиновский и Михайловский равелины надежно защищали вход в Севастопольскую бухту от английских и французских кораблей, а потом служили госпиталем и надежной защитой для русских моряков. В годы Великой Отечественной войны батареи являлись основными рубежами при обороне Северной стороны в 1942 году.

В 2010 году в Михайловском равелине торжественно открыт Военно-морской музей. Это 20 выставочных залов и 10 тыс. экспонатов.

Использование Земли в качестве аккумулятора

Когда вы помещаете цинковый анод и медный катод в контейнер с влажным буровым раствором, два металла начинают реагировать, потому что цинк теряет электроны легче, чем медь, и потому, что грязь содержит ионы. Смачивая грязь, он превращается в настоящий раствор электролита.

Использование Земли в качестве аккумулятора

Лен Кальдероне для | AltEnergyMag

В 1841 году Александр Бейн подтвердил способность влажной грязи производить электричество.Заземленная батарея – это пара электродов, состоящих из двух разнородных металлов, использующих влажную землю в качестве электролита. Чтобы сделать батарею, Бейн закопал в землю пластины из цинка (анода) и меди (катода) на расстоянии примерно ярда друг от друга. Он давал выходное напряжение примерно 1 вольт.

Когда вы помещаете цинковый анод и медный катод в емкость с влажным буровым раствором, два металла начинают реагировать, потому что цинк теряет электроны легче, чем медь, и потому, что грязь содержит ионы. Смачивая грязь, он превращается в настоящий раствор электролита.Таким образом, электроды начинают обмениваться электронами, как в обычной батарее.

(Викискладе)

Если бы электроды соприкасались, при реакции они выделяли бы много тепла; но поскольку их разделяет почва, свободные электроны должны проходить через провод, соединяющий два металла. Если к замкнутой цепи подключить светодиод, значит, у вас почвенная лампа.

Чтобы получить естественное электричество, исследователи вбивали в землю две металлические пластины в направлении магнитного меридиана или астрономического меридиана.Более сильные течения текут с юга на север. Это обстоятельство влияет на значительную однородность силы тока и напряжения. Поскольку земные токи текут с юга на север, электроды располагаются, начиная с юга и заканчивая севером. Во многих ранних экспериментах стоимость была непомерно высокой из-за большого расстояния между электродами.

Было обнаружено, что уровень напряжения линейно возрастает за счет последовательного соединения нескольких заземляющих элементов аккумуляторной батареи, как в стандартной свинцово-кислотной аккумуляторной батарее.Ток нагрузки увеличивается за счет параллельного подключения заземляющих ячеек. Также было обнаружено, что емкость источника по току увеличивается за счет увеличения площади поверхности электродов, за исключением того, что напряжение отдельной ячейки остается постоянным независимо от размеров электродов.

Поскольку все обычные металлы ведут себя одинаково, два разнесенных электрода имеют нагрузку во внешней цепи между ними. Они приготовлены в электрической среде, и по мере передачи энергии среде свободные электроны в среде возбуждаются.Свободные электроны затем текут к одному электроду в большей степени, чем к другому электроду, тем самым заставляя электрический ток течь во внешней цепи через нагрузку.

Ток течет от той пластины, положение которой в ряду электрического потенциала близко к отрицательному концу. Пики тока возникают, когда два металла наиболее широко разнесены друг от друга в ряду электрического потенциала, и когда материал ближе, положительный конец находится на севере, а отрицательный конец – в направлении юга.Пластины, одна из которых медная, а другая – железная или углеродная, соединены над землей с помощью провода, не оказывающего большого сопротивления. При таком расположении электроды не подвергаются значительной химической коррозии, даже когда они находятся в земле, залитой водой, и длительное время соединены проводом.

Обратной стороной является то, что процедура не будет длиться вечно. В конце концов, грязь потеряет свои электролитные свойства, но замена почвы перезапустит процесс.

Другой источник, микробные батареи или микробные топливные элементы, уже существует, но их выходная мощность настолько мала, что они имеют минимальное использование для включения света, зарядки сотового телефона, калькулятора, электронных часов, детских игрушек и светодиодов белого света, так как у них минимальные потребности в энергии.

Почвенный микробный топливный элемент (Wikimedia Commons)

Это устройство состоит из графитовой ткани (анода), помещенной на дно контейнера, засыпанного землей, и отрезка проволочной сетки (катода).Электроны образуются, когда микробы поедают отходы в почве. Эти электроны проходят через сеть бактерий от анода из графитовой ткани через проводящую проволоку, чтобы добраться до катода с проволочной сеткой. Светодиодный индикатор, подключенный к цепи, загорается, когда ток течет по цепи.

По оценкам начинающей компании Lebone Solutions из Гарварда, топливный элемент размером 10,7 квадратных футов будет производить 1 ватт, который может заряжать сотовый телефон; Площадь 53,8 квадратных футов могла питать лампу или вентилятор.В большинстве стран мира микробный топливный элемент не был бы эффективным источником энергии. В сельских районах Африки, где нет энергосистемы, такое расположение может иметь значение, если вы пройдете несколько миль, чтобы зарядить телефон. Лебоне в настоящее время запускает топливный элемент для использования в нескольких сельских африканских деревнях. При поливе закопанные клетки могут работать месяцами.

Земля не состоит из одинаковых материалов. Тяжелые элементы, такие как железо, свинец и золото, спустились в горячее внутреннее пространство, в то время как более легкие элементы, такие как кислород и водород, поднялись на холодную поверхность.Когда тяжелые и легкие элементы объединяются, они реагируют.

Каждая группа элементов реагирует по-своему. Тяжелые элементы отдают электроны, а более легкие – собирают их. Это наша земная батарея. Скалы в мантии Земли действуют как один электрод, а вода – как второй. Когда в земной коре происходит трещина, горячая порода контактирует с водой, и электроны переходят от одного к другому. Когда электроны контактируют с водой, образуется водород.

Если имеется достаточный запас холодной воды и горячей породы, он обеспечивает достаточно большую батарею, чтобы обеспечить работу в течение тысяч, миллионов или даже миллиардов лет. Тепло из недр Земли быстро рассеивается и не может быть сохранено. Электроны реагируют с молекулами воды с образованием водорода. Водород – это природный аккумулятор. Этот процесс эффективно переносит энергию из ядра Земли на поверхность, где она может быть потреблена. Микробы эволюционировали, чтобы высвобождать эту энергию контролируемым образом, перетекая в нужные части клетки для поддержания жизни.Вот почему ученые обсуждают воду как уникальную и необходимую для жизни. Извилистые камни, дающие пищу микробам, довольно распространены во Вселенной. Они были обнаружены на астероидах и на Марсе.

Экспериментальные исследования земных батарей очень обнадеживают. Первые результаты земных батарей показали разумный потенциал на будущее.

Содержание и мнения в этой статье принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения AltEnergyMag

Эта запись не имеет комментариев.Будьте первым, кто оставит комментарий ниже.

Вы должны войти в систему, прежде чем сможете оставлять комментарии. Авторизуйтесь сейчас.

Рекомендуемый продукт

SOLTEC – ОДНООСНЫЙ ТРЕКЕР SF8

Под лозунгом «Создан для величия» трекер SF8 призван произвести революцию на рынке фотоэлектрических устройств с его новой минимальной конфигурацией 2×60 и струнами от 4 до 6.Этот трекер элегантно спроектирован, в то время как он усиливает свою структуру, чтобы работать на любой местности. Кроме того, трекер SF8 увеличивает жесткость своей конструкции на 22% больше, чем предыдущее поколение трекеров Soltec, SF7. SF8 специально разработан для более крупных модулей на 72 и 78 ячеек, что является растущей рыночной тенденцией.

