способ создания токопроводящих каналов в непроводящей среде

Формула изобретения

1. Способ создания токопроводящих каналов в непроводящей среде, включающий перемещение в среде оптической фокусирующей системы и направление на нее излучения импульсно-периодического лазера с энергией импульсов, достаточной для пробоя среды в фокусе оптической системы и с частотой их повторения 10 кГц-1 мГц, при этом фокусирующую систему снабжают источником создания среды в окрестностях фокуса в виде возгоняющегося под воздействием падающего на него лазерного излучения легкоионизируемого вещества, содержащего наночастицы металлов или обеспечивающего их синтез.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что излучение импульсно-периодического лазера формируют с временной структурой, обеспечивающей пробой среды в фокусе оптической системы с возникновением в ней ударной волны.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в токопроводящий канал, формируемый перемещаемой оптической фокусирующей системой, помещают электрод источника высокого напряжения.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что фокусирующую систему снабжают источником создания среды в виде легкоионизируемого вещества, образующего парогазовую среду с низким порогом пробоя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам передачи электрической энергии.

Известен способ и устройство для передачи электрической энергии, включающий передачу электрической энергии от источника к приемнику электрической энергии таким образом, что между источником и приемником электрической энергии формируют проводящий канал методом фотоионизации и ударной ионизации с помощью генератора излучения (RU 2143775 [1]). Указанный проводящий канал электрически изолируют от генератора излучения с помощью прозрачного для излучения электроизоляционного экрана, соединяют проводящий канал с источником электрической энергии через повышающий высокочастотный трансформатор Тесла и с приемником электрической энергии через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок, увеличивают электрическую проводимость канала путем формирования поверхностного заряда и увеличения напряженности электрического поля и осуществляют под действием кулоновых сил перемещение электрических зарядов вдоль проводящего канала. Проводящий канал формируют как со стороны источника энергии, так и со стороны приемника энергии.

Электрическую энергию передают по проводящему каналу в импульсном или непрерывном режиме путем подачи на формирователь проводящего канала одновременно импульсов от генератора излучения и электрических импульсов от высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла.

Известное устройство для передачи электрической энергии содержит генератор излучения на основе оптического или рентгеновского лазера для формирования проводящего канала между источником и приемником электрической энергии, установленный соосно с генератором излучения формирователь проводящего канала и электроизолирующий экран, прозрачный для излучения генератора, размещенный между формирователем проводящего канала и генератором излучения. Источник электрической энергии соединен с формирователем проводящего канала через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла, а с противоположной стороны проводящего канала установлен приемник проводящего канала, изолированный от корпуса приемника электрической энергии. Указанный приемник электрической энергии соединен с приемником канала через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок.

Устройство для передачи электрической энергии может быть выполнено в виде энергетической разветвленной системы, состоящей из множества источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводящими каналами, имеющими одинаковую частоту и напряжение в точках соединения. Каждый источник электрической энергии снабжен генератором излучения, электроизолирующим экраном, формирователем и приемником проводящего канала. Каждый формирователь проводящего канала соединен с источником электрической энергии с помощью высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла, а каждый генератор излучения соединен или с источником электрической энергии, или с приемником через понижающий высокочастотный трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок.

Недостатком известного способа и устройства является необходимость использования газоразрядного проводящего канала и поддержания концентрации ионизированного воздуха в канале в определенных пределах, так как при малой концентрации ионов лазерный воздушный канал обладает малой проводимостью, не достаточной для передачи электрической энергии, а при большой концентрации ионов воздушный канал становится не прозрачным для лазерного излучения.

Другим недостатком известного способа и устройства является то, что его невозможно использовать в вакууме за пределами земной атмосферы.

Известен способ передачи электрической энергии с помощью релятивистских пучков электронов высоких энергий (Б.Э.Мейерович. Канал сильного тока. М.: Фима, 1999, стр.355-357[2]). Недостатком известного способа передачи электрической энергии являются большие потери энергии на рассеивание при столкновении электронов с молекулами в газовой среде, что ограничивает длину распространения и мощность электронного потока в атмосфере.

