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La captation de l’énergie du champ électrique terrestre

Domenii publicaţii > Fizica + Tipuri publicaţii > Articol în revistã ştiinţificã

Autori: Vasile Tudor

Editorial: Ad Astra, 2011.

Rezumat:

Le développement de l’humanité est conditionné par l’utilisation des sources énergétiques. L’énergie électrique a une importance particulière, étant facile a transmettre, a utiliser et a valoriser. A présent, l’énergie cinétique et potentielle des chutes d’eau, a coté de l’énergie thermique produite par le chauffage du charbon, du pétrole et des gaz naturels ont un poids important dans l’obtention de l’énergie électrique. En principe, dans une centrale électrique (centrale hydro-électrique, centrale thermique) l’énergie mécanique des turbines hydrauliques, des turbines a vapeur ou des turbines a gaz est transformée en énergie électrique par les générateurs électriques (alternateurs) et puis distribuée aux consommateurs par l’intermède des transformateurs de tension et des réseaux électriques. Le système énergétique assure des grandes puissances électriques mais un rendement baissé avec des conséquences négatives sur le cout sur kWh dans les conditions de l’épuisement des réserves des combustibles. Ni les centrales nucléaires-électriques ne représentent plus une solution viable a long et a moyen terme, ayant en vue les risques de contamination radioactive. Les sources énergétiques non conventionnelles basées sur la conversion de l’énergie de la radiation solaire, du vent, des vagues, des marées ou celles géothermiques sont moins répandues a cause des densités petites d’énergie, de la distribution non uniforme, des grandes fluctuations dans le temps, quoique non polluantes, régénérables et pratiquement inépuisables. C’est pourquoi, il s’impose de nouvelles directions de recherche applicative dans le domaine énergétique. Un nouveau mode d’approche de la conversion de l’énergie est le générateur géo-électrique, solution technique alternative pour la valorisation du champ électrique terrestre. On connaît que par un conducteur qui fait la liaison entre deux enceintes a gaz ionisés, trouvées aux potentiels électriques différents, le courant électrique passe jusqu’a l’annulation de la différence de potentiel, en s’établissant l’équilibre électrique. Le maintien du courant par le conducteur est possible quand on assure l’ionisation différenciée des gaz des enceintes, par des flux de radiations électromagnétiques ou corpusculaires. On arrive ainsi au modèle de circuit électrique ouvert qui peut etre utilisé pour la captation de l’énergie du champ électrique de l’atmosphère terrestre qui inclut des couches des grandes dimensions a gaz ionisés sous l’action de la radiation cosmique primaire et des radiations secondaires. Basée sur les particularités du régime thermique, l’atmosphère terrestre est divisée en cinq couches principales séparées par des couches de transition.
1. Troposphère, 0-11 km, retient 4/5 de l’entière masse de l’air; est le siège des plus importants phénomènes météorologiques; la température baisse avec l’altitude jusqu’a -60 C, elle est délimitée a la partie supérieure par la tropopause; certaines montagnes hautes, comme par exemple Everest s’approche beaucoup de la limite supérieure de la troposphère.
2. Stratosphère, 11 – 50 km; couche d’air tranquille, sèche et transparente ou la température augmente jusqu’a 0 C; elle est délimitée a la partie supérieure par la stratopause.
3. Mésosphère, 50 – 80 km; la température baisse rapidement jusqu’a -83 C; elle est délimitée dans la partie supérieure par la mésopause.
4. Thermosphère, 80 – 1000 km; la température augmente progressivement jusqu’a 1000 – 1500 C; elle est délimitée dans la partie supérieure par la thermo-pause.
5. Exosphère, plus de 1000 km, jusqu’a la limite supérieure ou il a lieu la dispersion des gaz dans l’espace cosmique.
Les radiations corpusculaires solaires (le vent solaire) sont captées par le champ magnétique terrestre -magnétosphère- et forment aux hauteurs de 3000-4000 hm et 15 000-20 000 km les ceintures de radiations van Allen, particulièrement dangereuses pour les organismes vivants .Le champ électrique terrestre joue un role important dans la dynamique de l’atmosphère et le régime des précipitations, avec des influences étendues dans la biosphère et meme dans les processus géologiques. Dans les grandes lignes, la Terre est chargée de charge électrique négative qui est distribuée non uniformément a la surface et a son intérieur. Les mesurages géophysiques ont mis en évidence au niveau de l’écorce terrestre, l’existence de certains courants électriques naturels causés par les procès électrochimiques, thermoélectriques, d’induction, la polarisation de certains roches, des vibrations etc. L’intensité des courants électriques dépend de la conductivité du matériel terrestre, ayant des valeurs assez grandes dans certaines régions, comme par exemple, la zone du littoral et la proximité de la rive océanique. A la surface de la Terre, l’intensité du champ électrique a la valeur moyenne de presque -130 V/m et baisse progressivement avec l’altitude dans la troposphère.
Des modifications importantes du champ électrique peuvent etre causées par les formations nuageuses qui ont fréquemment une distribution des charges positives a la partie supérieure et négatives a celle inférieure.
