Альтернативная энергия в Республике Молдова

1. Общие положения

Первоначально направление плазменного электролиза рассматривалось как раздел классической электрохимии, дополненный гипотезой о вкладе в инициирование химических реакций излучения разряда, а позже – радиационно-химических эффектов, вызываемых бомбардировкой поверхности раствора генерируемыми в плазме ионами. При “классическом” электролизе водных растворов электролитов выделение основных газообразных продуктов кислорода и водорода связано с электродными процессами разрядки ионов гидроксила и гидроксония.

Если в качестве таких электродов выступает контактирующая с раствором плазма, ситуация меняется. Наблюдается выделение гремучего газа, не описываемое законом Фарадея. Выходы по току кислорода и водорода, наблюдавшиеся в тлеющем и контактном разрядах при всех условиях значительно превышают единицу. Электролитические процессы известны давно и широко используются в химической промышленности. Плазмоэлектролитические процессы выявлены сравнительно недавно, поэтому пока не существует ни физической, ни химической теорий этих процессов. Предварительный анализ показывает, что полное описание плазмоэлектролитического процесса не может базироваться на чисто физических или чисто химических представлениях. Это – взаимосвязанные физико-химические процессы, поэтому разделить их на физические и химические можно лишь условно.

Устойчивое получение плазмы достигается при разной площади положительного и отрицательного электродов.
При погружении стержневого электрода диаметром 4мм. в электролит более чем на 10мм. и подаче напряжения от 0 до 250-ти вольт плазма не загорается. На электродах с повышением напряжения увеличивается газовыделение и растет ток.

В случае, когда стрежневой электрод опущен на 3-4мм ниже мениска, то при напряжении на электродах 60-70 вольт начинаются искровые пробои в области газовыделения водорода. Плавно повышая напряжение, растет характерный гул, искровые пробои переходят в стационарное горение плазмы. Превышение напряжения свыше 150 вольт ведет сначала к плавлению вольфрамового стержневого электрода, а затем к его закипанию. Концентрацию электролита и температуру приходится менять в зависимости от параметров ячейки. Основное исследование проводилось в щелочном электролите.
Повышение напряжения приводит к изменению силы тока в цепи, характерная закономерность которого показана в приведенном графике.

Вначале, при повышении напряжения линейно, в соответствии с законом Ома, растет сила тока. Затем, при напряжении более 40 Вольт закон Ома нарушается, а при напряжении около 100 Вольт (точки 5 – 6) сила тока уменьшается скачкообразно, и у катода появляется яркое свечение (плазма). Дальнейшее принудительное уменьшение напряжения (точки 6 – 15) незначительно изменяет силу тока. При напряжении около 60 Вольт (точки 14 – 15) свечение у катода исчезает, сила тока скачкообразно увеличивается почти до прежней величины.
Свечение в электролите Na2СО3 –оранжевое. При подплавлении электрода и меньшей площади соприкосновения плазмы с электролитом, свечение переходит в фиолетовый цвет. В это время потребление тока уменьшается в несколько раз.

Дозиметрический замер излучения проводился бытовым дозиметром ЮПИТЕР СИН-05 в течении 30 мин. со снятием показаний через 1 мин. до включения установки и после. Дозиметр находился на расстоянии 10см от ячейки. Результаты сведены в нижеприведенную таблицу.

Как видно из таблицы горение плазмы сопровождается снижением природного фона радиации около ячейки. Теоретическое объяснение и выводы этого явления еще предстоит сделать. Нас в первую очередь интересовал аномальный выход водорода, вырабатываемый при плазменном электролизе, предсказываемый профессором Канаревым Ф.М. Как он отмечает в своей работе, возможно аномальное тепловыделение и выделение водорода, превышающее выход по току в 10 раз на некоторых режимах работы. Вот эти «некоторые режимы» и предстояло найти.
Прежде всего, объем плазмы необходимо было поместить внутрь проточного реактора. С этой целью нами был изготовлен пробный проточный реактор.
Изучив поведение плазмы и газовыделение в малом замкнутом объеме, был изготовлен лабораторный реактор из кварцевого стекла большего размера с принудительной циркуляцией электролита.
Питание реактора осуществлялось переменным током промышленной частоты, 220 вольт. В качестве большего по площади электрода служила металлическая сетка с мелкой ячейкой. При циркуляции электролита плавление центрального вольфрамового электрода не наблюдалось. По истечении сорока минут работы в таком режиме центральный электрод подвергся эрозии и электролит приобрел бурый оттенок. После отстаивания осевший порошок имел «ржавый» цвет. Из этого следует, что прямое подключение к сети электропитания реактора, недопустимо в длительном режиме.
Сравнительные замеры тепловыделения проводили в двух открытых идентичных аквариумах. В одном происходил омический нагрев электролита, в другом нагрев за счет плазменного электролиза. Электрическую энергию измеряли бытовым электросчетчиком (из-за нелинейности потребления тока) по количеству оборотов.

