2019 szeptember 18 - szerda

2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

Kanarev professzor (ejtsd kánárjov) Krasznodárból egy olyan elektrolizálót dolgozott ki, melynek segítségével egy köbméter hidrogént mindössze 0.4 kWh energia segítségével állíthatunk elő. Ez 1000%-os hatásfok-növekedést eredményez.

Létezik egy természetes módszer a víz hidrogénra és oxigénra bontására. Ez a fotoszintézis, melynek során a hidrogénatomok kiválnak a vízmolekulákból és az összekötő kapocs szerepét töltik be a szerves molekulákban, miközben az oxigén a levegőbe távozik.

Felmerül a kérdés: Lehetséges-e a fotoszintézis során létrejövő vízbontást modellezni? A válasz erre a kérdésre egy egyszerű sejtszerkezetet modellező készülék, melyben az elektrolízis 1.5 – 2.0 V közötti feszültségen és 0.02 A áram mellett játszódik le.

kanrev_elektr 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

1. ábra. Az alacsonyáramú elektrolizáló cella modellje

A cella elektródái acélból készültek, ez segít elkerülni azt a jelenséget, ami a galvanikus cellák esetében lép fel.

A cella elektródái közötti potenciál közel 0.1 V az elektrolízis kezdetén. Miközben az oldat elektromosan töltődik, a potenciálkülönbség növekszik. A töltés pozitív pólusa mindig a felső elektródán, a negatív pólusa pedig az alsó elektródán jelenik meg. Ha az egyenáram helyett impulzusokat használunk, a gázfejlődés megnövekszik.

Mivel a kísérleti modell kis mennyiségű gázt termel, ezért a legjobb módszer a gázok mennyiségének a meghatározására az, ha az oldat tömegének az elektrolízis során fellépő változásait megmérjük majd abból kiszámítjuk a fejlődött hidrogén- és oxigéngázok mennyiségét.

Ismert tény, hogy egy gramm atom egyenlő az anyag atomtömegével, egy gramm molekula pedig az anyag molekulatömegével. Például az egy gramm vízmolekulában lévő hidrogénmolekula molekulatömege egyenlő 2 grammal, az oxigénatom atomtömege pedig 16 grammal. Tehát a vízmolekula molekulatömege 18 gramm. Mivel a vízmolekulában lévő hidrogén tömege 2 * 100 / 18 = 11,11%, az oxigén tömege pedig 16 * 100 / 18 = 88,89%, így ez a hidrogén – oxigén arány van jelen 1 liter vízben is. Ez azt jelenti, hogy 1000 gramm vízben 111,11 gramm hidrogén és 888,89 gramm oxigén van.

1 liter hidrogén súlya 0,09 gramm, 1 liter oxigéné pedig 1,47 gramm. Ez azt jelenti, hogy egy liter vízből 111,11 / 0,09 = 1234,44 liter hidrogént és 888,89 / 1,47 = 604,69 liter oxigént kaphatunk. Ebből következik, hogy 1 gramm víz 1,23 liter hidrogént tartalmaz.

Jelenleg 1000 liter hidrogén előállításához 4 kWh, 1 literhez pedig 4 Wh energia szükséges. Mivel egy gramm vízből 1,234 liter hidrogént kapunk, így a hidrogén egy gramm vízből történő előállításához 1,234 * 4 = 4,94 Wh energia szükséges.

A kísérlet eredményei

A kísérlet eredményeit a következő ábrákon szemlélhetjük meg.

Kan_2 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

2. ábra.

A 2. ábrán a 200 Hz-es feszültség oszcillográfja látható. Az impulzusok nem láthatók, mivel az amplitúdójuk nagyon kicsi. A mérések azt mutatják, hogy az oszcilloszkópon látható feszültség 11,5 V, a voltmérőn pedig 11,4 V-ot mértünk.

Kan_3 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

3. ábra.

A 3. ábrán az elektrolizáló készülék elektródáin látható feszültség oszcillográfja látható 1 másodperccel azután, hogy az elektrolizáló készülékről lekapcsoltuk a tápfeszültséget.