A coté des nuages polaire-positifs peuvent exister aussi des nuages polaire-négatifs ou meme tripolaires. La différence de potentiel entre un nuage et le sol peut atteindre pendant la tempete des valeurs d’ordre millions de volts. L’électricité de la troposphère est produite par les forces de frottement entre les courants d’air, par les radiations ionisantes solaires ou par l’émission des particules électriques, par les sources radioactives terrestres, mais elle résulte aussi dans le processus d’évaporation et de condensation de l’eau sous formes de gouttes chargées de charge électrique positive. Les molécules d’eau sont polarisées, parce que le centre des charges électriques positives ne coincide pas avec le centre des charges électriques négatives. Cette configuration s’explique par l’hybridation des orbitales des atomes d’oxygène qui possède deux paires d’électrons non participants a la formation des liaisons covalentes. En état condensé, les molécules d’eau s’associent par des liaisons d’hydrogène dues a l’attraction d’un atome d’hydrogène (électropositif) et l’un d’oxygène (électronégatif) d’une molécule voisine. Contrairement a la pluie, les précipitations solides (grele, neige) transportent de charge électrique négative. D’habitude, les nuages qui produisent des averses de pluie sont chargés avec charge électrique négative a la partie inférieure et a l’autre extrémité se trouve distribuée la charge électrique positive. Cette distribution de la charge électrique est favorable a l’équilibre dynamique parce qu’elle assure une force électrique verticale qui compense partiellement le poids du nuage.
Le passage du courant électrique par un conducteur qui fait la liaison entre deux points avec des potentiels différents de la troposphère est possible quand a ses deux bouts il y a des sources artificielles d’ionisation (thermiques, radioactives) des atomes et des molécules neutres pour exister des suffisantes charges électriques libres. La situation est totalement différente au cas des couches ionisées. La thermosphère, connue aussi sous le nom d’ionosphère, est le siège de certains procès intenses d’ionisation provoqués par les radiations électromagnétiques et corpusculaires qui proviennent de l’espace cosmique. Il est bien a mentionner qu’un corps trouvé dans la thermosphère ne peut pas atteindre la température du milieu environnant qui est très raréfié. Dans ce cas, la température ne se mesure pas avec le thermomètre, mais elle se calcule de la formule de l’énergie cinétique moyenne des particules qui la constituent. L’ionosphère est divisée en plusieurs couches (D,E,F,G) qui ont un role particulier dans l’absorption des composantes de la radiation solaire nuisible pour les organismes vivants mais elle est utile aussi dans les télécommunications par la réflexion des ondes radio. Dans l’ionosphère se forment les aurores polaires, phénomènes produits par les particules électriques qui s’enroulent autour des lignes de champ magnétique. Les particules électriques qui s’évadent des ceintures des radiations van Allen et de l’ionosphère, pénètrent dans l’atmosphère sous l’altitude de 40 km et déterminent l’ionisation des molécules de la composition de l’air, donnant naissance a l’ainsi-dite ceinture ionique inférieure. La ceinture représente un maximum de d’ionisation entre les altitudes de 5 et 25 km, zone particulièrement dynamique ou se manifeste „les courants-jet” avec des vitesses de 25-100 /s. On peut concevoir plusieurs variantes constructives pour les systèmes de captation de l’énergie du champ électrique terrestre ainsi que les points avec des potentiels électriques différents appartiennent a l’écorce terrestre (I), a l’écorce terrestre et a une couche ionisée de l’atmosphère (II) ou a de certaines couches différentes a gaz ionisé de l’atmosphère (III). Dans la première variante constructive, le système pour la captation de l’énergie du champ électrique terrestre se compose du conducteur (3) connecté a la station (5) pour la transformation des paramètres électriques et les électrodes (1,2) situés dans des zones avec potentiels électriques différents de l’écorce terrestre. Le conducteur (3) – confectionné en Cu ou Al- est suspendu sur les piliers (4) mais il peut etre enfoui dans le sol a condition de la réalisation d’une bonne isolation électrique. La station (5) est prévue avec inverseurs électroniques, convertisseurs de fréquence, transformateurs de tension et stabilisateurs électriques pour assurer les paramètres standard spécifiques au réseau national de courant alternatif auxquels s’ajoutent des dispositifs de sureté et des appareils de mesure et de controle pour l’exploitation du système énergétique dans des conditions optimales. L’énergie électrique obtenue est transférée dans le réseau national de courant alternatif, mais elle peut etre stockée dans des accumulateurs de grande capacité, éventuellement on peut opter pour l’obtention de l’hydrogène par l’électrolyse qui est utilisé a son tour dans les piles de combustion.
Dans la deuxième variante constructive, le système pour la captation de l’énergie du champ géo-électrique est prévu avec un conducteur isolé (6), le tambour de roulement (7), les appareils de vol (8) pour soutien, l’électrode (9), situé dans l’écorce terrestre, ainsi que la station pour la transformation des paramètres électriques. L’hélicoptère du bout supérieur du conducteur (6), qui a aussi le role d’électrode, est situé au „point fixe” dans la ceinture ionique inférieure de l’atmosphère. Parce que le conducteur isolé (6) est soumis a des grandes forces de traction, il est recommandable a avoir de section variable et a etre fixé sur un câble en acier, prévu lui-aussi avec isolation électrique. Pour des grandes différences d’altitude, on a besoin de plusieurs hélicoptères pour soutenir les conducteurs électriques qui sont disposés sur verticale a distance presque égales.
Dans la troisième variante constructive, le système pour la captation de l’énergie du champ électrique de la Terre, est formé de l’un ou plusieurs conducteurs isolés (11); les bobines (12) pour le roulement, les appareils de vol (13;14) et la technique afférente (15) pour la transformation des paramètres électriques. Les appareils de vol, de type hélicoptères ou avions a réactions ont le role de soutien et des électrodes pour le système géo-électrique. Les appareils de vol sont disposés sur verticale dans des couches ionisés de l’atmosphère (ceinture ionique inférieure, ionosphère) en régime de vol a „point fixe” ou en mouvement simultané controlé. Dans ce cas, l’énergie électrique captée peut etre utilisée pour l’éclairage de nuit a grande hauteur, la production de l’hydrogène par l’électrolyse, l’alimentation des moteurs électriques pour la mise en mouvement des hélices des appareils de vol.

Cuvinte cheie: l'énergie, Terra

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