Начальная температура электролита-25°С. Объем-9л. Концентрация Na2СO3 -35г/л. Ток переменный-220 вольт. После включения электропитания, начинали отсчет оборотов электросчетчика. В том и другом случае количество потребленной электроэнергии было одинаковым (480 оборотов). Температура в аквариуме, где горела плазма, была на 9°C выше, чем в аквариуме, где был омический нагрев. Следует также учесть, что теплоотдача в процессе нагрева в окружающую среду у «плазменного» аквариума была- 21мин, а второго-11мин. Разница в тепловыделении увеличивается, если опыт начинать с температуры электролита выше 65°C. На этом этапе не были исследованы все параметры (переменный, постоянный ток, концентрация электролита и его состав, оптимальное напряжение и т.д.) , при которых нагревание электролита плазмой максимально в сравнении с омическим нагревом. Вдохновившись первыми успехами аномального выделения тепла, тем более без учета энергии выделившегося водорода, мы перешли к количественным замерам выделения газов.

Был изготовлена электролитическая установка с водяным затвором  для сбора выделяющихся газов. Дно электролитической ячейки из металла служило плоским анодом. В крышке сделано отверстие под вольфрамовый стержневой катод в фарфоровой трубке.

При включении электропитания загорается плазма, идет выделение газов. В водяном затворе видно появление пузырьков, но их количество интуитивно не соответствует потребляемому току.

Как оказалось герметичность верхней крышки не способна задержать водород из-за его сильной проникающей способности. Был выбран другой вариант электролитической ячейки. Перевернутая стеклянная емкость, заполненная электролитом, помещалась на кронштейнах в аквариуме. Снизу подводился изолированный электрод (-).
Плоский электрод (+) из нержавеющей стали, находился в стороне. Выделение в плазме водорода и паров воды вытесняло электролит из стеклянной мерной емкости. После конденсации паров и остывания емкости до комнатной температуры проводился объемный замер выделившегося водорода. На некоторых режимах работы звуковое излучение плазмы приводило к появлению Большого Кавитационного Пузырька (БКП), описанного в работе Маргулиса М.А.

«Звукохимические реакции и сонолюминесценция». Его перемещение в объеме носило хаотический характер. Влияние (БКП) на стимуляцию выделения водорода не исследовалось.
По первому закону Фарадея, количество (в нашем случае объем) выделившегося вещества пропорционально току и времени его прохождения через раствор. Сравнительные опыты выделения водорода при плазменном и обычном электролизе показали, что имеет место нарушение закона Фарадея. В нашем эксперименте по плазменному электролизу, водорода выделилось на 2/3 больше. В кислотном электролите H2SO4 этот показатель еще выше, чем в щелочном. Влияние концентрации и температуры электролита на выделение водорода при плазменном электролизе досконально не исследовано. Учитывая аномальное тепловыделение плазмы, плюс энергию, которую содержит выделяющийся водород, мы сочли возможным сделать установку, в которой энергия сгорания водорода будет идти на нагрев электролита и как следствие создание экономичного теплогенератора.

Сбор в одной емкости кислорода и водорода в большом количестве опасно по причине взрыва. Поэтому мы разместили электроды (один стержневой и кольцевой электрод на одном держателе) ближе к верхней части толстостенной стеклянной емкости примерно так, чтобы объем был около300мл. Включение установки сопровождается появлением плазмы и интенсивным понижением уровня электролита в колбе. В случае если в колбе находится только один электрод, (-) то водород, вытесняя электролит и «дотронувшись» плазмы, гасит ее и прекращается процесс электролиза. Когда же собирается под колбой гремучий газ, то при достижении газовой прослойки плазмы происходит незначительный взрыв, и уровень поднимается в первоначальное положение. Цикл повторяется. Тепловая энергия соединения кислорода и водорода при этом не рассеивается, а идет на нагрев поверхности колбы и электролита. Если поместить всю поверхность колбы в аквариум, то энергия плазменного, омического и рекомбинационного соединения водорода и кислорода, будет отдаваться всему объему электролита. Для проверки этого предположения и замеру теплоотдачи всей установки мы погрузили реакционную колбу ниже уровня электролита в аквариуме. Замер тепловыделения в данном эксперименте связан с определенными трудностями.
Связано это с тем, что рекомбинация гремучего газа в объеме колбы зависит от температуры ее стенок. При температуре около 100°C рекомбинация проходит «мягко». В случае если колба опущена в электролит комнатной температуры, то рекомбинация водорода и кислорода происходит более бризантно. Особенно это проявляется в кислотном электролите.

          

Эксперименты со щелочным электролитом показали, что в некоторых случаях сгорание гремучего газа происходит без сильного взрыва, если имеет место интенсивное вспенивание. Также мы наблюдали интересные случаи возникновения языков пламени красного цвета внутри колбы, которые существовали 3-4 сек. При этом хлопка, взрыва, не происходило, а уровень электролита поднимался на прежний уровень.
Закономерность появления языков пламени выяснить не удалось. Многочисленные эксперименты добиться «мягкого» сгорания во всех случаях, не привели к выявлению условий, при которых появляется пламя. Попытки все-таки найти способ «невзрывного» горения водорода привели нас к успеху. Изменение конфигурации и расположения электродов позволило обнаружить новый вид плазменного электролиза. В этом виде электролиза почти полностью отсутствует эрозия электродов, что является большим преимуществом.

Для детального изучения этого вида электролиза мы изготовили специальный аквариум с сообщающимися объемами. Внешне работа выглядит следующим образом. При включении установки загорается яркая плазма со свойственным ей потреблением тока. Выделение газов в рабочем объеме понижают уровень электролита, пока разряд не перейдет в новую, обнаруженную нами, форму кольцевого разряда.

Потребление тока при переходе резко снижается примерно в 50-60 раз. На электроде, в среде гремучего газа и паров воды, остается гореть маленькое пламя в виде конуса вершиной обращенной вверх. Испарение паров, выделение водорода и кислорода визуально понижают уровень, при конденсации и рекомбинации гремучего газа уровень поднимается. Устанавливается так называемое «дыхание» с периодом 2-3 сек. и амплитудой до 6-ти мм. Это напоминает работу установки, как в режиме электролизера, так и топливного элемента одновременно. В данном варианте предполагается избыточное многократное тепловыделение, т.к. этот вид кольцевого разряда при установившемся равномерном «дыхании» потребляет минимум электроэнергии. Потребляемая энергия настолько мала, что диск бытового счетчика перестает вращаться, если верхняя часть колбы (объемом 500мл) размещена в воздухе.

Температура верхней части тонко или толстостенной колбы, во время проведения эксперимента в течении 2-х суток, оставалась постоянной на уровне 100°C, при температуре окружающего воздуха в лаборатории 22°C . Ни одного оборота диска электросчетчика за это время не произошло. Существенного уменьшения электролита в эксперименте не выявлено. Собранная револьверная батарея из 6-ти электродов показала устойчивое горение конусного пламени на каждом электроде. При этом важно расположение на одном уровне! Это путь к наращиванию мощности при проектировании нагревательного агрегата.

Ограниченность на тот момент, контрольно-измерительного оборудования не позволила выявить все характеристики и степень избыточного тепловыделения обнаруженного нами кольцевого разряда. Накопление в результате других исследований оборудования и опыта мы не возвращались к детальному анализу этого вида разряда.
Чтобы выявить природу избыточного энерговыделения мы продолжили исследования процессов происходящих при плазменном электролизе. Следует отметить, что современные представления о холодном синтезе затрагивают пока только ядерные реакции, происходящие либо в кристаллическом веществе (поверхность электрода, мишень), либо в жидкости (сонолюменисценция). Лишь отдельные теоретические работы допускают существование пока неизученного состояния крайне неравновесной плазмы, в которой возможно протекание ядерных превращений при температурах от 1000º до3000ºC . Многие работы касаются взаимодействия водородной или дейтериевой плазмы тлеющего разряда с материалом катода. В частности, Карабут А.Б. (Россия) представил результаты экспериментов, в которых при бомбардировке палладиевого катода ионами дейтерия с энергией 0,5-2кэВ, он зарегистрировал эмиссию фотонов (3МэВ) и альфа частиц (14МэВ). Процесс сопровождался рентгеновским излучением с интенсивностью до 100Р/с и наработкой тяжелых ядер со скоростью порядка 1013с-1. По утверждению автора результаты экспериментов устойчивы и могут быть легко воспроизведены.
Представляют также интерес работы японского ученого T. Mizuno по плазменному электролизу обычной воды. В своих экспериментах он использовал обычную воду с добавкой 0,05-0,2M K2CO3, вольфрамовый катод и платиновую сеточку в качестве анода. Фиксировалось количество тепла, отводимого от ячейки, поток водорода и подводимая мощность.
В экспериментах был стабильно зарегистрирован аномально большой поток водорода, превышающий выход по току до 20 раз (рис.9).
В некоторых опытах процесс переходил в неуправляемую стадию, и стеклянная колба, в которой проводился эксперимент, взрывалась. За 20 секунд до взрыва приборы фиксировали выделение избыточного тепла, превышающее подводимую энергию непосредственно перед взрывом на три порядка. Кроме того, после взрыва на поверхности вольфрамового катода были зарегистрированы элементы, ранее там отсутствующие. Материал, из которого выполнен электрод, не имеет принципиального значения. Например, в своих работах Канарев Ф. М. применял электрод из железа. Содержание химических элементов на поверхности не работавшего катода оказалось таким:

Нижний луч относится к напряжению, верхний к току. На представленных осциллограммах видно, что в момент пика напряжения, на вершине синусоиды, идет высокочастотный всплеск тока, превышающий его омическую амплитуду в 5-7раз. При правильном подборе, с помощью делителя напряжения, чувствительность сигнала можно настроить так, что становится виден короткий высоковольтный бросок напряжения. Всплески тока и броски напряжения появляются одновременно. Такая же характеристика электрической цепи, питающей плазмоэлектролитическую ячейку, была представлена в работе Канарева Ф.М. с той лишь разницей, что пики тока не связаны во времени с пиками напряжения. Приводим здесь эти осциллограммы:
Осциллограмма изменения напряжения в сети питания плазмоэлектролитического реактора.
Вольтметр в этот момент показывал устойчиво напряжение 220 Вольт.
На осциллограмме видны резкие колебания напряжения. Несущая частота выпрямленного напряжения 100 Гц имеет гармонику с меньшей амплитудой и большей частотой колебаний. Уменьшение амплитуды несущих колебаний интерпретируется просто: кратковременное увеличение тока приводило к кратковременному уменьшению напряжения.

Сложнее объяснить увеличение амплитуды напряжения. Причиной этому может быть наличие в цепи емкости или индуктивности, где энергия может накапливаться и затем высвобождаться, повышая напряжение в питающей сети. Трудно судить о величине емкости ячейки, состоящего из плоского анода и стержневого катода. Индуктивной емкостью обладает трансформатор в цепи питания. Можно признать его роль в формировании колебаний напряжения, амплитуда которых расположена выше амплитуды несущей частоты. Исключением являются три колебания с амплитудой до 600 Вольт и выше . Источником этих колебаний могут быть только процессы, протекающие в реакторе. Эти колебания могут быть связаны с трансмутацией ядер атомов щелочного металла или атомов материала катода.

Максимальные значения тока достигают 25 Ампер, но эти пики не связаны во времени с пиками увеличения или изменения напряжения. Явно видны промежутки времени при полном отсутствии тока. Средняя величина его оказалась равной 3,8 Ампера.

 

Большинство исследователей, изучающих плазменный электролиз, предпочитают работать с катодной плазмой. С одной стороны потому, что возбудить плазму на катоде легче по техническим соображениям, поскольку для этого требуется относительно малая плотность тока. С другой стороны, судя по спектру, катодная плазма представляет собой ионизированный водород. При малой толщине плазменной оболочки и ускоряющем напряжении в сотни вольт, энергия протонов, бомбардирующих катод, может достигать значительной величины. Это также прельщает авторов, полагающих, что в таких условиях возможны реакции холодного синтеза на катоде (что, кстати, и подтверждается экспериментально). Однако отдельные работы посвящены изучению анодной плазмы. В частности, Бажутов Ю.Н. описывает свои эксперименты по возбуждению плазмы на вольфрамовом аноде. Его установка состояла из стеклянной ячейки с электролитом, помещенной в емкость с охлаждающей водой. В ячейке размещали катод из листовой нержавеющей стали и вольфрамовый стержень, являющийся анодом. В качестве электролита использовался раствор солей щелочных металлов в легкой воде с различными добавками тяжелой воды. При работе ячейки с электролитом 7М KF (50% D2O) наблюдалось интересное и странное явление. Примерно с 40-й минуты плазменного электролиза, в резервуаре охлаждения, со стороны анода вода начинала терять свою прозрачность. Охлаждающая ячейку вода, находящаяся со стороны катода, оставалась прозрачной. Радиационный фон оставался при этом неизменным. Создавалось впечатление, что, вода насыщена метастабильными микроскопическими пузырьками газа. Прозрачность воды восстанавливалась лишь через 10 часов после окончания эксперимента. Авторы полагают, что наблюдали воздействие на воду некоего корпускулярного (или электромагнитного) потока неизвестной природы со стороны плазменного анода.

Нами выявлена возможность возбуждения как анодной, так и катодной плазмы и существенного влияния индуктивности в цепи питания электролитической ячейки.

Краткие выводы:

1)Действительно, при плазменном электролизе количество выделяемого водорода превышает выход по току в щелочном электролите (Na2CO3) в 1,7-2,2 раза. В кислотном (H2SO4) в 2,5-3 раза. Как указывалось в работе Канарева Ф. М. и T. Mizuno превышение по току выхода водорода в 10-20 раз в наших экспериментах достигнуто не было.
2)Каллометрические замеры выделяющего тепла (без учета энергии выделившихся газов) показали, что соотношения вложенной электрической энергии и полученной тепловой (в катодной плазме) имеют в среднем соотношения 1/1,4. При повышении температуры от 20 до 60-ти град.С электролита это соотношение немного растет.
3) Природа избыточной тепловой энергии, по-видимому, связана с изменением элементного состава в микроколичествах на катоде.

2. Катодная и анодная плазма.

Исследования в период с июля 2008г. по май 2009г. открыли практические возможности для применения систем плазменного электролиза в теплотехнике. Основная трудность заключалась в исключении эрозии электродов, т.к. это напрямую связано с эксплуатационными характеристиками агрегата. Отдав некоторое предпочтение анодной плазме, мы нашли физические условия, при которых плазменный электрод не подвергался заметному износу. Были выявлены также моменты аномального поведения анодной плазмы. Аномалия, как мы считаем, заключается в следующем. На нижеприведенной схеме, при подключении дополнительной нагрузки (лампы накаливания) параллельно в цепь постоянного тока, наблюдается снижение потребляемого тока в амперметре А1. При мощности горения плазмы в 1кВт допускается подключение дополнительной нагрузки до 300-т Ватт. Конденсаторы С1 и С2 должны превышать емкость выше 250-ти мкФ, При индуктивности дросселя 0,1 Гн. При подключении дополнительной нагрузки свыше 300-т Ватт, становится заметным влияние на плазму, в виде ее «притухания». Каллометрические замеры в ячейке без энергосодержания выделившихся газов и дополнительной нагрузке в виде ламп накаливания, показали соотношение вложенной электрической энергии и полученной тепловой, как 1/1.

При «зажигании» катодной плазмы, по этой схеме, этот эффект проявлялся в очень незначительной степени. Лампы накаливания еле тлели, а в случае с анодной плазмой лампы светились выше своего номинального режима. Без горения плазмы лампы накаливания не зажигались, т.к. конденсаторы в цепи не пропускают постоянный ток. Присутствие плазменного промежутка в цепи способствует появлению переменной составляющей которая, по-видимому, и отражается в появлении «интересных» эффектов. Тепловые замеры плазмы показали, что предпочтение следует отдать катодной плазме, т.к. при прочих равных условиях, катодная плазма генерирует больше тепла на 20-40%, чем анодная. Кроме того, выделение водорода, как горючего, в катодной плазме больше, чем когда катод является просто металлической пластиной. Кроме этого достоинства следует учесть, что катодная плазма работает почти беззвучно, «мягко». Анодная же издает резкий, иногда гремящий звук.

3.Возможная принципиальная схема плазменного генератора тепла.