(PDF) Экспериментальное исследование аккумуляторных батарей с заземлением

Вторая международная конференция по электротехнике

25-26 марта 2008 г.

Инженерно-технологический университет, Лахор (Пакистан)

978-1-4244-2293-7 / 08 / 25 долларов.00 © 2008 IEEE.

Экспериментальное исследование земных батарей

Н. Хан, З. Салим, Н. Абас *

Институт информационных технологий COMSATS, H-8/1, Johr Campus Islamabad, Пакистан

* Кафедра электротехники Университета Гуджрат, Гуджрат, Пакистан.

[email protected]

Аннотация: Мы сообщаем об успешном проектировании, строительстве и эксплуатации аккумуляторной батареи заземления

в качестве альтернативного источника энергии для систем энергоснабжения малой мощности

.Для максимальной разности потенциалов

были исследованы различные комбинации металлических и не металлических твердотельных, жидких и газовых электродов

и других. С точки зрения надежности и рентабельности

использования этой технологии естественной энергии неквалифицированными сельскими потребителями

были выбраны наиболее подходящие комбинации общедоступных металлов

для дальнейших подробных исследований характеристик. Комбинации

магниевого анода и коксового катода; Цинковый анод и катод из графита

; Алюминиевый анод и углеродный катод; Цинковый анод и

медных катодов дали 2.05, 1,40, 1,10 и 0,9 В на элемент. Типичная номинальная мощность

одиночной Zn-Cu ячейки составила несколько десятков

микроампер. На территории работали маломощные электронные устройства, такие как калькуляторы, электронные часы

, детские игрушки и сотовые телефоны, а также светодиоды белого света

. Было обнаружено, что уровень напряжения увеличивается линейно на

при последовательном подключении нескольких заземляющих элементов аккумуляторной батареи, таких как промышленная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея

.Было установлено, что ток нагрузки увеличивается на

при параллельном подключении заземляющих ячеек. Источник тока

емкостей также увеличивался за счет увеличения площадей на

электродов. Однако было обнаружено, что напряжение одной ячейки остается постоянным, независимо от размеров электродов. В данной статье приводится подробное исследование характеристик

наиболее экономически эффективных и доступных

аккумуляторных батарей с металлическими электродами.Успешно продемонстрирована работа земной батареи как бесплатного источника электроэнергии

.

I. ВВЕДЕНИЕ

Священный Грааль свободной энергии может включать электростатические двигатели

, геомагнитные генераторы [1-2], воздушные [3], морские [4] и

земные батареи [5-8]. Некоторые сторонники свободной энергии часто обращали внимание на

вечных двигателей, используя

научно неработающих идей, таких как устройства over unity, двигатели

тысячелетия, самозарядка на основе резонанса и бесплатные

колесных устройств.Не существует ничего, кроме источника свободной энергии

, такого как установка электродвигатель-генератор с взаимным питанием, без каких-либо входных цепей

или гравитационных машин свободного хода или усиления на основе отрицательного сопротивления

. Тем не менее, химические реакции

и земные батареи, основанные на сродстве к электрону, могут быть исследованы на предмет потенциала постоянного тока от низкого до высокого напряжения для управления небольшими нагрузками светодиодного освещения с белым излучением шкалы

в отдаленных холмистых районах

или небольших электронных устройств.Их также можно рассматривать как

для замены высоковольтных слаботочных источников питания

или ионизационных источников питания. Как и наземные батареи, для аналогичных применений можно использовать морские батареи

.

Однако воздушные батареи могут использоваться для массового производства электроэнергии

и работы сетевых систем [3]. Ввиду глобального энергетического кризиса

, который будет вызван естественным прекращением добычи нефти и газа в ближайшие 50–

60 лет [9-11], стало очень важно искать

альтернативных источников энергии, чтобы сдерживать человечество от

сражений до великой энергетической войны [12-13].

Хотя уран [14] и уголь [9] будут продолжать существовать

в течение нескольких столетий, но они не могут заменить нефть и газ, несмотря на

рисков радиоактивных опасностей (плутоний) и парниковых газов

(CO2). Либо мы можем остановить глобальное потепление под угрозой

ядерной радиации, либо сделать планету безъядерной под угрозой глобального потепления

из-за повышения температуры с 1,4 до

5,8ºC с 1990 по 2100 год за счет экспоненциального роста концентраций CO2

.Повышение температуры поверхности земли за последние десять

жарких лет (1997-2007 гг.) Составило около 0,6ºC. Максимальная температура

была зафиксирована на уровне 52ºC в крупных городах

Пакистана и 46ºC в Греции. Охладите дом и обогрейте планету

или адаптируйтесь к естественному образу жизни. Мы должны прекратить использование избыточной энергии

для развлечений и перенастроить себя на

новых стилей жизни, требующих минимального количества энергии в форме охлаждения или обогрева

.Ученые должны упорно трудиться, чтобы

исследовать новые источники энергии, иначе будьте готовы к тому, что

скоро погибнут в великой энергетической войне или глобальном парниковом эффекте

неизвестно, какой из них преобладает раньше. Эта работа представляет собой очень честное усилие

по исследованию возможности использования земных батарей

для освещения удаленных деревень, связи

сигнализации и управления маломасштабными электронными нагрузками там, где

нет альтернативного источника электроэнергии или просто для сохранения

электричество.Предполагая однородный профиль электрода, потенциалы

некоторых электродных пар обычных металлов в почвах

показаны в таблице 1. [15-17].

Таблица 1 Потенциал обычных металлов, подходящих для заземления батареи

магний

цинк

цинк

алюминий

железо

-1.75

-1.10

-1.10

-00002 -0.80

графит

медь

углерод

уголь

+0.30

+0.30

+0.20

+0.30

+0.30

Чтобы проверить возможность более высоких токов и напряжений, несколько

больших электродов C, Mg и Al находятся в стадии строительства или

проходят испытания. В отличие от воздушных батарей, используемых в транспортных средствах, земные батареи

имеют очень низкую емкость Втч. Он не может управлять даже

обычными моторизованными детскими игрушками. Надземная батарея не смогла

даже светодиод несмотря на 0.Ток 7 мА из-за низкого напряжения

. У него средняя мощность 0,63 Вт.

все еще было слишком маленьким, чтобы управлять любой моторизованной нагрузкой, кроме электронных цифровых часов

. Простая воздушная батарея может состоять из алюминиевой фольги (или магния

) и активированного угля (или железа). Кислород из воздуха

может проникать через пропитанную соленой водой бумагу и вступать в реакцию

с алюминием. Электроды, прикрепленные к алюминию и углю

, могут давать достаточное полезное напряжение.Напряжение аккумуляторной батареи

зависит от понижающего потенциала. Типичное сокращение

Сборка земной батареи – Национальный субботний клуб

Необходимые материалы

• Восемь небольших контейнеров (лоток для льда или аналогичный)
• Почва (влажная)
• Восемь оцинкованных или железных шурупов / гвоздей / стержней
• Медный провод (можно найти в старом кабеле, таком как старые удлинители)
• Наждачная бумага или проволочная вата
• Маленькая лампочка с двумя проволочными ножками, вольтметром или чем-либо еще, что будет реагировать на ток около 5 вольт (подходящие лампочки часто встречаются в рождественских огнях, гирляндах и / или фонариках)

Задание, часть первая – Земляная батарея, сборка

Если медь находится в кабеле или проводах, удалите изоляцию.Аккуратно потрите медь наждачной бумагой или проволочной мочалкой, если на ней есть покрытие. Если медная проволока очень тонкая, вы можете скрутить несколько жил, чтобы получилась более толстая проволока.

