Высокотемпературный нагрев солнечным излучением

главная
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ НАГРЕВ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
Предисловие.
Одним из направлений техники является плавка различных материалов с помощью
сконцентрированного солнечного излучения, при этом такой высокотемпературный нагрев имеет
ряд преимуществ, например, отсутствие загрязнений (примесей) от контакта со стенками печи и
т.п. В перспективе использование нагрева солнечным излучением реально и в космосе, например,
для плавки кремниевого слитка с последующим получением из него ленты, при этом в сочетании
с невесомостью и вакуумом это дает качественную ленту с высоким выходом товарной ленты [1].
Имеются и ряд других предложений по использованию солнечного излучения для плавки
материалов. Безусловно, такие солнечные высокотемпературные печи имеют и свои недостатки,
именно поэтому они не получили широкого применения в технике, так и оставаясь на уровне
исследовательских установок. Однако в перспективе такие установки все-таки смогут появиться в
космических технологиях.
Здесь рассматривается только физический - научный аспект по вопросу о максимальной
температуре, достижимой в солнечной печи.
Известно, что спектр солнечного излучения, полученный вблизи Земли, соответствует спектру
абсолютно черного тела при ~ 5800 К, называемой эффективной температурой Солнца ТS .
Общепризнано, что температура, достигаемая в солнечной печи, не может превышать ТS = 5800 К.
Например, максимальная температура, достигаемая в печи параболоидного типа, равна
ТМАКС = ТS . /4 . (sin )1/2
(1)
также для приемника в виде плоской пластины имеем
ТМАКС = ТS . [  . (1 - cos3 )]1/2
(2)
где  - отношение потока солнечного излучения к солнечной постоянной, и идеальная величина
 = 1 для идеальной отражательной поверхности вне земной атмосферы, а в общем случае   1.
 - угол открытия приемников излучения в печи, и sin 1, cos  1.
Поэтому в солнечной печи не может достигнута температура больше ТS = 5800 К [2]. В общем,
логично и достаточно строго, и это уже устоявшееся "общее" мнение физиков.
Однако автор все-таки задает вопрос - а можно ли принципиально получить с помощью
солнечного излучения в космическом пространстве (именно - вне земной атмосферы)температуру
нагрева выше 5800 К ? И автор (как еретик) говорит "да" возможности получения нагрева больше
5800 К за счет солнечного излучения в космосе, обосновывая это весьма спорное физическое
утверждение (с точки зрения физиков) именно уровнем знаний в современной физике.
1. Солнечное излучение.
1.1. Рассмотрим солнечное электромагнитное излучение вне земной атмосферы.
Общие параметры излучения приведены в таблице 1, согласно [3]. Отметим, что границы
диапазонов достаточно неопределенны (хоть и близки, для разных источников информации), в
частности, часто выделяют в самостоятельный диапазон спектра "голубой " цвет с диапазоном
длины волн 480 - 510 нм; тогда "зеленый" цвет имеет границу 510 - 550 нм (однако в таблице 1 это
не учитывается).
Таблица 1
___________________________________________________________________________
Тип волны
Диапазон
Диапазон
Диапазон характерных
длин волн
энергий квантов температур Т, К источника
нм
излучения, эв
излучения h=2,82 кТ
___________________________________________________________________________
Инфракрасное
750 - 10000
1,65 - 0,124
6803 - 510
излучение(близкое)*
____________________ ______________________________________________________
Видимый свет:
красный
650 - 750
1,91 - 1,65
7849 - 6803
оранжевый
590 - 650
2,10 - 1,91
8647 - 7849
желтый
530 - 590
2,34 - 2,10
9626 - 8647
зеленый
490 - 530
2,53 - 2,34
10412 - 9626
синий
420 - 490
2,95 - 2,53
12148 - 10412
фиолетовый
400 - 420
3,10 - 2,95
12755 - 12148
__________________________________________________________________________
Ультрафиолетовое
излучение(ближнее)* 200 - 400
6,20 - 3,10
25510 - 12755
____________________________________________________________________________* приведена только часть диапазонов инфракрасного и ультрафиолетового излучения, граничащая с
видимым светом
___________________________________________________________________________
Собственно, значения параметров излучения сведены в таблицу 2, где приведены данные по
средней спектральной освещенности S , создаваемой Солнцем вне земной атмосферы на
рассстоянии в 1 а.е.; по температуре излучения, отнесенной к центру диска Солнца Тцентр,
приведена доля спектрофотометрической постоянной А (1), приходящаяся на интервал спектра
от 0 до  , в том числе по отношению к солнечной постоянной S0, согласно данным [4].

