СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ШАРОВЫХ МОЛНИЙ Российский патент 2001 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к области физико-химических процессов, происходящих спонтанно в природе, а теперь уже искусственно и целенаправленно в лабораторных условиях.

Изобретение может быть использовано для получения искусственных шаровых молний в необходимых количествах с целью удобства изучения этого природного явления, а также может найти применение в области химии высоких энергий и в других направлениях физики и химии. Например, для получения новых кластерных соединений, способных накапливать в себе сверхвысокие напряжения (миллиарды и даже десятки миллиардов вольт). Благодаря этому можно масштабно получать частицы с большими энергиями (10 гэВ и более), что дает возможность проводить различные виды ядерных реакций почти с любыми веществами и принципиально в неограниченных масштабах простыми способами без использования существующих высоких технологий.

Для существующей на сегодняшний день промышленности патентуемый способ может найти широкое применение в уже существующих ядерных технологиях, а также для получения новых химических веществ и создания новых химических процессов, основанных на способе получения элементов с дробными зарядами электрона [1, 2].

Известен проект эксперимента с электронным пучком [3, а)]. Сущность эксперимента состоит в исследовании импульсных сильноточных электронных пучков с энергией 100 кэВ и плотностью тока 10 кА/см², который может создать в воздухе за время порядка 10⁸ с столб плазмы длиной около 30 см и плотностью порядка n ≃ 10¹⁵ см^-3, нагревая воздух не более чем на 200-300 К.

В описании данного способа нет информации, что эксперимент был осуществлен с положительным результатом.

В самом описании способа обращается внимание на очень трудно выполнимые условия эксперимента, и для выполнения таких условий (если они вообще правильные) нужно достаточно громоздкое и дорогостоящее оборудование с большим электропотреблением, а также специальные условия проведения эксперимента.

Наиболее близко приближающимся по своей технической сущности к изобретению является случайный эксперимент со стаканом раствора соли, в котором наблюдалось появление шаровой молнии [3, б)].

Сущность эксперимента заключается в следующем.

В стакан с соленой водой (соль была добавлена для проводимости воды) был опущен шнур, подсоединенный к контактам патрона электрической лампы. При включении тока произошло короткое замыкание, в результате которого автоматический выключатель на распределительном щитке выключил ток. В тот же момент, по словам автора, вокруг стакана появился шар голубовато-зеленого цвета диаметром около 25 см. Хотя, как уже было сказано, ток отключился и электрическое освещение погасло, светящийся шар не исчез. Через 2-3 с он с громким звуком раскололся на два шара, которые покатились по столу в разные стороны, распадаясь при этом на более мелкие шарики. Докатившись до края стола, шары падали на пол, дробясь на мелкие шарики диаметром около 1 см. Последние разбегались "как ртуть" по полу комнаты, но, пройдя 1,5-2 м, гасли. В течение примерно 5 сек все прекратилось. Стакан остался цел, хотя часть воды была разбрызгана по столу.

В описании эксперимента и в других литературных и патентных данных нет информации, что описанный эксперимент или аналогичные ему опыты имели бы хотя бы приближенную повторяемость результатов.

Техническая задача заключается в осуществлении способа получения шаровых молний с повторяемыми результатами с использованием стандартных для России и других стран параметров переменного электрического тока, напряжением 220 В и частотой 50-60 Гц.

Технический результат достигается за счет мгновенной концентрации электрического поля на кластерообразующих химических соединениях, включая молекулы воды.

Проведенный нами анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, позволяет установить, что нами не обнаружены близкие аналоги разработанного способа. Выявленный аналог позволяет определить совокупность соответственных по отношению к усматриваемому нами техническому результату отличительных признаков для заявляемого объекта изобретения.

Известно, что дипольные молекулы притягиваются к ионам, причем их энергия связи может оказаться весьма значительной. Так, например, молекула воды имеет дипольный момент p=1.83•10^-18 (в абсолютной системе).

В гидратированных ионах или гидратах кластерная оболочка, состоящая из 3-5 молекул воды, имеет энергию связи около 4 эВ, и она не должна разрушаться от соударений при температуре ниже 1000 К. При низких температурах, характерных для шаровой молнии, свободные электроны соединяются с нейтральными атомами или молекулами, образуя отрицательный ион, который затем сольватируется. Для выполнения условия квазинейтральности количество положительных и отрицательных ионов должно быть приблизительно одинаковым. Кроме кластерных ионов вещество шаровой молнии должно содержать некоторое количество нейтральных молекул в свободном состоянии.