Отрежьте семь кусков медной проволоки длиной от 10 до 15 см каждый. Оберните кусок медной проволоки вокруг вершины каждого винта / гвоздя, кроме одного.

Наполните клетки почвой и смочите небольшим количеством воды.

Вставьте винт / гвоздь с медной оберткой в ​​одну ячейку почвы, а свободный конец медной проволоки – в соседнюю ячейку почвы.

В той же ячейке почвы, что и конец медного провода, вставьте следующий винт / гвоздь с медной оберткой и продолжайте соединять ячейки таким образом, пока винты / гвозди не будут расположены в U-образной форме.

Это означает, что должны быть две соседние ячейки, которые не соединены.

В ячейку, в которую вставлен только медный провод, вставьте один винт / гвоздь, к которому не была прикреплена медь.В соседнюю неподключенную ячейку вставляем петлю из меди.

Используя один винт / гвоздь и петлю из медного провода в качестве контактов, замкните цепь с помощью лампочки, вольтметра или любого другого подходящего устройства, имеющего две точки подключения и показывающего, что течет ток.

Вы можете играть с различным количеством ячеек. Можете ли вы заставить его работать с одной ячейкой?

Задание, часть вторая – Охота за сокровищами

Попробуйте найти в доме тускло-серые стиральные машины.Они, как правило, имеют оцинкованное покрытие (т. Е. Оцинкованные) или другие металлические детали, которые выглядят одинаково. Затем найдите электрические провода для соединений, возможно, разобрав электрический элемент, который больше не работает, например, лампу.

Возьмите несколько британских монет, лучше всего подойдут один или два пенса до 1992 года. Вы можете слегка потереть их наждачной бумагой. В качестве альтернативы можно использовать оголенные медные провода, натертые наждачной бумагой, а затем сплетенные вместе, или другой подходящий медный предмет.

Соберите чашки.Также подойдут алюминиевые банки, ПЭТ-бутылки, горшочки для йогурта или любые аналогичные емкости. Это будут ваши клетки. Залейте не менее объема соленой воды, начиная со столовой ложки любой соли, найденной на кухне, и заканчивая двумя стаканами водопроводной воды.

С помощью электрических проводов прикрепите цинковый элемент к медному элементу, поместите цинковый конец в одну ячейку, а медный конец в соседнюю ячейку и продолжайте, как при установке заземляющей батареи. Таким образом, ячейки будут связаны с каждой, содержащей один цинковый и один медный элемент, за исключением первой и последней ячейки.В неподключенной ячейке с медью поместите предмет из цинка на электрический провод, а в неподключенном элементе с цинком поместите предмет из меди на электрический провод. Используя свободные концы электрических проводов, подключите светодиодную лампочку и посмотрите, есть ли у вас ток.

Поиграйте с количеством клеток и концентрацией солевых растворов. Вы также можете поиграть с различными солями, если найдете их дома.

Не забывайте периодически протирать металлы наждачной бумагой или чем-нибудь абразивным, чтобы удалить налет или окисление, которое образовалось.

Спасибо, , за участие в семинаре Субботнего научно-инженерного клуба Кингстонского университета.

Отправьте фотографии своей Earth Battery или разместите в Интернете и отметьте @natsatclub

Какие металлы являются хорошими проводниками электричества?

Почему медь является хорошим проводником электричества?

Подробнее о Earth Battery

Батарея с солёной водой… как надо!

Металлы в монетах Великобритании

Анализ характеристик земной батареи с использованием добавки к органическим отходам

[1] Н.Хан, З.С., Экспериментальное исследование земных батарей на Второй Международной конференции по электротехнике, Пакистан (2008).

[2] Коррозийная почва и наземные фотоэлектрические панели.www. гражданский. com / resource / почвы-коррозия-эффекты-пв-земля-крепления.

[3] Вигнерон, Дж. П., А. Шанзи, П. Росней, Кристоф Рюдигер и К.К Жан, Оценка эффективной температуры почвы в L-диапазоне в зависимости от свойств почвы, IEEE Transactions по геонауке и дистанционному зондированию, март 2008 г., стр.797-807.

DOI: 10.1109 / tgrs.2007.914806

[4] Кромптон, Т.R. Справочник по аккумуляторным батареям. Ньюнес: Оксфорд, (2000).

[5] Э. Кац и А. Бейн. История электрохимии, электричества и электроники; Биосенсоры и биоэлектроника, 1887 г.

[6] Д. Drawbaugh, Земляная батарея для электрических часов. Патент США 211, 322, 1800.

[7] Р.Дж. Эдвард. Измерение удельного сопротивления почвы и расчет сопротивления заземляющего электрода (1998).

[8] Периодическая таблица.www. химикоол. com.

[9] Р. Чанг, М.С. Физическая химия для зачисления в университет: Электрохимия. Малайзия Макгроу Хилл, (2005).

Green Energy Reality Check: это не так чисто, как вы думаете

Это материальный мир

Сколько весит миля путешествия или фильм? Столь странно звучащий вопрос не о расстоянии или времени; вместо этого он указывает на неизбежную реальность, в которой каждый продукт и услуга начинаются с добычи полезных ископаемых из земли и поддерживаются ею.

Для всего, что построено или изготовлено, можно провести прямую линию вверх по течению, где люди используют тяжелое оборудование (в некоторых странах просто лопаты) для извлечения материалов из земли. Очевидно, что материалы, из которых строятся мосты, небоскребы и автомобили, имеют измеримый вес. Менее очевиден вес материалов, необходимых для производства энергии. Различные формы энергии включают в себя совершенно разные типы и количества машин для сбора энергии и, следовательно, разные виды и количества материалов.

Будь то жидкости, извлеченные из земли для приведения в действие двигателя внутреннего сгорания, или твердые частицы, используемые для создания батарей, любое значительное увеличение количества используемых материалов на милю будет в сумме, потому что одни только американцы проезжают около 3 триллионов автомобильных миль в год. То же самое верно для выработки киловатт-часов и всех других видов использования энергии. Природа лежащих в основе минералов и материалов, необходимых для цивилизации, всегда была важна. Сейчас критически важно, что правительства всего мира спешат использовать возобновляемые источники энергии.

Все машины изнашиваются, и в «зеленых» машинах нет ничего возобновляемого, поскольку необходимо постоянно добывать материалы, чтобы создавать новые и заменять изнашиваемые. Все это требует добычи, обработки, транспортировки и, в конечном итоге, утилизации миллионов тонн материалов, большая часть которых функционально или экономически непригодна для вторичной переработки.

Обеспечение доступа к полезным ископаемым, поддерживающим общество, – очень давняя забота, которая вплетена в историю и даже спровоцировала войны.В современную эпоху политика США по устранению зависимости от полезных ископаемых началась в 1922 году, когда Конгресс после Первой мировой войны разработал список из 42 «стратегических и критических материалов» для технологий и машин, важных для военных в то время. [2]

Затем последовал Закон о стратегических материалах 1939 года, который с тех пор несколько раз обновлялся и изменялся, в него были включены идеи по поощрению отечественной добычи полезных ископаемых и созданию запасов стратегически важных минералов для военной техники.

За последнее столетие произошло два значительных события.Во-первых, США не расширили внутреннюю добычу полезных ископаемых, и в большинстве случаев производство почти всех полезных ископаемых в стране сократилось. Во-вторых, резко вырос спрос на полезные ископаемые. Эти две пересекающиеся тенденции привели к значительным изменениям во взаимозависимостях цепочки поставок. Сегодня импорт составляет 100% примерно из 17 важнейших полезных ископаемых, а по 29 другим видам чистый импорт составляет более половины спроса [3].

Материальные затраты на «Чистые технологии»

Материалы, извлекаемые из земли для изготовления ветряных турбин, солнечных панелей и батарей (для хранения электроэнергии из сети или приводов электромобилей), находятся вне поля зрения, они расположены в отдаленных карьерах, на шахтах и ​​на предприятиях по переработке полезных ископаемых по всему миру.Эти местоположения имеют значение с точки зрения геополитики и рисков цепочки поставок, а также с точки зрения окружающей среды. Прежде чем рассматривать цепочку поставок, важно понять масштабы потребностей в материалах. Что касается зеленой энергии, все начинается с того факта, что такие источники занимают много земли и очень распространены.

Например, для замены выработки энергии от одной турбины, работающей на природном газе, мощностью 100 МВт, которая сама по себе размером с жилой дом (производящей электроэнергии достаточно для 75000 домов), потребуется не менее 20 ветряных турбин, каждая из которых размером Монумент Вашингтона, занимающий около 10 квадратных миль земли.[4]

Для создания этих ветряных машин требуется огромное количество обычных материалов, включая бетон, сталь и стекловолокно, а также менее распространенные материалы, включая «редкоземельные» элементы, такие как диспрозий. В исследовании Всемирного банка отмечается то, что знает каждый горный инженер: «Технологии, которые, как предполагается, будут способствовать переходу на чистую энергию… на самом деле значительно более материалоемкие по своему составу, чем существующие традиционные системы энергоснабжения на основе ископаемого топлива» [5].

Все формы зеленой энергии требуют примерно сопоставимого количества материалов для создания машин, улавливающих природные потоки: солнце, ветер и воду.По потреблению материалов ветряные электростанции близки к гидроэлектростанциям, а солнечные фермы опережают и те, и другие. Во всех трех случаях наибольшая доля тоннажа приходится на обычные материалы, такие как бетон, сталь и стекло. По сравнению с электростанцией, работающей на природном газе, всем трем требуется, по крайней мере, в 10 раз больше тонн, добытых, перемещенных и преобразованных в машины, обеспечивающие то же количество энергии (, рис. 1, ).

Например, для строительства единственной ветряной электростанции мощностью 100 МВт – не говоря уже о тысячах из них – требуется около 30 000 тонн железной руды и 50 000 тонн бетона, а также 900 тонн неперерабатываемого пластика для огромных лопастей.[6] С солнечным оборудованием тоннаж цемента, стали и стекла на 150% больше, чем у ветра, при той же выработке энергии. [7]

Если будут использоваться эпизодические источники энергии (ветер и солнце) для круглосуточного снабжения электроэнергией, потребуются еще большие количества материалов. Необходимо построить дополнительные машины, примерно в два-три раза больше, чтобы производить и хранить энергию, когда есть солнце и ветер, для использования в то время, когда их нет. Затем есть дополнительные материалы, необходимые для строительства хранилища электроэнергии.Для контекста, система хранения общего назначения, достаточная для вышеупомянутой ветряной электростанции мощностью 100 МВт, потребует использования не менее 10 000 тонн батарей класса Tesla.

Обработка и переработка таких больших объемов материалов влечет за собой собственные затраты на электроэнергию, а также связанные с ними последствия для окружающей среды, которые рассматриваются ниже. Но во-первых, критическая проблема цепочки поставок заключается не столько в увеличении использования обычных (хотя и энергоемких) материалов, таких как бетон и стекло. Основные проблемы для цепочки поставок и окружающей среды связаны с необходимостью радикального увеличения количества самых разных полезных ископаемых.

В настоящее время в мире добывается около 7000 тонн неодима в год, например, одного из многочисленных ключевых элементов, используемых при изготовлении электрических систем для ветряных турбин. Текущие сценарии экологически чистой энергии, представленные Всемирным банком (и многими другими), потребуют увеличения предложения неодима на 1000–4000% в ближайшие несколько десятилетий [8]. Несмотря на то, что в различных анализах потребности в минералах для зеленой энергии используются разные исходные допущения, все они приходят к одному и тому же диапазону выводов.Например, добыча индия, используемого для производства солнечных полупроводников, должна увеличиться на 8000%. Добыча кобальта для аккумуляторов должна вырасти на 300–800% [9]. Производство лития, используемого для электромобилей (не говоря уже о сети), должно вырасти более чем на 2 000% [10]. Институт устойчивого будущего при Технологическом университете Сиднея, Австралия, в прошлом году проанализировал 14 металлов, необходимых для создания экологически чистых машин, и пришел к выводу, что поставки таких элементов, как никель, диспрозий и теллур, необходимо увеличить на 200–600%.[11]

Последствия такого значительного увеличения спроса на энергетические полезные ископаемые не были полностью проигнорированы, по крайней мере, в Европе. Исследование, спонсируемое правительством Нидерландов, показало, что одни только экологические амбиции Нидерландов потребуют значительную долю мировых запасов полезных ископаемых. «Экспоненциальный рост [глобальных] мощностей по производству возобновляемой энергии, – отмечается в исследовании, – невозможен при современных технологиях и ежегодном производстве металла» [12]

За кадром: сорта руды и вскрыша

Масштаб этих материальных потребностей занижает общий тоннаж земли, которая обязательно перемещается и обрабатывается.Это связано с тем, что прогнозы будущих потребностей в минералах сосредоточены на подсчете количества необходимых очищенных, чистых элементов, а не на общем количестве земли, которую необходимо выкопать, переместить и обработать.

На каждую тонну очищенного элемента необходимо физически перемещать и обрабатывать гораздо больший тоннаж руды. Это реальность для всех элементов, которую геологи выражают как класс руды: процент породы, которая содержит искомый элемент. Хотя сорта руды сильно различаются, медные руды обычно содержат только около половины процента по весу самого элемента: таким образом, примерно 200 тонн руды выкапывают, перемещают, измельчают и перерабатывают, чтобы получить одну тонну меди.Что касается редкоземельных элементов, на тонну элемента добывается от 20 до 160 тонн руды. [13] Для получения одной тонны кобальта добывается около 1500 тонн руды.

При расчете экономических и экологических затрат необходимо также включить так называемую вскрышную породу – тонны горных пород и грязи, которые сначала удаляются, чтобы получить доступ к часто глубоко залегающей руде, содержащей минералы. Хотя коэффициенты вскрыши также сильно различаются, обычно от трех до семи тонн земли перемещают, чтобы получить доступ к одной тонне руды.[14]

Чтобы получить представление о том, на что все это указывает в отношении общего объема материалов, выделяемых на пути экологически чистой энергии, рассмотрим цепочку поставок аккумуляторной батареи для электромобиля. Одна батарея, обеспечивающая полезный запас хода, весит около 1000 фунтов [15]. Для получения очищенных минералов, необходимых для производства одной батареи электромобиля, требуется добыча, перемещение и переработка более 500 000 фунтов материалов где-нибудь на планете (см. Врезку ниже). [16] Это в 20 раз больше, чем 25 000 фунтов нефти, которые двигатель внутреннего сгорания использует в течение всего срока службы автомобиля.

Основной вопрос для экологически чистой энергетики будущего заключается не в том, достаточно ли элементов в земной коре для удовлетворения спроса; Есть. Большинство элементов довольно распространены, и почти все они встречаются гораздо чаще, чем золото. Получение достаточного количества природных элементов по приемлемой для рынка цене в основном определяется технологиями и доступом к земле, на которой они захоронены. Последнее в основном касается правительственных разрешений.

Однако, как предупреждает Всемирный банк, материальные последствия будущего «чистых технологий» создают «новый набор проблем для устойчивого развития полезных ископаемых и ресурсов.[17] Некоторые минералы трудно получить по техническим причинам, присущим геофизике. Именно в физике, лежащей в основе экстракции, и в физической химии очистки, мы находим реальности неустойчивой зеленой энергии в масштабах, которые многие предлагают.

Устойчивое развитие: скрытые затраты на материалы

Опасения по поводу воздействия добычи полезных ископаемых на окружающую среду и здоровье были впервые высказаны древнегреческим врачом Гиппократом в его книге De aëre, aquis et locis ( On Air, Waters, and Места ). [18] Поскольку цивилизация не могла существовать без добычи полезных ископаемых из земли, обществу долгое время приходилось бороться с проблемами, связанными с ответственной добычей ресурсов.

Сегодня наиболее драматическим фактором, определяющим масштабы будущей глобальной добычи полезных ископаемых, является не создание продуктов, требующих новых видов использования полезных ископаемых (например, кремний для компьютеров, алюминий для самолетов), а стремление использовать экологически чистые машины для замены углеводородов для удовлетворения существующих потребностей. потребности в энергии. Зеленые машины означают добычу более материалов на единицу энергии, поставляемой обществу. Поскольку чистые технологии предназначены для обеспечения энергией более «устойчивым» способом, необходимо учитывать не только физические реалии добычи полезных ископаемых, но и скрытые энергетические затраты на сами лежащие в основе материалы, т. Е.е. «воплощенные» затраты на энергию.

Воплощенная энергия возникает из топлива, используемого для выкапывания и перемещения земли, измельчения и химического отделения минералов от руд, очистки элементов до чистоты и производства конечного продукта. Воплощенные затраты на энергию могут достигать удивительных уровней. Например, в то время как автомобиль весит примерно в 10 000 раз больше, чем смартфон, для его изготовления требуется всего в 400 раз больше энергии. Ежегодно в мире производится около 600 000 тонн бытовой электроники.[19] Воплощение этой реальности: воплощенная энергия для производства около 200 фунтов стали такая же, как и для производства одного фунта кремния полупроводникового качества. [20] В мире также используется около 25 000 9 0003 тонн 9 0004 (энергоемкого) чистого кремния полупроводникового качества, которого не существовало в докомпьютерную эпоху [21].

Воплощенное использование энергии начинается с топлива, используемого гигантскими горнодобывающими машинами, такими как Caterpillar 797F на 0,3 мили на галлон, который может перевозить 400 тонн руды. Существуют также затраты на электроэнергию на руднике (в отдаленных районах, часто с дизельным двигателем) для работы машин, дробящих камни, а также затраты на энергию при производстве и использовании химикатов для переработки.Для минералов с очень низким содержанием руды топливо может быть значительным фактором в стоимости конечного продукта.

Редкоземельные элементы, используемые во всевозможных технических машинах, включая зеленые, обладают редкими свойствами, но их гораздо больше, чем золота. Однако физическая химия редкоземельных элементов затрудняет их очистку и требует больших затрат энергии. Чтобы получить доступ к фунту редкоземельных элементов и очистить его, требуется примерно вдвое больше энергии, чем, например, фунт свинца. [22]

Для горнодобывающей промышленности нет ничего нового или удивительного в количестве энергии и химикатов, используемых в многоступенчатых процессах, необходимых для очистки минералов, заключенных в скалах.Хотя всегда есть способы (в том числе, в наши дни, с помощью цифровых инструментов) для повышения экономической эффективности – и улучшения безопасности и экологических результатов – исследования показывают, что в отношении энергоэффективности большинство основных процессов добычи полезных ископаемых уже работают вблизи технические или физические ограничения. [23]

Это означает, что в обозримом будущем увеличение производства экологически чистых машин неизбежно приведет к увеличению воплощенной энергии. Например, анализ показывает, что производство одной батареи, способной удерживать энергию, эквивалентную одному баррелю нефти, влечет за собой процессы, в которых используется энергетический эквивалент 100 баррелей нефти.[24] Около половины этой энергии приходится на электроэнергию и природный газ, а другая половина – на нефть. Если батареи производятся в Азии (как сейчас 60% аккумуляторов в мире), более 60% электроэнергии для этого производится на угле [25].

Воплощенная энергия также обязательно является частью строительства ветряных и солнечных машин, особенно потому, что требуется большое количество бетона, стали и стекла. [26] Эти товарные материалы имеют относительно низкую воплощенную энергию на фунт, но количество задействованных фунтов огромно.[27] Например, на природный газ приходится более 70% энергии, используемой для производства стекла. [28] Стекло составляет около 20% тоннажа, необходимого для создания солнечных батарей. Для ветряных турбин нефть и природный газ используются для изготовления лопастей из стекловолокна, а уголь используется для производства стали и бетона. Некоторые перспективы: если ветряные турбины будут поставлять половину мировой электроэнергии, для производства бетона и стали потребовалось бы почти 2 миллиарда тонн угля, а также 1,5 миллиарда баррелей нефти для изготовления композитных лопастей.[29]

Еще один фактор энергии, отсутствующий в анализе воплощенной энергии экологически чистых машин, заключается в том, как поставляются материалы. Более 75% всей нефти и 100% природного газа транспортируется на рынки по трубопроводам. [30] (Большая часть оставшихся тонно-миль приходится на корабли.) Трубопроводы являются наиболее энергоэффективным средством перемещения тонны материала в мире. Однако почти все материалы, используемые для создания зеленых машин, представляют собой твердые тела, и очень большая их часть будет транспортироваться грузовиками.Использование грузовых автомобилей вместо трубопроводов влечет за собой увеличение на 1000% на тонно-милю реализованной транспортировки энергоносителей [31].

Наконец, при любом полном учете экологических реалий существует проблема утилизации, присущая очень большому количеству батарей, ветряных турбин и солнечных элементов после их износа. Эта тема обсуждается ниже. На данный момент следует отметить, что многие ветряные турбины уже достигли 20-летнего срока службы; Реалии вывода из эксплуатации и утилизации только начинаются.Массивные лезвия из армированного стекловолокна (пластика) очень дороги в разрезании и обращении, они сделаны из материалов, не подлежащих вторичной переработке, и в конечном итоге будут выброшены на свалку. Что касается солнечных ферм, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии прогнозирует, что к 2050 году, при текущих планах, солнечный мусор будет вдвое превышать тоннаж всех пластиковых отходов в мире. [32]

Для многих сторонников экологически чистой энергии решение всех этих проблем с материалами заключается в изношенном призыве уделять больше внимания «сокращению, повторному использованию и переработке».«Многие люди также находят прибежище в убеждении, что в нашем будущем есть место для большего количества энергетических материалов, потому что технологии« дематериализуют »остальную часть общества. На самом деле ни дематериализация, ни переработка не могут решить большие затраты на экологически чистую энергию будущего.

Тропа «дематериализации»

В наше цифровое время широко распространено утверждение, что экономика, в которой все больше доминируют услуги, в сочетании с амазонизацией и уберизацией всего означает, что «потребность в ресурсоемком производстве не является неизбежной.[33] Или, как выразился ученый из Массачусетского технологического института Эндрю Макафи: «Практически на протяжении всей истории человечества наше процветание было тесно связано с нашей способностью извлекать ресурсы из земли. . . . Но больше не будет ». [34]

Это правда, что добыча ресурсов – продуктов питания, топлива и полезных ископаемых – составляет лишь незначительную долю общего ВВП Америки; так было уже более века. Однако основополагающие требования для любого из этих ресурсов не уменьшились в абсолютном количестве, равно как и не произошло уменьшения важности надежности и безопасности поставок и цены на эти ресурсы.

Для доказательства того, что общество не дематериализуется каким-либо фундаментальным образом, нам достаточно сравнить два знаковых продукта этого и прошлого века: смартфон и автомобиль. Эти два продукта характеризуют культурный сдвиг и очевидный сдвиг в материальной зависимости. По словам одного из аналитиков, подростки перестали водить машину в торговый центр, чтобы покупать музыкальные кассеты, и стали слушать музыку в цифровом виде [35]. Но цифровой мир не устранил использование автомобилей или удивительное количество минералов и материалов, используемых в первичном производстве всего цифрового.По прогнозам на следующие два десятилетия, мировой спрос на обычные материалы, такие как пластмассы, бумага, железо, алюминий, кремнезем (песок) и кальций (в известняке) для бетона, возрастет на 300%. [36]

Богатые экономики стали более эффективными, а темпы экономического роста опередили более медленный рост общего использования материалов. Но более высокая экономическая эффективность использования материалов замедляет темпы роста – это не фундаментальное отделение материалов от роста. Ежегодно мир потребляет более 100 миллиардов тонн строительных материалов, продуктов питания, топлива и металлических деталей ( Рисунок 2 ).[37] В среднем это составляет более 2 миллионов фунтов на жизнь каждого человека на планете. На данный момент более 85% из них идет на неэнергетические цели.

Тем не менее, это правда, что в конечном итоге – даже если это пройдет через столетие – спрос на повседневные материалы будет снижаться по мере того, как более бедные страны приближаются к уровню насыщения потребления продуктов питания, домов, дорог и зданий на душу населения. [38] Мы очень далеки от такого насыщения: в богатых странах примерно 800 автомобилей на 1000 человек, в то время как в странах, где живут миллиарды более бедных людей, это соотношение приближается к 800 человек на одну машину.[39] По мере роста доли этих автомобилей в электрических, спрос на широкий спектр полезных ископаемых будет расти еще быстрее. [40]

Более того, постоянное открытие новых свойств элементов предъявляет совершенно новые требования к добыче полезных ископаемых. Столетие назад автомобили производились из нескольких материалов: дерева, резины, стекла, железа, меди, ванадия и цинка. Сегодня автомобили строятся из более чем трех десятков нетопливных минералов, включая смесь 16 редкоземельных элементов. Один пример: в 1982 году ученый General Motors использовал редкие свойства неодима для изобретения самого сильного в мире магнита.[41] Такие магниты, в 10 раз более мощные, чем все предыдущие, теперь являются неотъемлемой частью всех видов продукции, включая экологически чистые продукты, такие как ветряные турбины и электромобили.

Сфера услуг стала основным источником занятости к концу 20 века. [42] Большинство анализов и опасений сосредоточено на последствиях этой трансформации для рабочей силы. [43] Тем не менее, все услуги также основаны на использовании промышленных товаров [44].

Нет FedEx без грузовиков и самолетов; не может быть здравоохранения без больниц, аппаратов магнитной визуализации и фармацевтических препаратов; нет Amazon без дата-центров и складов.Удобство совершения покупок в один клик и доставки в течение одного или двух дней за последние полдюжины лет привело к удвоению строительства складских помещений в США и увеличению грузопотока на 50% [45]. Создание Облака начинается с периодической таблицы, от кремния и мышьяка до лития и иттербия. Энергия облака требует использования песка и стали для получения природного газа, заключенного в сланце, а также серебра и селена для получения солнечной энергии.

Рассмотрим важную связь между материалами и услугами, видимую в энергетических тенденциях.С начала цифровой эры, примерно в 1980 году, средняя материалоемкость Америки, измеряемая в общих фунтах на душу населения, а не в общих фунтах, оставалась в основном неизменной [46]. Но реальность того, как энергия используется машинами и для их производства, можно увидеть в тенденции в использовании энергии на одного промышленного рабочего, которая увеличилась одновременно с увеличением доли непромышленной занятости в общей занятости [47]. Фактически, в период внедрения цифровых технологий с 1980 года доля занятых в сфере услуг оставалась неизменной, в то время как энергоемкость среднего работника промышленного сектора увеличивалась ( Рисунок 3 ).Короче говоря, переход к экономике, в которой преобладают услуги, не снижает зависимости от энергии и производных материалов или необходимости надежного доступа к обоим.

Сокращение, повторное использование, переработка: нет выхода из минеральных зависимостей

Мантра «сокращать, повторно использовать и рециркулировать», укоренившаяся в современной культуре, стала характерной чертой практически всех анализов и предложений по политике, направленных на поиск путей снижения потребности в материалах зеленой энергии. Повторное использование, как правило, не имеет значения, поскольку подавляющее большинство всех продуктов в обществе не могут быть повторно использованы, в том числе машины, использующие экологически чистую энергию.Технические и экологические проблемы и, следовательно, затраты на повторное использование, чаще всего выше, чем те, которые связаны с использованием первичного материала.

Уменьшить

Современные политики и предписания «сократить и переработать» были в значительной степени мотивированы целью уменьшить количество мусора, отправляемого на свалки. Так что же станет с быстро растущим числом производимых ветряных / солнечных / аккумуляторных машин? Ответ: почти все они со временем окажутся на свалках.

Как мы уже отмечали ранее, Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA) прогнозирует, что к 2050 году, при текущих планах, солнечный мусор будет вдвое превышать тоннаж всех форм пластиковых отходов в мире. Аналогичные масштабы ожидаются от разряженных аккумуляторов, используемых в электромобилях и электрических сетях. Ежегодный объем мусора батарей в Китае уже оценивается в 500 000 тонн в 2020 году. К 2030 году он превысит 2 миллиона тонн в год [48]. В настоящее время утилизируется менее 5% таких аккумуляторов.[49]

Когда 20 ветряных турбин, составляющих всего лишь одну небольшую ветряную электростанцию ​​мощностью 100 МВт, изнашиваются, вывод из эксплуатации и их уничтожение приведет к образованию в четыре раза большего количества не перерабатываемого пластикового мусора, чем всех (перерабатываемых) пластиковых соломинок в мире вместе взятых. [50] Сегодня в мире установлено в 1000 раз больше ветряных турбин. Если текущие прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) оправдаются, к 2050 году будет более 3 миллионов тонн не перерабатываемых пластиковых турбинных лопаток (, рис. 4 ).

Признавая материалоемкость экологически чистых энергетических технологий, некоторые защитники окружающей среды предполагают, что то, что нам нужно для «настоящего устойчивого будущего, – это такое, в котором большинство людей не будет управлять транспортными средствами» [51]. Предложения по поощрению или принуждению к изменению образа жизни не новы. В будущем они не более эффективны, чем в прошлом.

Инновационные разработки могут привести к небольшому сокращению использования некоторых критических элементов в электродвигателях и магнитах.Но это лишь немного замедляет темпы роста спроса. Это не отменяет того факта, что создание экологически чистых машин стало возможным благодаря использованию свойств многих конкретных элементов. Например: самарий позволяет использовать меньшие и более мощные магниты, которые также намного более стабильны при высоких температурах. Литий, тавтологически, является основным элементом литий-ионной батареи; а медь остается лучшим вариантом для электрических проводников.