Другим недостатком является необходимость преобразования электронного потока у потребителя в электрическую энергию с заданными параметрами, так как поток электронов представляет собой источник тока. Отбор энергии от пучка электронов производят за счет торможения электронов в электрическом поле конденсатора и увеличения заряда конденсатора. В магнитном поле энергия пучка электронов преобразуется в синхротронное излучение. При облучении твердой мишени энергия пучка электронов превратится в теплоту, которую можно преобразовать в электрическую энергию с помощью известных термодинамических циклов преобразования энергии.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ передачи электрической энергии, включающий генерирование высокочастотных электромагнитных колебаний и передачу их по проводящему каналу между источником и приемником электрической энергии, в котором проводящий канал формируют с помощью ускорителя в виде релятивистского пучка электронов, на который подают высокое напряжение с частотой 0,3-300,0 кГц от спиральной антенны бегущей волны (RU 2183376 [3]). Для увеличения радиационной безопасности проводящий канал формируют в виде двух пересекающихся пучков, один из которых формируют в атмосфере с помощью лазера, а второй формируют в разреженной среде и за пределами атмосферы в виде релятивистского пучка электронов.

Пучки в проводящем канале могут быть направлены соосно встречно друг другу, пучок релятивистских электронов направляют преимущественно из оптически менее плотной среды в сторону оптически более плотной среды, а лазерное излучение преимущественно из оптической более плотной среды в сторону оптической менее плотной среды. Формирование проводящего канала также осуществляют путем передачи вдоль оси канала соосного релятивистского пучка электронов и лазерного пучка и подачи на проводящий канал высокого напряжения от высокочастотного трансформатора Тесла или путем передачи вдоль оси канала двух параллельных пучков лазерного излучения и релятивистских электронов, расстояние между которыми не превышает поперечного размера меньшего по диаметру пучка.

Для передачи электрической энергии по линии, отличной от прямой, проводящий канал содержит проводящее тело, которое облучают с одной или нескольких сторон с помощью релятивистских пучков электронов и лазерных пучков, соединенных с высоковольтными трансформаторами Тесла. Для создания глобальной системы энергоснабжения Земли в качестве проводящего тела используют проводящие слои в ионосфере Земли, которые соединяют проводящими каналами на основе релятивистских электронных пучков с источниками и приемниками электрической энергии.

Недостатком известного способа является сложность его реализации, обусловленная необходимостью использования дополнительных устройств ускорителя релятивистских пучков электронов или лазера для создания проводящего канала. Все известные способы преобразования электрической энергии электронного пучка характеризуются низким кпд.

Заявляемое изобретение направлено на упрощение способа передачи электрической энергии в любой непроводящей среде.

Указанный результат достигается тем, что способ создания токопроводящих каналов в непроводящей среде включает перемещение в среде оптической фокусирующей системы и направление на нее излучения импульсно-периодического лазера с энергией импульсов, достаточной для пробоя среды в фокусе оптической системы и с частотой их повторения 10 кГц - 1 мГц, при этом фокусирующую систему снабжают источником создания среды в окрестностях фокуса в виде возгоняющегося под воздействием падающего на него лазерного излучения легкоионизируемого вещества, содержащего наночастицы металлов или обеспечивающего их синтез.

Указанный результат достигается также тем, что излучение импульсно-периодического лазера формируют с временной структурой, обеспечивающей пробой среды в фокусе оптической системы с возникновением в ней ударной волны.

Указанный результат достигается также и тем, что в токопроводящий канал, формируемый перемещаемой оптической фокусирующей системой, помещают электрод источника высокого напряжения.

Указанный результат достигается также тем, что фокусирующую систему снабжают источником создания среды в виде легкоионизируемого вещества, образующего парогазовую среду с низким порогом пробоя.

