Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2001 № 04

Еще в 1748 году французский физик Жак Нолле поместил обтянутый пленкой из свиного пузыря сосуд со спиртом в бак с водой (рис. 1). Через некоторое время пленка выгнулась наружу, а спирт в сосуде оказался разбавлен водой.

Рис. 1

Вот как объясняется это явление. Пленка имела мельчайшие поры, непроницаемые для сравнительно крупных молекул спирта, но достаточно большие для молекул воды. Под действием теплового движения они начали просачиваться через поры в сосуд со спиртом. Давление в нем выросло. Это явление получило название осмоса. Его можно наблюдать, когда раствор и растворитель разделены проницаемой для растворителя и не проницаемой для растворенного вещества пленкой-мембраной. При этом со стороны раствора возникает осмотическое давление.

Любопытна причина его возникновения. Оказывается, молекулы растворителя, попав в сосуд с растворенным веществом, ведут себя подобно газу в пустоте — разбегаются. Как показал в 1887 году знаменитый голландский химик Вант-Гофф, осмотическое давление численно равно тому давлению, которое создало бы растворенное вещество, находясь в газообразном состоянии. (И это при том, что порой растворенное вещество, например сахар, газообразной формы попросту не имеет!)

Осмотическое давление, как и давление газа, способно совершать работу. Разумеется, растворы спирта или сахара ввиду своей дороговизны как источники энергии не пригодны.

Морская и пресная вода — другое дело! Разделив их полупроницаемой мембраной, можно получить давление до… 24 атмосфер. Как от плотины высотой в 240 метров! Для более соленых вод, например Мертвого моря или залива Кара-Богаз-Гол, напор был бы в 8 — 10 раз выше.

Отсюда следует, что в устьях рек, впадающих в море, где пресная и соленая вода попросту смешивается, теряется громадная энергия.

Способы ее получения существуют. Вот один из них (рис. 2).

Рис. 2

Речная вода по трубам направляется к гидротурбине, лежащей на дне моря. Казалось бы, вода лишь заполнит трубу, но дальше течь не будет. Но ученые предлагают за турбиной поставить мембрану, проницаемую для пресной воды. В этом случае на ней возникнет осмотическое давление. Оно создаст поток пресной воды в сторону моря, и турбина начнет работать. Получится соляная ГЭС, имеющая множество преимуществ перед обычными. Ей не требуется плотина, ни к чему затопление земель.

Есть у соляной ГЭС и недостатки. Ее машинный зал и осмотические мембраны должны располагаться на дне моря, где-то на глубине 200–250 метров. Мембраны нужно периодически чистить и обновлять, а делать это на таких глубинах не просто. Следует подумать и о том, как подействует проникновение речной воды на обитателей морского дна. Пока ни одной соляной ГЭС еще не построено. Но есть и другой способ использования энергии осмотического давления.

В начале 90-х годов аргентинец М. Инвар предложил использовать его для движения морских судов. Представьте, на борту судна имеется бак с водой более соленой, чем морская, и запас морской соли. Бак снабжен полупроницаемой мембраной. Через нее просачивается морская вода, и возникает осмотическое давление. В самом простейшем случае вода из бака начнет бить струей, создавая реактивную тягу. По мере опустошения в бак доливается морская вода и подсыпается морская соль. Обратите внимание, сколь чист в экологическом отношении солеход Инвара. Ведь в качестве топлива он использует морскую соль, из моря взятую и в него же и возвращающуюся. Но для получения соли нужна энергия.

Где ее брать? В так называемых «соляных озерах» ее выделила из морской воды сама природа за счет солнечной энергии.

Сегодня местами целые города и поселки имеют мощные установки для опреснения морской воды. Там морская соль весьма обременительный побочный продукт, который может послужить «топливом» для солехода.

Отметим, что солеходы могут быть и подводными. Как показывают расчеты, подводная лодка с соляным осмотическим двигателем могла бы пройти, не всплывая, более тысячи километров. Однако при создании солеходов придется решить множество инженерных проблем. Прежде всего, нужна большая по площади и в то же время не мешающая движению мембрана. Использование реакции вытекающей под действием осмотического давления струи энергетически выгодно лишь в том случае, когда ее скорость невелика и близка к скорости солехода. Для этого придется прокачивать соленую воду через трубки с полупроницаемыми стенками. За счет просачивания через стенки забортной воды масса потока должна возрастать, а скорость остаться в пределах нормы. Но на пути к этому множество никем не решенных проблем и еще не сделанных открытий.

Как вы уже догадались, ни подводных, ни надводных солеходов пока нет. Но демонстрационная модель солехода вполне возможна. В очень интересной книге Н.В. Вершинского « Энергия океана» (М., «Наука», 1986) описано устройство, способное стать сердцем такой модели. Это металлический цилиндр, к торцам которого прижаты две полупроницаемые мембраны из ацетатной целлюлозы. В цилиндр заливалась соленая вода с концентрацией поваренной соли 35 г на литр. В стенке цилиндра есть отверстие диаметром 2 мм, плотно закрытое пробкой. Цилиндр помещают в бак с водопроводной водой. Через некоторое время пробку вынимают, и вода начинает бить фонтаном. По высоте фонтана определяли получаемую мощность. В пересчете на один квадратный метр мембраны она достигала 7,4 Вт при расходе воды 4,4 мл/с.

Такую реактивную тягу струйки соленой воды вполне можно использовать для движения модели солехода (рис. 4).

Рис. 4

При увеличении концентрации соли в растворе мощность устройства значительно возрастет. В качестве мембраны годится целлофан, применяемый для упаковки конфет. (Он отличается от других упаковочных пленок тем, что при разворачивании хрустит.)

Описанное в книге устройство пригодно для чисто демонстрационных целей, например, на уроках. Для модели солехода целесообразнее двигатель в форме цилиндрического окруженного капроновой сеткой пакета с расположенной внутри мембраной. Сетка воспринимает действующее на мембрану осмотическое давление, препятствуя ее разрыву (рис. 3).