Blitzbetriebene Fahrzeuge – sind sie möglich? Sind sie für den alltäglichen Transport realistisch nutzbar?

So funktioniert die Mathematik
Ein Blitz enthält ~5 Gigajoule Energie oder, wie Wikipedia uns hilfreich sagt, 38 Gallonen Benzin. Wenn Sie also einen Blitzschlag bekommen könnten, der Sie trifft, und die gesamte Energie mit 100% Effizienz speichern könnten, reicht das aus, um einen 2019er Acura 1000 Meilen zu fahren . (Genau 1000 - es wird mit 3,8 Gallonen / 100 Meilen bewertet).

Selbst wenn Sie 90 % der Energie verlieren, sind das immer noch 100 Meilen pro Streik. Selbst wenn Ihre Go-Kart-Dinge bei 7,6 Gallonen / 100 Meilen Kraftstoff fressen, sind das immer noch Meilen pro Schlag.

Aber der Blitz nicht

Das Problem ist, den Blitz dazu zu bringen, dich zu treffen. Aus diesem Grund funktioniert das genaue Design nicht.

Blitze bewegen sich in Schritten von etwa 60 m - suchen gierig nach dem Weg des geringsten Widerstands, wie Wasser, das einen Hügel hinunterfließt. (Deshalb kann ein Blitz einige hundert Meter von einem hohen Gebäude entfernt in einen Baum einschlagen.)

Sie ziehen alle Blitze über die Entfernung d auf der Grundlage dieser Gleichung (aus XKCDs "Was wäre wenn") an.

Wenn Ihr Auto einen 3 m langen Stab hat, der nach oben ragt, wirft er einen 18,7 m breiten Blitzschatten, sodass alles, was die umliegenden 19 m trifft, Ihren Blitzableiter holen wird.

10m? 33m Radius. Sobald Sie 60 m erreicht haben, ist der Schatten auf seinem Höhepunkt. Ein leichtes 4-Rad-Wagen mit einem 60-Meter-Turm wird bei der geringsten Steigung umfallen.

Also was wird?

Jedoch; Etwa 60 m hohe Türme im Abstand von etwa 100 m mit Blitzableitern, die ein nahe gelegenes elektrisches Zugnetz mit Strom versorgen. Das wird langsam möglich.

4 Türme, die die Ecken eines großen 100 x 100 m großen Drahtgeflechts halten, werden alle Blitze einfangen, die für die Region unter dem Geflecht kommen.

Ebenfalls möglich ist ein Blitz, der mit etwas Technologie gemischt wird, um die Energie in flüssigen oder gasförmigen Brennstoff umzuwandeln. ZB Elektrolyse zur Erzeugung eines Wasserstoffbrennstoffs und Pumpen zur Komprimierung. Sie verlieren ein wenig Leistung bei den Umwandlungen, aber JBHs hypothetische Mathematik kann Realität werden, wenn eine große Fabrik komprimierten Wasserstoff produziert.

Ich glaube nicht, dass es in der Praxis funktionieren würde...

Obwohl Blitze mehr als genug Energie haben, haben Sie Probleme, sie zu nutzen . Problem ist enorme Leistung (hohe Spannung und Strom), dh. viel Energie, die in sehr sehr kurzer Zeit geliefert wird.

Und um diese hohe Leistung zu übertragen/zu speichern, benötigen Sie große Leiter (um hohe Ströme zu führen) mit extrem niedrigem Widerstand (denken Sie idealerweise an Supraleiter). Andernfalls hätten Sie große Leistungsverluste auf kleinem Raum, was zu einer extremen Erwärmung führt, die dazu führt, dass Metall in sehr kleinen Sekundenbruchteilen verdampft, dh. Explosion (nicht klobige Leiter würden wie überlastete Sicherungen durchbrennen )

Was für mobile Einheiten funktionieren könnte, ist die indirekte Verwendung von Blitzen, indem sie isoliert genug sind, damit der Blitz niemals in ein Fahrzeug einschlägt, und andere Effekte nutzen, um seine Energie zu nutzen, vielleicht wie:

• Induktion , die normalerweise dafür verantwortlich ist, dass Ihre Elektronik bei Blitzeinschlägen durchbrennt. z.B. Jeder sich bewegende Strom (wie ein Blitz) erzeugt ein sich änderndes EM-Feld, und jede Spannung wird in jedem Leiter in einem sich ändernden EM-Feld induziert. Je länger der Leiter, desto höher die Spannung. So funktioniert das moderne Aufladen von Mobiltelefonen (obwohl das drahtlose Aufladen von Telefonen viel niedrigere Spannungen und VIEL schnellere Änderungen verwendet)

• unter Verwendung von Schrittspannungen - das Erdpotential ist auf verschiedenen Radien vom Mittelpunkt des Blitzeinschlags NICHT gleich. Je größer der Abstand (und senkrechter zum Ursprungspunkt des Blitzeinschlags), desto höher die Spannungsdifferenz.

Diese beiden indirekten Methoden erzeugen VIEL weniger Strom als ein direkter Blitzeinschlag, sodass sie die erforderlichen elektrischen Geräte für ein autoähnliches Fahrzeug in den Bereich der Möglichkeiten bringen. Wenn der Boden in Ihrer Nähe jedoch nicht SEHR oft vom Blitz getroffen wird, wäre die gewonnene Energie wahrscheinlich zu gering, um ein solches Auto zu benutzen (es sei denn, Sie parken es tagelang in einer so stürmischen Gegend, um es aufzuladen, bevor Sie es benutzen).

Es wird nicht funktionieren, aber es ist cool, darüber nachzudenken

Die gute Nachricht: Oh, ja, Sie könnten ein Auto bei Blitzeinschlägen bedienen. Blitze können 10 GW Strom liefern . Nun, dieser Artikel spielt die Kraft des Blitzes herunter, indem er Ihnen sagt, dass es nicht viel ist, wenn Sie die Kraft auf KWh extrapolieren (und in Bezug auf den Betrieb einer ganzen Stadt ist es nicht viel). Aber das sind immer noch 10 GW, mit denen man arbeiten kann (Sie teilen die Leistung nicht in die Länge des Blitzschlags auf, sonst wären die Behauptung 50 MW).

Also 10 GW. Das ist eine hupende Menge Kraft. Aus dieser Quelle erfahren wir, dass ein "durchschnittliches" Auto (und das ist eine wilde Vermutung. Autos sind überall auf der Karte, also sollten Sie dies als ungefähre Zahl betrachten) 560 KWh verbrennt, um 400 Meilen zu fahren. Und ... 10 GW / 60 / 60 irgendwie = 2.775 KWh oder fast das Fünffache der Energie, die benötigt wird, um das Auto 400 Meilen zu fahren. Sie können also problemlos 800 Meilen (10 Stunden Fahrt bei 80 MPH) mit eingeschalteter Klimaanlage, jedem Licht, das Sie anschließen können, und Ihrer Stereoanlage laufen, die laut genug ist, um in Island gehört zu werden.

EDIT: Seltsamerweise, egal wie schlecht ich die Mathematik gemacht habe, es scheint, dass ich sowieso im Grunde Recht hatte. Aus dieser Quelle erfahren wir, dass "ein einzelner Blitz eine relativ große Energiemenge trägt (ungefähr 5 Gigajoule oder ungefähr die Energie, die in 38 Gallonen Benzin gespeichert ist)." Ein durchschnittlicher Personenwagen bekommt 30 mpg, so dass eine Schraube 1.140 Meilen wert ist – weit über den Vorrat eines einzigen Tages hinaus.

Aber das ist nicht das Problem

Das Problem ist, wie man den Blitz anzieht. Elektrizität folgt dem Weg des geringsten Widerstands zum niedrigsten elektrischen Potential – das wird fast nie das Auto sein (und es sind nicht nur die hochisolierenden vulkanisierten Gummireifen). Selbst wenn Sie die Straßen mit Silber (guter Leiter) pflastern und Gold statt Gummi für die Reifen verwenden (guter Leiter), erhalten Sie höchstens ein durchschnittliches elektrisches Potenzial, das dem Boden in einem Radius von etwa 3 Metern entspricht Du. Wenn Sie einen Hügel erklimmen, haben Sie eine große Chance, getroffen zu werden. Wenn du am tiefsten Punkt um dich herum bist ... nicht so sehr.

Aber für gute Science-Fiction ist die Hoffnung nicht verloren!

Denn was Sie tun könnten, ist, Ihr Auto mit negativer Spannung im Vergleich zu "Masse" zu betreiben. Und in einem Auto ist das "Chassis-Masse" oder die Spannung des Chassis-Metalls. (Anders gesagt, um die Sicherheit der Passagiere zu gewährleisten, wird das Fahrgestell des Autos als 0-V-Referenz verwendet.) Normalerweise arbeitet ein Auto mit +6 VDC, +12 VDC oder +24 VDC (je nachdem, um welche Art von Fahrzeug es sich handelt).

Ihre arbeitet mit -480 VDC. Und dieser Honker kann die Post schleppen! Der Vorteil? Sie können die -480-VDC-Ladeklemme auf der Oberseite des Fahrzeugs anbringen, wo sie (Science-Fiction) alle Blitze ziehen wird, die Sie handhaben können!

Und wenn Ihr Auto aufgeladen ist, bedeckt eine +24-VDC-Platte den Anschluss, sodass der Blitz von ihm weggedrückt wird. Und wir ignorieren, was passiert, wenn zwei Platten eine Potentialdifferenz von 504 VDC haben. Nennt sich Kondensator. Ignoriere es einfach. Science-Fiction. :-)

Aber ist es sicher?

Es ist deine Welt. Erklären Sie es für sicher. Diese Leute sind damit aufgewachsen, also wäre das Blitzmanagement eine grundlegende Technologie. Die Fahrerkabine wäre vom Rest des Autos elektrisch isoliert (sehr gut isoliert). Es gäbe eine Möglichkeit, die elektrische "Überlast" abzuleiten (ich möchte eine Bogenlampe, die mit dem Luxor Hotel mithalten kann ).

Und denken Sie daran, dass Sie höchstens einmal am Tag geschlagen werden müssten, um dieses Auto am Laufen zu halten. Man kann eine Stadt nicht mit Blitzen regieren – aber ein Auto? Überhaupt nicht schwer.

Große alte Lastwagen müssen möglicherweise mehrmals am Tag getroffen werden.

Ein Motorrad muss vielleicht einmal im Leben angefahren werden. Ihr Leben, nicht das des Motorrads. Ihre Leute haben Motorräder wahrscheinlich schon vor langer Zeit aufgegeben. Der Suchradius von 2 km für den Fahrer war zu viel Arbeit für das Such- und Rettungsteam.

Ja , es ist möglich, eine solche Maschine herzustellen. Ein Blitzschlag würde etwa eine Milliarde ( 1.000.000.000 ) Joule Energie bringen. Flugbenzin enthält 43 Millionen Joule pro Kilogramm. Daher haben wir das Äquivalent von 23 kg Kraftstoff aus dem Einzelschlag, 6 Gallonen. BMW i3 Giga kann damit 846 Meilen fahren, 1361 km! Selbst ein kleines Flugzeug wie Cessna 172 benötigt nur etwa 10 Gallonen für eine ganze Stunde. Bei jeder erträglichen Effizienz des Blitzkollektors könnte ein Fahrzeug, das pro Minute einen Schlag bekommt, nicht nur fahren, sondern sogar fliegen, selbst wenn es schwer und ineffizient ist. Oder wahrscheinlich sollte ein Schlag pro halbe Stunde ausreichen.

Einige Quellen schätzen die Energie des Einzelschlags auf etwa 20-mal geringer ein (und es gibt verschiedene Arten von Blitzen). Das würde sogar für die erwähnten Cessna-Flugzeuge noch funktionieren, wenn wir mit einem Streik pro Minute rechnen.

Es ist jedoch technisch anspruchsvoll, dem Blitz die gesamte Energie zu entziehen. Es ist eine Art fortschrittlicher Superkondensator erforderlich, der sehr schnell viel Energie aufnehmen und auf eine sehr hohe Spannung aufgeladen werden kann. Dann muss kein weniger fortschrittlicher Spannungswandler die Energie in etwas umwandeln, das ein normaler Elektromotor verwenden könnte. Also wohl nicht mit der Steampunk-Technik und auch nicht mit 100 % Effizienz. Aber wenn es wirklich ein Schlag pro Minute ist, scheint es, dass es einen riesigen Effizienzspielraum gibt, etwas zu bauen, das sich nur über Grund bewegt.

Dies ist wahrscheinlich viel "praktischer", wenn der Blitzschlag Dampf erzeugen und nicht als Haufen von Elektronen gespeichert werden würde.

Nähern wir uns ihm aus der anderen Richtung .

Lassen Sie uns die damals verfügbare Technologie prüfen.

Elektroautos waren reichlich vorhanden, leicht verfügbar und funktionierten einfach . Sie waren das Fahrzeug der Wahl für Damen der Gesellschaft, die persönliche Mobilität wünschten. Benzinmotoren erforderten einen "Fahrer", der ebenso Mechaniker war, um die zappelnden Motoren am Laufen zu halten - in Downton Abbey war dies Tom Bransons ursprünglicher Job.

Ohne Anwendung zum Starten des Motors werden Blei-Säure-Batterien zu einer schlechten Wahl, die nur bei den billigsten Fahrzeugen verwendet wird. Daher sind andere Technologien, insbesondere die Nickel-Eisen-Batterien von Edison , ein großer Gewinner. (Nickel-Eisen-Batterien sind langlebig und fast unzerstörbar, haben aber einen hohen Innenwiderstand und schneiden daher beim "Motorankurbeln" schlecht ab. Für Elektroautos kein Problem, aber hier kann es ein Problem sein.)

Allerdings begrabe ich die Lede.

Der 600-Pfund-Gorilla des frühen 20. Jahrhunderts war eine elektrische Eisenbahn . Diese Technologie war auf der Bildfläche explodiert, mit Straßenbahnen, die Pferdewagen ersetzten, aber viel wichtiger, elektrischen Überlandeisenbahnen .

Dies sind Hochgeschwindigkeitszüge (für die damalige Zeit), die mit 70-100 Meilen pro Stunde fuhren. Sie fuhren so klein wie einzelne Waggons (etwas länger als eine Straßenbahn) oder ziemlich lange Züge. Die elektrische Leistung lag normalerweise bei 600 Volt, aber bis zu 4000 Volt Gleichstrom oder 12.000 Volt Wechselstrom.

Das lässt uns zu einem Schluss kommen: Der richtige Weg, dies zu tun, besteht darin, die Autos auf Flachwagen auf der S-Bahn zu transportieren.

Den Blitz einfangen

Die Oberleitung wird ein Magnet für Blitzeinschläge sein . Sie bauen dieses System mit einer enormen Menge an Kapazität auf Megavolt-Ebene – so machen Sie das Schienennetz so weit wie möglich, ohne Stromkreisunterbrechungen.

Nun, hier müssen wir die Polarität des Blitzes kennen. Wenn Ihr Blitz durchweg die gleiche Polarität hat, passt das gut zu einem DC-System. Andernfalls werden einige Ihrer Schläge gegen Sie arbeiten, und das sind in der Regel die stärkeren Schläge. Denken Sie daran, dass wir in dieser Hälfte des Jahrhunderts keine Dioden bekommen.

Es wird nicht funktionieren, eine Spur positiv und die andere Spur negativ zu haben. Dem Blitz würde es entweder nichts ausmachen oder er würde vom Gegenteil angezogen werden.

AC ist gleich raus. Erstens wird die Hälfte Ihrer Schläge die falsche Polarität haben (aufgrund des Timings), und die Nettoenergie wäre gleich Null. Zweitens wird ein riesiges System mit viel Kapazität sowohl aufgrund der Kapazität als auch der Phasendrift aufgrund der großen Entfernung viele Probleme haben.

Umspannwerke werden an so vielen Orten wie möglich über eine unbekannte Ultrakondensatortechnologie verfügen, möglicherweise einschließlich eines sehr großen Stapels dieser schönen, unzerstörbaren Edison-Batterien.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine Übertragungsleitung weit über (vertikal) dem Oberleitungsdraht zu haben. Die Übertragungsleitung würde den Blitz einfangen. Diese Übertragung wäre die höchste Gleichstromspannung, die angesichts der Technologie des Zeitalters aufgebracht werden kann. Es hätte DC-DC-Wandlungen an Umspannwerken. Das war 1915 nicht einfach, aber nicht unmöglich.

Ich würde nein sagen. Sicherheit ist wahrscheinlich das Kernproblem.

Luft um Blitze wird auf 50.000 Grad F erhitzt . Luft ist ein schrecklicher Leiter, aber wenn die Geräte, die zum Speichern UND Erden des Blitzes verwendet werden, keine Supraleiter sind, wird es zwangsläufig eine enorme Hitze um sie herum geben. Da man alle paar Minuten mit einem rechnen kann, könnte es zu riskant sein, innerhalb von Sekunden zwei hintereinander zu fangen.

Schockwellen des Donners reichen aus, um Sachschäden und Prellungen zu verursachen . Es ist ähnlich wie bei einer Explosion oder einem „Boom“ eines Überschallflugzeugs.

Nehmen wir an, die Hitze- und Schockwellen töten Sie nicht. Wir rechnen mit 10 GW Strom . Das Leben im Umkreis von 50 m von einer 765-kV-Stromleitung birgt ein Krebsrisiko . Blitze sind über 1000-mal stärker als das und in viel geringerer Nähe. Sie werden wahrscheinlich eine Menge fast tödlicher Strahlung über eine Fahrt bekommen.