Кластерные оболочки задерживают рекомбинацию, благодаря чему шаровая молния может существовать относительно долго без подпитки энергией извне. Постепенно рекомбинируя, шаровая молния постепенно выделит заключенную в ней энергию ионизации. Шаровая молния может также мгновенно выделить всю накопленную в ней энергию при определенных условиях (например, при столкновении с электрическим проводником).

По энергии искусственные, шаровые молнии можно разбить на две группы: мало и среднеэнергетические (с плотностью энергии 1-10 Дж/см³) и высокоэнергетические 1-15 кДж/см³.

У мало и среднеэнергетических молний при рекомбинации ионов освобождается около 10-15 эВ. Кроме того, в последующих химических реакциях обычно выделяется энергия 3-5 эВ. Так при рекомбинации ионов O⁺ и O^- образуются два атома О, которые соединяются затем в молекулу O₂ с выделением энергии 5 эВ. Точно так же ионы N⁺ и О^- после нейтрализации образуют молекулу NO или молекулярный азот и кислород. В результате энергия, выделяющаяся, в конечном счете, при нейтрализации пары ионов, составляет 15-20 эВ. Необходимые затраты энергии таковы:
1. На разрушение кластерных оболочек двух ионов должно уходить около 6-8 эВ.

2. На диссоциацию отрицательного иона на электрон и атом нужно затратить еще 1-2 эВ. С учетом этого каждая пара кластерных ионов может дать при рекомбинации 5-10 эВ. Если в 1 см³ вещества молнии содержится около 0,5•10¹⁹ пар ионов, то плотность энергии, заключенной в нем, составляет 5-10 Дж/см³. В этом случае молния с наиболее вероятным диаметром (20 см) несет в себе энергию, равную 20-40 кДж.

Движение ионов в веществе молнии может сопровождаться радиоизлучением. Интенсивность дополнительного излучения частицы, несущей заряд и движущейся с ускорением а, определяется, как известно, формулой
J=2e²a²/3c³. (1)
Ускорение иона в поле другого иона равно
a=e²/Mr.² (2)
Полагая массу кластера с диаметром М=80 1.6 •10 г, расстояние r, равным среднему расстоянию между ионами (при плотности заряженных частиц 10¹⁹см^-3≈5•10^-7см), находим, что мощность дипольного излучения из 1 см равна, Вт/см,
10¹⁹j=3•10^-7. (3)
Для высокоэнергетических молний, как говорилось выше, плотность энергии на 1 см³ составляет 15 кДж.

Оценка энергии такой плотности была сделана на основании "природного эксперимента". В бачок с 18 литрами воды попала шаровая молния размером с крупный апельсин. При этом вода бурлила, и часть ее, около 1 л, исчезла, т. е. испарилась из бочонка. Скрытая теплота испарения воды 100^oC равна 2260 Дж/г, найдем, что энергия, сообщенная ей, составляет около 8 МДж. Если принять, что диаметр молнии равен 10 см, то плотность энергии шаровой молнии оказывается около 15 кДж/см³. Поскольку плотность молнии примерно такая же, как и воздуха, число молекул в 1 см³ ее вещества должно быть порядка 10¹⁹, и при плотности энергии 15 кДж/см³ на каждую молекулу будет приходиться 10⁴ эВ. Это на три порядка больше потенциала ионизации любого из известных атомов, которая, в свою очередь, больше энергии связи химических соединений. Поэтому в этом случае накопление энергии в шаровой молнии происходит в ядерной форме, которую можно рассматривать как начальный синтез адронов [2, 4].

Примеры получения шаровой молнии.

Пример 1. Получение шаровой молнии в воздухе.

Для получения шаровой молнии в воздушном пространстве через водяную пленку с добавлением солей, для проводимости, пропускали разряды переменного тока напряжением 220 В, мощностью 2 - 2.5 кВт и частотой 50 - 60 Гц. При этом образовались светящиеся шары с диаметром 0.5 - 2 см, которые разлетались в разные стороны, увлекаемые внешними электростатическими силами. В этом случае в процессе образования молнии участвуют гидратные оболочки ионов, НО и ОН.

