Energija je pohranjena. Prehrana i energija. Mehanički uređaji za pohranu energije

"Također možemo govoriti o kemijskoj smrti osobe, kada se iscrpe zalihe psihičke energije.

O uskrsnuću možemo govoriti kada se psihička energija počne obnavljati".

Što je psihička energija?– To je životvorna energija o kojoj ovisi ljudsko postojanje. Nema psihičke energije (u daljnjem tekstu PE) – nema života, dolazi do fizičkog propadanja, bolesti i smrti. Postoji PE - postoji život pun kreativnosti, zdravlja i sreće.

Sinonimi za PE: milost, prana, kineska Qi energija, Hermesova vatra, Kundalini, vatreni jezici Svetog Trojstva, Bulwer-Lytton Vril, slobodna energija Killi, Mesmerova tekućina, Reichenbachov Od, Zoroasterova živa vatra, Sofija kod Helena, Saraswati kod Hindusa i mnogi, mnogi drugi.

Znakovi pada PE: mentalni i fizički umor, pospanost, amorfna svijest, au teškim slučajevima - mučnina.

Znakovi vrućeg bljeska PE: radost i optimizam, kreativna aktivnost, želja za postignućima i plodnim aktivnostima.

Sedam načina za očuvanje PE

1. AURA. Kad ujutro izlazite iz kuće, mentalno nacrtajte energetsku ljusku u obliku kokošjeg jajeta oko sebe na udaljenosti ispruženog lakta tako da vaše tijelo bude u središtu tog aurnog jajeta. Na taj način ojačat ćete zaštitnu mrežu svoje aure koja štiti Vaš PE od nepoželjnih upada.

2. VAMPIRI. Pokušajte izbjegavati komunikaciju s ljudima tupih, mutnih, promjenjivih očiju - to su energetski vampiri, nakon komunikacije s kojima nastupa jak umor. Pogled osobe ne može se lažirati. Oči su najpouzdaniji pokazatelj prisutnosti PE kod čovjeka. Oni koji nemaju vlastiti PE često postaju energetski vampiri i pokušavaju ga (često nesvjesno) ukrasti jednostavnim približavanjem auri donatora.

3. GUŽVA. U javnom prijevozu ili sličnim mjestima s velikom gužvom, diskretno obavite brzu procjenu u blizini stojeći ljudi. Ako vas je jedan od njih lagano odbacio, maknite se od njega na drugo mjesto. Kada ljudske aure dođu u kontakt, vaš PE teče magnetski u drugu auru, a PE druge aure teče u vašu, i nema načina da se miješate u tu razmjenu energije - to je čvrsti zakon.

4. RUKE. Na javnim mjestima pokušajte izbjeći izravan kontakt golih ruku s predmetima i stvarima koje se često koriste, kao što su ručke na vratima, rukohvati, ručke kolica za kupovinu itd. Ako je moguće, onda zimsko vrijeme Ne skidajte rukavice godinama ili kupujte tanke, primjerice dječje. Ako nije moguće izbjeći izravan kontakt golim rukama, pronađite mjesto koje je najmanje uobičajeno. Ljudske ruke emitiraju jake struje PE. Sa svakim dodirom, osoba zasićuje svojim PE one predmete koje dodiruje ruka. Budite pažljivi prema starim, nepoznatim stvarima. Oni mogu nositi naboj negativnog PE, od kontakta s kojim ćete potrošiti puno svog PE na njegovu neutralizaciju.

5. IRITACIJA. Svakako izbjegavajte iritaciju, koja može biti posebno neugodna u javnom prijevozu, u trgovinama, u gustom prometu tijekom vožnje, kod kuće i sl. Mentalna iritacija stvara negativnu PE, koja uništava vašu pozitivnu PE.

6. INTIMNO. Vozite umjereno intimni život, jer je za reprodukciju sjemene tekućine potrebna velika potrošnja PE.

7. ŽIVOTINJE. Nemojte držati životinje kod kuće kako im vaš PE ne bi procurio. Životinje, kao i sva živa bića, imaju vlastitu auru s vlastitim PE, koje je puno slabije kvalitete od ljudskog PE. Kada aure osobe i životinje dođu u kontakt, dolazi do iste razmjene PE kao i među ljudima. Nemojte zasićiti svoju auru nižim životinjskim PE.

Sedam načina za poboljšanje PE

1. ZRAK. Češće udišite prirodan, čist zrak. U njemu je otopljena prana – solarni PE. U velikim gradovima s preko milijun stanovnika zrak nije čist pa pokušajte ili češće izlaziti u prirodu ili se čak preseliti izvan grada ili u manji grad.

2. PROSTOR. Beskrajni prostori svemira ispunjeni su kozmičkom energijom koja daje život, što je slično ljudskom PE. Samo trebate mentalno pozvati, povući je odatle. Pogledajte zvjezdano nebo i zamislite da je ono ocean energije čijim dodirom možete lako ojačati svoju životnu energiju.

3. PRIJATELJSKI. Budite prijateljski raspoloženi prema svima oko sebe. Ne poželi zlo nikome, pa ni svojim neprijateljima. Ljubaznost i prijateljski stav ne samo da stvaraju pozitivno PE zračenje u vašoj auri, već također uzrokuju da ljudi imaju iste vibracije odgovora u svojim aurama. Prijateljski raspoloženi ljudi razmjenjuju pozitivne PE s drugim ljudima jednostavno zato što izazivaju isti pozitivni PE u drugim ljudima.

4. SRCE. Glavni upravitelj nečijeg fizičkog vaspitanja je njegovo srce. Slušajte svoje srce, a ne svoj mozak. Racionalni mozak često se prevari u ispravnoj procjeni životne situacije i ponekad odvede u slijepu ulicu. Srce se nikad ne vara i zna mnogo više nego što um može zamisliti. Slušajte glas svoga srca u tišini i šutnji. Reći će vam kako slijediti stazu života, kako biste na kraju mogli reći da ste živjeli sretan život.

6. POVRĆE I VOĆE. Jedite sirovo povrće i voće – prepuni su solarnih PE naslaga. Pokušajte ne jesti prženu hranu, jer... prekuhano ulje ispušta otrove koji ubijaju vaš PE. Nemojte jesti meso, ono je puno nevidljive energije, patogene tekućine razgradnje, koja počinje odmah nakon smrti životinje. Čak i najsvježije meso puno je ne samo niske životinjske PE, već i energetskih mikroba, kada se pojede, vaše će tijelo potrošiti mnogo PE da ih neutralizira. Mahunarke bez problema mogu zamijeniti mesne prerađevine.

7. SPAVAJTE. Prije spavanja ne brinite, a pogotovo se ne svađajte s ukućanima. Pokušajte ne gledati negativne i kriminalne televizijske programe koji izazivaju loše emocije. Bolje je pogledati dobar film ili pročitati dobra knjiga, ili slušajte mirnu glazbu. Prije odlaska na spavanje, istuširajte se ne samo kako biste očistili svoje tijelo od naslaga znoja, već, što je još važnije, kako biste iz aure isprali nakupljenu energiju od dana. Čista voda ima sposobnost čišćenja PE. Nakon što je otišao na spavanje čistog tijela i mirnog, spokojnog duha, vaš PE će pohrliti u čiste slojeve prostora, gdje će dobiti snagu i prehranu. Ujutro ćete osjetiti vedrinu i snagu da dostojanstveno proživite nadolazeći dan.

Kako je točno energija pohranjena u ATP(adenozin trifosfat), i kako se koristi za obavljanje nekog korisnog rada? Čini se nevjerojatno složenim da neka apstraktna energija odjednom dobije materijalni nositelj u obliku molekule smještene unutar živih stanica, te da se može osloboditi ne u obliku topline (što je više-manje razumljivo), već u obliku stvaranje druge molekule. Obično se autori udžbenika ograničavaju na frazu "energija je pohranjena u obliku visokoenergetske veze između dijelova molekule i oslobađa se kada se ta veza prekine, obavljajući koristan rad", ali to ništa ne objašnjava.

U najopćenitijim crtama te se manipulacije s molekulama i energijom događaju ovako: prvo. Ili se stvaraju u kloroplastima u lancu sličnih reakcija. Za to je potrebna energija dobivena kontroliranim izgaranjem hranjivih tvari izravno unutar mitohondrija ili energija fotona sunčeve svjetlosti koja pada na molekulu klorofila. ATP se tada dostavlja na ona mjesta u stanici gdje treba obaviti neki posao. A kada se jedna ili dvije fosfatne skupine odvoje od njega, oslobađa se energija koja obavlja ovaj posao. U tom se slučaju ATP razgrađuje u dvije molekule: ako se odvoji samo jedna fosfatna skupina, tada se ATP pretvara u ADF(adenozin difosfat, razlikuje se od adenozin trifosfata samo u odsutnosti iste odvojene fosfatne skupine). Ako ATP odustane od dvije fosfatne skupine odjednom, tada se oslobađa više energije, a ono što ostaje od ATP-a je adenozin MONOfosfat ( AMF).

Očito, stanica također treba izvršiti obrnuti proces, pretvarajući ADP ili AMP molekule u ATP kako bi se ciklus mogao ponoviti. Ali te “prazne” molekule mogu mirno lebdjeti pored fosfata koji im nedostaju za pretvorbu u ATP, i nikada se s njima ne spajaju, jer je takva reakcija kombinacije energetski nepovoljna.

Koja je "energetska korist" kemijske reakcije vrlo je lako razumjeti ako znate drugi zakon termodinamike: U Svemiru, ili u bilo kojem sustavu izoliranom od ostatka, nered se može samo povećati. To jest, složeno organizirane molekule koje se nalaze u stanici u urednom redu, u skladu s ovim zakonom, mogu se samo uništiti, tvoreći manje molekule ili se čak raspadajući na pojedinačne atome, jer će tada biti osjetno manje reda. Da biste razumjeli ovu ideju, možete usporediti složenu molekulu s Lego avionom. Tada će se male molekule na koje se raspada složena povezati s u odvojenim dijelovima ove ravnine, a atomi su s pojedinačnim Lego kockama. Gledajući uredno sastavljen avion i uspoređujući ga s zbrkanom hrpom dijelova, postaje jasno zašto složene molekule sadrže više reda od malih.

Takva reakcija raspada (molekula, ne aviona) bit će energetski povoljna, što znači da se može dogoditi spontano, a tijekom raspada će se oslobađati energija. Iako će zapravo razdvajanje letjelice biti energetski korisno: unatoč činjenici da se sami dijelovi neće odvojiti jedan od drugoga i vanjska sila u obliku djeteta koje te dijelove želi iskoristiti za nešto drugo morat će rad na njihovom odvajanju, on će potrošiti na pretvaranje aviona u kaotičnu hrpu dijelova energiju koju dobiva jedući visoko naručenu hranu. I što se dijelovi čvršće drže zajedno, to će se potrošiti više energije, uključujući i oslobođenu u obliku topline. Rezultat: komad lepinje (izvor energije) i avion pretvoreni su u nesređenu masu, molekule zraka oko djeteta su se zagrijale (i samim tim kretale nasumično) - došlo je do više kaosa, odnosno cijepanja avion je energetski koristan.

Ukratko, možemo formulirati sljedeća pravila koja slijede iz drugog zakona termodinamike:

1. Kada se količina reda smanji, energija se oslobađa i dolazi do energetski povoljnih reakcija

2. Kako se količina reda povećava, energija se apsorbira i javljaju se reakcije koje troše energiju

Na prvi pogled takvo neizbježno kretanje iz reda u kaos onemogućuje obrnute procese, poput izgradnje teleta, nedvojbeno vrlo urednog u usporedbi sa sažvakanom travom, iz jednog jedinog oplođenog jajašca i molekula hranjivih tvari koje je apsorbirala krava majka.