Перемещение в среде оптической фокусирующей системы и направление на нее излучения импульсно-периодического лазера с частотой 10 кГц - 1 мГц с энергией, достаточной для пробоя среды в фокусе оптической системы, обеспечивает формирование непрерывного токопроводящего канала в воздушной среде за счет ее ионизации, при этом, как показывают расчеты, указанный диапазон частот импульсов лазера и обеспечивает непрерывность формируемого токопроводящего канала в том диапазоне скоростей перемещаемой фокусирующей системы, который может быть реализован в этой среде. Действительно, каждый импульс лазерного излучения, сфокусированный затем фокусирующей системой в области фокуса, создает некоторую протяженную область ионизированного газа (плазмы), которая распространяется на относительно небольшой отрезок пространства в траектории перемещения фокусирующей системы. Если импульсы излучения от лазера будут следовать с малой частотой, то при некоторых скоростях перемещения фокусирующей системы эти области ионизированного газа будут представлять собой пунктирную линию. При частоте же более 10 кГц эти области ионизации уже не будут иметь разрывов и формируемый проводящий канал будет сплошным. Однако при выходе перемещаемой оптической системы в разреженные слои атмосферы и далее в вакуум возникает проблема дефицита среды, которая могла бы восполнить недостаток ионизированного газа. Для этого перемещаемая оптическая система снабжается источником создания среды в окрестностях фокуса в виде возгоняющегося под воздействием падающего на него лазерного излучения легкоионизируемого вещества, содержащего наночастицы металлов или вещества, которое под воздействием лазерного излучения обеспечивает синтез этих наночастиц. Наличие источника легкоионизируемого вещества, возгоняющегося под воздействием лазерного излучения, позволяет формировать токопроводящий канал в вакууме и обеспечивает при этом его непрерывность вплоть до поверхности Земли. Наличие в возгоняющемся веществе наночастиц металлов позволяет одновременно с улучшением условий проводимости канала увеличить и величину удельного импульса тяги лазерного двигателя (устройства, содержащего мобильную оптическую систему и резервуар с возгоняемым веществом), который в сущности при данном использовании и определяет время достижения требуемой дальности (высоты) канала передачи электроэнергии.

В случае больших длин проводящих каналов целесообразно излучение высокочастотного импульсно-периодического лазера формировать с временной структурой, обеспечивающей пробой среды в каждом импульсе излучения с возникновением в ней ударных волн, скорость распространения которых, а значит и энергия, зависят от значения пиковой интенсивности лазерного импульса. В этом случае перемещаемая фокусирующая оптическая система получает значительно большую величину количества движения, которое обеспечивает требуемое ускорение по направлению распространения лазерного луча.

Помещение электрода источника высокого напряжения в токопроводящий канал, формируемый перемещаемой оптической фокусирующей системой, позволяет, с одной стороны, поддерживать проводящий канал требуемой длины и направления от поверхности Земли до перемещаемой фокусирующей системы, а с другой стороны, передавать энергию по этому каналу.

Для того чтобы облегчить пробой среды в фокусе оптической системы с возникновением при необходимости, кроме проводящего канала, еще и ударной волны, целесообразно использовать в качестве источника создания среды легкоионизируемые вещества, образующие парогазовую среду с низким порогом пробоя. Последнее обстоятельство позволяет снизить требования к величине энергии в импульсе лазерного излучения.

Сущность заявляемого способа поясняется примерами его реализации и чертежом, на котором представлена принципиальная схема устройства, с помощью которого реализуется способ. На чертеже обозначено: 1 - импульсно-периодический лазер; 2 - излучение лазера; 3 - перемещаемая фокусирующая система.

Пример 1. Способ реализуется следующим образом. Перемещаемая фокусирующая система может быть выполнена в виде конического тела вращения или комбинации цилиндра и конуса, обращенного вершиной в сторону направления ее движения. В торце перемещаемой системы устанавливается оптика, которая может быть выбрана из числа известных оптических систем и обеспечивающая фокусировку излучения, падающего на торец, на некотором расстоянии от него. В самом теле перемещаемой системы размещается возгоняющееся под воздействием лазерного излучения легкоионизируемое вещество, содержащее наночастицы металла или вещества, обеспечивающие их синтез. В качестве легкоионизируемого вещества может быть использован воск, парафин, делрин (высококачественный ацетальный гомополимер) и др. полимерные вещества. Наночастицы металла могут иметь характерный размер, например 10-50 нм, и могут быть изготовлены из таких металлов, как алюминий, олово, медь, вольфрам, молибден, свинец и т.п. В качестве вещества, позволяющего синтезировать наночастицы металла или металлокомпозитные материалы, обладающие достаточно высокой электропроводностью, могут быть использованы углеродсодержащие вещества в комбинации со щелочными металлами. Так, уже получены металлофуллерены на основе щелочных металлов, фуллериды меди, которые являются высокотемпературными сверхпроводниками с Тс>140 К. Для получения нанокристаллических порошков применяются плазменный и лазерный способы нагрева. Так, были получены наночастицы карбидов, оксидов и нитридов с помощью импульсного лазерного нагрева металлов в разреженной атмосфере метана (в случае карбидов), кислорода (в случае оксидов), азота или аммиака (в случае нитридов). Импульсное лазерное испарение металлов в атмосфере инертного газа (He или Ar) и газа-реагента (O₂, N₂, NH₃, CH₄ ) позволяет получать смеси нанокристаллических оксидов различных металлов, оксидно-нитридные или карбидно-нитридные смеси. Состав и размер наночастиц можно контролировать изменением давления и состава атмосферы (инертный газ и газ-реагент), мощностью лазерного импульса, температурного градиента при охлаждении

Содержание наночастиц в возгоняющемся веществе обычно составляет 10-25% по массе. В качестве источника лазерного излучения может быть использован высокочастотный импульсно-периодический лазер, обеспечивающий необходимую частоту следования импульсов и энергию в импульсе.

Перемещаемая фокусирующая система запускается непосредственно от поверхности Земли с помощью излучения импульсно-периодического лазера с частотой 10 кГц - 1 мГц с энергией, достаточной для пробоя среды в фокусе оптической системы. В результате фокусировки излучения лазера в относительно небольшом объеме происходит пробой среды, которая в нем находится. В случае перемещения в атмосфере - это воздух. В результате пробоя возникает область ионизации, которая распространяется на некоторое расстояние вслед за перемещающейся фокусирующей системой, и ударная волна, которая придает перемещающейся системе дополнительное количество движения, приводит к ее ускорению. При переходе перемещаемой фокусирующей системы в разреженные слои атмосферы или открытый космос пробой (и возникающая при этом ударная волна) будет осуществляться в среде, источником которой будет служить легкоионизируемое вещество, которым снабжена перемещаемая система. При удалении перемещаемой фокусирующей системы на заданное расстояние или достижении ею приемника энергии в токопроводящий канал помещают электрод источника высокого напряжения. Например, так, как это описано в патенте RU 2161850 [4].

Пример 2. Была изготовлена перемещаемая фокусирующая система, которая представляла собой полый цилиндр из титановой фольги диаметром 5 мм и длиной 10 мм. К одному из торцов цилиндра с помощью аргоновой сварки был подсоединен конус с углом 15 град при вершине. Во внутренней полости цилиндра было размещено незначительное количество парафина (<15% массы оптической системы), содержащего равномерно распределенные в нем частицы алюминия с размером 10-100 нм в количестве 20% по массе. На свободном торце цилиндра была закреплена оптическая система фокусировки, выполненная в виде сферического отражателя (или параболы). Перемещаемая фокусирующая система была запущена вверх от поверхности оптического стола с помощью излучения импульсно-периодического электроразрядного CO₂-лазера с частотой, варьируемой в диапазоне 30-100 кГц, и со средней мощностью 1 кВт. В сформированный ею из плазмы легкоионизуемого вещества и наночастиц металла с помощью излучения лазера проводящий канал был помещен электрод генератора Теслы с выходным напряжением 100 кВ и мощностью 1 кВт. Проводимость канала оказалась достаточной для разряда конденсаторной батареи на землю при достижении перемещаемой оптической системой земляной шины, расположенной в конечной точке подъема.