THE CONVERSION OF ELECTRON BEAMS ENERGY IN ELECTRIC POWER

Full Text

Введение. Повышение энергетической эффектив- ности многофункциональных электрических ракет- ных двигателей (ЭРД) [1; 2] требует разработки мето- дов, обеспечивающих потребности в электрической энергии для восполнения большого расхода электри- ческой мощности (10-100 кВт на 1 Н тяги) [3]. Спо- соб и возможные технические решения электронной энергетики, преобразующие энергию электронных пучков в электроэнергию, рассмотрены в [4], перспек- тивные методы такого преобразования представлены в [3]. Известно, что электростатические плазменные, созданные на эффекте Холла и другие ЭРД рассмат- риваются как перспективные в качестве основных двигателей космических летательных аппаратов. Из-за малой отбрасываемой массы рабочего тела с большой скоростью время непрерывной работы таких ЭРД будет измеряться месяцами и годами. Их использование вместо существующих химических ракетных двигателей позволит совершать полеты в дальнем космосе, если будут разработаны эффек- тивные новые подходы для получения электрической мощности, используемой для создания электрореак- тивной тяги, например, путем преобразования в элек- трический ток энергии пучков электронов, выделяе- мых из плазменного ядра продуктов сгорания топлива [3; 4] в поперечном магнитном поле под действием напряжения электрического поля, при помощи усили- телей-концентраторов пучков электронов и электрон- ных генераторов тока. Теоретическая часть. Задачей исследования является решение энергетической проблемы ЭРД путем преобразования энергии сконцентрированных пучков электронов в электрическую мощность. Одним из методов для получения и накопления статического электричества, а также получения электрического тока для питания аккумуляторов, систем ЭРД и агре- гатов космического летательного аппарата (КЛА) является преобразование энергии концентрированных пучков электронов или ионов в электрическую мощ- ность. Поставленная задача может быть решена при помощи генератора, содержащего заряжающий элек- трод, выполненный в виде аксиально-конического канала, стенка которого изготовлена из наномодифи- цированного углеродного материала и покрыта многослойной графеновой пленкой [5], толщиной 20-50 мкм. Заряжающий электрод при этом является рабочим электродом конденсатора ионисторного типа, содержащего электролит в двух кольцевых по- лостях, разделенных нетокопроводящей диафрагмой. На электродах ионисторного конденсатора может накапливаться электростатическое электричество, а в качестве электролита предполагается использовать твердый электролит, выполненный на основе лития или на основе наномодифицированного углеродного материала, также возможно применение жидкого электролита, изготовленного, например, на основе ионизированных растворов соли либо щелочи с до- бавлением наномодифицированного материала. В ионисторных конденсаторах проявляет себя ме- ханизм образования двойного электрического слоя [6]. Конденсаторы с двойным электрическим слоем (ДЭС) известны под названием суперконденсаторов (Япония), ультраконденсаторов (Германия, США), электрохи- мических конденсаторов (Франция, Канада). Конку- рентоспособность ионисторов, несмотря на низкое рабочее напряжение, определяется совокупностью следующих параметров: большая емкость, высокое сопротивление изоляции (низкие токи утечки), дли- тельный срок службы, отсутствие необходимого кон- троля процесса зарядки, до нескольких тысяч циклов заряд/разряд [7], широкий интервал рабочих темпера- тур от -60 до 125 ºС [8], высокая стойкость к воздей- ствию механических факторов, в том числе к ударам с ускорением до 50 тыс. g [8], высокая стойкость к воздействиям ионизирующих излучений [7]. Процесс зарядки/разрядки в ионисторах происходит в двойном слое ионов, сформированном на поверхности поло- жительного и отрицательного электродов, выполнен- ных, например, из активированного угля. Под дейст- вием приложенного напряжения анионы и катионы движутся к соответствующему электроду и накапли- ваются на поверхности электрода, образуя с зарядом электрода двойной электрический слой [9]. При при- ложении постоянного внешнего напряжения двойной электрический слой работает как изолирующий и не позволяет протекать сквозному току. Толщина двойного электрического слоя очень мала (5-10 нм) и сопоставима с размерами молекул. При определен- ном уровне напряжения и полярности за счет элек- трохимических процессов может начать протекать ток. Величина этого напряжения