Юный техник, 2015 № 03

ПАТЕНТНОЕ БЮРО

И СНОВА О СОСУЛЬКАХ

И мы сами, и наши читатели уже не раз обращали внимание на эту проблему. Тем не не менее, она все еще не решена до конца. А значит, имеет смысл поговорить об этом еще раз. Тем более что есть повод. А именно предложение Аргена Тынаева, Марка Сиско и Кирилла Пахмутова — семиклассников «Аэрокосмической школы» г. Красноярска. Под руководством преподавателя Сергея Анатольевича Дмитриева они подошли к проблеме по всем правилам теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

О том, что у них получилось, ребята рассказали во время своего выступления на конференции «Юные техники», прошедшей в конце прошлого года в стенах Государственной думы России.

«Разобраться с этой проблемой нас попросили сотрудники банка «Енисей», на крыше которого периодически нарастают ледяные сосульки, — начали они свой рассказ. — На крыше были установлены обогревающие кабели, подключена система автоматики, но результаты работы этой системы оказались неудовлетворительными»…

По ходу дела юные исследователи собрали сведения об актуальности этой проблемы и известных способах ее решения. Они выяснили, что ежегодно в крупных городах от падения сосулек получают травмы и увечья сотни людей.

Существуют различные способы решения данной проблемы. Наиболее известные из них таковы.

1) Механическое удаление сосулек вручную с кровли здания. Способ этот небезопасный, дорогой, он требует много времени. И процедуру сбивания сосулек необходимо повторять несколько раз в месяц.

2) Механическое удаление сосулек с помощью автовышки. Этот способ безопасней предыдущего. Но и он дорог, требует времени, и процедуру сбивания сосулек необходимо повторять несколько раз в месяц.

3) Обогревающий кабель. Его тоже используют для борьбы с образованием сосулек, но, как показал опыт, и он не всегда помогает, хотя на подогрев затрачивается немало электроэнергии.

Как быть?

Для поиска новых решений было проведено исследование проблемы с использованием одного из инструментов ТРИЗа — причинно-следственного анализа. В результате ребята выяснили, что образование и падение сосулек зависит от температуры и влажности окружающей среды, потока солнечной энергии, величины снежного покрова крыши и крутизны ее наклона, шероховатости и отражательной способности кровли, ее теплопроводных и теплоизоляционных свойств, конструкции дома и других факторов.

В данной модели были выделены первичные причины, устранение которых позволяет полностью исправить ситуацию. Главное, как оказалось, надо уменьшить смачиваемость кромки крыши водой. Для этого юные изобретатели предложили покрывать краевые участки и кромки крыш гидрофобным материалом. Понятно, что всю крышу перекрывать не стоит, зато можно нанести на кромку крыши фторопластовый лак. Предложение будет работать следующим образом.

Удержание наросшей наледи на краю крыши обеспечивают силы сцепления льда с ее поверхностью. Величина площади сцепления зависит от смачивания водой материала крыши. Если нанести слой фторопластового лака на кровлю, то стекающая при таянии вода на этих участках крыши не будет смачивать поверхность и, стало быть, не будет смерзаться с нею при понижении температуры по ночам. Таким образом, наледи не будут нарастать до опасного предела, сосульки перестанут образовываться и расти, не станут падать вниз под собственной тяжестью.

Исследованиями установлено, что для таких целей подходят фторопластовые лаки марок ЛФ-32Л, ЛФ-42Л, фторопласто-эпоксидные лаки марок ЛФЭ-32ЛНХ, ЛФЭ-32ЛНГ, ЛФЭ-42ЛНХ, ЛФЭ-42ЛНГ (ТУ 6-05-1884-80).

Сейчас ребята определяют, какие именно городские крыши и каким именно способом надо обрабатывать в первую очередь. А по весне будут поставлены натурные эксперименты. Об их результатах ребята обещали рассказать.

ЗЕРКАЛА НА КРЫШЕ

«Я читал, что расход электроэнергии в Калифорнии сократился летом вдвое после того, как домовладельцам властями штата было предписано красить крыши и стены домов в белый цвет, поскольку владельцы домов стали реже включать кондиционеры. А что, если сделать кровлю зеркальной? Тогда, наверное, экономия энергии, расходуемой на работу кондиционеров, возрастет еще более»…

Такова суть предложения краснодарца Ильи Колейчука. Жителю южного города, очевидно, не понаслышке известно, как местным жителям бывает жарко в их квартирах в летние месяцы.

Что можно сказать о его идее? Она верна. Более того, она уже начала осуществляться на практике. Как пишет журнал Nature, американские инженеры из Стэнфордского университета предложили заменить кондиционеры на специальные зеркала, перенаправляющие излишки тепла в глубины космоса. Проведенные в Калифорнии эксперименты показали, что выкрашенная в черный цвет крыша в солнечный день становится на 60 градусов Цельсия горячее, чем окружающий воздух, поверхность из неокрашенного алюминия — теплее на 40 градусов, а покрытая специальными зеркалами — на 5 градусов прохладнее!

Амальгама зеркала толщиной в 2 микрона состоит из нескольких слоев: серебра (светоотражающий слой) и «чересполосицы» двуокиси кремния и окиси гафния. Последние два материала и превращают зеркало в термоизлучатель: когда двуокись кремния нагревается, она начинает излучать тепло в виде инфракрасного света с длиной волны порядка 10 микрон. Такое излучение атмосфера Земли практически не поглощает, и в результате тепло уходит в межпланетное пространство.

По расчетам инженеров, установка таких конструкций на крышу трехэтажного здания позволит сэкономить 100 мегаватт-часов электроэнергии. Более того, зеркала помогут вообще отказаться от использования кондиционеров во многих зданиях. Между тем эти устройства потребляют до 15 процентов всей электроэнергии, обеспечивающей функционирование зданий США, напоминают специалисты.

Мы же к сказанному можем добавить, что делать крыши зеркальными — не единственный способ беречь энергию. Такие кровли, пожалуй, наиболее предпочтительны для индивидуальных домов. А вот для многоэтажных городских зданий, наверное, перспективнее использование так называемых «зеленых» крыш. Как мы уже писали, называются они так вовсе не за цвет кровли. На крыши настилают слой почвы и высаживают траву и другую растительность. Так удается не только экономить тепло — зимой в домах под такими крышами теплее, а летом прохладнее, чем в обычных. По данным ООН, таким образом в некоторых случаях можно сократить расход энергии на 50–90 процентов! Еще зеленая растительность на 70 процентов уменьшает ливневые стоки, используя дождевую воду.

А потребляя углекислый газ и прочие вредные вещества из окружающего воздуха, растения заодно и очищают атмосферу.

ПЕРЕВЕДЕМ ТЕПЛО В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО!

«Как известно, в те времена, когда дома освещались преимущественно керосиновыми лампами, первые радиолюбители пользовались термогенераторами. Такой генератор работал на основе эффекта Пельтье.

С той поры прошло уже полвека. За это время полупроводниковая техника значительно продвинулась вперед. Вот я и предлагаю снабжать ныне мобильники, смартфоны и прочие носимые гаджеты подобными термоустройствами. Нагреваясь в кармане от тепла человеческого тела, они будут подзаряжать аккумуляторы. Получится своего рода «вечная» батарейка».

Не правда ли, замечательное предложение прислала нам Настя Первухина из Калининграда? Впору его патентовать. Единственный недостаток разработки состоит в том, что она ненова.

Исследователи из Массачусетского технологического института создали самозаряжающуюся аккумуляторную батарею размером с монету, которая может преобразовывать тепло в электричество. При этом она способна получать нужное для зарядки тепло от температур порядка 20–60 градусов Цельсия. То есть тепла человеческого тела в 36,6 градуса вполне достаточно для работы батарейки.

Пока эффективность существующего прототипа составляет всего 2 процента, но ученые уверены, что этот показатель может быть увеличен до 12 процентов уже в ближайшее время. Так что здесь еще есть над чем поработать.

КАП-КАП ДОЖДИК…

«Недавно я попала под дождь. Пришлось укрыться на автобусной остановке. И пока я смотрела, как дождевые капли падают в лужи, в голову пришла такая мысль. Ведь каждая капля при падении с высоты обладает определенной кинетической энергией. И если подставить под капли пластинку из пьезоэлектрика — материала, который превращает механическое давление в электричество, то можно подзаряжать разные гаджеты.

А поскольку дождь идет не всегда, то подобное устройство можно будет использовать, подставив чувствительную пластину под любой поток воды — на худой конец, хоть из водопроводного крана. Как вам идея?»

Согласитесь, Ирина Короленко из г. Симферополя, письмо которой мы процитировали, неплохо все придумала. А наши эксперты отыскали способ дополнить предлагаемое ею устройство.

Исследователи из Массачусетского технологического института предлагают заряжать мобильник и при помощи… росы. Они установили, что капли воды, отскакивающие при конденсации от сверхгидрофобных поверхностей, способны получать электрический заряд.

Капли на такой суперводонепроницаемой поверхности, сливаясь в более крупные, превращают поверхностную энергию в кинетическую. Они способны внезапно отскакивать, получая при этом небольшой электрический заряд. Этот метод, как выяснили специалисты, ^чможно использовать в целях выработки энергии, нужно лишь обеспечить вторую пластину гидрофильной поверхностью. Капли в процессе «прыжков» от одной пластины передают заряд к другой. Разница заряда между ними позволяет получить электроэнергию.

Во время первых испытаний при помощи устройства, оборудованного чередующимися металлическими плоскими пластинами, ученые получили 15 пиковатт на 1 кв. см пластины. Конечно, это очень мало. Однако ученые не отчаиваются, утверждая, что при помощи данной системы можно получить 1 микроватт энергии на 1 кв. см. Этого будет достаточно для работы гаджетов.