Ali ipak se to događa, a razlog za to je taj što živi organizmi imaju jednu osobinu koja im omogućuje da podržavaju želju Svemira za entropijom i izgrađuju sebe i svoje potomke: oni spojiti dvije reakcije u jedan proces, od kojih je jedna energetski korisna, a druga energetski troši. Kombiniranjem dviju reakcija na ovaj način, moguće je osigurati da energija oslobođena tijekom prve reakcije više nego pokrije troškove energije druge. Na primjeru aviona, njegovo zasebno rastavljanje je energetski zahtjevno, a bez vanjskog izvora energije u obliku peciva koje je dječakov metabolizam uništio, avion bi stajao zauvijek.

To je kao sanjkanje niz brdo: prvo, kada čovjek apsorbira hranu, on u svom tijelu pohranjuje energiju dobivenu kao rezultat energetski korisnih procesa cijepanja visoko uređene piletine na molekule i atome. A onda tu energiju troši vukući saonice uz planinu. Pomicanje sanjki od dna prema vrhu je energetski neisplativo, tako da se one tamo nikada neće otkotrljati spontano; za to je potrebna neka vrsta vanjske energije. A ako energija dobivena od jedenja piletine nije dovoljna za savladavanje uspona, tada se proces "sanjkanja niz planinski vrh" neće dogoditi.

To su reakcije koje troše energiju ( reakcija koja troši energiju ) povećati količinu reda apsorpcijom energije oslobođene tijekom konjugirane reakcije. A ravnoteža između oslobađanja i potrošnje energije u tim spregnutim reakcijama uvijek mora biti pozitivna, odnosno njihova kombinacija će povećati količinu kaosa. Primjer povećanja entropija(poremećaj) ( entropija[‘entrə pɪ]) je oslobađanje topline tijekom reakcije stvaranja energije ( reakcija opskrbe energijom): čestice tvari u susjedstvu reagirajućih molekula primaju energetske udare od reagirajućih, počinju se kretati brže i kaotičnije, gurajući redom druge molekule i atome te i susjednih tvari.

Vratimo se još jednom na dobivanje energije iz hrane: komadić Banoffee pite puno je uredniji od dobivene mase koja kao rezultat žvakanja završi u želucu. Koji se pak sastoji od velikih, uređenijih molekula od onih na koje ga crijeva razgrađuju. A oni će zauzvrat biti dostavljeni stanicama tijela, gdje će se iz njih otkidati pojedinačni atomi, pa čak i elektroni... I u svakoj fazi rastućeg kaosa u jednom komadu kolača, oslobađat će se energija, koja hvataju ga organi i organele sretnog jedača, pohranjujući ga u obliku ATP-a (energetski intenzivan), koji se koristi za izgradnju novih potrebnih molekula (energetski intenzivan) ili za zagrijavanje tijela (također energetski intenzivan) . Kao rezultat toga, bilo je manje reda u sustavu "čovjek - Banoffee Pie - Svemir" (zbog uništavanja kolača i oslobađanja toplinske energije od strane organela koji ga obrađuju), ali u jednom ljudsko tijelo bilo je više sreće na redu (zbog nastanka novih molekula, dijelova organela i cijelih staničnih organa).

Vratimo li se molekuli ATP-a, nakon sve ove termodinamičke digresije, postaje jasno da je za njen nastanak od njegovih sastavnih dijelova (manjih molekula) potrebno utrošiti energiju dobivenu iz energetski povoljnih reakcija. Jedna od metoda za njegovo stvaranje je detaljno opisana, druga (vrlo slična) se koristi u kloroplastima, gdje se umjesto energije protonskog gradijenta koristi energija fotona koje emitira Sunce.

Postoje tri skupine reakcija koje proizvode ATP (vidi dijagram desno):

• razgradnja glukoze i masnih kiselina u velike molekule u citoplazmi već omogućuje dobivanje određene količine ATP-a (male, za jednu molekulu glukoze razdvojenu u ovoj fazi dobivaju se samo 2 molekule ATP-a). Ali glavna svrha ove faze je stvaranje molekula koje se koriste u dišnom lancu mitohondrija.
• daljnje cijepanje molekula dobivenih u prethodnoj fazi u Krebsovom ciklusu, koje se događa u matrici mitohondrija, proizvodi samo jednu molekulu ATP-a, njegova glavna svrha je ista kao u prethodnom odlomku.
• konačno, molekule akumulirane u prethodnim fazama koriste se u respiratornom lancu mitohondrija za proizvodnju ATP-a, a ovdje se puno toga oslobađa (više o tome u nastavku).

Ako sve to pobliže opišemo, promatrajući iste reakcije sa stajališta proizvodnje i potrošnje energije, dobivamo ovo:

0. Molekule hrane se pažljivo spaljuju (oksidiraju) u primarnoj razgradnji koja se događa u citoplazmi stanice, kao iu lancu kemijske reakcije nazvan "Krebsov ciklus", koji se već pojavljuje u mitohondrijalnom matriksu - davanje energije dio pripremne faze.

Kao rezultat sprezanja s tim energetski povoljnim reakcijama drugih, već energetski nepovoljnih reakcija stvaranja novih molekula, nastaju 2 molekule ATP-a i nekoliko molekula drugih tvari - energetski troši dio pripremne faze. Ove slučajno nastale molekule su nositelji visokoenergetskih elektrona, koji će se koristiti u respiratornom lancu mitohondrija u sljedećoj fazi.

1. Na membranama mitohondrija, bakterija i nekih arheja dolazi do oduzimanja protona i elektrona za proizvodnju energije iz molekula dobivenih u prethodnom koraku (ali ne iz ATP-a). Prolaz elektrona kroz komplekse dišnog lanca (I, III i IV na dijagramu lijevo) prikazan je žutim zavojitim strelicama, prolaz protona kroz te komplekse (a time i kroz unutarnju membranu mitohondrija) pomoću crvene strelice.

Zašto se elektroni jednostavno ne mogu odvojiti od molekule nosača pomoću snažnog oksidacijskog sredstva, kisika, i iskoristiti oslobođenu energiju? Zašto ih prebacivati ​​iz jednog kompleksa u drugi, jer na kraju dolaze na isti kisik? Ispostavilo se da je veća razlika u sposobnosti privlačenja elektrona od one koja daje elektron ( redukcijsko sredstvo) i sakupljač elektrona ( oksidacijsko sredstvo) molekula uključenih u reakciju prijenosa elektrona, veća je energija oslobođena tijekom te reakcije.

Razlika u ovoj sposobnosti između molekula nositelja elektrona i kisika nastalih u Krebsovom ciklusu je takva da bi oslobođena energija bila dovoljna za sintezu nekoliko molekula ATP-a. No, zbog tako naglog pada energije sustava, ova reakcija bi se odvijala gotovo eksplozivnom snagom, a gotovo sva energija bi se oslobodila u obliku nemjerljive topline, odnosno zapravo bi se izgubila.

Žive stanice, s druge strane, dijele tu reakciju u nekoliko malih faza, prvo prenoseći elektrone sa slabo privlačnih molekula nositelja na nešto jači privlačni prvi kompleks u respiratornom lancu, a iz njega na nešto jače privlačan. ubikinon(ili koenzim Q-10), čija je zadaća odvući elektrone do sljedećeg, malo jačeg privlačnog respiratornog kompleksa, koji dobiva svoj dio energije iz ove neuspjele eksplozije, koristeći je za pumpanje protona kroz membranu.. I tako sve dok se elektroni konačno ne sretnu s kisikom, privlače ga, grabeći nekoliko protona, i ne tvore molekulu vode. Ova podjela jedne snažne reakcije u male korake omogućuje da se gotovo polovica korisne energije usmjeri na obavljanje korisnog rada: u ovom slučaju, stvaranje proton elektrokemijski gradijent, o čemu će biti riječi u drugom odlomku.

Kako točno energija prenesenih elektrona pomaže povezanoj reakciji pumpanja protona kroz membranu koja troši energiju, tek se sada počinje razjašnjavati. Najvjerojatnije, prisutnost električki nabijene čestice (elektrona) utječe na konfiguraciju mjesta u proteinu ugrađenom u membranu na kojem se nalazi: tako da ova promjena izaziva proton koji se uvlači u protein i kreće kroz proteinski kanal. u membrani. Bitno je da se zapravo energija dobivena kao rezultat apstrakcije visokoenergetskih elektrona iz molekule nositelja i njihovog konačnog prijenosa na kisik pohranjuje u obliku protonskog gradijenta.

2. Energija protona akumulirana kao rezultat događaja iz točke 1 na vanjskoj strani membrane i nastojeći doći do unutarnja strana, sastoji se od dvije jednosmjerne sile:

• električni(pozitivni naboj protona nastoji se pomaknuti do mjesta nakupljanja negativnih naboja s druge strane membrane) i
• kemijski(kao i kod svake druge tvari, protoni se nastoje ravnomjerno raspršiti u prostoru, šireći se od mjesta s visokom koncentracijom do mjesta gdje ih je malo)

Električno privlačenje protona prema negativno nabijenoj strani unutarnja membrana je mnogo snažnija sila od tendencije protona da se pomaknu na mjesto s nižom koncentracijom zbog razlika u koncentraciji protona (to je naznačeno širinom strelica u gornjem dijagramu). Kombinirana energija ovih privlačnih sila je toliko velika da je dovoljna i za premještanje protona u membranu i za poticanje popratne reakcije koja troši energiju: stvaranje ATP-a iz ADP-a i fosfata.

Pogledajmo pobliže zašto je za to potrebna energija i kako se točno energija aspiracije protona pretvara u energiju kemijske veze između dvaju dijelova molekule ATP-a.

Molekula ADP (na dijagramu desno) ne želi steći još jednu fosfatnu skupinu: atom kisika na koji se ta skupina može vezati nabijen je jednako negativno kao i fosfat, što znači da se međusobno odbijaju. I općenito, ADP neće reagirati; on je kemijski pasivan. Fosfat, zauzvrat, ima svoj atom kisika vezan za atom fosfora, koji bi mogao postati mjesto veze između fosfata i ADP-a pri stvaranju molekule ATP-a, tako da ni on ne može preuzeti inicijativu.

Stoga te molekule moraju biti povezane jednim enzimom, razmotane tako da su veze između njih i "ekstra" atoma oslabljene i prekinute, a zatim dva kemijski aktivna kraja tih molekula, na kojima atomi doživljavaju nedostatak i višak elektroni se međusobno dovode.

Ioni fosfora (P +) i kisika (O -) koji dospiju u polje međusobnog dosega povezani su jakom kovalentnom vezom zbog toga što zajednički preuzimaju jedan elektron koji je izvorno pripadao kisiku. Ovaj enzim za obradu molekule je ATP sintaza, a dobiva energiju za promjenu svoje konfiguracije i relativnog položaja ADP-a i fosfata od protona koji prolaze kroz njega. Energetski je povoljno da protoni dospiju na suprotno nabijenu stranu membrane, gdje ih je, osim toga, malo, a jedini put prolazi kroz enzim, čiji "rotor" protoni istovremeno rotiraju.

Struktura ATP sintaze prikazana je na dijagramu desno. Istaknut je njegov element koji rotira zbog prolaska protona ljubičasta, a pokretna slika ispod prikazuje dijagram njegove rotacije i stvaranja ATP molekula. Enzim radi gotovo kao molekularni motor, pretvarajući se elektrokemijski energija struje protona u mehanička energija trenje dva skupa proteina jedan o drugi: rotirajuća "noga" trlja se o nepokretne proteine ​​"klobuka gljive", dok podjedinice "klobuka gljive" mijenjaju svoj oblik. Ova mehanička deformacija prelazi u energija kemijskih veza tijekom sinteze ATP-a, kada se molekule ADP-a i fosfata obrađuju i razvijaju na način potreban za stvaranje kovalentne veze između njih.

Svaka ATP sintetaza sposobna je sintetizirati do 100 ATP molekula u sekundi, a za svaku sintetiziranu ATP molekulu kroz sintetazu moraju proći oko tri protona. Većina ATP-a sintetiziranog u stanicama nastaje upravo na ovaj način, a samo mali dio rezultat je primarne obrade molekula hrane koja se odvija izvan mitohondrija.

U bilo kojem trenutku tipična živa stanica sadrži približno milijardu ATP molekula. U mnogim se stanicama sav taj ATP zamjenjuje (tj. koristi se i ponovno stvara) svake 1-2 minute. Prosječna osoba u mirovanju svaka 24 sata koristi masu ATP-a približno jednaku njegovoj vlastitoj masi.

Sve u svemu, gotovo polovica energije koja se oslobađa oksidacijom glukoze ili masnih kiselina u ugljikov dioksid i vode, hvata se i koristi za energetski nepovoljnu reakciju stvaranja ATP-a iz ADP-a i fosfata. Faktor učinkovitosti od 50% je vrlo dobar; na primjer, motor automobila koristi samo 20% energije sadržane u gorivu za koristan rad. Pritom se ostatak energije u oba slučaja raspršuje u obliku topline, a kao i kod nekih automobila, životinje stalno troše taj višak (iako ne u potpunosti, naravno) za zagrijavanje tijela. Tijekom ovdje spomenutih reakcija, jedna molekula glukoze, postupno razgrađena na ugljični dioksid i vodu, opskrbljuje stanicu s 30 molekula ATP-a.

Dakle, sve je više-manje jasno o tome odakle dolazi energija i kako se točno skladišti u ATP-u. Ostaje razumjeti kako se točno pohranjena energija oslobađa i što se događa na molekularno-atomskoj razini.

Kovalentna veza nastala između ADP i fosfata naziva se visoka energija iz dva razloga:

• kada se razbije, oslobađa se mnogo energije
• elektroni koji sudjeluju u stvaranju ove veze (to jest, rotiraju oko atoma kisika i fosfora između kojih se ova veza stvara) su visoke energije, odnosno nalaze se u "visokim" orbitama oko atomskih jezgri. I bilo bi energetski korisno za njih da skoče na nižu razinu, oslobađajući višak energije, ali sve dok su upravo na ovom mjestu, držeći zajedno atome kisika i fosfora, neće biti moguće “skočiti”.

Ova želja elektrona da padnu u pogodniju niskoenergetsku orbitu osigurava i lakoću razaranja visokoenergetske veze i energiju koja se oslobađa u obliku fotona (koji je nositelj elektromagnetske interakcije). Ovisno o tome koje su molekule zamijenjene enzimima za molekulu ATP-a koja kolabira i koja određena molekula apsorbira foton koji emitira elektron, mogu se dogoditi različite verzije događaja. Ali svaki put energija pohranjena u obliku visokoenergetske veze iskoristit će se za neke potrebe stanice:

Scenarij 1: fosfat se može prenijeti na molekulu druge tvari. U ovom slučaju, elektroni visoke energije stvaraju novu vezu, ovaj put između fosfata i najudaljenijeg atoma ove molekule primatelja. Uvjet da se takva reakcija dogodi je njezina energetska korist: u ovoj novoj vezi elektron mora imati nešto manje energije nego kad je bio dio molekule ATP-a, emitirajući dio energije u obliku fotona van.

Svrha takve reakcije je aktiviranje molekule receptora (u dijagramu lijevo je naznačeno U-OH): prije dodatka fosfata bio je pasivan i nije mogao reagirati s drugom pasivnom molekulom A, ali sada ima rezervu energije u obliku visokoenergetskog elektrona, što znači da je može negdje potrošiti. Na primjer, pričvrstiti molekulu na sebe A, što je nemoguće pričvrstiti bez takve finte ušima (odnosno velike energije spojnog elektrona). Fosfat se zatim odvoji, obavivši svoj posao.

To rezultira sljedećim lancem reakcija:

1. ATP+ pasivna molekula U ➡️ ADF+ molekula aktivna zbog vezanog fosfata V-R

2. aktivirana molekula V-R+ pasivna molekula A➡️povezane molekule A-B+ odcijepljeni fosfat ( R)

Obje su ove reakcije energetski povoljne: svaka od njih uključuje vezni elektron visoke energije koji, kada se jedna veza uništi i izgradi druga, gubi dio svoje energije u obliku emisije fotona. Kao rezultat ovih reakcija spojile su se dvije pasivne molekule. Ako uzmemo u obzir reakciju izravnog povezivanja ovih molekula (pasivna molekula U+ pasivna molekula A➡️povezane molekule A-B), onda ispada da troši energiju i ne može se dogoditi. Stanice "čine nemoguće" spajanjem ove reakcije s energetski povoljnom reakcijom cijepanja ATP-a na ADP i fosfat tijekom dvije gore opisane reakcije. Odvajanje se odvija u dvije faze, pri čemu se u svakoj od njih dio energije veznog elektrona troši na obavljanje korisnog rada, odnosno na stvaranje potrebnih veza između dviju molekula, od kojih se dobiva treća ( A-B), neophodna za funkcioniranje stanice.

Scenarij 2: fosfat se može simultano odvojiti od molekule ATP-a, a oslobođenu energiju hvata enzim ili radni protein i troši na obavljanje korisnog rada.

Kako možete otkriti nešto tako neprimjetno kao što je sićušni poremećaj u elektromagnetskom polju kada elektron padne u nižu orbitu? Vrlo je jednostavno: uz pomoć drugih elektrona i uz pomoć atoma sposobnih apsorbirati foton koji otpušta elektron.

Atomi koji sačinjavaju molekule drže se zajedno u jakim lancima i prstenovima (takav lanac je predstavljen razmotanim proteinom na slici desno). A pojedini dijelovi tih molekula međusobno se privlače slabijim elektromagnetskim interakcijama (primjerice, vodikovim vezama ili van der Waalsovim silama), što im omogućuje da se formiraju u složene strukture. Neke od ovih atomskih konfiguracija su vrlo stabilne, i nikakav poremećaj elektromagnetskog polja ih neće poljuljati... neće ih poljuljati... općenito su stabilne. A neke su dosta pokretljive i dovoljan im je lagani elektromagnetski udarac da promijene konfiguraciju (obično to nisu kovalentne veze). A upravo im taj udarac zadaje isti pristigli foton-nosač elektromagnetskog polja, emitiran od strane elektrona koji se pri odvajanju fosfata pomaknuo na nižu orbitu.

Promjene u konfiguraciji proteina kao rezultat razgradnje ATP molekula odgovorne su za najčudesnije događaje koji se događaju u stanici. Sigurno su oni koje stanični procesi zanimaju barem na razini "Gledat ću njihovu animaciju na YouTubeu" naišli na video koji prikazuje molekulu proteina kinezin, doslovno hodajući, pomičući noge, duž niti staničnog kostura, vukući teret pričvršćen za sebe.

Apstrakcija fosfata iz ATP-a osigurava ovaj korak, a evo kako:

kinezin ( kinezin) odnosi se na posebnu vrstu proteina koji imaju tendenciju spontane promjene svoje konformacija(međusobni položaj atoma u molekuli). Ostavljen sam, nasumično prelazi iz konformacije 1, u kojoj je jednim "nogom" pričvršćen za aktinski filament ( aktinski filament) - sama končić, formiranje citoskelet stanice ( citoskelet), u konformaciju 2, čineći korak naprijed i stojeći na dvije „noge“. Iz konformacije 2 jednako je vjerojatno da će prijeći i u konformaciju 3 (stavlja stražnju nogu prema naprijed) i natrag u konformaciju 1. Stoga se kinezin ne kreće ni u jednom smjeru, on jednostavno besciljno luta.

Ali sve se mijenja čim se poveže s molekulom ATP-a. Kao što je prikazano na dijagramu lijevo, dodavanje ATP-a kinezinu, koji je u konformaciji 1, dovodi do promjene njegovog prostornog položaja i on prelazi u konformaciju 2. Razlog tome je međusobni elektromagnetski utjecaj ATP-a i kinezina molekule jedna na drugu. Ova reakcija je reverzibilna jer nije potrošena nikakva energija, a ako se ATP odvoji od kinezina, on će jednostavno podići svoju "nogu", ostajući na mjestu, i čekati sljedeću molekulu ATP-a.

Ali ako se zadržava, tada zbog međusobnog privlačenja ovih molekula, veza koja drži fosfat unutar ATP-a se uništava. Energija koja se pritom oslobađa, kao i razgradnja ATP-a na dvije molekule (koje svojim elektromagnetskim poljima različito utječu na atome kinezina) dovode do toga da se konformacija kinezina mijenja: on "vuče stražnju nogu". Ostaje napraviti korak naprijed, što se događa kada se ADP i fosfat odvoje, vraćajući kinezin u njegovu izvornu konformaciju 1.

Kao rezultat hidrolize ATP-a, kinezin se pomiče udesno, a čim mu se pridruži sljedeća molekula, napravit će još nekoliko koraka, koristeći energiju pohranjenu u sebi.

Važno je da se kinezin, koji je u konformaciji 3 s vezanim ADP-om i fosfatom, ne može vratiti u konformaciju 2, čineći "korak unatrag". To se objašnjava istim principom usklađenosti s drugim zakonom termoregulacije: prijelaz sustava "kinezin + ATP" iz konformacije 2 u konformaciju 3 popraćen je oslobađanjem energije, što znači da će obrnuti prijelaz trošiti energiju . Da bi se to dogodilo, morate odnekud dobiti energiju za spajanje ADP-a s fosfatom, ali u ovoj situaciji nema je odakle dobiti. Dakle, kinezin povezan s ATP-om ima put otvoren samo u jednom smjeru, što mu omogućuje da obavlja koristan posao povlačeći nešto s jednog kraja stanice na drugi. Kinezin je, na primjer, uključen u razdvajanje kromosoma stanice koja se dijeli tijekom mitoza(proces diobe eukariotskih stanica). A mišićni protein miozin prolazi duž aktinskih filamenata, uzrokujući kontrakciju mišića.

Ovo kretanje može biti vrlo brzo: neki motor(odgovorni za različite oblike stanične pokretljivosti) proteini uključeni u replikaciju gena jure duž DNA lanca brzinom od tisuća nukleotida u sekundi.

Svi prolaze hidroliza ATP (razaranje molekule uz dodavanje atoma uzetih iz molekule vode u nastale manje molekule. Hidroliza je prikazana na desnoj strani dijagrama međupretvorbe ATP-a i ADP-a). Ili zbog hidrolize GTF, koji se od ATP-a razlikuje samo po tome što sadrži još jedan nukleotid (guanin).

Scenarij 3: cijepanje dviju fosfatnih skupina iz ATP-a ili druge slične molekule koja sadrži nukleotid odjednom dovodi do još većeg oslobađanja energije nego kada se cijepa samo jedan fosfat. Takvo snažno oslobađanje omogućuje stvaranje snažne šećerno-fosfatne okosnice molekula DNA i RNA:

1. Kako bi se nukleotidi mogli pridružiti lancu DNA ili RNA u izgradnji, potrebno ih je aktivirati spajanjem dviju molekula fosfata. Ovo je reakcija koja troši energiju koju provode stanični enzimi.

2. enzim DNA ili RNA polimeraza (nije prikazano na donjem dijagramu) veže aktivirani nukleotid (GTP je prikazan na dijagramu) na polinukleotid u izgradnji i katalizira cijepanje dviju fosfatnih skupina. Oslobođena energija koristi se za stvaranje veze između fosfatne skupine jednog nukleotida i riboze drugog. Veze koje nastaju kao rezultat nisu visokoenergetske, što znači da ih nije lako uništiti, što je prednost za izgradnju molekule koja sadrži ili prenosi nasljedne informacije stanice.

U prirodi se mogu spontano odvijati samo energetski povoljne reakcije, što je posljedica drugog zakona termodinamike.

Međutim, žive stanice mogu kombinirati dvije reakcije, od kojih jedna proizvodi nešto više energije nego što je druga apsorbira, te tako provoditi reakcije koje troše energiju. Reakcije koje troše energiju imaju za cilj stvaranje većih molekula, staničnih organela i cijelih stanica, tkiva, organa i višestaničnih živih bića iz pojedinačnih molekula i atoma, kao i pohranu energije za njihov metabolizam

Energija se skladišti kontroliranim i postupnim uništavanjem organskih molekula (proces proizvodnje energije), zajedno sa stvaranjem molekula koje nose energiju (proces koji troši energiju). Fotosintetski organizmi tako pohranjuju energiju sunčevih fotona koju je uhvatio klorofil.

Molekule koje nose energiju dijele se u dvije skupine: one koje pohranjuju energiju u obliku visokoenergetske veze ili u obliku vezanog visokoenergetskog elektrona. Međutim, u prvoj skupini visoku energiju osigurava isti elektron visoke energije, tako da možemo reći da je energija pohranjena u elektronima koji se pokreću na visoku razinu, a nalaze se u različitim molekulama

Energija pohranjena na ovaj način također se oslobađa na dva načina: kidanjem visokoenergetske veze ili prijenosom visokoenergetskih elektrona kako bi se postupno smanjila njihova energija. U oba slučaja energija se oslobađa u obliku emisije elektrona koji se kreće na nižu energetsku razinu čestice koja nosi elektromagnetsko polje (foton) i toplinu. Ovaj foton je uhvaćen na takav način da je savršen koristan rad(formiranje molekule potrebne za metabolizam u prvom slučaju i pumpanje protona kroz membranu mitohondrija u drugom)

Energija pohranjena u protonskom gradijentu koristi se za sintezu ATP-a, kao i za druge stanične procese koji su ostavljeni izvan opsega ovog poglavlja (mislim da nitko nije uvrijeđen, s obzirom na njegovu veličinu). A sintetizirani ATP koristi se kao što je opisano u prethodnom paragrafu.

Svi živi organizmi, osim virusa, izgrađeni su od stanica. Oni osiguravaju sve procese potrebne za život biljke ili životinje. Sama stanica može biti zaseban organizam. I kako tako složena struktura može živjeti bez energije? Naravno da nije. Pa kako stanice dobivaju energiju? Temelji se na procesima koje ćemo razmotriti u nastavku.

Opskrba stanica energijom: kako se to događa?

Nekoliko stanica dobiva energiju izvana; one je same proizvode. imaju jedinstvene "stanice". A izvor energije u stanici je mitohondrij, organela koja je proizvodi. U njemu se odvija proces staničnog disanja. Zbog njega se stanice opskrbljuju energijom. Međutim, prisutni su samo u biljkama, životinjama i gljivama. Bakterijske stanice nemaju mitohondrije. Stoga se njihove stanice energijom opskrbljuju uglavnom procesima fermentacije, a ne disanjem.

Građa mitohondrija

Ovo je organela s dvostrukom membranom koja se pojavila u eukariotskoj stanici tijekom procesa evolucije kao rezultat njezine apsorpcije manje. Time se može objasniti činjenica da mitohondriji sadrže vlastitu DNA i RNA, kao i mitohondrijske ribosome koji proizvode. proteini neophodni za organele.

Unutarnja membrana ima izbočine koje se nazivaju kriste ili grebeni. Na kristama se odvija proces staničnog disanja.

Ono što se nalazi unutar dviju membrana naziva se matrica. Sadrži proteine, enzime potrebne za ubrzavanje kemijskih reakcija, kao i RNA, DNA i ribosome.

Stanično disanje je osnova života

Odvija se u tri faze. Pogledajmo svaki od njih detaljnije.

Prva faza je pripremna

Tijekom ove faze složeni organski spojevi razgrađuju se na jednostavnije. Tako se proteini razgrađuju na aminokiseline, masti na karboksilne kiseline i glicerol, nukleinske kiseline na nukleotide, a ugljikohidrati na glukozu.

Glikoliza

Ovo je faza bez kisika. Leži u činjenici da se tvari dobivene tijekom prve faze dalje razgrađuju. Glavni izvori energije koje stanica koristi u ovoj fazi su molekule glukoze. Svaki od njih se tijekom glikolize razgrađuje u dvije molekule piruvata. To se događa tijekom deset uzastopnih kemijskih reakcija. Kao rezultat prvih pet, glukoza se fosforilira i zatim dijeli u dvije fosfotrioze. Sljedećih pet reakcija proizvodi dvije molekule i dvije molekule PVA (pirogrožđane kiseline). Energija stanice pohranjena je u obliku ATP-a.

Cijeli proces glikolize može se pojednostaviti na sljedeći način:

2NAD+ 2ADP + 2H 3 PO 4 + C 6 H 12 O 6 → 2H20 + 2NAD. H2 + 2C3H4O3 + 2ATP

Dakle, korištenjem jedne molekule glukoze, dvije molekule ADP-a i dvije fosforne kiseline stanica dobiva dvije molekule ATP-a (energije) i dvije molekule pirogrožđane kiseline koje će iskoristiti u sljedećem koraku.

Treća faza je oksidacija

Ovaj stadij se javlja samo u prisutnosti kisika. Kemijske reakcije ove faze odvijaju se u mitohondrijima. Ovo je glavni dio tijekom kojeg se oslobađa najviše energije. U ovoj fazi, reagirajući s kisikom, razgrađuje se na vodu i ugljični dioksid. Uz to nastaje 36 molekula ATP-a. Dakle, možemo zaključiti da su glavni izvori energije u stanici glukoza i pirogrožđana kiselina.

Saževši sve kemijske reakcije i izostavivši detalje, cijeli proces staničnog disanja možemo izraziti jednom pojednostavljenom jednadžbom:

6O 2 + C 6 H 12 O 6 + 38 ADP + 38 H 3 PO 4 → 6CO2 + 6H2O + 38ATP.

Tako tijekom disanja od jedne molekule glukoze, šest molekula kisika, trideset osam molekula ADP-a i isto toliko fosforne kiseline stanica prima 38 molekula ATP-a u čijem se obliku pohranjuje energija.

Raznolikost mitohondrijskih enzima

Stanica dobiva energiju za vitalnu aktivnost disanjem - oksidacijom glukoze, a zatim pirogrožđane kiseline. Sve te kemijske reakcije ne bi se mogle odvijati bez enzima – bioloških katalizatora. Pogledajmo one koje se nalaze u mitohondrijima, organelama odgovornim za stanično disanje. Sve se one nazivaju oksidoreduktaze jer su potrebne za odvijanje redoks reakcija.

Sve oksidoreduktaze mogu se podijeliti u dvije skupine:

• oksidaze;
• dehidrogenaza;

Dehidrogenaze se pak dijele na aerobne i anaerobne. Aerobne sadrže koenzim riboflavin koji tijelo dobiva iz vitamina B2. Aerobne dehidrogenaze sadrže NAD i NADP molekule kao koenzime.

Oksidaze su raznolikije. Prije svega, podijeljeni su u dvije skupine:

• oni koji sadrže bakar;
• onih koji sadrže željezo.

Prvi uključuju polifenoloksidaze i askorbat oksidaze, drugi uključuju katalazu, peroksidazu i citokrome. Potonji su pak podijeljeni u četiri skupine:

• citokromi a;
• citokromi b;
• citokromi c;
• citokromi d.

Citokromi a sadrže željezo formil porfirin, citokromi b - željezo protoporfirin, c - supstituirani željezo mezoporfirin, d - željezo dihidroporfirin.

Postoje li drugi načini dobivanja energije?

Iako ga većina stanica dobiva staničnim disanjem, postoje i anaerobne bakterije kojima za postojanje nije potreban kisik. Oni proizvode potrebnu energiju fermentacijom. To je proces tijekom kojeg se uz pomoć enzima ugljikohidrati razgrađuju bez sudjelovanja kisika, uslijed čega stanica dobiva energiju. Postoji nekoliko vrsta fermentacije ovisno o konačnom produktu kemijske reakcije. Može biti mliječna kiselina, alkoholna, maslačna kiselina, aceton-butan, limunska kiselina.

Na primjer, razmotrite da se može izraziti sljedećom jednadžbom:

C6H1206 → C2H5OH + 2CO2

Odnosno, bakterija razgrađuje jednu molekulu glukoze na jednu molekulu etilnog alkohola i dvije molekule ugljičnog oksida (IV).

Ekologija potrošnje Znanost i tehnologija: Jedan od glavnih problema alternativne energije je neravnomjernost njezine opskrbe iz obnovljivih izvora. Pogledajmo kako se vrste energije mogu pohraniti (iako ćemo za praktičnu upotrebu tada trebati pretvoriti akumuliranu energiju u električnu energiju ili toplinu).

Jedan od glavnih problema alternativne energije je neujednačenost njezine opskrbe iz obnovljivih izvora. Sunce sija samo danju, a za vremena bez oblaka vjetar ili puše ili jenjava. A potreba za električnom energijom nije stalna, npr. za rasvjetu je potrebno manje danju, a više navečer. I ljudi vole kada su gradovi i sela noću preplavljeni iluminacijama. Pa, ili su barem ulice samo osvijetljene. Stoga se nameće zadatak - neko vrijeme čuvati primljenu energiju kako bi je iskoristili kada je potreba za njom najveća, a zaliha nedovoljna.

Postoji 6 glavnih vrsta energije: gravitacijska, mehanička, toplinska, kemijska, elektromagnetska i nuklearna. Do sada je čovječanstvo naučilo stvarati umjetne baterije za prvih pet vrsta energije (dobro, osim činjenice da su postojeće rezerve nuklearnog goriva umjetnog podrijetla). Dakle, pogledajmo kako se svaka od ovih vrsta energije može akumulirati i skladištiti (iako ćemo za praktičnu upotrebu morati pretvoriti akumuliranu energiju u električnu energiju ili toplinu).

Uređaji za pohranu gravitacijske energije

U akumulatorima ove vrste, u fazi akumulacije energije, opterećenje se diže prema gore, akumulirajući potencijalnu energiju, au pravom trenutku pada natrag, vraćajući tu energiju u korist. Korištenje krutih tvari ili tekućina kao opterećenja donosi vlastite karakteristike dizajnu svake vrste. Srednji položaj između njih zauzima uporaba rasutih tvari (pijesak, olovna sačma, male čelične kuglice itd.).