называется напря- жением разложения, или напряжением электрохими- ческого распада электролита. В связи с этим при за- рядке приложенное к ионистору напряжение ограни- чено напряжением разложения электролита, вследст- вие чего ионисторы могут соединяться последова- тельно. Величина прикладываемого напряжения зави- сит также и от состава электролита. Рекомендуемый диапазон работы ионисторов по напряжению от 2,3 до 5 В [7-9], при этом область образования двойного слоя на границе с электродом увеличивается при при- ложении более высокого напряжения, также повы- шается накапливаемый заряд. В качестве электродов ионисторов может исполь- зоваться активированный уголь в виде мелкодисперсной фракции, изготовленной порошковой технологией [8], ров, так как двойной слой образован на поверхности активированного угля, находящегося в контакте с электролитом. Каждый малый конденсатор, создан- ный на основе структуры «частицы активированного угля - электролит», будет обладать емкостью двойно- го электрического слоя Cd. Значения сопротивления заряда RFd в процессе зарядки и сопротивления не- скомпенсированных ионов Rid могут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от расстояния между токоведущими электродами, скорости передвижения ионов, контактного сопротивления R1-n между части- цами активированного угля и других параметров [7; 8]. Эквивалентная схема ионистора с учетом сопротивле- ний электродов и сепаратора представлена на рис. 1. Зарядный ток i ионистора может быть рассчитан с использованием выражения: а также применяется органический электролит для i = V × exp æ - t ö , (2) è ø работы ионистора. Электрод пропитывается электро- литом путем его проникания между частицами акти- вированного угля. Активированный уголь при этом представляет собой своеобразный электрод для мало- R ç CR ÷ где V, t - напряжение и время зарядки; C - электро- статическая емкость; R - сопротивление ионистора: го конденсатора с емкостью, обусловленной двойным электрическим слоем. В связи с представленной R = Re1 + Re2 + Rs , (3) структурой общую емкость ионистора можно пред- ставить как большое количество малых конденсато- ров, где каждая частица активированного угля являет- ся электродом, поэтому общая емкость ионистора может быть описана выражением [7; 8] F где Re1, Re2 - сопротивления электродов; Rs - сопротивление сепаратора. Зарядный ток i в пределах ионистора может быть представлен как сумма токов, протекающих через каждый из малых конденсаторов [8]. Зарядный ток согласно выражению (2) в реальности носит экспо- C = , d (1) ненциальный характер. Значение постоянной времени CR оказывает влияние на время зарядки: чем меньше где d - толщина двойного электрического слоя (5-10 нм); F - общая площадь поверхности электрода из активированного угля. В действительности электрод ионистора представ- ляет собой совокупность огромного количества час- тиц активированного угля с большой «развитой» площадью поверхности, примерно 2500-3000 см2/г, что позволяет получить емкость до нескольких десят- CR, тем меньше время зарядки и наоборот. Емкость ионистора C подобна эффективной емкости батареи, так как его можно представить в виде эквивалентной схемы из малых конденсаторов, имеющих различные значения сопротивления, а следовательно, разное время полной зарядки. Емкость ионистора может быть оценена следую- щим выражением: ков фарад. В ионисторе между электродами располо- жен «сепаратор» с хорошим изоляционными свойст- вами для предотвращения короткого замыкания C = J × t , V1 -V2 (4) между электродами за счет проникновения ионов. Для ионистора может быть применена эквивалентная схема с использованием условных малых конденсатогде C - электростатическая емкость, Ф; J - тестовый ток, А; t - время, с; V1-V2 - тестовый диапазон напря- жений, В. Рис. 1. Эквивалентная схема ионистора: C1, C2 - емкости двойного электрического слоя; Re1, Re2 - сопротивление электродов; Rs - сопротивление сепаратора; R1 и R2 - сопротивление двойного электрического слоя Fig. 1. Equivalent circuit of pseudocapacitor: C1, C2 - double-layer electric capacity; Re1, Re2 - electrode resistance; Rs - flow-through rotor resistance; R1 и R2 - double-layer electric resistance Емкость ионистора C зависит от тока, если ток за- ряда большой и конденсатор разряжался в течение длительного периода времени, то результирующая емкость будет мала, и наоборот. Для того, чтобы иметь воспроизводимые измерения, используют стан- дартный ток разряда 1 мА/Ф. В связи с