Переработка

Для сторонников зеленой энергии идеализированное видение вторичной переработки включает развертывание «экономики замкнутого цикла» в качестве приоритета номер один для устранения материальных последствий чистых технологий.[52] Но идея «зеленой» экономики замкнутого цикла, основанной на цели 100% рециркуляции, является несбыточной мечтой. [53]

Многие материалы, особенно ценные металлы, могут быть переработаны в значительной степени. Но мы можем рассмотреть последствия и уроки для зеленых отходов, посмотрев на 50 миллионов тонн так называемых электронных отходов, образующихся во всем мире из изношенных или устаревших цифровых устройств, которые также построены с использованием многих важных и редких минералов. Тоннаж мировых электронных отходов равен «весу всех когда-либо построенных коммерческих самолетов» и, по прогнозам, удвоится в следующие несколько десятилетий.[54]

Миллионы тонн электронных отходов содержат сотни тонн золота и тысячи тонн серебра (как правило, основная цель переработчиков по очевидным причинам), а также более десятка других элементов. [55] Чтобы увеличить переработку электронных отходов с сегодняшнего уровня 20%, Всемирный экономический форум (среди прочего) предлагает различные меры для повышения «осведомленности» потребителей, добавления новых правил и субсидий, а также стимулирования модернизации оригинальных устройств. По оценкам Форума, эти усилия позволят снизить потребительские расходы на 14% в течение следующих двух десятилетий.[56]

Но по мере того, как масштабы глобальной утилизации растут, многие правительства и некоторые экологические организации начинают уделять внимание серьезным вопросам здоровья и безопасности, которые игнорируются. [57] До сих пор большая часть вторичной переработки электронных отходов, как и многих других отходов, осуществляется в более бедных странах, которые готовы заниматься трудоемкими, в значительной степени нерегулируемыми, а иногда и опасными процессами. Например, из Ганы Европа экспортирует наибольшее количество электронных отходов. [58] Между тем мировая индустрия вторичной переработки все еще приспосабливается к новой реальности: два года назад Китай внезапно запретил ввоз отходов, заявив, что большая их часть «грязная» и «опасная».”[59]

Запрет Китая вынуждает местные правительства и муниципалитеты США сокращать или даже прекращать программы утилизации. [60] Как заметил один отраслевой эксперт из Орегона: «Утилизация здесь как религия. . . . Для людей в Орегоне было важно перерабатывать вторичное сырье, [и] они чувствовали, что делают что-то хорошее для планеты – и теперь им вытаскивают коврик из-под них »[61]. Запрет Китая высветил неотъемлемую часть проблемы с рециркуляцией, особенно с понятием «замкнутой экономики».”

Проблема переработки микроэлементов практически такая же, как и при добыче полезных ископаемых: многое зависит от концентрации. Концентрация полезных минералов в электронных и зеленых отходах очень низкая и часто намного ниже содержания руды этих минералов в горных породах. Кроме того, физическая природа поврежденного оборудования сильно различается (опять же, в отличие от горных пород), что затрудняет поиск простых механизмов для отделения минералов. Процессы переработки часто являются трудоемкими (отсюда и поиск дешевой рабочей силы, а иногда и детским трудом за границей) и опасными, поскольку методы сжигания ненужной упаковки могут выделять токсичные пары.[62]

Если бы «городская добыча полезных ископаемых» – часто используемое выражение для улавливания полезных ископаемых, скрытых в изношенных продуктах, – была бы проще, дешевле и безопаснее, чем добыча новых материалов, их было бы намного больше, и для этого не потребовались бы субсидии и мандаты ввести в действие. Хотя технологии, особенно автоматизация и робототехника, в конечном итоге предоставят более экономически жизнеспособные и более чистые способы переработки, проблемы огромны, а прогресс идет медленно. Это причина того, что общие глобальные уровни чистой переработки и улавливания большинства металлов (для всех целей, а не только электронных и экологически чистых отходов) ниже 20% и намного ниже, чем у всех редкоземельных элементов.[63]

Даже несмотря на то, что Apple отстаивала программы утилизации своих продуктов, включая изобретение робота для разборки iPhone (он умеет только iPhone) 64 и открытие новой лаборатории восстановления материалов в Остине, штат Техас, компания, наряду со многими другими технологическими компаниями, энергично продвигает экологически чистую энергию.65 Но в одной батарее электромобиля, например, столько же кобальта, сколько в 1000 iPhone, столько же пластика в одной ветряной турбине, сколько в 5 миллионах iPhone, и столько же стекла в солнечной батарее, которая может обеспечить питание одного центра обработки данных, как в 50 миллионах iPhone.[66]

Недавнее видение Министерства энергетики США в отношении морского ветра (не говоря уже о береговых ветряных электростанциях) в США приведет к тому, что около 10 тысяч тонн одного только неодима будут «похоронены» внутри более чем 4 миллионов тонн оборудования, которое в конечном итоге будет отправлено на свалки. [ 67] Звучит как большой материал, который стоит восстановить, но он показывает, что концентрация неодима в мусоре составляет одну десятую от естественного содержания руды для этого минерала на руднике. [68] Такие реалии могут привести к удивительному результату: энергия, необходимая для извлечения переработанного минерала, может быть больше, чем затрачивается на ее получение из природной руды.[69]

Это не означает, что вторичная переработка больше не будет иметь большого значения. Но его пределы ясны. Проблемы, связанные с удовлетворением потребностей в мировых полезных ископаемых в будущем, не будут решены путем принятия желаемого за действительное о «экономике замкнутого цикла».

Источники минералов: конфликты и зависимости

Критические и даже жизненно важные роли конкретных минералов долгое время вызывали озабоченность некоторых аналитиков, а также персонажей художественных драм.Один из сюжетов сериала Amazon Jack Ryan вращается вокруг секретной венесуэльской танталовой шахты; в одном из эпизодов сериала Netflix Карточный домик , кризис возникает из-за китайского эмбарго на самарий. [70] Драмы, конечно же, вдохновлены реальными зависимостями и конфликтами из-за ресурсов, местными трудовыми злоупотреблениями и неоправданным ущербом местной окружающей среде.

Сегодня можно проследить прямую линию от медицинского МРТ до гигантских грузовиков в шахтах Бразилии (для ниобия в сверхпроводящих магнитах) [71] или от электромобиля до массивных шахт Баян Обо во Внутренней Монголии (для редкоземельных элементов), и со смартфона на шахты в Демократической Республике Конго (для кобальта в батареях).Каждый из этих регионов представляет собой крупнейшие в мире запасы ниобия, редкоземельных элементов и кобальта соответственно [72]. Политически неспокойная Чили обладает крупнейшими в мире запасами лития, хотя стабильная Австралия – крупнейший в мире поставщик. В другом звене цепочки поставок аккумуляторов китайские переработчики кобальта незаметно получили контроль над более чем 90% переработки кобальта в аккумуляторной промышленности, без которой сырая кобальтовая руда бесполезна [73].

Институт устойчивого будущего при Технологическом университете Сиднея, Австралия, предупреждает, что глобальная золотая лихорадка зеленых минералов для удовлетворения амбициозных планов может привести горняков в «некоторые отдаленные районы дикой природы, [которые] сохранили высокое биоразнообразие, потому что они еще этого не сделали. был обеспокоен.[74] Кроме того, широко известны случаи жестокого обращения и использования детского труда на шахтах в Конго, откуда происходит 70% мирового кобальта. [75]

В конце 2019 года Apple, Google, Tesla, Dell и Microsoft оказались обвиненными в иске, поданном в федеральный суд США, об эксплуатации детского труда в Конго. [76] Подобные связи могут быть связаны с трудовыми злоупотреблениями, связанными с добычей меди, никеля или ниобия по всему миру. [77] Хотя в таких реальных или предполагаемых злоупотреблениях нет ничего нового, новостью является быстрый рост и огромный перспективный спрос на технологические полезные ископаемые и полезные ископаемые.Закон Додда-Франка 2010 года включает требования к отчетности о торговле «конфликтными полезными ископаемыми». В недавнем отчете Счетной палаты правительства (GAO) отмечается, что более тысячи компаний подали заявления о раскрытии конфликтных полезных ископаемых в Комиссию по ценным бумагам и биржам, согласно Додду-Франку [78].

Автопроизводители, производящие электромобили, присоединились к производителям смартфонов в таких обязательствах по «этичному поиску» минералов. [79] Автомобильные аккумуляторы используют гораздо больше «конфликтного» кобальта. [80] Компании могут давать залоги; но, к сожалению, факты показывают, что существует небольшая корреляция между такими обещаниями и частотой (заявленных) злоупотреблений в иностранных рудниках.[81] Помимо моральных вопросов об экспорте, экологических и трудовых проблем при добыче полезных ископаемых, стратегические проблемы цепочек поставок также являются главной проблемой безопасности.

Стратегические зависимости: реанимированы старые проблемы безопасности

Беспокойство цепочки поставок по поводу важнейших минералов во время Первой мировой войны побудило Конгресс создать в 1922 году Совет по боеприпасам армии и флота для планирования закупок поставок, включив в него 42 стратегических и важнейших материала.За этим последовал Закон о стратегических материалах 1939 года. К моменту Второй мировой войны было накоплено около 15 важнейших материалов, шесть из которых были выпущены и использованы во время этой войны. Закон 1939 года пересматривался дважды, в 1965 и 1979 годах, и в 1993 году были внесены поправки, уточняющие, что целью этого закона была только национальная оборона. [82]

Еще в 1990 году США занимали первое место в мире по добыче полезных ископаемых. Сегодня он на седьмом месте. [83] Более актуальным, как отмечает Геологическая служба США (USGS), является стратегическая зависимость от конкретных критически важных полезных ископаемых.В 1954 г. США были на 100% зависимы от импорта восьми минералов. [84] Сегодня США на 100% зависят от импорта 17 минералов и зависят от импорта более 50% из 29 широко используемых минералов. Китай является важным источником половины из этих 29 минералов. [85]

Министерство обороны и Министерство энергетики (DOE) много раз на протяжении десятилетий публиковали отчеты о зависимости важнейших полезных ископаемых. В 2010 году Министерство энергетики опубликовало Стратегию критических материалов; в 2013 году Министерство энергетики сформировало Институт критических материалов, в том же году Национальный научный фонд выступил с инициативой в области критических материалов.[86] В 2018 году Геологическая служба США определила список из 35 полезных ископаемых как критически важных для безопасности нации. [87]

Но десятилетия ломки рук над растущей зависимостью от полезных ископаемых не привели к существенным изменениям во внутренней политике. Правда в том, что зависимость от импорта небольшого количества полезных ископаемых, используемых в жизненно важных военных технологиях, может быть разумно решена путем создания внутренних запасов, решение столь же древнее, как и сама добыча полезных ископаемых. Однако сегодняшнее массовое стремление к экологически чистой энергии на внутреннем и глобальном уровнях не может быть решено с помощью небольших запасов.Возможны варианты – помимо отказа от увеличения количества зеленой энергии – просто принять большую стратегическую зависимость или увеличить внутреннюю добычу. [88]

«Зеленая энергия»: радикальное ускорение стратегических зависимостей

США за последние полвека достигли стратегической энергетической независимости. Это произошло после десятилетий политической, экономической и геополитической обеспокоенности по поводу зависимости от импорта, в частности, природного газа и нефти. Теперь страна производит больше газа, чем потребляет, и, таким образом, является нетто-экспортером; он также обеспечивает 90% чистых потребностей в нефти и, таким образом, является по существу стратегически независимым.Как и в случае с сельскохозяйственной продукцией, где США также являются нетто-экспортером, достижение чистой независимости не устраняет необходимости в импорте или его стоимости как части общей сложной структуры товарных бирж. Но стратегическая «изоляция», а также геополитическая «мягкая сила» проистекают из позиции «доминирования» в товарах, критически важных для национального выживания. [89] Хотя еще предстоит увидеть, какой ущерб будет нанесен внутреннему производству энергии в период посткоронавирусной рецессии, теперь ясно, что страна обладает значительными возможностями в области стратегической добычи углеводородов и экспорта .Учитывая, что 56% всей энергии Америки приходится на нефть и газ, это достижение имеет глубокие стратегические последствия.

С другой стороны, на сегодняшний день только 4% общих внутренних потребностей в энергии обеспечивается ветровыми и солнечными машинами, а батареи обеспечивают менее 0,5% внутренних автомобильных дорог. Около 90% солнечных панелей импортируются. [90] Даже если бы панели были собраны здесь, США производят только 10% мировых поставок критически важного кремниевого материала. Китай производит половину.[91] Что касается ветряных турбин, США импортируют около 80% электрических компонентов (т. Е. Исключая стекловолокно и сталь). [92] И хотя Tesla (на которую приходится почти 80% всех продаж электромобилей на внутреннем рынке) [93] производит продукцию внутри страны, практически все важнейшие полезные ископаемые происходят из-за границы.

Таким образом, любое значительное увеличение крошечной доли экологически чистых машин в внутренней энергии радикально увеличит импорт либо этих машин, либо полезных ископаемых зеленой энергии, либо того и другого. Объемы импорта будут беспрецедентными.

Стратегические последствия использования экологически чистых источников энергии не ускользнули от внимания в Европе. Анализ, проведенный Гаагским центром стратегических исследований, резюмировал «аспект безопасности» стремления мира продвигать возобновляемые источники энергии. Анализ указывает на три очевидных макроэкономических тренда:

• Страны-производители полезных ископаемых будут набирать силу.
• Регионы с «большими неизведанными запасами полезных ископаемых» приобретут стратегическое значение.
• «Серьезность международных отношений сместится в сторону стран, обладающих технологиями использования возобновляемых источников энергии и техническими ноу-хау в области полезных ископаемых для возобновляемых источников энергии».”

Гаага сухо отмечает, что «страны, зависящие от импорта, могут использовать военный потенциал для защиты минеральных ресурсов». [94]

Как следствие, похоже, что Европа могла бы принять политику, направленную на поощрение увеличения объемов внутренней добычи полезных ископаемых, идея, которая казалась столь же маловероятной несколько лет назад, как возможность ЕС поощрять бурение на нефть и природный газ. Но это именно то, что предлагается при «переоснащении» промышленной политики ЕС [95]. Ссылаясь на стратегические и экономические факторы, некоторые политики ЕС предлагают расширить местную добычу и переработку для удовлетворения минеральных потребностей зеленой энергии.Потенциальные горнодобывающие проекты были определены в 10 странах ЕС, включая редкоземельные элементы в Норвегии, кобальт в Финляндии и литий в Испании и Португалии. Это немалая ирония в том, что по мере того, как Европейский инвестиционный банк проводит политику по прекращению кредитования предприятий, занимающихся ископаемым топливом, [96] он реализует политику по кредитованию горнодобывающих проектов [97].

Еще неизвестно, как новообретенные горнодобывающие амбиции Европы будут встречены защитниками окружающей среды и различными зелеными партиями континента, учитывая их враждебное отношение к добывающей промышленности в целом.Незадолго до глобальной пандемии коронавируса начали вспыхивать протесты из-за планов относительно новых европейских рудников [98], в ответ на которые отрасли раздули пиар-кампанию, пытаясь управлять «неблагоприятным статусом добычи полезных ископаемых» [99]