Н₃О⁺(Н₂О)_n-1 + Н₂О->Н₃О⁺(Н₂О)_n;
OH-(Н₂О)_n-1 + Н₂О->Н₃О->OH^-(Н₂О)_n.

(ΔH)_n-1;п - значения энтольпии реакций [3].

Для получения высокоэнергетических шаровых молний, у которых, как уже говорилось, энергия существует и в ядерной форме, в рабочий водный раствор добавляют соединения с гетерополикомплексами, способными к обратимым, цепным, многоэлектронным и многопротонным переходам. Например, вольфрамовый гетерополикомплекс 2 - 18 ряда [P₂O₁₈O₆₂]. В обычном окисленном состоянии степень окисления вольфрама +6, но при действии на комплекс электрическим током или др. восстановителями степень окисления можно изменить до +5 и даже до +4 [P₂O₁₈O₆₂]^24-, [P₂O₁₈O₆₂]^42-. Как видно, при изменении степени окисления вольфрама происходит резкое изменение заряда всего комплекса, что приводит к образованию цепей, состоящих из таких кластерных ионов, каждый из которых несет в себе заряд, в среднем, около 0.5 В. Число молекул в одном моле любого вещества, как известно, 6•10²⁴, поэтому при сворачивании комплексов в цепочки, теоретически, на доли секунды, может образоваться напряжение порядка 0.5•6•10²³ В. Конечно, практически образующее напряжение на несколько порядков меньше, примерно 1•10¹⁴, но разряды, которые следуют непрерывно один за одним, внутри соединения, с такой разностью потенциалов, как известно, способны получить частицы со сверхбольшими энергиями с последующими взаимопревращениями.

Пример 2. Получение шаровой молнии в электронно-лучевой трубке.

Для создания шаровой молнии в электронно-лучевой трубке был изготовлен концентратор электростатического поля, и была взята электронно-лучевая трубка, дающая пучок электронов с энергией около 3-5 кэВ (что в 20 раз меньше энергии аналога).

Перед началом опыта прогреваем электронную пушку для стабильности излучения. После того как все параметры стабилизировались, через стеклянный экран электронно-лучевой трубки, т.е. внутри ее, с помощью концентратора, за 2-3 с создается электростатическое поле высокой плотности (плотность поля должна быть достаточной, чтобы пройти сквозь слой люминофора, которым покрыт экран трубки), после чего в стеклянной колбе электронно-лучевой трубки образуется черная шаровая молния, которая может существовать 10-20 мин автономно, без подпитки энергией извне. Для проверки последнего утверждения электронно-лучевая трубка отключалась полностью, а после включения на экране появлялось черное пятно, плавно огибаемое электронным потоком, которое свидетельствует о присутствии отрицательно заряженной шаровой молнии.

Большое, для шаровой молнии, время существования и черный цвет объясняются разреженностью атмосферы внутри колбы 10^-6 ат. Из-за этого потеря энергии на ионизацию атомов, не участвующих в процессе, достаточно мала. Процессы образования самой молнии такие же, как и в описании аналога [3], только проведены они при других условиях, в реале с многократным повторением.

Источники информации:
1. La Revue Politechnique N 1620 Prix Nobel: la mecanique quantique a l' honneur.

2. Revue du Palais de la decouverte N 264. Janvier 99.

3. Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. - М.: Энергоатомиздат, 1985:
а) с. 198,
б) с. 142.

4. "Наука и жизнь" N 1, 1999 г. Нобелевские премии 1998 года.

Использование: в области физики и химии для получения искусственных шаровых молний в необходимых количествах с целью удобства изучения этого природного явления. Сущность изобретения: в воздушном пространстве через водяную пленку раствора солей или водный раствор соединений с гетерокомплексами, способными к обратимым цепным многоэлектронным или многопротонным переходам, пропускают электрический ток, представляющий собой разряд переменного тока мощностью 2-2,5 кВт и частотой 50-60 Гц при напряжении 220 В, до образования светящихся шаров.

Способ получения шаровых молний, заключающийся в пропускании электрического тока, отличающийся тем, что электрический ток представляет собой разряд переменного тока мощностью 2-2,5 кВт и частотой 50-60 Гц при напряжении 220 В, который пропускают в воздушном пространстве через водяную пленку раствора солей или водный раствор соединений с гетерополикомплексами, способными к обратимым цепным многоэлектронным и многопротонным переходам, до образования светящихся шаров.