тем, что схема ионистора состоит из большого количества малых конденсаторов с различными значениями внутреннего серия) используются в схемах управления электродви- гателями, в автомобильной электронике и т. д. [7-9]. Накопление заряда электростатической энергии за счет преобразования энергии заряженного потока плазмы, например электронного луча в предложенном генераторе электрического тока на потоке плазмы (рис. 2) [5], описывается формулой U 2 сопротивления, внутреннее сопротивление ионистора велико по сравнению с электрическими конденсато- Q = C , 2 (11) рами. Характеристика зарядки ионистора может быть представлена выражением [7; 8] é æ -t öù где U - напряжение на электродах, В; C - емкость, Ф. Особенностью конструкции многослойного заряжающего электродагенератора [5] (рис. 2), выполнен- V = V0 ê1- expç CR ÷ú. (5) ного с сужающимся аксиально-коническим каналом, с ë è øû Время разряда ионистора для постоянного тока можно определить по формуле диаметром на входе dвх = 2 мм, а на выходе - 0,2 мм (соотношение диаметров 0,1-0,3), является обеспече- ние герметичности ионистора при работе в вакууме. Это необходимо для сохранения электропроводности = C (V0 -V1) t . J (6) электролита в условиях работы в космической среде. Герметичность многослойного заряжающего элек- Время разрядки ионистора для постоянного сопро- тивления при разряде приведено в виде выражения трода может быть обеспечена за счет образования нескольких слоев графена, которые нанесены на заряжающий электрод. Известно, что графен облаt = -CR ln æ V1 ö , (7) дает полной непроницаемостью для любых газов [10]. V н ç ÷ è 0 ø где t - время; C - емкость; V0 - внутреннее напряже- ние; V1 - напряжение после t, с; J - ток нагрузки; Rн - сопротивление нагрузки. В общем случае характеристика саморазряда ионистора может быть представлена выражением Кроме того, графен отличается высокой подвиж- ностью электронов при комнатной температуре 2,5·10-5 см2·В-1·с-1 [11], теплопроводностью 3000 Вт·м-1К-1 [12], способностью поддерживать чрезвычайно высокую плотность тока (в несколько раз выше по сравнению с медью) [10; 13]. Графен об- ладает большим внутренним сопротивлением дефор- V = V × exp æ -t ö, (8) мации (130 ГПа) [14; 15], может упруго растягиваться CR 0 ç ÷ è L ø где RL - сопротивление изоляции (сумма сопротивле- ний частиц активированного угля электродов). Срок службы ионистора можно оценить с испольна 20 %, что позволяет наносить его на металличе- скую подложку. Графен также характеризуется высо- кой температурой плавления (3700-3900 ºС), которая была оценена по формуле [16; 17] Z × D зованием выражения [7] T = g b(S ) b(S ) , (12) CV C × (V0 - iR -V1 ) b(S ) e × KВ tри = i = , J + iL (9) где T b(S) - объемная поверхностная температура плавгде tри - время работы ионистора как резервного ис- точника питания; C - емкость ионистора, Ф; i - ток в течение работы ионистора как источника, А; iL - ток утечки, А; R - внутреннее сопротивление ионистора, Ом на 1 кГц; V1 - напряжение, до которого разряжает- ся ионистор, В. Диапазон емкостей ионистора может составлять от 10-2 до 104 Ф [7; 8]. Предполагаемый срок эксплуатации ионистора tэ зависит от произведения срока его службы, темпера- турного фактора и напряжения: ления; Db(S) - глубина потенциальной ямы в потен- циале Морзе для объемной (поверхностной) двух- атомной связи; Zb(S) - число ближайших соседей для объемного поверхностного атома; KВ - постоянная Больцмана; e - основание натурального логарифма; γ - масштабный множитель. Все указанные эффективные физико-электрохи- мические свойства графена позволяют применить его при изготовлении многослойных электродов генера- тора, включая электроды ионисторного конденсатора. Известно, что изготовление электродов из графена может увеличить емкость ионисторного конденсатора tэ = tри ×Tф ×Uф. (10) в 5 раз, емкость электродного материала при этом может составлять 150-210 Ф/г в зависимости от вели- Для ионисторов возможны быстрый заряд и большое количество циклов заряда/разряда (до нескольких десятков тысяч), так как в них не происходит никаких внутренних химических реакций [7]. Ионисторы с не- большими токами используются в схемах резервного питания, питания схем памяти, цифровых устройст- вах. Ионисторы с большими токами (например, HWчины тока зарядки. Разработаны методы изготовления графеновых пленок толщиной 50-500 нм для получе- ния электродов, например, из графеносодержащих композитов [18]. Высокая температура плавления графена позволяет