书城自然科学求知文库-人类生存之能源
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第20章 二十一世纪能源(2)

科学家们研制的磁流体发电机使用的气体是经过高温处理的气体。在高温下,一般气体都会发生电离,也就是组成气体分子的每一个原子,它们的外层电子不再受原子核的约束,而能自由自在地向各个方向移动。气体就从不导电的绝缘体变成了导电的流体,当它们高速经过强磁场时就会发出电来。

普通气体大约在7000℃以上才能变成磁流体发电所需的导电气体。经过科学家的研究,找到了“种子物质”钾、钠、铯等,如果撒下少量的这种物质,就可以在3000℃的高温下使气体成为导电气体。由于现在开发的地热、海洋热等还不能产生几千度的高温,只能用煤、石油、天然气等化石燃料,所以,目前的磁流体发电又叫燃煤磁流体发电。只有随着高温原子核反应堆技术的发展,核燃料的废热得到充分利用时,才能实现原子核磁流体发电。

磁流体发电是一种直接的发电方式,它的排气温度很高,可以用排出的废气来产生高温高压的蒸汽,推动汽轮机,带动普通发电机发电,它的发电效率可以达到60%,从而节约了大量的能源。

磁流体发电同火力发电相比,除了热效率高外,还有很多优点。它的发电机组结构紧凑,没有高速转动部件,所以体积小,结构很简单,使用寿命长。磁流体发电机启动很迅速,从点火到大量发电,仅仅需要几十秒钟,要使它停止运动,也只需很短的时间。

现在,磁流体发电的基础研究已基本结束,进入了工业性试验的阶段,尽管如此,磁流体发电机还有许多问题有待进一步解决。

§§§第4节“超导”研究成功

电是什么?电是电子的流动。有些材料允许电顺利通过,有些材料却不允许,正如有些马路允许车辆行驶,有些马路不允许车辆通过一样。允许电顺利通过的材料叫导体,很难让电通过的材料叫绝缘体。一般来说,金属都是导体,非金属都是绝缘体。

船在水中航行要克服水的阻力,飞机在空中飞行有空气阻力,人在地上行走要克服鞋与地面之间产生的阻力——摩擦力。同样,电在金属材料内部流动时也有阻力,这种阻力叫做电阻。电阻大小跟温度高低密切相关,例如,水银、铅的电阻随着温度降低而逐渐变小,到了-269℃时,它们的电阻小到几乎没有。

金属没有电阻现象的,科学上把它叫做超导。这种超导现象,早在100多年前就被荷兰科学家昂尼斯发现了。

多年来,随着科学的发展,人们做了大量的工作,探索超导的奥秘。

曾有一位美国科学家用铅作为材料,做了一个封闭的圆环,并把它放在超低温的环境中,也就是使铅处于超导的状态。接着,他又将一定量的电流通入铅环,然后切断电源,使电流在铅环中没有休止地流动下去。过了几年,当这位科学家再去测量铅环的电流时,他惊异地发现,电流依旧跟过去一样,没有明显的减弱。这说明了电流在超导体中没有损耗,是可以永远地保存下去的。

这个实验给人们非常巨大的启示。在日常生活中,一天24小时里的用电量是不相同的,白天和傍晚用电量最大,到了深夜就大大地减少了。我们现在的发电厂,不可能做到白天发电多、深夜发电少,所以到了深夜,发出来的电往往会浪费掉。假如有一个很大的电力仓库,能够及时地把余下的电能储存起来,到了需要的时候再放出来,那该有多好啊!

科学家设想在地下很深的地方挖一个大坑,它的直径有100多米,又分成上中下三层,在里面充满着超低温的液态氦气,把超导金属做成的线圈浸没在里面。平时,可以把多余的电能储存到超导线圈里去,当需要时,再把电取出来使用。由于电能没有损耗,所以能长期地储存下去。

科学家已着手研究、制造可以储存100万度电的超导设备,只要制造成功,人们就再也不会为用电的不平衡而伤脑筋了。

电是从发电厂的发电机发出来的,由于发电机所用的导线是用金属铜、铝制成,在常温下电在金属导线中流过时,会因电阻而使导线发热,变成热量,无形中能量跑掉了。所以,发电厂发出来的电只有90%供我们使用,10%被发电机本身消耗掉了。

如果发电机的导线是用超导金属做成的,就可以使发电机的效率提高到98%,而且发电机也不必造得很大。目前世界上已经制造成功1万千瓦功率的超导发电机,到20世纪末,已有2000万千瓦大功率超导发电机问世。它可以供应一个现代化大城市的全部用电。

21世纪,输电线和变压器都可能用超导金属制成,超导电缆和超导变压器的问世,更能为人类节约巨大的电能。

§§§第5节束能

在当今世界,不管我们在地球上哪一个角落,打开收音机,就能聆听到自己喜爱的新闻、音乐、戏曲等各种节目。在收听这些节目时,不知你们是否想到过:这节目是从哪儿来的,是谁把它们送到我们耳朵里的?

这些节目是由电台预先制作好,然后,由无线电发射机,以无线电波的形式定向传播出去。无线电波的波长不同,人们把它们分为长波、中波、短波、微波等。收音机接收不同波长的无线电波,把它们变成节目。

如果我们用放大镜把太阳聚成一点,提高太阳光的能量,就能点燃火柴、纸片。同样,科学家通过聚焦技术,把无线电波紧缩在一起,成为一种能,这种能叫做束能。

束能理论最早是在19世纪,由大科学家赫兹和泰拉斯提出来的。现在,这个理论已发展成熟,进入实用阶段。

微波是波长很短的无线电波。第二次世界大战后,随着微波技术的发展,科学家首先对微波聚焦,使它们成为微波束能。20世纪70年代,美国计划在卫星上建造太阳能电站。电站上有两块巨大的矩形电池帆板,它们将太阳光转换成电。在电池帆板之间的微波辐射天线将电通过波发生装置变成微波能,再由微波天线聚成微波束能,发射到地面。地面接收站把接收天线收到的微波束能转换成电,供人们使用。

目前,科学家对束能的研究,主要集中在建立地面微波束能站方面,为各种飞行器提供束能动力。

加拿大制造了一架利用微波束能作燃料的试验飞机。飞机机翼下面有天线,专门接受地面微波站发射的微波束能,然后,将微波束能转变成电,用作飞机动力。这架飞机在空中飞行几个月,像一个低空飞行的通信卫星,既可以监视地球大气层中的各种危险气体,又可成为无线电通信转播站。

美国航天署打算设计一种小型束能宇宙飞船,能载5名宇航员,船重6吨,升空十分方便,从简易场地起飞,只需三四分钟就可以进入运行轨道。

美国科学家还设计了一种大型无人驾驶束能飞机,能在离地面19.2千米的高空飞行,携带67.5千克重的各种仪器设备,持续飞行90天。这架束能飞机的任务是监测地球环境。

束能是一种新型能源,正受到人们越来越多的重视。

§§§第6节潜能

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,产生大量的光和热。当恒星内部的核燃料用完了,它的剩余物质被紧紧地挤压在一起,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。

在漫无边际的宇宙中,黑洞是一个孤立的天体,只有网球那样大小,但它的重量却跟地球差不多。人的肉眼是看不见它们的,即使科学家用天文望远镜也看不见它们,人们只能通过黑洞的巨大吸引力,才能确定它的存在。

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。凡是在黑洞附近的物质,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上去。人们把核燃料发射到黑洞上,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做潜能。

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。