Gravitacijski uređaji za pohranu energije u čvrstom stanju

Bit gravitacijskih mehaničkih spremnika je da se određeni teret podigne na visinu i otpusti u pravom trenutku, uzrokujući rotaciju osi generatora usput. Primjer implementacije ove metode skladištenja energije je uređaj koji je predložila kalifornijska tvrtka Advanced Rail Energy Storage (ARES). Ideja je jednostavna: dok solarne ploče a vjetroturbine proizvode dosta energije; posebni teški automobili voze se na planinu uz pomoć električnih motora. Noću i navečer, kada su izvori energije nedostatni za opskrbu potrošača, kola se gase, a motori, koji rade kao generatori, akumuliranu energiju vraćaju natrag u mrežu.

Gotovo svi mehanički pogoni ove klase imaju vrlo jednostavan dizajn, a time i visoku pouzdanost i dug životni vijek. Vrijeme skladištenja jednom pohranjene energije praktički je neograničeno, osim ako se opterećenje i konstrukcijski elementi ne raspadnu tijekom vremena zbog starenja ili korozije.

Energija pohranjena prilikom podizanja krutih tvari može se osloboditi u vrlo kratkom vremenu. Jedino ograničenje snage koju primaju takvi uređaji je gravitacijsko ubrzanje, koje određuje maksimalnu stopu povećanja brzine tereta koji pada.

Nažalost, specifični energetski intenzitet takvih uređaja je nizak i određuje se klasičnom formulom E = m · g · h. Dakle, da biste pohranili energiju za zagrijavanje 1 litre vode s 20°C na 100°C, trebate podići tonu tereta na visinu od najmanje 35 metara (ili 10 tona na 3,5 metra). Stoga, kada se pojavi potreba za pohranjivanjem više energije, to odmah dovodi do potrebe za stvaranjem glomaznih i, kao neizbježna posljedica, skupih struktura.

Nedostatak takvih sustava je i to što staza po kojoj se kreće teret mora biti slobodna i prilično ravna, a također je potrebno isključiti mogućnost da stvari, ljudi i životinje slučajno uđu u ovo područje.

Gravitacijsko skladištenje fluida

Za razliku od čvrstih opterećenja, kada se koriste tekućine, nema potrebe za stvaranjem ravnih osovina velikog poprečnog presjeka za cijelu visinu dizanja - tekućina se također dobro kreće kroz zakrivljene cijevi, čiji presjek bi trebao biti dovoljan samo za maksimalnu konstrukciju protok da prođe kroz njih. Stoga gornji i donji spremnik ne moraju nužno biti smješteni jedan ispod drugog, već mogu biti razmaknuti na dovoljno velikoj udaljenosti.

Crpno-akumulacijske elektrane (PSPP) pripadaju ovoj klasi.

Postoje i manji hidraulički gravitacijski uređaji za pohranu energije. Prvo ispumpamo 10 tona vode iz podzemnog rezervoara (bunara) u spremnik na tornju. Zatim voda iz spremnika teče natrag u spremnik pod utjecajem gravitacije, okrećući turbinu s električnim generatorom. Životni vijek takvog pogona može biti 20 godina ili više. Prednosti: kada se koristi vjetromotor, potonji može izravno pokretati vodenu pumpu; voda iz spremnika na tornju može se koristiti za druge potrebe.

Nažalost, hidrauličke sustave teže je održavati u ispravnom tehničkom stanju od onih u čvrstom stanju - prije svega, to se odnosi na nepropusnost spremnika i cjevovoda i ispravnost opreme za zatvaranje i pumpanje. I jos nesto važan uvjet- u trenucima akumulacije i korištenja energije radni fluid (barem njegov prilično veliki dio) mora biti u tekućem agregatnom stanju, a ne u obliku leda ili pare. Ali ponekad je u takvim spremnicima moguće dobiti dodatnu besplatnu energiju, recimo, pri dopunjavanju gornjeg rezervoara otopljenom ili kišnicom.

Mehanički uređaji za pohranu energije

Mehanička energija se očituje tijekom međudjelovanja i kretanja pojedinih tijela ili njihovih čestica. Obuhvaća kinetičku energiju gibanja ili rotacije tijela, energiju deformacije pri savijanju, rastezanju, uvijanju, stiskanju elastičnih tijela (opruga).

Žiroskopski uređaji za pohranu energije

U žiroskopskim uređajima za pohranu energija se pohranjuje u obliku kinetičke energije iz brzo rotirajućeg zamašnjaka. Specifična energija pohranjena po kilogramu težine zamašnjaka značajno je veća od one koja se može pohraniti u kilogramu statičkog tereta, čak i kada se podigne na veliku visinu, a najnovija dostignuća visoke tehnologije obećavaju gustoću akumulirane energije usporedivu s rezervom kemijska energija po jedinici mase od najviše učinkovite vrste kemijsko gorivo.

Još jedna velika prednost zamašnjaka je sposobnost brzog isporučivanja ili primanja vrlo velike snage, ograničene samo čvrstoćom materijala u slučaju mehaničkog prijenosa ili “ propusnost» električni, pneumatski ili hidraulički prijenosi.

Nažalost, zamašnjaci su osjetljivi na udarce i rotaciju u ravninama koje nisu ravnine rotacije, budući da to stvara ogromna žiroskopska opterećenja koja teže savijanju osovine. Osim toga, vrijeme skladištenja energije koju akumulira zamašnjak je relativno kratko i za tradicionalne dizajne obično se kreće od nekoliko sekundi do nekoliko sati. Nadalje, gubici energije zbog trenja postaju previše vidljivi... Međutim, moderne tehnologije omogućuju vam dramatično povećanje vremena skladištenja - do nekoliko mjeseci.

Konačno, još jedan neugodan trenutak - energija koju pohranjuje zamašnjak izravno ovisi o njegovoj brzini vrtnje, stoga, kako se energija akumulira ili oslobađa, brzina vrtnje se stalno mijenja. U isto vrijeme, opterećenje vrlo često zahtijeva stabilnu brzinu rotacije koja ne prelazi nekoliko tisuća okretaja u minuti. Iz tog razloga, čisto mehanički sustavi za prijenos snage na i sa zamašnjaka mogu biti presloženi za proizvodnju. Ponekad elektromehanički prijenos koji koristi motor-generator postavljen na istu osovinu sa zamašnjakom ili povezan s njim pomoću krutog mjenjača može pojednostaviti situaciju. Ali tada su neizbježni gubici energije zbog zagrijavanja žica i namota, koji kod dobrih varijatora mogu biti puno veći od gubitaka zbog trenja i klizanja.

Posebno obećavajući su takozvani superzamašnjaci, koji se sastoje od zavoja čelične trake, žice ili sintetičkih vlakana visoke čvrstoće. Zavoj može biti gust, ili može imati posebno ostavljen prazan prostor. U potonjem slučaju, dok se zamašnjak odmotava, zavojnice vrpce pomiču se od središta prema periferiji rotacije, mijenjajući moment inercije zamašnjaka, a ako je vrpca opterećena oprugom, tada pohranjuje dio energije u energija elastične deformacije opruge. Kao rezultat toga, u takvim zamašnjacima brzina vrtnje nije tako izravno povezana s akumuliranom energijom i mnogo je stabilnija nego u najjednostavnijim čvrstim konstrukcijama, a njihov energetski intenzitet je osjetno veći.

Osim većeg energetskog intenziteta, oni su sigurniji u slučaju raznih nesreća, jer za razliku od fragmenata velikog monolitnog zamašnjaka, koji se po svojoj energiji i razornoj moći mogu usporediti s topovskim zrnama, krhotine opruge imaju mnogo manju “štetnu moć” i obično prilično učinkovito usporavaju puknuti zamašnjak zbog trenja o stijenke kućišta. Iz istog razloga, moderni čvrsti zamašnjaci, dizajnirani za rad u uvjetima blizu granice čvrstoće materijala, često nisu monolitni, već tkani od kabela ili vlakana impregniranih vezivom.

Suvremeni dizajni s vakuumskom rotacijskom komorom i magnetskim ovjesom superzamašnjaka izrađenog od kevlarskih vlakana osiguravaju pohranjenu gustoću energije veću od 5 MJ/kg, te mogu pohraniti kinetičku energiju tjednima i mjesecima. Prema optimističnim procjenama, korištenje ultra-čvrstog "superkarbonskog" vlakna za namotavanje omogućit će višestruko povećanje brzine rotacije i specifične gustoće pohranjene energije - do 2-3 GJ/kg (obećavaju da će jedan spin takvog zamašnjak težine 100-150 kg bit će dovoljan za kilometražu od milijun kilometara ili više, tj. za gotovo cijeli životni vijek automobila!). No, cijena ovog vlakna još uvijek je višestruko veća od cijene zlata, pa si ni arapski šeici ne mogu priuštiti takve strojeve... Više o pogonima na zamašnjaku možete pročitati u knjizi Nurbey Gulia.

Žiro-rezonantni uređaji za pohranu energije

Ovi pogoni su isti zamašnjak, ali izrađeni od elastičnog materijala (na primjer, gume). Kao rezultat toga, stječe temeljno nova svojstva. Kako se brzina povećava, na takvom zamašnjaku počinju se stvarati “izrasline” - “latice” - prvo se pretvara u elipsu, zatim u “cvijet” s tri, četiri ili više “latica”... Štoviše, nakon formiranja “latica” počinje, brzina vrtnje zamašnjaka se već praktički ne mijenja, a energija se pohranjuje u rezonantnom valu elastične deformacije materijala zamašnjaka, koji oblikuje te “latice”.

N. Z. Garmash bavio se takvim konstrukcijama krajem 1970-ih i početkom 1980-ih u Donjecku. Rezultati koje je dobio su impresivni - prema njegovim procjenama, uz brzinu rada zamašnjaka od samo 7-8 tisuća okretaja u minuti, pohranjena energija bila je dovoljna da automobil prijeđe 1500 km naspram 30 km s konvencionalnim zamašnjakom iste veličine. Nažalost, novije informacije o ovoj vrsti pogona nisu poznate.

Mehaničko skladištenje pomoću elastičnih sila

Ova klasa uređaja ima vrlo veliki specifični kapacitet pohrane energije. Ako je potrebno zadržati male dimenzije (nekoliko centimetara), njegov je energetski intenzitet najveći među mehaničkim pogonima. Ako zahtjevi za karakteristike težine i veličine nisu toliko strogi, tada ga veliki ultra-brzi zamašnjaci nadmašuju u energetskom intenzitetu, ali su mnogo osjetljiviji na vanjske čimbenike i imaju puno kraće vrijeme skladištenja energije.

Opružno mehaničko skladištenje

Kompresija i ispravljanje opruge može osigurati vrlo veliki protok i opskrbu energijom po jedinici vremena - možda najveću mehaničku snagu među svim vrstama uređaja za pohranu energije. Kao i kod zamašnjaka, ono je ograničeno samo ograničenjem čvrstoće materijala, ali opruge obično izravno provode radno translatorno kretanje, a kod zamašnjaka se ne može bez prilično složenog prijenosa (nije slučajno da pneumatsko oružje koristi ili mehaničke glavne opruge ili plinske patrone, koje su po svojoj prirodi prije pojave vatrenog oružja korištene i opružne opruge, za borbu na daljinu - lukovi i samostreli, koji su davno prije nove ere u potpunosti zamijenili praćku; sa svojom kinetičkom akumulacijom energije u profesionalnim postrojbama).

Razdoblje skladištenja akumulirane energije u komprimiranoj opruzi može biti mnogo godina. Međutim, treba uzeti u obzir da pod utjecajem stalne deformacije svaki materijal s vremenom akumulira zamor, a kristalna rešetka metala opruge postupno se mijenja, a što su veća unutarnja naprezanja i viša temperatura okoline, prije i u većoj mjeri to će se dogoditi. Stoga, nakon nekoliko desetljeća, komprimirana opruga, bez promjene izgleda, može se pokazati potpuno ili djelomično "ispražnjena". Međutim, visokokvalitetne čelične opruge, ako nisu podvrgnute pregrijavanju ili hipotermiji, mogu raditi stoljećima bez vidljivog gubitka kapaciteta. Primjerice, antikni mehanički zidni sat s jednim kompletnim navijanjem još uvijek radi dva tjedna - baš kao i kad je napravljen prije više od pola stoljeća.

Ako je potrebno postupno ravnomjerno "puniti" i "prazniti" oprugu, mehanizam koji to osigurava može se pokazati vrlo složenim i hirovitim (pogledajte isti mehanički sat - zapravo, mnogi zupčanici i drugi dijelovi služe upravo tome svrha). Elektromehanički prijenos može pojednostaviti situaciju, ali obično nameće značajna ograničenja na trenutnu snagu takvog uređaja, a pri radu s malim snagama (nekoliko stotina vata ili manje), njegova učinkovitost je preniska. Poseban zadatak je akumulacija maksimalne energije u minimalnom volumenu, jer se time stvaraju mehanička naprezanja bliska vlačnoj čvrstoći korištenih materijala, što zahtijeva posebno pažljive proračune i besprijekornu izradu.

Kada govorimo o oprugama, ovdje morate imati na umu ne samo metalne, već i druge elastične čvrste elemente. Najčešći među njima su gumene trake. Usput, u smislu pohranjene energije po jedinici mase, guma premašuje čelik desetke puta, ali služi otprilike isto toliko puta manje, a za razliku od čelika, gubi svoja svojstva nakon nekoliko godina čak i bez aktivne uporabe i pod idealni vanjski uvjeti.uvjeti – zbog relativno brzog kemijskog starenja i degradacije materijala.

Plinski mehanički akumulatori

U ovoj klasi uređaja energija se akumulira zahvaljujući elastičnosti stlačenog plina. Kada postoji višak energije, kompresor pumpa plin u cilindar. Kada je potrebno iskoristiti pohranjenu energiju, stlačeni plin se dovodi u turbinu, koja izravno obavlja potrebni mehanički rad ili okreće električni generator. Umjesto turbine možete koristiti klipni motor, koji je učinkovitiji pri maloj snazi ​​(usput, postoje i motori s reverzibilnim klipnim kompresorom).

Gotovo svaki moderni industrijski kompresor opremljen je sličnom baterijom - prijemnikom. Istina, tlak tamo rijetko prelazi 10 atm, pa stoga rezerva energije u takvom prijemniku nije velika, ali to vam obično omogućuje da nekoliko puta povećate vijek trajanja instalacije i uštedite energiju.

Plin stlačen na tlak od desetaka i stotina atmosfera može osigurati dovoljno visoku specifičnu gustoću pohranjene energije gotovo neograničeno vrijeme (mjeseci, godine, a uz kvalitetan prijemnik i zaporni ventili- desetljećima, - nije uzalud pneumatsko oružje koje koristi patrone sa stlačenim plinom postalo toliko rašireno). Međutim, kompresor s turbinom ili klipnim motorom uključenim u instalaciju prilično su složeni, kapriciozni uređaji i imaju vrlo ograničen resurs.

Obećavajuća tehnologija za stvaranje rezervi energije je komprimiranje zraka korištenjem raspoložive energije u vrijeme kada za potonjom nema neposredne potrebe. Komprimirani zrak se hladi i skladišti pod tlakom od 60-70 atmosfera. Ako je potrebno potrošiti pohranjenu energiju, zrak se izvlači iz spremnika, zagrijava, a zatim ulazi u posebnu plinsku turbinu, gdje energija komprimiranog i zagrijanog zraka okreće stupnjeve turbine, čija je osovina spojen na električni generator koji opskrbljuje električnom energijom elektroenergetski sustav.

Za skladištenje komprimiranog zraka predlaže se, na primjer, korištenje odgovarajućih rudnika ili posebno napravljenih podzemnih spremnika u slanim stijenama. Koncept nije nov, skladištenje komprimiranog zraka u podzemnoj špilji patentirano je još 1948. godine, a prvo postrojenje za pohranu energije komprimiranog zraka (CAES) kapaciteta 290 MW radi u elektrani Huntorf u Njemačkoj od 1978. godine. U fazi kompresije zraka veliki broj energija se gubi kao toplina. Ova izgubljena energija se mora nadoknaditi komprimirani zrak prije stupnja ekspanzije u plinskoj turbini, u tu svrhu koristi se ugljikovodikovo gorivo, kojim se povećava temperatura zraka. To znači da su instalacije daleko od 100% učinkovite.

postoji obećavajući pravac poboljšati učinkovitost CAES-a. Sastoji se od zadržavanja i očuvanja topline nastale tijekom rada kompresora u fazi kompresije i hlađenja zraka, uz njezino naknadno ponovno korištenje pri zagrijavanju hladnog zraka (tzv. rekuperacija). Međutim, ova CAES opcija ima značajne tehničke poteškoće, posebno u stvaranju dugoročnog sustava za pohranu topline. Ako se ovi problemi riješe, AA-CAES (Advanced Adiabatic-CAES) bi mogao utrti put velikim sustavima za pohranu energije, što je problem koji su pokrenuli istraživači diljem svijeta.

Sudionici kanadskog startupa Hydrostor predložili su još jedno neobično rješenje - pumpanje energije u podvodne mjehuriće.

Spremište toplinske energije

U našim klimatskim uvjetima, vrlo značajan (često glavni) dio potrošene energije troši se na grijanje. Stoga bi bilo vrlo zgodno izravno akumulirati toplinu u uređaju za pohranu i zatim je primiti natrag. Nažalost, u većini slučajeva gustoća pohranjene energije je vrlo mala, a vrijeme njenog skladištenja vrlo ograničeno.

Postoje akumulatori topline s čvrstim ili taljivim materijalom za pohranu topline; tekućina; para; termokemijski; s električnim grijaćim elementom. Akumulatori topline mogu se spojiti na sustav s kotlom na kruta goriva, solarni sustav ili kombinirani sustav.

Spremanje energije zbog toplinskog kapaciteta

U akumulatorima ove vrste, akumulacija topline se provodi zbog toplinskog kapaciteta tvari koja služi kao radni fluid. Klasičan primjer akumulatora topline je ruska peć. Grijalo se jednom dnevno i onda je grijalo kuću 24 sata. Danas se pod akumulatorom topline najčešće podrazumijevaju spremnici za skladištenje tople vode, obložen materijalom s visokim svojstvima toplinske izolacije.

Postoje akumulatori topline na bazi čvrstih rashladnih tekućina, na primjer, u keramičkim opekama.

Različite tvari imaju različite toplinske kapacitete. Za većinu je u rasponu od 0,1 do 2 kJ/(kg K). Voda ima nenormalno visok toplinski kapacitet - njezin toplinski kapacitet u tekućoj fazi je približno 4,2 kJ/(kg K). Samo vrlo egzotičan litij ima veći toplinski kapacitet - 4,4 kJ/(kg K).

Međutim, osim specifičnog toplinskog kapaciteta (po masi), također je potrebno uzeti u obzir volumetrijski toplinski kapacitet, koji nam omogućuje da odredimo koliko je topline potrebno za promjenu temperature istog volumena različitih tvari prema isti iznos. Izračunava se iz uobičajenog specifičnog (masenog) toplinskog kapaciteta množenjem sa specifičnom gustoćom odgovarajuće tvari. Trebali biste se usredotočiti na volumetrijski toplinski kapacitet kada je volumen akumulatora topline važniji od njegove težine.

Na primjer, specifični toplinski kapacitet čelika je samo 0,46 kJ / (kg K), ali gustoća je 7800 kg / kubni m, a, recimo, polipropilen je 1,9 kJ / (kg K) - više od 4 puta više, ali njegova gustoća je samo 900 kg/cub.m. Stoga, s istim volumenom, čelik može pohraniti 2,1 puta više topline od polipropilena, iako će biti gotovo 9 puta teži. Međutim, zbog anomalno velikog toplinskog kapaciteta vode, nijedan materijal ga ne može nadmašiti u volumetrijskom toplinskom kapacitetu. Međutim, volumetrijski toplinski kapacitet željeza i njegovih legura (čelik, lijevano željezo) razlikuje se od vode za manje od 20% - u jednom kubni metar mogu pohraniti više od 3,5 MJ topline za svaki stupanj promjene temperature; volumetrijski toplinski kapacitet bakra je nešto manji - 3,48 MJ/(kubični m K). Toplinski kapacitet zraka u normalnim uvjetima iznosi otprilike 1 kJ/kg, odnosno 1,3 kJ/kubnom metru, pa je za zagrijavanje kubnog metra zraka za 1° dovoljno ohladiti nešto manje od 1/3 litre vode (naravno, toplije od zraka) za isti stupanj.

Zbog jednostavnosti uređaja (što može biti jednostavnije od nepokretnog čvrstog komada čvrste tvari ili zatvorenog rezervoara s tekućim rashladnim sredstvom?), takvi uređaji za pohranjivanje energije imaju gotovo neograničen broj ciklusa akumulacije i otpuštanja energije te vrlo dug radni vijek - za tekuće rashladne tekućine dok se tekućina ne osuši ili dok se spremnik ne ošteti od korozije ili drugih razloga, za krute materijale nema ovih ograničenja. No, vrijeme skladištenja je vrlo ograničeno i u pravilu se kreće od nekoliko sati do nekoliko dana - konvencionalna toplinska izolacija više nije sposobna duže zadržati toplinu, a specifična gustoća pohranjene energije je mala.

Na kraju treba istaknuti još jednu okolnost - za učinkovit rad nije važan samo toplinski kapacitet, već i toplinska vodljivost tvari akumulatora topline. Uz visoku toplinsku vodljivost, čak i na prilično brze promjene vanjskih uvjeta, akumulator topline će reagirati cijelom svojom masom, a time i svom pohranjenom energijom - dakle, što učinkovitije.

U slučaju loše toplinske vodljivosti, samo će površinski dio akumulatora topline imati vremena reagirati, a kratkotrajne promjene vanjskih uvjeta jednostavno neće imati vremena doprijeti do dubljih slojeva, a značajan dio takve tvari akumulator topline će zapravo biti isključen iz rada.

Polipropilen, spomenut u gore navedenom primjeru, ima toplinsku vodljivost gotovo 200 puta manju od čelika, pa stoga, unatoč prilično velikoj specifični toplinski kapacitet, ne može biti učinkovit akumulator topline. Međutim, tehnički se problem lako rješava organiziranjem posebnih kanala za cirkulaciju rashladne tekućine unutar akumulatora topline, ali očito je da takvo rješenje značajno komplicira dizajn, smanjuje njegovu pouzdanost i energetski intenzitet, te će svakako zahtijevati periodično održavanje, što je malo je vjerojatno da će biti potreban za monolitni komad tvari.

Koliko god se čudno činilo, ponekad je potrebno akumulirati i pohraniti ne toplinu, već hladnoću. U Sjedinjenim Državama već više od deset godina posluju tvrtke koje nude “akumulatore” na bazi leda za ugradnju u klima uređaje. Noću, kada struje ima u izobilju i ona se prodaje po sniženim cijenama, klima uređaj zamrzava vodu, odnosno prebacuje se na hladnjak. Danju troši nekoliko puta manje energije radeći kao ventilator. Za to vrijeme je kompresor gladan energije isključen. .

Akumulacija energije pri promjeni faznog stanja tvari

Ako pažljivo pogledate toplinske parametre različitih tvari, možete vidjeti da kada se promijeni stanje agregacije (taljenje-stvrdnjavanje, isparavanje-kondenzacija), dolazi do značajne apsorpcije ili oslobađanja energije. Za većinu tvari, toplinska energija takvih pretvorbi dovoljna je da promijeni temperaturu iste količine iste tvari za mnogo desetaka ili čak stotina stupnjeva u onim temperaturnim područjima gdje se njezino agregatno stanje ne mijenja. Ali, kao što znate, sve dok agregatno stanje cijelog volumena tvari ne postane isto, njezina je temperatura praktički konstantna! Stoga bi bilo vrlo primamljivo akumulirati energiju promjenom agregatnog stanja - akumulira se puno energije, a temperatura se malo mijenja, pa kao rezultat toga neće biti potrebe za rješavanjem problema povezanih s zagrijavanjem na visoke temperature, a u isto vrijeme možete dobiti dobar kapacitet takav akumulator topline.

Taljenje i kristalizacija

Nažalost, trenutno praktički ne postoje jeftine, sigurne i otporne na raspad tvari s visokom energijom faznog prijelaza, čije bi talište bilo u najrelevantnijem rasponu - od približno +20 °C do +50 °C (maksimalno +70 °C - Ovo je još uvijek relativno sigurna i lako postižna temperatura). U pravilu se u tom temperaturnom području tope složeni organski spojevi koji nikako nisu zdravi i često brzo oksidiraju na zraku.

Možda su najprikladnije tvari parafini, čija je točka topljenja većine, ovisno o vrsti, u rasponu od 40..65 °C (međutim, postoje i "tekući" parafini s talištem od 27 °C ili manje, kao i prirodni ozokerit, srodan parafinima, čije se talište nalazi u rasponu od 58 do 100 °C). I parafin i ozokerit su prilično sigurni, a koriste se i u medicinske svrhe za izravno zagrijavanje bolnih mjesta na tijelu.

Međutim, s dobrim toplinskim kapacitetom, njihova toplinska vodljivost je vrlo niska - toliko niska da parafin ili ozokerit naneseni na tijelo, zagrijani na 50-60 °C, djeluju samo ugodno vruće, ali ne i pekuće, kao što bi bio slučaj sa zagrijanom vodom na istu temperaturu, - ovo je dobro za lijek, ali za akumulator topline ovo je apsolutni minus. Osim toga, te tvari nisu tako jeftine, recimo, veleprodajna cijena ozokerita u rujnu 2009. bila je oko 200 rubalja po kilogramu, a kilogram parafina koštao je od 25 rubalja (tehnički) do 50 i više (visoko pročišćeni prehrambeni, tj. pogodan za upotrebu u pakiranju hrane). To su veleprodajne cijene za serije od nekoliko tona, u maloprodaji je sve skuplje barem jedan i pol puta.

Zbog toga je ekonomska učinkovitost parafinskog akumulatora topline dovedena u pitanje - uostalom, kilogram ili dva parafina ili ozokerita prikladni su samo za medicinsko zagrijavanje zgrčenog donjeg dijela leđa na nekoliko desetaka minuta i osiguravanje stabilna temperatura u više ili manje prostranom domu barem jedan dan, masa parafinskog akumulatora topline trebala bi se mjeriti u tonama, tako da se njegov trošak odmah približava trošku osobnog automobila (iako u nižem cjenovnom segmentu)!

A temperatura faznog prijelaza, u idealnom slučaju, trebala bi i dalje točno odgovarati udobnom rasponu (20..25 ° C) - inače ćete morati organizirati neku vrstu sustava regulacije izmjene topline. Međutim, talište u području od 50..54°C, karakteristično za visoko pročišćene parafine, u kombinaciji s visokom toplinom faznog prijelaza (nešto više od 200 kJ/kg) vrlo je pogodno za akumulator topline dizajniran za osigurati opskrbu toplom vodom i grijanje vode, jedini problem je niska toplinska vodljivost i visoka cijena parafina.

Ali u slučaju više sile, sam parafin može poslužiti kao gorivo s dobrom kalorijskom vrijednošću (iako to nije tako lako izvesti - za razliku od benzina ili petroleja, tekući, a pogotovo čvrsti parafin ne izgara na zraku, svakako vam treba fitilj odn. drugi uređaj za dovođenje u zonu izgaranja ne samog parafina, već samo njegove pare)!

Primjer uređaja za pohranu toplinske energije koji se temelji na učinku taljenja i kristalizacije je TESS sustav pohrane toplinske energije na bazi silicija koji je razvila australska tvrtka Latent Heat Storage.

Isparavanje i kondenzacija

Toplina isparavanja-kondenzacije u pravilu je nekoliko puta veća od topline taljenja-kristalizacije. A čini se da ima dosta tvari koje isparavaju u potrebnom temperaturnom rasponu. Osim iskreno toksičnog ugljičnog disulfida, acetona, etilnog etera itd., Tu je i etilni alkohol (njegova relativna sigurnost dokazuje se svakodnevno osobni primjer milijuni alkoholičara diljem svijeta!). U normalnim uvjetima alkohol vrije na 78°C, a njegova toplina isparavanja je 2,5 puta veća od topline taljenja vode (leda) i jednaka je zagrijavanju iste količine tekuće vode za 200°.

Međutim, za razliku od taljenja, kada promjene u volumenu tvari rijetko prelaze nekoliko postotaka, tijekom isparavanja para zauzima cijeli volumen koji joj je dostavljen. A ako je taj volumen neograničen, tada će para ispariti, nepovratno uzimajući sa sobom svu akumuliranu energiju. U zatvorenom volumenu tlak će odmah početi rasti, sprječavajući isparavanje novih porcija radne tekućine, kao što je to slučaj u najobičnijem ekspres loncu, pa samo mali postotak radne tvari doživljava promjenu stanja. agregacije, dok se ostatak nastavlja zagrijavati dok je u tekućoj fazi. Ovo otvara veliko polje djelovanja za izumitelje - stvaranje učinkovitog akumulatora topline na temelju isparavanja i kondenzacije sa zatvorenim varijabilnim radnim volumenom.

Fazni prijelazi drugog reda

Osim faznih prijelaza povezanih s promjenama agregatnog stanja, neke tvari, čak i unutar jednog agregacijskog stanja, mogu imati više različitih faznih stanja. Promjenu takvih faznih stanja, u pravilu, prati i osjetno oslobađanje ili apsorpcija energije, iako obično mnogo manje značajno nego kad se mijenja agregatno stanje tvari. Osim toga, u mnogim slučajevima, s takvim promjenama, za razliku od promjene agregatnog stanja, dolazi do temperaturne histereze - temperature izravnih i obrnutih faznih prijelaza mogu se značajno razlikovati, ponekad za desetke ili čak stotine stupnjeva.

Skladištenje električne energije

Električna energija je najprikladniji i najsvestraniji oblik energije u moderni svijet. Nije iznenađujuće da se uređaji za pohranu električne energije najbrže razvijaju. Nažalost, u većini slučajeva specifični kapacitet jeftinih uređaja je malen, a uređaji visokog specifičnog kapaciteta još uvijek su preskupi za pohranjivanje velikih rezervi energije za masovnu uporabu i vrlo su kratkog vijeka.

Kondenzatori

Najčešći "električni" uređaji za pohranu energije su obični radijski kondenzatori. Imaju ogromnu stopu akumulacije i otpuštanja energije - obično od nekoliko tisuća do mnogo milijardi potpunih ciklusa u sekundi, i sposobni su raditi na taj način u širokom temperaturnom rasponu mnogo godina, ili čak desetljeća. Kombiniranjem nekoliko kondenzatora paralelno, možete jednostavno povećati njihov ukupni kapacitet na željenu vrijednost.

Kondenzatori se mogu podijeliti u dvije velike klase - nepolarne (obično "suhi", tj. ne sadrže tekući elektrolit) i polarne (obično elektrolitski). Korištenje tekućeg elektrolita daje znatno veći specifični kapacitet, ali gotovo uvijek zahtijeva poštivanje polariteta pri spajanju. Osim toga, elektrolitički kondenzatori često su osjetljiviji na vanjski uvjeti, prvenstveno na temperaturu i imaju kraći radni vijek (s vremenom elektrolit isparava i isušuje se).

Međutim, kondenzatori imaju dva glavna nedostatka. Prvo, to je vrlo niska specifična gustoća pohranjene energije i stoga mali (u odnosu na druge vrste pohrane) kapacitet. Drugo, to je kratko vrijeme pohrane, koje se obično mjeri u minutama i sekundama i rijetko prelazi nekoliko sati, au nekim slučajevima je samo mali djelić sekunde. Zbog toga je opseg primjene kondenzatora ograničen na različite elektronički sklopovi i kratkotrajne akumulacije, dovoljne za ispravljanje, korekciju i filtriranje struje u energetskoj elektrotehnici - još nisu dovoljne za više.

Ionistori

Ionistori, koji se ponekad nazivaju "superkondenzatori", mogu se smatrati nekom vrstom posredne veze između elektrolitskih kondenzatora i elektrokemijskih baterija. Od prvog su naslijedili gotovo neograničen broj ciklusa punjenja i pražnjenja, a od drugog - relativno niske struje punjenja i pražnjenja (potpuni ciklus punjenja i pražnjenja može trajati sekundu, pa čak i mnogo dulje). Njihov kapacitet također je u rasponu između najkapacitivnijih kondenzatora i malih baterija - obično se rezerva energije kreće od nekoliko do nekoliko stotina džula.

Dodatno, treba napomenuti da su ionistori vrlo osjetljivi na temperaturu i imaju ograničeno vrijeme skladištenja naboja - od nekoliko sati do maksimalno nekoliko tjedana.

Elektrokemijske baterije

Elektrokemijske baterije izumljene su u zoru razvoja elektrotehnike, a sada ih se može naći posvuda - od mobitela do zrakoplova i brodova. Općenito govoreći, oni rade na temelju nekih kemijskih reakcija i stoga bi se mogli svrstati u sljedeći odjeljak našeg članka - “Kemijski uređaji za pohranu energije”. Ali budući da se ova točka obično ne naglašava, a skreće se pozornost na činjenicu da baterije akumuliraju električnu energiju, mi ćemo ih ovdje razmotriti.

U pravilu, ako je potrebno pohraniti dosta energije - od nekoliko stotina kilodžula ili više - koriste se olovne baterije (na primjer, bilo koji automobil). Međutim, oni imaju značajne dimenzije i, što je najvažnije, težinu. Ako je potrebna mala težina i mobilnost uređaja, tada se koriste moderniji tipovi baterija - nikal-kadmijeve, metalhidridne, litij-ionske, polimer-ionske itd. Imaju mnogo veći specifični kapacitet, ali i specifičnu cijenu. pohranjivanja energije znatno veći, pa je njihova uporaba obično ograničena na relativno male i ekonomične uređaje, kao što su mobilnih telefona, foto i video kamere, prijenosna računala itd.

U u posljednje vrijeme Snažne litij-ionske baterije počele su se koristiti u hibridnim i električnim vozilima. Uz manju masu i veći specifični kapacitet, za razliku od olovno-kiselih, omogućuju gotovo potpuno iskorištavanje nazivnog kapaciteta, smatraju se pouzdanijima i imaju dulji vijek trajanja, a njihova energetska učinkovitost u punom ciklusu prelazi 90%, dok energetska učinkovitost olova Prilikom punjenja zadnjih 20% baterija njihov kapacitet može pasti na 50%.

Prema načinu uporabe, elektrokemijske baterije (prvenstveno snažne) također se dijele u dvije velike klase - tzv. vučne i startne. Obično startna baterija može prilično uspješno raditi kao vučna baterija (glavno je kontrolirati stupanj pražnjenja i ne dovoditi ga do takve dubine koja je dopuštena za vučne baterije), ali kada se koristi unazad, prevelika struja opterećenja može vrlo brzo oštetiti pogonsku bateriju.

Nedostaci elektrokemijskih baterija uključuju vrlo ograničen broj ciklusa punjenja i pražnjenja (u većini slučajeva od 250 do 2000, a ako se ne poštuju preporuke proizvođača - mnogo manje), pa čak i u nedostatku aktivne uporabe, većina vrsta baterije se razgrađuju nakon nekoliko godina, gubeći svoja potrošačka svojstva.

Istodobno, životni vijek mnogih vrsta baterija ne počinje od početka njihovog rada, već od trenutka proizvodnje. Osim toga, elektrokemijske baterije karakteriziraju osjetljivost na temperaturu, dugo vrijeme punjenja, ponekad desetke puta dulje od vremena pražnjenja, te potreba za pridržavanjem načina uporabe (izbjegavanje dubokog pražnjenja za olovne baterije i, obrnuto, održavanje puni ciklus punjenja i pražnjenja za metalhidridne i mnoge druge vrste baterija). Vrijeme skladištenja punjenja također je prilično ograničeno - obično od tjedan do godinu dana. Kod starih baterija smanjuje se ne samo kapacitet, već i vrijeme skladištenja, a oboje se može višestruko smanjiti.

Razvoj za stvaranje novih vrsta električnih baterija i poboljšanje postojećih uređaja ne prestaje.

Uređaji za skladištenje kemijske energije

Kemijska energija je energija "pohranjena" u atomima tvari koja se oslobađa ili apsorbira tijekom kemijskih reakcija između tvari. Kemijska energija se ili oslobađa kao toplina tijekom egzotermnih reakcija (na primjer, izgaranje goriva) ili se pretvara u električnu energiju u galvanskim ćelijama i baterijama. Ove izvore energije karakterizira visoka učinkovitost (do 98%), ali mali kapacitet.

Kemijski uređaji za pohranu energije omogućuju dobivanje energije kako u obliku iz kojeg je pohranjena tako iu bilo kojem drugom obliku. Postoje varijante s "gorivom" i "bez goriva". Za razliku od niskotemperaturnih termokemijskih uređaja za skladištenje (više o njima malo kasnije), koji mogu pohraniti energiju jednostavnim postavljanjem na dovoljno toplo mjesto, to se ne može učiniti bez posebnih tehnologija i visokotehnološke opreme, ponekad vrlo glomazne. Konkretno, dok se u slučaju niskotemperaturnih termokemijskih reakcija smjesa reagensa obično ne razdvaja i nalazi se uvijek u istom spremniku, reagensi za visokotemperaturne reakcije pohranjuju se odvojeno jedni od drugih i spajaju se samo kada je potrebna energija.

Akumulacija energije proizvodnjom goriva

Tijekom faze skladištenja energije dolazi do kemijske reakcije koja rezultira redukcijom goriva, na primjer, oslobađanje vodika iz vode - izravnom elektrolizom, u elektrokemijskim ćelijama pomoću katalizatora ili toplinskom razgradnjom, recimo, električnim lukom ili visoko koncentrirana sunčeva svjetlost. “Oslobođeni” oksidans se može skupljati odvojeno (za kisik je to potrebno u zatvorenom izoliranom objektu - pod vodom ili u svemiru) ili “baciti” kao nepotreban, jer će u trenutku korištenja goriva ovaj oksidans biti sasvim dovoljan u okoliš i ne treba gubiti prostor i sredstva za njegovo organizirano skladištenje.

U fazi povrata energije, akumulirano gorivo se oksidira kako bi se izravno oslobodila energija u željenom obliku, bez obzira na to kako je gorivo dobiveno. Na primjer, vodik može odmah dati toplinu (kada sagorijeva u plameniku), mehaničku energiju (kada se kao gorivo dovodi u motor unutarnje izgaranje ili turbina) ili električna energija (tijekom oksidacije u gorivnoj ćeliji). Takve oksidacijske reakcije u pravilu zahtijevaju dodatno inicijaciju (paljenje), što je vrlo zgodno za kontrolu procesa ekstrakcije energije.

Ova metoda je vrlo atraktivna zbog neovisnosti faza akumulacije energije (“punjenje”) i njezine upotrebe (“pražnjenja”), visokog specifičnog kapaciteta energije pohranjene u gorivu (desetci megajoula za svaki kilogram goriva) i mogućnost dugotrajnog skladištenja (pod uvjetom da su spremnici pravilno zatvoreni - više godina). Međutim, njegovu široku upotrebu ometa nedovršen razvoj i visoka cijena tehnologije, velika opasnost od požara i eksplozije u svim fazama rada s takvim gorivom, i, kao posljedica toga, potreba za visokokvalificiranim osobljem pri servisiranju i rukovanju ovim gorivom. sustava. Unatoč tim nedostacima, diljem svijeta razvijaju se razna postrojenja koja koriste vodik kao rezervni izvor energije.

Pohrana energije korištenjem termokemijskih reakcija

Odavno je općepoznata velika skupina kemijskih reakcija koje u zatvorenoj posudi pri zagrijavanju idu jednosmjerno uz apsorpciju energije, a pri hlađenju u suprotnom smjeru uz oslobađanje energije. Takve se reakcije često nazivaju termokemijskim. Energetska učinkovitost takvih reakcija u pravilu je manja nego kod promjene agregacijskog stanja tvari, ali je također vrlo primjetna.

Takve termokemijske reakcije mogu se smatrati nekom vrstom promjene faznog stanja mješavine reagensa, a problemi koji se tu javljaju otprilike su isti - teško je pronaći jeftin, siguran i učinkovita mješavina tvari koje na sličan način uspješno djeluju u temperaturnom području od +20°C do +70°C. Međutim, jedan sličan sastav poznat je već duže vrijeme - to je Glauberova sol.

Mirabilite (aka Glauberova sol, također poznata kao natrijev sulfat dekahidrat Na2SO4 · 10H2O) dobiva se kao rezultat elementarnih kemijskih reakcija (na primjer, dodavanjem kuhinjske soli sumpornoj kiselini) ili se vadi u "gotovom obliku" kao mineral.

S gledišta akumulacije topline najviše zanimljiva značajka Mirabilit se sastoji u tome da kada temperatura poraste iznad 32°C, počinje se oslobađati vezana voda, a prema van to izgleda kao “otapanje” kristala, koji se otapaju u vodi koja se iz njih oslobađa. Kada temperatura padne na 32°C, slobodna voda se ponovno veže u strukturu kristalnog hidrata - dolazi do “kristalizacije”. Ali najvažnije je da je toplina ove reakcije hidratacije-dehidracije vrlo visoka i iznosi 251 kJ/kg, što je osjetno više od topline “poštenog” taljenja-kristalizacije parafina, iako za trećinu manje od topline spajanja leda (vode).

Dakle, akumulator topline na bazi zasićene otopine mirabilita (zasićene upravo na temperaturama iznad 32°C) može učinkovito održavati temperaturu na 32°C s dugim resursom za skladištenje ili oslobađanje energije. Naravno, za potpunu opskrbu toplom vodom ova je temperatura preniska (tuš s ovom temperaturom se u najboljem slučaju doživljava kao "vrlo hladan"), ali za zagrijavanje zraka ova temperatura može biti sasvim dovoljna.

Skladištenje kemijske energije bez goriva

U tom slučaju, u fazi "punjenja", iz nekih kemijskih tvari nastaju druge, a tijekom tog procesa energija se pohranjuje u novonastale kemijske veze (npr. gašeno vapno se zagrijavanjem pretvara u stanje živog vapna).

Tijekom "pražnjenja" dolazi do obrnute reakcije, popraćene oslobađanjem prethodno pohranjene energije (obično u obliku topline, ponekad dodatno u obliku plina, koji se može dovesti u turbinu) - konkretno, to je upravo ono što događa se kod “gašenja” vapna vodom. Za razliku od metoda goriva, za početak reakcije obično je dovoljno jednostavno povezati reaktante jedan s drugim - nije potrebno dodatno pokretanje procesa (paljenje).

U biti, ovo je tip termokemijske reakcije, ali za razliku od niskotemperaturnih reakcija koje su opisane kada se radi o uređajima za pohranjivanje toplinske energije i koje ne zahtijevaju nikakve posebne uvjete, ovdje je riječ o temperaturama od više stotina, pa čak i tisuća stupnjeva. Time se znatno povećava količina energije pohranjene u svakom kilogramu radne tvari, ali je i oprema višestruko složenija, glomaznija i skuplja od prazne plastične boce ili jednostavnom spremniku reagensa.

Potreba za potrošnjom dodatne tvari - recimo vode za gašenje vapna - nije značajan nedostatak (ako je potrebno, možete skupiti vodu koja se oslobađa kada vapno prijeđe u stanje živog vapna). Ali posebni uvjeti skladištenja ovog vrlo živog vapna, čije je kršenje prepuno ne samo kemijskih opeklina, već i eksplozije, prebacuju ovu i slične metode u kategoriju onih za koje je malo vjerojatno da će ući u široku upotrebu.

Ostale vrste uređaja za pohranu energije

Osim gore opisanih, postoje i druge vrste uređaja za pohranu energije. Međutim, trenutno su vrlo ograničeni u pogledu gustoće pohranjene energije i vremena njezinog skladištenja uz visoke specifične troškove. Stoga se za sada više koriste za zabavu, a njihovo iskorištavanje u bilo kakve ozbiljne svrhe ne dolazi u obzir. Primjer su fosforescentne boje, koje pohranjuju energiju iz jakog izvora svjetlosti i zatim svijetle nekoliko sekundi, ili čak dugih minuta. Njihove suvremene modifikacije odavno ne sadrže otrovni fosfor i potpuno su sigurne čak i za korištenje u dječjim igračkama.

Supravodljivi uređaji za skladištenje magnetske energije pohranjuju je u polju velike magnetske zavojnice s istosmjernom strujom. Može se pretvoriti u varijablu električna struja prema potrebi. Uređaji za skladištenje niskih temperatura hlade se tekućim helijem i dostupni su za industrijske primjene. Visokotemperaturni uređaji za pohranu hlađeni tekućim vodikom još su u razvoju i mogli bi postati dostupni u budućnosti.

Supravodljivi uređaji za pohranjivanje magnetske energije velikih su dimenzija i obično se koriste u kratkim vremenskim razdobljima, primjerice tijekom sklopnih operacija. objavljeno