Таблица 2
___________________________________________________________________________

S
Тцентр
А ( )
А ( )/ S0
нм
109 эрг/(см2 с см)
К
мВт/см2
%
___________________________________________________________________________
250
--0,194
0,142
300
5,34
6490
1,483
1,083
346
9,57
6364
5,169
3,775
400
15,1
6527
11,059
8,077
___________________________________________________________________________
425
17,7
6560
15,45
11,28
450
20,5
6490
20,04
14,64
460
21,0
6470
--480
20,8
6400
--500
19,6
6361
30,24
22,09
___________________________________________________________________________
600
17,8
6209
49,00
35,79
700
14,4
6130
65,07
47,52
800
11,4
6070
77,87
56,87
1000
7,52
6130
96,31
70,34
3000
0,254
5920
134,1
97,94
10000
--136,83
99,941
______________________________________________________________________________
Отметим, что максимум излучения в диапазоне 450 - 480 нм, с небольшим пиком при ~ 460 нм
(синий цвет). При этом в спектре излучения до ~ 8 % энергии составляет ультрафиолетовое
излучение (   400 нм), и ~ 45 % энергии составляет видимый свет (400 - 750 нм) и ~ 47 % энергии
приходится на инфракрасное излучение (  > 750 нм). Заметим, что мак симуму излучения с 
480 нм соответствует ~ 18 - 20 % энергии излучения (для  ~ 200 - 480 нм), а остальные ~ 84 % - для
 > 480 нм.
Заметим, что практически вся энергия излучения Солнца заключена в непрерывном излучении
фотосферы, имеющей  от 150 нм до 0,5 см = 5 мм. В этом диапазоне фотосферное излучение
близко к излучению абсолютно черного тела с Т ~ 6000 К. Также имеется слой хромосферы (с
плотностью на 5 порядков меньше фотосферы) с Т ~ 10000 К и слой внутренней короны (с
плотностью на ~ 8 порядков меньше фотосферы) с Т ~ 1,5.106 К. Однако и сама фотосфера является
динамичной системой, с большими флуктуациями параметров плазмы, представляя собой
сочетание участков различных светимостей в виде солнечных гранул, пятен, цепочек факелов,
ярких волокон и т.п. участками нагрева от 4500 К до 10000 К [5]. Таким образом, реальное Солнце
- плазменный шар, а не какой-то твердый шар с равномерно нагретой поверхностью с Т =
5800...6000 К. И лишь общее излучение такого плазменного шара соответствует теоретической
модели излучения шара со средней температурой ~ 6000 К.
1.2. Рассмотрим солнечное электромагнитное излучение на поверхности Земли.
Заметим, что озоновый слой имеет поглощающую полосу Гартлея, которая полностью
"обрезает" излучение Солнца с   300 нм, а к этой полосе примыкают полосы Хюггинса на 300 360 нм, с меньшим поглощением (и здесь возможно наземное наблюдение), а в видимой части
спектра расположена диффузная полоса на 440 - 850 нм. При этом озоновый слой поглощает 1,53% (по разным данным) полного потока солнечного излучения, причем в основном ультрафиолетовое. А в целом атмосферой поглощается 17-25 % полного солнечного излучения, а
еще 10 -15 % излучения рассеивается [3]. Причем даже в условиях чистой атмосферы горной
обсерватории имеем средний коэффициент прозрачности: ~ 0,57 для  = 350 нм, и ~ 0,69 для 400
нм, ~ 0,77 для 450 нм и ~ 0,93 для 750 нм [4]. Иначе, наиболее сильно поглощается излучение в
области спектра до  ~ 480 нм. Отметим и сильное рассеивание "синего" диапазона, с  = 440- 500
нм в атмосфере (получаем голубое небо) .
Итак, вне атмосферы Земли доля энергии излучения (причем в виде параллельного пучка волн)
для  = 200 - 480 нм составляет 18 - 20 % от полного солнечного излучения, а в наземных условиях
имеем только спектр с  > 300 нм, и для  = 300 - 480 нм доля такого излучения лишь около 3 %.
2. Физика.
2.1. Проведем мысленный эксперимент. Представим, что концентратор излучения (КА с
системой зеркал) движется по круговой орбите вокруг Солнца и воспринимает излучение от
относительно небольших участков поверхности Солнца (так как летит близко от поверхности).
Зададим естественный вопрос - а до какой температуры можно нагреть тело в концентраторе от
излучения малого участка поверхности Солнца? Физически логично признать - да, нагрев будет
до температуры именно этого участка с его излучением!
Уже отмечалоc
ь (выше в п. 1.1), что Солнце - плазменный шар, с большими флуктуациями параметров плазмы, с
участками нагрева от 4500 К до 10000 К, и лишь общее излучение такого шара соответствует
модели излучения со средней температурой ~ 6000 К.
Тогда в качестве "инженерной" модели излучение Солнца можно представить в виде
множества отдельных источников излучения с разными температурами и разными длинами волн
максимумов излучения. Именно такой подход к излучению Солнца позволяет выдвинуть новую
концепцию нагрева материалов сконцентрированным солнечным излучением, весьма спорную с
точки зрения устоявшегося "общего" мнения в физике.
Итак, предлагается использовать селекцию солнечного излучения, дисперсию света (открыта
Ньютоном еще сотни лет назад) с разложением света на отдельные потоки, имеющие свои
диапазоны волн - ультрафиолетовый (200 -400 нм), видимый - фиолетовый, синий и так -до
красного, и последний - инфракрасный. Для этого параллельный пучок белого света пропускают
через призму (кварц, кварцевое стекло и т.п.) или систему призм (пленка из кварца сложной
структуры) с образованием спектра, цветной полосы из отдельных потоков излучения (дисперсия
света). И это можно трактовать как разделение общего потока излучения на группы источников
излучения с одинаковыми длинами волн максимумов излучения. При этом инфракрасное
излучение соответствует источнику излучения с минимальной температурой (на уровне
4000...4500 К) и максимальной длиной волны. А на другом конце - ультрафиолетовое излучение
соответствует источнику излучения с максимальной температурой (на уровне 10000 К и более) и
минимальной длиной волны. Видимый свет занимает среднее положение между этими крайними
излучениями и источниками. Заметим, что согласно таблице 1 характерная температура источника
теплового излучения, соответствующая ультрафиолету, достигает и уровня 12000 К и более.
Следующий шаг - выкидываем инфракрасное излучение и часть видимого света (красный и
оранжевый) в космическое пространство. И для нагрева используем лишь высокоэнергетическую
часть спектра - ультрафиолет, синий, зеленый, желтый цвета, то есть высокотемпературные
источники излучения на поверхности Солнца. И возвращаясь к формулам (1) и (2), можно
утверждать, что вместо эффективной температуры ТS ~ 5800 К будет другая температура, назовем
ее селективной эффективной температурой ТSC. И это физически логично, так как используется
лишь часть спектра излучения, соответствующая высокотемпературным источникам излучения.
Заметим, что диапазон спектра ультрафиолет - желтый ( = 200...590 нм) имеет ~ 35 % общей
энергии излучения, поэтому отсекается (выкидывается) до 65 % энергии излучения (от
низкотемпературных источников излучения). Конечно, это снижает эффективность солнечной
печи по используемой мощности солнечного излучения, однако увеличение ТSC до 8000...10000 К
позволяет повысить температуру нагрева и плавления, что гарантирует плавление всех
существующих материалов. А с научной точки зрения это показывает физическую возможность
получения температуры в зоне нагрева выше ТS за счет селекции излучения и использования
лишь части излучения с малой длиной волны.
2.2. Другой вариант заключается в последовательном использовании получаемых при селекции
отдельных потоков излучения. Например, сначала для предварительного нагрева используют
поток инфракрасного излучения, далее нагревают последовательно потоками видимого света:
красный ... фиолетовый, а в заключение - поток ультрафиолетового излучения. Тем самым,
вещество последовательно и поочередно нагревают излучением от источника с температурой Т =
4000...4500 К и заканчивают источником излучения с Т = 10000...20000 К.
Заметим, что инфракрасное излучение составляет до 50 % энергии полного солнечного
излучения, его слишком много, и даже в таком варианте нагрева его сложно полностью
использовать для нагрева. Однако здесь все-таки увеличивается доля используемого солнечного
излучения до 60-80 % (вместо 35 % в варианте по п.2.1). При этом окончательная температура
определяется заключительным потоком излучения - ультрафиолетового, его мощностью,
энергией.
2.3. Коротко отметим возможности концепции селекции солнечного излучения для техники.
Например, интересно применение отдельных потоков излучения (после дисперсии) для нагрева,
причем для солнечных печей обычно нет жестких ограничений по массе конструкции, и здесь
можно спокойно выкинуть инфракрасное излучение, не использовать его для нагрева. И такие
солнечные печи располагают вне атмосферы Земли, например, на орбите у Земли и т.п. Возможно
применение, особенно варианта по п.2.2, и в солнечных термических ракетных двигателях для
нагрева рабочего тела.