использовать его для изготовления трубчатых элек- тродов генератора электрического тока на потоке плазмы при рекуперации энергии потоков ионизиро- ванных частиц в электростатическое электричество, при этом температура процесса рекуперации энергии может быть ограничена только температурным режи- мом эксплуатации электролита ионисторного конден- сатора. Трубчатые электроды генератора электриче- ского тока на потоке плазмы могут быть изготовлены также из гибрида графена и углеродных нанотрубок, что позволит повысить их прочность без существен- ного изменения электрофизических свойств. Техническим результатом работы генератора элек- трического тока на потоке плазмы [5] является накоп- ление статического заряда за счет преобразования энергии пучков заряженных частиц (электронов или катионов) плазмы в энергию электростатического заряда путем электрического торможения и сжатия потока электронов, обеспечение стабильности элек- трического тока и напряжения для зарядки аккумуля- торов электрических систем, а также простота конст- рукции устройства, что позволяет ускорить период аккумуляции электроэнергии, повысив тем самым КПД аккумулятора. Генератор электрического тока на потоке плазмы (рис. 2) содержит корпус 1 в виде полой трубки, на центральной оси которой размещено сопло 10 с аксиально-коническим каналом 12, причем диаметры входного dвх и выходного dвых отверстий канала связаны зависимостью dвых/dвх = 0, 1-0,3 (такое соот- ношение обеспечивает максимальное торможение и сжатие потока, что подтверждено экспериментальным путем). Полая трубка 2 контактирует с внутренней поверхностью корпуса 1 и образует основную кольце- вую цилиндрическую полость 4. Полая трубка 2 вы- полнена из нанопористого гибридного углеродного материала, на ее внутреннюю поверхность нанесена графеновая пленка 3 толщиной 10-30 мкм. В основ- ной кольцевой цилиндрической полости 4 корпуса 1 установлена дополнительная полая трубка 5 из диэлектрика с образованием дополнительной кольцевой полости 8, ограниченной наружной поверхностью сопла 10. На внешней и внутренней поверхностях дополнительной трубки 5 нанесены графеновые плен- ки, соответственно 6 и 7. Сопло 10 выполнено из на- нопористого углеродного материала, его наружная поверхность покрыта графеновой пленкой 9 толщи- ной 10-30 мкм, а внутренняя коническая поверхность канала - графеновой пленкой 11 толщиной 40-50 мкм. Основная кольцевая цилиндрическая полость 4 и до- полнительная кольцевая цилиндрическая полость 8 в зависимости от рабочей температуры заряженного потока плазмы заполнены твердым или жидким элек- тролитом 13 и являются кольцевыми проводниками. Торцы генератора герметично закрыты диэлектриче- скими крышками 20. Дополнительная полая трубка 5 выступает за торцевые крышки генератора и с одной стороны контактирует с электродом-мишенью 15, защищенным от температурного и эрозионного воз- действия со стороны заряженных частиц плазмы гра- феновой пленкой 14 толщиной 50 мкм, а с другой стороны примыкает к источнику заряженных частиц плазмы и служит направляющей для подачи послед- них в конфузор 21, установленный на одной оси с соплом 10. Генератор имеет выводные электроды - отрица- тельный 16 и положительный 17, управляющий элек- трод 18, аксиальный анод электронной пушки 19 и вакуумную камеру 22 для испытаний в лаборатор- ных условиях. В условиях космической среды генера- тор электрического тока на потоке плазмы может работать без вакуумной камеры. Рассмотрим принцип работы генератора, управ- ляемого программируемым логическим контроллером ПЛК-150 32, на примере электрической схемы, используемой в земных условиях для зарядки аккуму- лятора (рис. 3). Рис. 2. Генератор электрического тока на потоке плазмы Fig. 2. Electric generator to the plasma flow Рис. 3. Схема управления генератором электрического тока на потоке плазмы Fig. 3. Scheme of electric generator management to the plasma flow На катод и аксиальный анод 19 электронно- лучевой пушки 23, а также на управляющий электрод 18 мишени 15 подают напряжение 450 В от блока питания 24, на модулятор тока М - 20 В. Поток элек- тронов через конфузор 21 направляется в аксиально- конический канал 12 сопла 10, где происходит сжатие и торможение потока за счет конической формы канала, которая позволяет затормозить поток элек- тронов и часть его энергии преобразовать в электри- ческий ток и обеспечить увеличение плотности отри- цательного заряда. При выполнении условия изготов- ления конического канала сопла dвых/dвх = 0,1-0,3 обеспечивается наиболее высокая плотность электри- ческого заряда. При движении потока плазмы в аксиально- коническом канале и торможении его происходит повышение плотности заряда, а также и температуры. Углеродный материал может выдерживать темпера- туру 3000 °C, графен - 3700 °C, что позволяет исполь- зовать данный материал для создания генераторов электроэнергии на потоке заряженных частиц плазмы, например, в плазменно-реактивном двигателе. Известно, что при энергии электрона 1 кэВ энер- гия поглощения графеном составляет всего 0,5 % от первоначальной энергии электрона. В связи с этим разогрева и деформации графена не происходит, так же как и многослойного заряжающего электрода генератора тока на потоке плазмы. При энергии элек- трона 0,44-0,6 кэВ коэффициент прохождения через графен толщиной 6 слоев составляет от 0,8 до 1,25, а отношение падающей энергии к выходной Eпад/Eвых равно 0,6 при Eпад = 440 эВ и 0,8 при Eпад = 600 эВ. При определенных условиях энергия падающих элек- тронов на слой графена может быть увеличена за счет энергии электронов, содержащихся в графене [19]. Графеновая пленка 11 толщиной 40-50 мкм, нанесен- ная на внутреннюю поверхность аксиально-конического канала сопла генератора, способствует проникнове- нию электронов во внутреннюю структуру пористого сопла 10 (электрода) и защите стенок аксиально- конического канала от физического и температурного воздействия потока плазмы [20]. Графеновая пленка может быть создана на основе нанотрубок длиной 0,2-10 мкм, диаметром 1,0-7,0 мм, с числом графеновых слоев от 1 до 5, с удельной поверхностью 400-800 м2/г. Электроны проникают через нанопоры много- слойной графеновой пленки 11, а затем уже в поры углеродного материала сопла 10 и графеновой пленки 9, заряжая последнюю отрицательно. Прохождение электронов в слой дополнительной кольцевой цилин- дрической полости 8 с твердым электролитом вызы- вает перемещение положительно заряженных ионов к границе между соплом 10 с графеновой пленкой 9 и дополнительной кольцевой цилиндрической поло- стью 8 (кольцевого проводника). Таким образом, соз- дается первый двойной электрический слой. Заряд накапливается в двойном электрическом слое, находящемся на границе двух сред (электролита и электрода), как у электрохимического конденсатора - ионистора, где также ионы участвуют в формирова- нии заряда [21]. Однако в ионисторах накопление энергии происходит за счет приложения постоянного напряжения на его внешние выводы. Вся энергия в предлагаемом генераторе аккумулируется в виде статического электрозаряда, а накопление энергии идет за счет преобразования энергии электронного луча или может происходить за счет катионного потока, при этом потоки должны быть предваритель- но разделены [22]. Второй двойной электрический слой образуется на границе кольцевого слоя графеновой пленки 7 на внутренней поверхности дополнительной трубки 5 при взаимодействии с твердым электролитом допол- нительной кольцевой полости 8. При этом на графе- новой пленке 7 на внутренней поверхности диэлек- трической трубки 5 будет создаваться отрицательный потенциал, за счет которого на наружной поверхности диэлектрической трубки 5, покрытой графеновой пленкой 6, будет накапливаться положительный за- ряд, за счет которого отрицательно заряженные ионы от границы полой трубки будут перемещаться к на- ружной границе диэлектрической трубки 5, покрытой графеном, что приведет к положительной зарядке полой трубки 2, изготовленной из углеродного нанопористого материала. Таким образом, между полой трубкой 2 и соплом 10, являющимися кольцевыми проводниками, возникнет разность потенциалов статического заряда до 2-3 В, в зависимости от режима зарядки. Накопленная элек- тростатическая энергия используется для зарядки аккумулятора 27 посредством повышения напряжения до 12 В, путем последовательного соединения генера- торов электрического тока на потоке плазмы 25 с уче- том того, что суммарное напряжение, вырабатывае- мое последовательно соединенными генераторами, должно быть Uген ≥ Uном аккумулятора. При этом ток проходит через диод 26. Ток замеряется при помощи цифровых амперметров 28, а напряжение - при помощи цифровых вольтметров 30 SM501 и образцового со- противления 29, с которых сигнал подается на кон- троллер ПЛК-150 32, который управляет режимами работы генератора тока на потоке плазмы. По типу используемых в качестве электролитов материалов их делят на следующие группы: жидкост- ные, твердотельные, полимерные, на основе биологи- ческих объектов. По своим характеристикам электро- литы могут работать при определенных температурах. Полимерные электролиты представляют собой рас- творы солей в полимере. На макроскопическом уров- не такие вещества ведут себя как твердые тела, что обеспечивается контактными взаимодействиями мак- ромолекул полимера, а на микроскопическом уровне они демонстрируют черты поведения жидкостей. В настоящее время наиболее часто используются полимерные твердые электролиты, образующиеся при смешивании окиси полиэтилена и таких солей, как LiClO4, LiCF3SO3 и др. В качестве электролита также могут быть использованы растворы 30 % KOH-NiOOH или 38 % водного раствора H2SO4, 30 % NaCl и уголь- ный порошок. В качестве твердого электролита ис- пользуют RbAg4J5 (суперионный проводник), который широко применяется для создания суперконденсато- ров. Разработан также твердый электролит на основе нитрида рубидия, позволяющий работать при темпе- ратуре 150-220 ºС [18]. Для увеличения площади твердого электролита и, соответственно, площади основного и дополни- тельного кольцевых проводников, а следовательно, повышения запаса электрической энергии, в качестве твердого электролита могут применяться нанопори- стые углеродные материалы, смешанные с ионизиро- ванным химическим веществом на основе щелочи или раствора соли. В качестве твердого электролита может быть использован электролит на основе углеродного материала, наномодифицированного активным ме- таллом, например железом (работает при температуре 20-110 °C). В качестве жидкого электролита может быть использован электролит, например, на основе раствора NaCl с добавлением углеродного материала, наномодифицированного активным металлом (желе- зом и др.), работающий при температуре 20-65 °C. Твердый электролит в виде наномодифицирован- ного углеродного материала имеет высокую электро- проводность положительно и отрицательно заряжен- ных ионов и возможность перемещения заряженных наночастиц с высокой скоростью под действием элек- трического потенциала. Твердый электролит на осно- ве лития может работать при температуре 20-300 °C, поэтому его более предпочтительно использовать в данном генераторе для работы плазменно-реактивного двигателя или в условиях космоса. Известен карбидный уголь, который имеет площадь пористости поверхности от 400 до 2000 м2/г, что позволяет использовать его в качестве электродов для получения более высокой емкости [8; 23]. Для электродинамического управления процессом получения электростатического заряда (тока на вы- водных проводах генератора) на электрод-мишень может подаваться положительный или отрицательный потенциал в зависимости от заряда потока частиц плазмы. Накопление заряда электрической энергии за счет преобразования энергии заряженного потока плазмы, например электронного луча в генераторе, рассчиты- валось по формуле (11), а емкость - по формуле (4). В процессе работы генератора напряжение между электродами 16 и 17 генератора, также как и сила тока управляющего электрода 18, контролируется цифровым вольтметром SM501, соединенным с контроллером 32. В положении «а» переключателя S 31 контроллера ПЛК-150 происходит замер напряжения на электродах генератора, в положении «б» происходит заряд акку- мулятора 27 от цепи последовательно соединенных генераторов 25. Переключатель 31 контроллера 32 в положении «а» обеспечивает зарядку генератора от электронного пучка, в положении «б» он обеспечивает дополнительную зарядку генератора током электрон- ного пучка, снимаемого с электрода-мишени 15, в режиме прерывания подачи потенциала (+) напря- жением 450 В. Следует отметить, что электрические заряды положительно и отрицательно заряженных ионов твердого электролита заполняют обе кольцевые цилиндрические полости 4 и 8 и присутствуют в порах кольцевых электродов (сопла 10 и полой трубки 2), и в том числе порах графеновой пленки 3, 6, 7, 9, 11. Внутри двух полостей (основной 4 и дополнительной 8) генератора размещены электрические проводники, электрически связанные с твердым электролитом. Заряд накапливается в двойном электрическом слое, находящемся на границе двух сред (электролита и электрода), как у электрохимического конденсатора - ионистора. Однако в ионисторах накопление энергии происходит за счет приложения постоянного напря- жения на его внешние выводы (суперконденсаторы) [8]. Таким образом, генератор на потоке плазмы в сово- купности представляет собой конденсатор с несколь- кими ДЭС, созданными на основе наноуглеродных материалов, графеновых пленок и электролита, снаб- женный соплом с аксиально-коническим каналом для прохождения потока заряженной плазмы, где проис- ходит торможение и сжатие заряженных частиц и пе- реход их заряда в пористую структуру электродов. Поток электронов в аксиально-конический канал генератора может подаваться импульсно. В момент паузы генератор будет заряжать аккумуляторы. Для создания высокого напряжения тока несколько гене- раторов могут соединяться в последовательную цепь. Совокупность всех указанных существенных призна- ков генератора электрического тока на потоке заря- женных частиц плазмы позволяет ему вырабатывать постоянную электрическую энергию для зарядки аккумуляторов. Для подтверждения работоспособности были про- ведены испытания лабораторных образцов генератора на потоке плазмы на твердом электролите (табл. 1) и на жидком электролите (табл. 2). Электроды (полая трубка 2 и сопло 10) были изго- товлены из нанопористого углеродного материала и покрыты многослойной графеновой пленкой тол- щиной 20-50 мкм, в качестве электролита применяли наномодифицированный цинком углеродный материал с добавлением ионизированного химического вещест- ва 30 % KOH-NiOOH. Входной диаметр аксиально-конического канала dвх = 2,0 мм, а выходной диаметр dвых = 0,2 мм. Генератор испытывался с применением вакуумной установки УВН-71 П-3. Для измерения вакуума Р = 1·10-5 мм рт. ст. использовались вакуумметры: ионизационно-термопарный ВИТ-2 и электромагнит- ный ВЭМБ-1. Для создания электронного луча при- менялся блок осциллографа ЛО-247, состыкованный с аксиально-коническим каналом. Ток катода элек- тронной пушки измерялся цифровым амперметром SM020, кл. точн. 1. Ток заряда генератора измерялся также цифровым амперметром SM020, кл. точн. 1. В качестве образцового сопротивления использовался резистор Р 331, источник питания для подачи напря- жения - блок осциллографа Б5-50. Для измерения напряжения на электродах генератора применялся вольтметр цифровой SM501, класс точности 1,5. Ре- зультаты замеров были обработаны с использованием формул (4)-(11) и представлены в табл. 1. В качестве жидкого электролита использовали электролит на основе модифицированного железом нанопористого углеродного материала и ионизиро- ванного раствора соли 30 % NaCl. Для создания электронного луча использовали лабораторный генератор напряжением 1000 В, при- меняемый для обработки материалов. Входной диа- метр аксиально-конического канала dвх = 3,0 мм, а выходной dвых = 0,9 мм. Полученные результаты представлены в табл. 2. Таблица 1 Электрические характеристики генератора № п/п Ток заряда ге- нератора i, мА Время замера t, с Напряжение на электроде-мишени V, В Напряжение на электродах генератора V, В Емкость генератора С, мФ Энергия поля генератора, мДж 1 1,65 300 250 0,665 744,36 317 2 1,65 300 250 0,702 705,13 336 3 1,65 300 250 0,863 573,58 413 4 1,65 300 250 1,33 372,18 638 5 1,65 300 250 1,433 345,43 686 6 1,65 300 250 1,88 263,3 902 Электрические характеристики генератора с жидким электролитом Таблица 2 № п/п Ток заряда генератора i, мА Время зарядки t, с Напряжение на электроде-мишени V, В Напряжение на электродах генератора V, мВ Емкость генератора С, Ф 1 100 120 100 65 185 2 150 150 100 90 250 3 200 300 100 105 600 Заключение. В результате выполненных исследо- ваний подтверждена возможность получения посто- янного тока путем преобразования заряда потока плазмы (электронного луча) в электростатический заряд при помощи предложенного генератора элек- трического тока на потоке плазмы [5]. Накопленный электростатический заряд преобразовывался в элек- трическую мощность для зарядки аккумулятора с требуемым напряжением тока. Развитие методов преобразования энергии заряженных частиц плазмы в электроэнергию с использованием предложенных принципов построения генератора электрического тока может повысить энергетическую эффективность ЭРД, а также обеспечить рекуперацию энергии заря- женных частиц на срезе сопла с последующей их ней- трализацией.

About the authors

V. I. Trifanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: sibgau-uks@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

L. I. Oborina

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

O. A. Sukhanova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

I. V. Trifanov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

D. R. Ryzhov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

Supplementary files