為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

1996年,美國哥倫比亞號航天飛機在太空中釋放了一顆繩系衛星,衛星與航天飛機之間連接著一段將近20公里長的導電繩索,利用繩索在地磁場內作切割磁感線運動,產生了3安培電流。

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

電力是人類有史以來最重要的發明之一,第一次工業革命依靠蒸汽動力,而第二次工業革命則可以被稱為電力革命,極大的改變了我們的生活,並且現如今還依舊保障著人類社會的發展運行。

電力的重要性也體現在電磁學在咱們的中學物理中是個重點,有句話叫做:“電生磁,磁生電”,想必很多人都聽說過,通電導線附近可以產生磁場,而變化的磁場也可以產生電場,“電生磁”咱們不多說,那麼“磁生電”有什麼方式可以實現呢?

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

這個問題的答案,大家可以在任意一本相關的物理教材中找到,磁生電的關鍵點在於磁通量的變化,而為了使磁通量產生變化,可以通過下面兩種方式:

第一種就是磁場大小的改變,比如讓一個條形磁鐵從一組線圈中快速通過,對於每一個線圈來講,它附近的磁場並不恆定,那麼線圈中就會由電流出現。另外一種常見的方式就是讓金屬導體在磁場中運動,也就是所謂的“切割磁感線”,然後導體內就會產動生電動勢,之後再構成迴路就有電流出現了。

此時我們想到,咱腳下的地球就是一塊大磁鐵啊!能不能利用地球發電呢?

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

這個想法很新奇,雖然理論上卻是行的通的,但由於地球的磁場並不是很強,而且金屬導體在陸地上沒法無障礙的移動下去(這裡的原因在於,地磁感應強度只有5×10負五次方特斯拉,非常小,所以想要產生可觀的電動勢,就需要導體的長度足夠長,速度足夠快,但地面障礙多,長導體沒法持續不斷的移動),因此一些科學家們就把目光投向了太空。

我們都知道太空是浩瀚無垠的,如果我們能將金屬導體放到太空,並且能在地球軌道上運動,那麼就無需擔心導體運動的問題了,不但沒有阻礙,而且能夠長時間的運動下去。

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

而最後將這一想法付諸行動的是來自意大利的科學家們,他們在上世紀末藉助於美國的航天飛機“亞特蘭蒂斯”號和“哥倫比亞”號進行了兩次繩系衛星發電實驗,主要裝置就是在航天飛機內攜帶一顆由導電繩索繫著的衛星,將衛星拋出航天飛機,繩索的走向同地球磁力線垂直,也就是繩索的一端指向地心。

實驗的大致原理:航天飛機在赤道軌道上方運動(這樣的位置可以使得切割磁感線時,繩索與磁力線的方向是較為接近垂直的,這樣一來獲得的電動勢也是最大的),可以長時間環繞地球,此時放出由導電繩索繫著的衛星,繩索作切割磁感線的運動,而為了構成迴路,航天飛機需要在地球大氣中的電離層釋放這顆繩系衛星,因為電離層內的部分區域呈現電離狀態,通過裝置可以在衛星、導電繩、航天飛機、電離層這四者之間構成迴路。

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

1992年利用亞特蘭蒂斯號進行了第一次發電實驗,不過意外的是衛星只放出去了二百五十米左右,就因為裝置故障被卡住了,但好在航天飛機的飛行速度快(每秒7.5公里,畢竟電動勢等於磁感應強度、導體長度、導體速度著三者的乘積),這段250米長的導電繩還是產生了40伏的電壓以及1.5毫安的電流。

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

很顯然,科學家們對這次的結果並不滿意,畢竟他們原本打算是放個20公里長的導線,這才250米.....不行,於是在1996年,由哥倫比亞號航天飛機來執行這次任務,這次就順利多了,導體繩被放出去了19.3公里(這個長度已經很長了,畢竟你很難想象在陸地上,你咋可能牽著一根將近20公里長的繩子奔跑,而且還要弄個迴路出來)。

雖然長度是可以了,但倒黴的是長度定格在了19.3公里,為啥?因為繩子斷了,但好在19.3公里距離原定的20公里也沒差多少,至少也能算是成功了一半吧,而且產生的電流也達到了3安培左右,如果不發生意外,那麼提供的電能還是比較可觀的。

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

對於這次繩索斷裂事件,一開始是以為過程中產生的張力超出了繩子的極限而引起的,而實際上在航天飛機將裝置帶回地面後才發現,原來是因為繩子熔化了,注意一點,這裡的熔化並不是因為大氣摩擦導致的,而是電流所致。

雖然這個實驗並沒有很順利的完成,但至少證實了在太空利用地球磁場發電還是有一定的可行性的。但遺憾的是,咱們現在的航天器的電力供應並不是通過這種方式(說的有點馬後炮了),畢竟有現成的太陽能為啥不用呢?不但便捷,而且相比於這種繩索發電,成本也低,風險也低。

為了在太空利用地磁發電,一根20公里長的金屬繩被甩進了電離層

此外還有一點原因,就是繩索內部的電流會導致安培力的出現,它會不斷的降低整個裝置(包括航天飛機)的動能。不過反過來講,我們是不是可以藉助於太陽能帆板提供的電能,讓繩索產生反向的安培力來提供航天器的動能呢?說到這,個人感覺這種方法還不如多帶些燃料,或者提高火箭性能來得划算些。

總的來說,這個實驗可能實踐了很多人的想法,說不定在有了一些成熟的技術保障之後,將來還真有可能利用這種方式來獲取電能。


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