Несколько особняком стоит возможность использования дисперсии для работы солнечных
батарей, так как здесь нет высокотемпературного нагрева. Здесь деление света на отдельные
потоки позволяет использовать до 2...5 типов солнечных элементов, оптимальных для
определенного диапазона длин волн. При этом длинноволновую часть инфракрасного излучения
(с > 1 мкм) можно просто выкинуть в космос (минуя солнечную батарею), так как эта часть
излучения плохо преобразуется и обычно переходит в тепло, которое удаляется
низкотемпературным излучающим радиатором. При этом экономия массы такого
низкотемпературного радиатора может быть на уровне массы устройства дисперсии солнечного
излучения.
2.4. Возникает вопрос об экспериментальном исследовании этой идеи.
Главная проблема - атмосфера Земли. Как отмечалось выше (в п.1.2), атмосфера "обрезает"
излучение с  < 300 нм, а излучение с   300...480 нм имеет сильное поглощение и рассеивание.
Причем еще до 15 % излучения рассеивается в атмосфере (особенно в области "синего" цвета), и
проблема в том, что рассеянный свет нельзя пропустить через призму для получения дисперсии,
так как нужен параллельный пучок волн света для дисперсии. В итоге вместо = 200 - 480 нм с
долей в 18...20 % в полной энергии солнечного излучения на поверхности Земли имеем только
= 300 - 480 нм с долей параллельного пучка волн на уровне до 3 %. Главное - потеря наиболее
горячей части излучения с 200... 300 нм и сильное поглощение ультрафиолетовой части с  = 300 400 нм.
Поэтому в условиях поверхности Земли тяжело поставить чистый и надежный эксперимент для
проверки возможности высокотемпературного нагрева, до 7000 - 8000 К, солнечным излучением.
К сожалению - лучший вариант - нужен эксперимент в космосе, на орбитальной станции, или, по
крайней мере, на высотном аэростате, на высоте 20 - 25 км.
2.5. Заключение.
Итак, на основании анализа данных современной физики можно заключить:
1) Солнце - плазменный шар с большими флуктуациями параметров плазмы, с участками нагрева
от 4500 К до 10000 К, и лишь общее излучение такого шара соответствует модели излучения со
средней температурой около 6000 К;
2) излучение Солнца можно представить в виде множества отдельных источников с разными
температурами и разными длинами волн максимумов излучения;
3) нагрев сконцентрированным солнечным излучением до средней температуры ТS достигают за
счет использования всего спектра солнечного излучения;
4) селекция солнечного излучения за счет дисперсии и выделения отдельных потоков излучения с
разными длинами волн позволяет отделить длинноволновое излучение (инфракрасное, красный
и оранжевый диапазон света) и удалить его в пространство (без его концентрации). При этом
оставшаяся часть излучения имеет более высокую энергию квантов излучения (от
высокотемпературных участков поверхности Солнца), что обеспечивает увеличение средней
температуры нагрева ТSC по сравнению с ТS при использовании всего спектра;
5) концентрация излучения со средней температурой ТSC обеспечивает высокий нагрев
материалов, вплоть до температуры 7000...10000 К;
6) селекция солнечного излучения за счет дисперсии и выделения отдельных потоков излучения с
разными длинами волн позволяет нагревать вещество постепенно за счет последовательного и
раздельного использования этих потоков (после концентрации), начиная с низкотемпературного
инфракрасного (по крайней мере, части такого излучения) и кончая потоком ультрафиолетового
излучения от высокотемпературного участка солнечной поверхности.
И обобщая эти выводы, можно сформулировать общее правило для нагрева вещества
излучением:
Для вещества, нагреваемого концентрируемым излучением от плазменного источника с
большими флуктуациями параметров и температуры излучающей поверхности, в случае
селекции излучения за счет дисперсии на отдельные потоки максимальная температура нагрева
определяется средней температурой ТSC оставшейся части потока излучения после удаления
низкотемпературного излучения (от участков поверхности с низкой температурой); или
излучением от высокотемпературного участка поверхности при последовательном нагреве
отдельными потоками излучений. При отсутствии селекции и нагреве излучением всего спектра
длин волн от плазменного источника максимальная температура нагрева определяется средней
температурой ТS для этого спектра плазменного источника.
Список литературы
1. К.Гэтланд. Космическая техника. М. Мир, 1986. - 296 с.
2. П.Дувез. Использование солнечных печей при высокотемпературных исследованиях//
Солнечные высокотемпературные печи. Сборник переводов. М. Изд-во иностранной литературы,
1960, с.59-69.
3. Физические величины. Справочник / А.П.Бабичев и др.М. Энергоатомиздат, 1991.-1232 с.
4. Е.А. Макарова, А.В. Харитонов, Т.В. Казачевская. Поток солнечного излучения. М. Наука. 1991.400 с.
5. Физика космоса. Маленькая энциклопедия /Под ред. Р.А.Сюняева. М. Советская энциклопедия,
1986. - 783 с