Kan_4 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

4. ábra.

A 4. ábrán az elektrolizáló készülék elektródáin látható feszültség oszcillográfja látható 3 másodperccel azután, hogy az elektrolizáló készülékről lekapcsoltuk a tápfeszültséget. A 3. és 4. ábrán látható oszcillográfok azt mutatják, hogy az elektrolizáló készülékről a tápfeszültséget lekapcsolva annak kisülése figyelhető meg. Azonban azt is megfigyelhetjük, hogy a feszültség fokozatosan csökken ugyan, de nem lesz egyenlő nullával. Ez arra utal, hogy: az elektrolizáló készülék az energiának nem csak felhalmozója, hanem forrása is.

Kan_5 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

5. ábra.

Az 5. ábrán az elektrolizáló készülék elektródáin látható feszültség oszcillográfja látható az elektródák rövidre zárásakor.

Kan_6 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

6. ábra.

A 6. ábrán az elektrolizáló készülék elektródáin látható feszültség oszcillográfja látható 1 másodperccel azután, hogy az elektródáknál megszüntettük a rövidzárat.

Kan_7 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

7. ábra.

A 7. ábrán az elektrolizáló készülék elektródáin látható feszültség oszcillográfja látható 3 másodperccel azután, hogy az elektródáknál megszüntettük a rövidzárat.

Mint látjuk, lekapcsolva a tápfeszültséget az elektrolizáló készülékről annak potenciálja kezdetben a tápfeszültség potenciáljához közeli értéken maradt. (3.ábra.) Szeretnénk különösen kihangsúlyozni, hogy az elektromos feltöltődés folyamata alatt az áram néhányszorosa volt a 0,02 A-es normál üzemi értéknek.

3 másodperccel azután, hogy az elektrolizáló készülékről lekapcsoltuk a tápfeszültséget (4.ábra.) az elektródákon mérhető feszültség 11,4 V-ról körülbelül 8 V-ra csökkent.

Az elektródák rövidre zárásának pillanatában (5.ábra.) az elektrolizáló készülék bemenetén mérhető feszültség egyenlő nullával. Egy másodperccel a rövidzár megszűntetése után (6.ábra.) az elektrolizáló készülék bemenetén mérhető potenciál visszaállt körülbelül 5 V-ra, majd 3 másodperc múlva ez az érték lecsökkent 2 V-ra (7.ábra.)

Az oszcillográfon azért nem láthatóak az impulzusok, mert az amplitúdójuk nagyon kicsi. (2.ábra.) Ha megnöveljük az oszcilloszkóp érzékenységét, akkor az impulzusokat is megláthatjuk, melyek így néznek ki: (8. és 9. ábra)

Kan_8 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke
Kan_9 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke
8. ábra.
9. ábra.

A feszültség oszcillográfjainak elemzése

A statisztikai számításokat felhasználva (11 adatot használtunk) megtaláljuk az impulzusok feszültségének átlag amplitúdóját.

U’átl = [(0,20+0,24+0,12+0,10+0,30+0,18+0,16+0,12+0,30+ 0,24+0,30)/11] * 10 = 2,05 V

Az impulzusok periódusideje T = (24 * 2) / 10 = 4,8 msec

Az impulzusok hosszúsága t = (2 * 1,45 ) / 10 = 0,29 msec

Az impulzusok frekvenciája f = ( 1 / 0,001 * 4,8 ) = 208,3 Hz

Az impulzusok közötti rés S = 4,8 / 0,29 = 16,55

Az impulzusok kitöltése Z = 0,5 / 16,55 = 0,0302

Az oszcilloszkóp alapján az impulzusok átlagfeszültsége U = 2,05 * 0,0302 = 0,062 V. Eközben a voltmérő 11,4 V-ot mutatott.

Ezért van alapunk feltételezni azt, hogy az alacsonyáramú elektrolizáló készülék egyidejűleg az elektromosság gyűjtője és forrása is. Először feltöltődik, majd elkezd kisülni az elektrolitban lejátszódó folyamatok következtében. A generált elektromos energia mennyisége nem elegendő ahhoz, hogy az elektrolízis folyamatát fenntartsa, így az fokozatosan kisül. Ha viszont az energiaveszteséget kompenzáló feszültségimpulzusokkal újratöltjük az elektrolizáló készüléket, akkor annak – mint kondenzátornak – a töltése állandó marad, az elektrolízis folyamata pedig stabilan folytatódik.

Az elektrolizáló készülék potenciálvesztésének kompenzálásához szükséges feszültség értékét a 8. és 9. ábrán láthatjuk. Az ott látható értékeket kell felhasználni annak kiszámítására, hogy mennyi energia szükséges a víz hidrogénra és oxigénra történő bontásához az alacsonyáramú elektrolizáló készülékben.

A voltmérő és az oszcilloszkóp adatai alapján az alacsonyáramú elektrolizáló készülék laboratóriumi modelljénél a tápegység teljesítménye P = I * U = 0.02 * 11,4 = 0.228 W. Az oszcilloszkópos elemzés azonban azt mutatta, hogy ez a teljesítmény csak az elektrolízis elindításához szükséges. Az elindítás után, mikor már fel van töltődve az elektrolizáló, az utántöltéshez szükséges teljesítmény P = I * U = 0.02 * 0,062 = 0.0012 W, vagyis 190-szer kevesebb az elektrolízis elindításához szükséges teljesítménynél (tekintsd meg az 1.táblázatot).

Az elektrolizáló készülék bemenetén mérhető állandó feszültség arra utal, hogy az elektrolízishez szükséges energia kiszámításához nem a voltmérő értékeit kell figyelembe venni, hanem az oszcilloszkópét, mely az utántöltési impulzusokat is regisztrálja (8. és 9. ábra).

Kan_10 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke
Kan_11 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke
10. ábra.
11. ábra.

A 10. és 11. ábrán az áram oszcillográfjait láthatjuk, mikor az elektrolizáló készülék tápegysége 200 Hz-es impulzusokat generált.

Az áram oszcillográfjainak elemzése

A statisztikai számításokat felhasználva (10 adat és 0,1 Ohmos belsőellenállás esetén) megtaláljuk az impulzusok áramának átlag amplitúdóját.

I’átl = { [ (9,0+7,0+2,0+11,5+6,0+8,5+3,5+9,0+2,5+6,5) / 10] * 10} / 0,1= 655 mA = 0,655 A.

Az elektrolizáló áramkörében folyó átlagos áramerősség az oszcilloszkóp alapján Iátl = 0,655 * 0,0302 = 0,01978 A = 0,02 A. Az ampermérő szintén 0,02 A-t mutatott.

Az alacsonyáramú elektrolízis folyamatának mérési eredményei

Leírás
Érték
1 – A tápfeszültségre kapcsolt elektrolizáló munkájának ideje 6 ciklus alatt (t)
6×10=60,0 min
2 – A voltmérő értéke (V)
11,4 V
2′ – Az oszcilloszkóp értéke (V’)
0,062 V
3 – Az ampermérő értéke (A)
0,020 A
3′ – Az oszcilloszkóp értéke (A’)
0,01978 A
4 – Energiafelhasználás a voltmérő és ampermérő alapján (P = V * I * t / 60)
0,228 Wh
4′ – Energiafelhasználás az oszcilloszkóp alapján (P’ = V * I * t / 60)
0,00124 Wh
5 – A tápfeszültségről lekapcsolt elektrolizáló munkájának ideje 6 ciklus alatt (t)
6×50=300,0 min
6 – Az oldat tömegének változása (m)
0,60 g
7 – Az elpárolgott víz tömege (m’)
0,06 g
8 – A gázállapotba átalakult víz tömege (m” = m – m’)
0,54 g
9 – Az egy gramm gázzá alakult víz energiafelhasználása a voltmérő és ampermérő alapján (E = P / m”)
0,420 Wh / g
9′ – Az egy gramm gázzá alakult víz energiafelhasználása az oszcilloszkóp alapján (E’ = P’ / m”)
0,0023 Wh / g
10 – A jelenleg létező elektrolízis során az egy gramm gázzá alakult víz energiafelhasználása (E”)
4,94 Wh / g
11 – Az energiafelhasználás csökkenése a voltmérő és ampermérő alapján ( K = E” / P )
11,76-szoros
1’1 – Az energiafelhasználás csökkenése az oszcilloszkóp alapján ( K’ = E” / P’ )
2147,8-szoros
12 – A képződött hidrogén mennyisége (M = 0,54 * 1,23 * 0,09)
0,06 g
13 – A képződött hidrogén energiatartalma (W = 0,06 * 142 / 3,6)
2,36 Wh
14 – A víz elektrolízisének hatásfoka a voltmérő és ampermérő alapján (W * 100 / P)
1035,1 %
14′ – A víz elektrolízisének hatásfoka a voltmérő és ampermérő alapján (W * 100 / P’)
190322,6 %

1. Táblázat

Az eredmény kiértékelése

Mint látjuk, a voltmérő a feltöltött elektrolizáló készülék – mint kondenzátor – feszültségét mutatja, mely fokozatosan kisül, az oszcilloszkóp által mutatott feszültségimpulzusok pedig az utántöltés energiáját, ami az elektrolizáló tulajdonképpeni energiafelhasználása a tápegységről. Ebből az következik, hogy az alacsonyáramú elektrolizáló készülék által felhasznált energia kiszámításánál nem a voltmérő által mutatott feszültséget kell felhasználni, hanem az oszcilloszkóp adatait. Ennek eredményeként az alacsonyáramú elektrolizálás során a hidrogén vízből történő előállításához felhasznált energia nem 12-szeresére, hanem majdnem 2000-szeresére csökken.

A kis áram (0,02 A) és a kis feszültség (0,062 V) arra enged következtetni, hogy az alacsonyáramú elektrolizáló készülékben végbemenő folyamat megegyezik a fotoszintézis során tapasztalható jelenséggel. Ezt erősíti meg az elektrolizáló készülék vízében az elektromos tápfeszültség lekapcsolását követő néhány órában megfigyelhető intenzív gázbuborék fejlődés is.

Az orosznyelvű eredeti szöveget itt, az angolnyelvű fordítást pedig itt olvashatod el. Ezt a magyar fordítást az orosznyelvű eredeti dokumentum alapján végeztem el, mivel ott több információ volt leírva, mint az angolnyelvű fordításban.

Kíváncsi voltam arra, hogy mennyi hidrogént termel Kanarev professzor elektrolizálója. Az 1.táblázatból kitűnik, hogy 300 perc alatt 0,54 g víz alakult át gázzá. Mivel 1 gramm víz 1,23 liter hidrogént tartalmaz, így 0,54 g vízből 0,54 * 1,23 = 0,6642 liter hidrogént kapunk. Ez 0,6642/300 = 0,002214 liter/perc = 2,214 ml/perc. Nos, igen. Ezt még nem használhatjuk az autónk meghajtására, de a kísérlet célja nem is ez volt, hanem annak bizonyítása, hogy az elektrolízis által felhasznált energiaszükségletet jelentős mértékben le lehet csökkenteni, ezáltal több energiát nyerhetünk ki a hidrogéngáz elégetésekor, mint amennyit a hidrogén előállítására felhasználtunk. Ez viszont látszólag ellentmond az energia-megmaradás törvényének, valójában azonban ezt az elvet nem sértjük meg. Erről kicsit bővebben itt írtam.

De hogyan tudnánk Kanarev módszerét a vízautónkban felhasználni?

Mint a cikkből kiderült, két fázisban működik ez az alacsonyáramú elektrolizáló készülék.

  • Első fázis: Az elektrolizáló elektromos feltöltése
  • Második fázis: Alacsonyáramú folyamatos elektrolízis

Nézzük meg mind a két fázist részletesebben.

Első fázis: Az elektrolizáló elektromos feltöltése

  • A feltöltés pár másodpercnyi ideig tart
  • A feltöltést egyenárammal végezzük
  • A feltöltés árama többszöröse (0.6 A) az elektrolízis során használt átlagáramnak (0,01978 A)
  • A feltöltés feszültsége is többszöröse (1.5 – 2 V) az elektrolízis során használt átlagfeszültségnek (0,062 V)

Második fázis: Alacsonyáramú folyamatos elektrolízis

  • Az elektrolízis folyamatosan működik
  • Az elektrolízis árama impulzusszerű, az impulzusok kitöltési tényezője 0,0302 (3%), frekvenciája pedig 208,3 Hz
  • Az impulzusok áram amplitúdója 655 mA, az átlagáram pedig 19,78 mA
  • Az impulzusok feszültség amplitúdója 2,05 V, az átlagfeszültség pedig 0,062 V
  • A percenkénti hidrogéntermelés 2,214 ml/perc H2 gáz.

A Kanarev féle elektrolizáló készüléknél 17-szer kisebb átlagáramot használunk, mint azt Faraday törvénye alapján elvárhatnánk. Ezt a következő számítás bizonyítja. Faraday törvénye szerint 1 A/perc árammal 6,2728 cm3/perc hidrogéngázt tudunk előállítani (lásd itt), tehát 0,01978 A áram mellett a fejlődő hidrogéngáz mennyisége maximum (100%-os hatásfokú elektrolizálóval) 6,2728 * 0,01978 = 0,124 cm3/perc lehetne. Ennek ellenére Kanarov elektrolizálója 2,214 ml/perc hidrogéngázt termelt. Ez 2,214 / 0,124 = 17.85-szörös gáztöbbletet jelent.

Az átlagfeszültség is 23-szor kevesebb (1.43 / 0,062), mint ahogy azt az elektrolízisnél tanultuk.

Úgy gondolom, hogy ennek a nagyon jó hatásfoknak a “titka” éppen a nagyon kis kitöltési tényezőjű tűimpulzusok használatában rejlik. Gondoljunk csak bele, mi történik, mikor beverünk egy szeget a falba: rövid idejű, de nagyon intenzív energiaimpulzusokat használunk. Ha ugyanezt az energiát elosztjuk az időben egyenlő mértékben, vagyis egyenletesen nyomjuk a szeget a kalapáccsal, akkor a munka ugyanakkora lesz, de a szeg nem fog a falba fúródni.

Ezt az impulzusadási módszert Mi is kihasználhatjuk. Tételezzük fel, hogy van egy 1 A-es áramforrásunk. Ha ezzel az 1 A-ral próbáljuk meg lebontani a vizet, akkor 6,2728 ml hidrogéngáz termelődik egy perc alatt. Most sűrítsük össze ezt az energiát az időben: az eddigi 100 %-os kitöltés helyett vegyünk 1 %-os kitöltést. Ahhoz, hogy ugyanakkora legyen az energia, ezalatt az 1%-nyi idő alatt 100 A-t kell keresztül vezetni az elektrolizálón, a fennmaradó 99 %-nyi időben pedig nem vezetünk rá áramot. Az áram átlagértéke ekkor is 1 A marad, de az időben összesűrített energia egészen más hatást vált ki a vízmolekulákra: hirtelen széttépi azokat. A brutális erő hatására sokkal több molekulát szakíthatunk szét, mint ha ugyanezt az energiát apránként, egyenletesen adagolnánk.

A módszer lényege abban rejlik, hogy 1 A-t veszünk fel az áramforrásból, de ennek az energiának a hatása 100-szorosára növekszik.

