Калории из тёмной материи

Продолжая серию публикаций о гидрино - экзотическом состоянии атома водорода, на этот раз мы расскажем о тепловых установках SunCell, которые существенно отличаются от термофотоэлектрических (ТФЭ). Напомним, что при переходе атома водорода в гидринное состояние выделяется большое количество энергии в виде экстремального ультрафиолетового излучения. (Читателю, совсем не знакомому с темой, рекомендуем начать с основ, щёлкнув мышью здесь.)

Казалось бы, что может быть проще, чем позволить УФ-лучам нагреть трубки котла, сквозь которые насосом прокачивается вода? Проблема в огромном потоке мощности, исчисляемой мегаваттами на литр объёма реакционной зоны. Прежде чем поверхности нагрева достигнут нужной температуры, все остальные элементы реактора расплавятся или испарятся. Недаром инженеры компании Brilliant Light Power (BrLP), работающие под руководством первооткрывателя гидрино Рэнделла Миллса, придумали для ТФЭ-установок самовосстанавливающиеся электроды в виде двух струй жидкого металла, постоянно подкачиваемого насосами.

Упрощая, улучшай

С конструкторской точки зрения это решение оказалось не очень удобным: требовались два магнитогидродинамических (МГД) насоса, а корпус реактора приходилось собирать, чередуя детали из разнородных (проводящих и непроводящих) материалов. При разработке тепловой системы конструкция SunCell была кардинально упрощена. Число МГД-насосов удалось сократить наполовину (см. рис. 1).

Рис. 1. Тепловая ячейка SunCell с одним МГД-насосом

Теперь в центре реакционной камеры расположена форсунка, через которую вверх выбрасывается струя галлия, образуя самовосстанавливающийся катод. Жидкий металл попадает на подвешенный сверху вольфрамовый анод, изолированный от корпуса реактора. К электродам подключён мощный источник постоянного напряжения. При замыкании цепи возникает электрическая дуга, которая запускает реакцию образования гидрино. Вольфрамовый электрод охлаждается прокачиваемой изнутри жидкостью.

Инженеры в BrLP использовали три замечательных свойства галлия: большую теплоёмкость, низкую температуру плавления и высокую температуру кипения. При бурной реакции образования гидрино галлий разбрызгивается во все стороны, обеспечивая отвод выделяющегося тепла. Металл стекает по стенкам реактора, собирается внизу и по трубке снова поступает в двухступенчатый МГД-насос. Он, кстати, не имеет движущихся частей: металл течёт под воздействием силы Ампера, которая создаётся электрическим током в магнитном поле.

Молекулярная вода HOH (одиночные молекулы, не имеющие водородных связей друг с другом) как катализатор реакции и атомарный водород, модифицируемый в гидрино, образуются в камере подготовки катализатора и «топлива» с помощью тлеющего электрического разряда.

Напряжённый режим

Такой реактор можно целиком опустить в бак с водой, получив парогенератор, что собственно и было сделано в лаборатории BrLP.

Чем описанный тепловой генератор SunCell принципиально отличается от термофотоэлектрического? В первую очередь температурой плазмы, сниженной для предохранения твердометаллического вольфрамового электрода, который, тем не менее, приходится принудительно охлаждать. Однако при пониженной температуре для запуска реакции требуется больше энергии, поэтому эффективность генерации снизилась. Самоподдерживающегося горения уже не получается, так что через поджигающие электроды нужно постоянно пропускать сильный электрический ток, тратя на это от трети (при температуре собираемого галлия около 200 °C) до пятой части (при температуре свыше 400 °C) энергии, вырабатываемой установкой. Если в ТФЭ-ячейке SunCell система зажигания включается только при запуске, то в тепловой ячейке она работает постоянно. Кроме того, скорость прокачки жидкого металла увеличена, что потребовало повышения мощности МГД-насоса и системы его питания.

В отличие от серебра галлий легко образует сплавы со сталью. Поэтому в конструкции реактора предусмотрены двуслойные прокладки из графита и вольфрама, защищающие стенки и дно реактора.

Конструкционные материалы всех ячеек SunCell подобраны так, чтобы сквозь них проникал гидринный газ, избыток которого в камере способен остановить реакцию. Выходя наружу, гидрино улетучивается в верхние слои атмосферы, а оттуда - утекает в космос.

Характеристики

Удельная стоимость теплогенератора SunCell в 2021-м оценивалась в 50 долларов на киловатт тепловой мощности. Львиная доля затрат при сборке установки приходится на сильноточные блоки питания для системы зажигания и электромагнитного насоса.

Характеристики теплогенератора были проверены при калориметрических исследованиях в лаборатории BrLP и в Калифорнийском университете в Беркли в 2020 году. Аппарат был просто погружён в воду, которую он нагревал через стенки. По изменению температуры воды и скорости её выкипания учёные удостоверились в том, что энергии в виде тепла выделяется в разы больше, чем тратится электричества на поддержание реакции.

Однако постоянно держать реактор под водой - не слишком удачное конструктивное решение. Команда инноваторов отработала вариант установки с трубчатым теплообменником, включённым после МГД-насоса. Вода проходит через теплообменный аппарат в противоток галлию, отбирая у него тепло, которое можно использовать для горячего водоснабжения, отопления или производственных нужд.

Описанная тепловая установка SunCell не может действовать без внешнего источника электричества, что сужает возможности её практического применения. Но у компании BrLP есть вариант парогенератора с двумя жидкометаллическими электродами, способного работать в самоподдерживающемся режиме.

Помимо этого, по словам Рэнделла Миллса, проведены расчёты и выполнен эскизный проект по разработке когенерационной установки на 900 кВт, где реактор SunCell будет дополнен газовой микротурбиной, приводящей во вращение вал обычного электрогенератора. Вместо газовых горелок в турбине будут установлены теплообменники, нагревающие воздух после компрессора (см. рис. 2).

Рис. 2. Концепт когенерационной установки с газовой турбиной

Гидрино как главный претендент на роль таинственной тёмной материи может найти применение в производстве и в научных исследованиях. Об этом мы расскажем в будущих публикациях.