На снимках ядерщик Лонни Джонсон чаще всего соседствует с несерьёзным водяным суперпистолетом, но вообще-то у этого инженера на счету более 100 изобретений в разных областях (фото с сайта physorg.com).
Американский инженер-ядерщик Лонни Джонсон (Lonnie Johnson) прославился в массах изобретением сверхмощного водяного пистолета Super Soaker, ставшего самой продаваемой игрушкой в США в начале 1990-х (раскуплены десятки миллионов штук). Теперь же он утверждает, что нашёл оригинальный способ конверсии солнечного света в электричество с эффективностью 60% и более!
Джонсон и его компания Johnson Electro Mechanical Systems разработали "Термоэлектрическую систему конверсии энергии Джонсона" (Johnson Thermoelectric Energy Conversion System — JTEC), представляющую собой новый тип генератора электричества.
В самых общих чертах принцип его работы напоминает схему действия водородного топливного элемента. Но только напоминает. Ни необходимости питания водородом извне, ни надобности в доступе воздуха (кислорода), ни водяного пара на выходе — тут нет.
Так может выглядеть готовая ячейка JTEC. Первый этап её разработки финансировал американский национальный научный фонд (NSF) (иллюстрация Johnson Electro Mechanical Systems).
В основе JTEC лежит многослойный сандвич из электродов и протонообменной мембраны (membrane-electrode assemblies — MEA). Вернее, таких наборов тут два: низко— и высокотемпературный. Первый охлаждается окружающим воздухом, а второй, напротив, подставлен под жаркие лучи от зеркала-концентратора.
Их совместное действие напоминает работу ДВС или даже стирлинга — низкотемпературный сандвич MEA играет роль компрессора, а высокотемпературный — расширительной машины, отвечающей за такт рабочего хода. Только самого "хода" здесь нет вовсе.
Вместо того чтобы использовать разницу температур для расширения газа и привода в движение поршня (или турбины) в новом агрегате разница температур (и давлений в камерах) вызывает перемещение ионов водорода через мембрану.
Так что нет тут ни движущихся частей, как в опытных установках зеркало-концентратор-стирлинг, ни выработки нового водорода из воды (для последующего направления в топливный элемент), как в проекте генератора с горячими подвижными кольцами или в не менее удивительном фотохимическом конверторе.
Более детально работа JTEC выглядит так.
Схема JTEC. Цифрами отмечены камеры: 1 — низкого и 2 — высокого давления низкотемпературного блока MEA, 3 —высокого и 4 — низкого давления высокотемпературного блока. Между ними виден теплообменник. Светло-зелёным цветом показаны протонообменные мембраны, тёмно-зелёным — электроды. Зелёные волны – потоки тепла (иллюстрация Johnson Electro Mechanical Systems).
Сначала на прибор, на его низкотемпературный блок, подаётся внешнее напряжение (словно искра в бензиновом ДВС). Оно вызывает ионизацию водорода и диффузию ионов через мембрану в камеру высокого давления, откуда, предварительно соединившись с электронами, обежавшими внешнюю цепь подпитки, атомы водорода попадают в раскалённую камеру высокотемпературного элемента. Здесь за их ионизацию отвечает нагрев электрода солнечными лучами.
Отдав свой электрон, теперь уже снова ионы водорода перемещаются через вторую мембрану благодаря разнице давлений по обе её стороны. После мембраны ионы попадают на очередной электрод, получают свои же электроны обратно (теперь уже — обежавшие цепь нагрузки) и отправляются снова в холодную часть устройства, полностью замыкая цикл.
Обе части прибора — холодная и горячая — соединены каналами, образующими теплообменник на встречных потоках — так повышается эффективность "двигателя".
Выход энергии на втором сандвиче оказывается намного выше затрат на работу холодной части прибора, так что в JTEC солнечный свет практически напрямую преобразуется в электричество без всякого расхода водорода (он бегает по кругу) и без движущихся частей в конструкции.
Таким образом, JTEC оказывается очень схож в работе с термодинамическими двигателями. Изобретатель уточняет — с двигателем с циклом Эрикссона, обеспечивающим максимально возможный при данной разнице температур КПД. Только вместо перемещения больших объёмов того или иного рабочего тела тут задействовано перемещение отдельных атомов и ионов водорода (ионный ток).
Объединив свои усилия с Хешматом Агланом (Heshmat Aglan), профессором машиностроения в университете Таскиги (Tuskegee University), Лонни намерен в течение года построить опытный образец JTEC, рассчитанный на нагрев до 200 градусов.
Сейчас Аглан и Джонсон работают с высокотемпературными протонообменными мембранами, выполненными из керамики толщиной в микроны. Цель — создать устройство, работающее при куда более высоких температурах. Так, при усвоении разницы температур в 600 градусов (которую без проблем могут поставить зеркала-концентраторы) теоретический КПД установки составит порядка 60%, а при 800 градусах (также возможных в фокусе параболического зеркала) — заметно выше.
И хотя эти 60% были высчитаны, исходя из идеального цикла Карно, автор необычного устройства утверждает, что оно благодаря своей конструкции способно близко подойти к этому пределу.
Что важно, новый генератор легко масштабируется и может быть выполнен в широчайшем диапазоне размеров и мощностей: от микроскопических устройств для микроэлектромеханических систем до промышленных установок на мегаватты выходной мощности. Кроме того, JTEC можно отрядить на высокоэффективный сбор и преобразование бросового тепла от больших ДВС и турбин.
Когда в металле появится промышленная система JTEC первого поколения (воспринимающая 600 градусов на входе) — сказать сложно. Но, согласитесь, это изящное изобретение должно, по меньшей мере, наделать немало шума в научных и технических кругах, а, быть может, и революционизировать энергетику.
