Альтернативная энергетика
Содержание
Проблема самовозгорания торфа.
Пожары на торфяниках часто переходят в настоящие стихийные бедствия. Потушить горящий лигнин или торф исключительно сложно. Торфяные пожары разгораются и распространяются медленно, но могут продолжаться очень долго - в течение многих месяцев, а иногда нескольких лет. Торф может гореть под землёй без доступа кислорода даже в зимнее время под снегом. Торф может гореть под слоем песка, находясь ниже уровня воды.
Чтобы зажечь что-либо, требуется локальная концентрация энергии - нужно или зажечь спичку, или собрать линзой солнечный свет или что-нибудь подобное. Тепловое излучение однородно, изотропно и распределено по закону Планка. Законы энтропии не могут позволить такому излучению спонтанно сконцентрироваться в каком-то определённом месте для возникновения условий возгорания. Но так ли это в общем случае? Существуют ли в природе какие-то особенные условия, когда тепловое излучение ведёт себя совсем иначе и проявляет свойства самоорганизации?
Отвечая вопрос, может ли тепловое излучение быть когерентным, нужно понять, почему оно в общем случае когерентным не является. Для того чтобы отдельные источники излучения смогли координировать свои действия требуется, чтобы влиянием внешней среды можно было пренебречь. То действие, которое оказывает внешнее электромагнитное поле на систему для вынужденного излучения, должно значительно превышать влияние среды. В лазерах излучение происходит обычно на внутренних электронных уровнях и обычное тепло непосредственно на переход принципиального влияния не оказывает. В случае простого теплового излучения межатомные и межмолекулярные связи, наоборот, оказывают на процесс излучения такое сильное влияние, что ни о каком вынужденном излучении и речи быть не может.
Можно ли так изолировать отдельные излучатели от внешней среды, что их тепловое излучение вызовет взаимное вынужденное когерентное излучение? Рассмотрим геометрическую структуру лигнина и торфа. Эти вещества являются остатками одеревеневших и частично разрушенных растительных клеток. Клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить с железобетоном: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие - бетону.
Структура лигнина
Несмотря на то, что отдельные молекулы полимера тоже принимают участие в создании общего теплового излучения, у целлюлозы есть свои собственные частоты, связанные с её линейной геометрией. Длинные нити могут излучать совершенно независимо от окружающего лигнина и составляют в материале отдельную подсистему. Эти молекулы излучают волны с произвольной частотой и фазой и на эти параметры будут влиять только такие же макромолекулы, расположенные на расстоянии меньше длины когерентности. В связи с тем, что характерное время излучения у макромолекул может быть значительным, эта длина будет достаточной, чтобы охватить сразу большое количество соседей.
Ближняя зона излучения определяется примерно как шестая часть длины волны излучения. В этой зоне существует стоячая волна, а значит для молекул полимеров наличие резонатора не требуется. Чем больше длина волны, изучаемая макромолекулой, тем большее число соседей попадёт в область где возможно вынужденное излучение. В шаре лигнина диаметром 0.33 миллиметра, если взять ближнюю зону для миллиметрового излучения, содержится десятки миллионов молекул целлюлозы. В таких условиях рано или поздно все макромолекулы одной области будут излучать когерентно.
В лазерах отдельные фотоны не могут иметь абсолютно одинаковые длины волн. В частности, большое влияние на них оказывает допплеровское смещение, связанное с тепловым движением атомов среды излучения. Условие когерентности вынужденного излучения нужно понимать как такое взаимное расположение волн, при котором интеграл квадрата амплитуды волн, взятый по всей длине когерентности будет максимальным. В импульсных лазерах, особенно в лазерах с синхронизацией мод, взаимное расположение фотонов таково, что получается очень короткий цуг и он тем короче, чем лучше синхронизация и чем шире общая частотная характеристика всего излучения.
Если отдельные макромолекулы в составе лигнина будут излучать когерентно, то результирующе излучение должно собраться в объект похожий на колоколообразную дельта-функцию, а пространственный размер такого объекта будет определяться частотной шириной излучения макромолекул. Вероятнее всего в случае торфа такое излучение будет находиться в длинноволновом инфракрасном и терагерцовом диапазонах. Теперь излучение сможет собраться когерентно в одном месте чтобы нагреть вещество и пожар станет неизбежен.
Принцип ионизации в клеточной мембране.
Если существует какой-то полезный физический механизм, который используют живые организмы, человек может попытаться его скопировать или хотя бы взять за основу принцип его работы. Современные вертолёты очень далеки от настоящих живых стрекоз. Как можно использовать процессы, которые лежат в основе возникновения напряжения на мембране живой клетки?
Клеточная мембрана
Мембрана любой клетки состоит из бислоя липидов, большая часть которых это фосфолипиды. Молекулы фосфолипидов имеют гидрофильную ("головка") и гидрофобную ("хвост") части. При образовании мембран гидрофобные участки молекул оказываются обращены внутрь мембраны, а гидрофильные - наружу, с обеих внешних сторон мембраны. Это очень похоже на лазер, где роль резонатора выполняют гидрофильные головки, а гидрофобные хвосты это матрица из антенн. Кроме неплохой механической защиты такая структура, по-видимому, способна ионизировать атомы мембраны. На мембране возникает напряжение в 0.1 вольт, что при толщине мембраны 10 нанометров создаёт напряжённость поля в десять миллионов вольт на метр, что близко к напряжённости пробоя. Теория ионных каналов, которая сегодня объясняет мембранный потенциал, была создана медиками в середине прошлого века, когда слово "лазер" ещё не было известно.
При использовании внутрирезонаторной лазерной спектроскопии наблюдается увеличение чувствительности на пять порядков. В статье "Принципы холодного нуклеосинтеза." я попытался обосновать предположение, что взаимодействие изучения с веществом в стоячей волне может носить квазиклассический характер подобный эффекту Комптона: фотон взаимодействует так, как если бы его эффективный "размер взаимодействия" уменьшился на столько, на сколько скорость света больше скорости звука, то есть на эти пять порядков. При этом инфракрасное излучение в стоячей волне сможет поглощаться атомом квазиклассически -- электроны будут выбиваться из атома точно тем же способом, как импульс инфракрасного лазера пробивает медную монету.
Создание тепловой батарейки.
Исходя из всего вышесказанного, можно попытаться обнаружить внутренний тепловой фотоэффект экспериментально. Для этого нужно преобразовать обычную солнечную панель, чтобы создать структуру, напоминающую клеточную мембрану: металл - p-n переход - металл, где на (или в) полупроводнике n-типа разместить углеродные нанотрубки. Металл будет выполнять роль резонатора (гидрофильные головки фосфолипидов), а нанотрубки роль независимых излучательных антенн (гидрофобные хвосты фосфолипидов).
Если ультраструктура антенн из нановолокна будет способна спонтанно, в темноте, при комнатной температуре, создать напряжение на p-n переходе, возникнет аналог солнечной батареи, где роль излучения Солнца будет выполнять обыкновенное тепло.