Az ehhez szükséges kapcsolást a következőképpen képzelem el: Van egy kondenzátorunk, amit a 99 %-nyi üresjárati időben töltenénk fel 1 A-ral – ez t1 időállandó használatát tételezi fel – a kondenzátor kisütését pedig a fennmaradó 1 %-nyi időben t2 időállandóval sütnénk ki. Ekkor 100 A-es tűimpulzust juttatnánk az elektrolizáló elektródáira, az áramforrás terhelése viszont továbbra is 1 A maradna.

imp_T1_T2 2.4.1.5.4. Kanarev elektrolizáló készüléke

12. ábra. A nagyáramú tűimpulzus generátor működési elve

t1 = R1 * C

t2 = R2 * C

A K kapcsoló a C kondenzátor I1 árammal történő töltése alatt nyitva van, az elektrolizálóra így ekkor nem jut áram. Mikor a kapcsolót bekapcsoljuk, akkor az I2 áram a feltöltött kondenzátorból és az I1 áram az áramforrásból az elektrolizáló elektródáira jut.

I1 = U / R1

I2 = U / R2

Az U feszültség mindig állandó, mivel a töltés az U feszültséggel történik, s mikor a kondenzátort elkezdjük kisütni, akkor már a kondenzátor feszültsége is eléri az U értéket. U az áramforrás (akkumulátor) feszültségével egyenlő.

A számítások megkezdéséhez ki kell választanunk a kapcsolási frekvenciát. A példánkban ez legyen f = 200 Hz, amiből a periódusidőt kiszámolhatjuk:

T = 1 / f = 1 / 200 = 0,005 sec = 5 milisec.

1 %-os kitöltési tényezőt véve alapul:

t1 = T * 0,99 = 0,005 * 0,01 = 0,00495 sec.

t2 = T * 0,01 = 0,005 * 0,01 = 0,00005 sec.

Ha az U feszültséget 12 V-nak, az I1 áramot 1 A-nek, az I2-t pedig 99 A-nak vesszük, akkor:

R1 = U / I1 = 12 / 1 = 12 W

R2 = U / I2 = 12 / 99 = 0,1212 W

C = t1 / R1 = 0,00495 / 12 = 0,0004125 F = 412,5 mF

Ellenőrzésként számoljuk még ki a t2 és R2 értékekkel is a kapacitás értékét:

C = t2 / R2 = 0,00005 / 0,1212 = 0,0004125 F = 412,5 mF

Ha az még kérdéses számodra, hogy lesz-e elegendő töltés a kondenzátor lemezein, mely 99 A áramot tud biztosítani a számunkra szükséges 0,00005 sec ideig, akkor vizsgáld meg a következő számításokat:

C = Q / U

Ebből Q-t kifejezve:

Q = C * U

Az áramot tehát a következőképpen határozhatjuk meg:

I = Q / t = C * U / t = 0,0004125 * 12 / 0,00005 = 99 A

Az I2 áramot azért vettük 99 A-nak, mivel ehhez még hozzá kell adni az áramforrás 1 A-ját is. Ez nem lesz több 1 A-nál, mivel az R1 ellenállás nem engedi, hogy több áram folyjon, a D dióda pedig megakadályozza, hogy a kondenzátor árama kisülés közben az R1 ellenálláson is keresztülfolyjon.

Az R2 ellenállás természetesen nem egy közönséges ellenállás, hanem az elektrolizáló készülék belső ellenállása. Ezt az ellenállást az elektrolizáló vizébe kevert megfelelő mennyiségű elektrolittal, pl. asztali sóval vagy KOH-val tudjuk beállítani.

A kapcsoló szerepét valamilyen nagyáramú kapcsolótranzisztor látja el.

Az is valószínű, hogy Kanarev elektrolizálójához hasonlóan először nekünk is fel kell töltenünk az elektrolizálót pár másodpercnyi nagy értékű egyenárammal, s csak utána kezdhetjük az impulzusokkal bombázni a vizet.

Az elv egyszerű, próbáld megépíteni Te is és mondd el nekünk az eredményeidet.

Az itt olvasott témához kapcsolódó kísérletek:

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás