lion_rat (lion_rat) wrote,
lion_rat
lion_rat

Освоению высот - освоение глубин!

На Земле атмосферное давление в пределах нижнего, наиболее плотного её слоя - тропосферы - на каждый километр высоты изменяется примерно на 0.1 от значения на предыдущей отметке. С увеличением высоты уменьшается, с уменьшением высоты - увеличивается. Наибольшее давление - у поверхности, на уровне моря. Однако если есть впадина, дно которой расположено ниже уровня моря, атмосферное давление там будет расти и дальше, по тому же правилу. Это значит, что в колодце, или во впадине, на глубине 1 километр ниже уровня моря, давление атмосферы будет примерно в 1.1 раз больше, чем на уровне моря, на глубине 2 километра - уже в 1.1х1.1 = 1.21 раз больше, а на глубине 4 километра - в (1.1)^4 = 1.47 раз больше.

Газ под давлением разогревается, и это верно для воздуха, когда он попадает в область повышенного атмосферного давления. Если в атмосфере формируется мощный нисходящий поток (например, при вирге), или вниз по холодному склону опускается ветер, эта опускающаяся вниз масса воздуха быстро оказывается под всё более высоким давлением, и поэтому нагревается. Нагрев может быть столь сильным и стремительным, что холодный воздушный поток, достигнув подножия горы или поверхности планеты, оказывается тёплым или горячим, нагревшись на 20-30 градусов. Так возникают ветры фён и чинук. Даже катабатические ветры в Антарктиде, скатывающиеся с верхушки её ледяного щита к побережью, разогреваются, хотя и остаются холодными.

Считается, что Средиземное море 5-6 миллионов лет несколько раз частично или полностью пересыхало, а затем вновь наполнялось водой, в ходе события, известного как Мессинский пик солёности. Учёные моделировали климат на дне впадины Средиземного моря, и получилось, что на глубине 4 километра атмосферное давление будет выше чем на уровне моря в 1.45-1.71 раз, а температура будет выше на 40 градусов цельсия. Чтобы стало понятно, много это или мало: максимальное атмосферное давление зафиксированное приборами на Земле было выше нормального только в 1.07 раз, а температура в разных жарких местах, расположенных выше уровня моря, поднималась до 48-58 градусов Цельсия.

Всё это наводит на мысль о том, как можно ещё увеличить эффективность "солнечной башни".

Тягу можно увеличить, сделав вытяжную трубу выше, и тем самым увеличив разность температур между воздухом в трубе и воздухом вокруг выходного конца трубы. По теории тепловых машин, разница температур между горячими и холодными их частями увеличивает их эффективность, а SUT - тепловая машина, так же как и тропический циклон, который поэтому становится интенсивнее ночью (воздух остывает быстрее воды, увеличивая разницу температур) и при увеличении его высоты. В атмосфере чем выше, тем холоднее, поэтому, чем труба выше, тем выше и разница температур. Однако в действительности температура воздуха изменяется с высотой более сложным образом.

Зависимость температуры от высоты.png

Как видно на картинке, до тропопаузы, то есть примерно до 10 километров, температура с высотой убывает, и вытяжная труба высотой в десять километров позволяет получить разницу температур примерно в 76 градусов, если воздух у её основания на уровне моря нагрет до 20 градусов. Однако далее температура перестаёт опускаться, а в стратосфере начинает расти. После стратопаузы температура снова начинает опускаться, но становится ниже чем на высоте 10 километров только с высоты в 70 километров. То есть, чтобы получить дальнейшее увеличение разницы температур с поверхностью по сравнению с десятикилометровой трубой, высоту трубы нужно увеличивать сразу до 70 километров и более. А максимальную разницу, которая на 32 градуса больше, чем у десятикилометровой трубы, можно получить, увеличив высоту до 85-90 километров, то есть до мезопаузы, что по версии ВВС США уже выше условной границы атмосферы и космоса, которую они принимают за 80.45 километров, то есть 50 миль.

Однако прибавку в 40 градусов, то есть более чем в полтора раза, можно получить иначе - увеличив высоту трубы "всего" на 4 километра, и опустив её основание на те же 4 километра ниже уровня моря. Разумеется, это не значит, что не надо стремиться увеличивать высоту башен до 80+ километров, так как у этого есть и другие плюсы помимо разницы в температуре, и прибавки от увеличения высоты до таких значений сложатся с прибавками от заглубления основания башни. Однако представляется, что технически проще осуществить заглубление и увеличение высоты на 4 километра, поэтому такие заглублённые башни появятся раньше, чем сверхвысокие, достигающие мезопаузы.

Особенно важно такое решение для холодных мест, где прибавка к температуре воздуха на входе в башню в 40 градусов просто за счёт притяжения Земли будет очень нелишней. Замечу - притяжение Земли здесь выступает как благоприятный фактор, вопреки призывам космофанатов, которые на притяжение грешат и призывают выбираться жить в невесомость :) Особенно нелепыми выглядят их призывы, когда они предлагают далее вновь создавать этот же фактор с помощью вращения космических станций :)

Вот такой может быть схема заглублённой SUT.

Заглублённая SUT.png

При размещении на суше придётся делать глубокий колодец, что технически непростая и опасная задача, которая требует очень тщательного выбора и исследования места строительства. Устройство для создания такого колодца может быть подобно проходческим щитам (они же TBM), только большего диаметра и установленным вертикально. Впрочем, устройства такого рода уже существуют.

Вот Vertical Shaft Sinking Machine (VSM):


А это Shaft Boring Machine (SBM):


При размещении в океане бурить глубокий колодец не нужно, вся установка может быть построена из модулей, доставляемых на место по воде и стыкуемых друг с другом. Пример способа возведения высоких плавающих башен, которые могут уходить и вверх, и вниз от уровня моря, показан на отметке 2:20 в рекламном ролике плавающего города "Green Float" от японской "Shimizu Corporation":



Замечу, что в этом проекте, который прямо-таки напрашивается на интеграцию в него SUT, её, судя по схеме, нет. Труба по центру башни нужна для спуска углекислого газа вниз, в зелёные зоны, для роста растений. Как-то с трудом верится, чтобы японские инженеры про такие электростанции не знали.

Чтобы получить представление о том, насколько большие структуры люди уже могут транспортировать по воде и устанавливать в океане, вот фильм от "National Geographic" о строительстве крупнейшей в мире плавающей нефтяной платформы, в котором есть также кадры с другой уникальной стройки, когда огромная буровая была доставлена на место по морю целиком:



Размещение в океане даёт разные преимущества по сравнению с наземным. Не нужно копать глубокие колодцы, проще доставлять части установки на место, меньше опасность от землетрясений или проседаний грунта. Океанская SUT может использовать в качестве источника влажного нагретого воздуха целый океан. Тёплая нагретая вода с поверхности, сливаясь в испаритель, может крутить не отдельные гидротурбины, а всю установку целиком. Это позволит накапливать энергию за счёт инерции вращения станции, а также стабилизировать её гироскопическим способом, как волчок, не давая опрокинуться. Солнечный коллектор будет равномерно обогреваться со всех сторон. Ветротурбина может вращаться в противоположную сторону относительно вращения станции, что увеличит скорость вращения ротора относительно статора в генераторе электричества. Вращение станции позволит установить на выходе центробежный компрессор, увеличив тягу, а на подводной - насос, поднимающий воду со дна, вызывая искусственный апвеллинг. Вместе с верхним слоем воды к станции плывёт мусор, планктон и выделяемые всем этим опасные токсины. Таким образом очищаются воды вокруг станции и собирается годная на переработку масса.

Такие устройства нужно размещать вдоль экватора и вдоль 60 градусов северной и южной широты, так как здесь на границах ячеек глобальной циркуляции атмосферы воздух поднимается.



Расположенные здесь SUT будут усиливать глобальную циркуляцию, а она - их. Согласно карте глубин Мирового океана от GEBCO (PDF, 60 мегабайт), в северном полушарии вдоль 60 градусов широты в основном расположена суша, океана мало и глубины в основном не велики. Это значит, что здесь строить придётся именно в глубоких колодцах. В океане же придётся либо уходить в глубину менее чем на 4 километра, либо часть этой глубины получать путём строительства колодцев в дне океана, что технически ещё сложнее чем на суше. Напротив, экватор и особенно приполярные области в южном полушарии располагают к строительству плавающих заглублённых башен, значительная часть этих мест проходит в океане с глубинами в 4 километра и более.

Однако помимо SUT, для более полного контроля за атмосферой нужны работающие с ними в паре подобные устройства на нисходящих воздушных потоках. Их нужно размещать на полюсах и в обоих полушариях вдоль 30 градусов широты. Им также для повышения эффективности может пригодиться гравитационный подогрев и уплотнение воздуха у основания. И тут как раз, на северном полюсе в Северном Ледовитом океане находится котловина Амундсена глубиной более 4 километров. Широты в 30 градусов захватывают изрядно и суши, и океана с глубинами более 4 километров (особенно в южном полушарии), и только Антарктида под вопросом - как строить на верхушке огромного ледяного щита, который всё время в движении? Там может понадобиться другое техническое решение.
Tags: Бросок к недрам, Города будущего, Океан, Циклонный город, геоинженерия
Subscribe

  • Девочки и пушки

    Как известно, женщины давно и успешно осваивают профессии, которые считались или до сих пор считаются чисто мужскими. Похоже что теперь очередь дошла…

  • Когда пишут историю войн - логика страдает.

    Как известно, сомнения в описаниях войн прошлого у людей возникают, когда они начинают задавать очевидные, в общем-то, вопросы, которые, однако,…

  • "Брат-1" как пропаганда

    Когда я был намного моложе и зеленее, фильмы вроде этого заходили на ура. Потом стало не до них, и вообще не до кино. Однако со временем приходит…

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments