【腦洞系列】我們可以用地球自身的磁場來發電嗎?其實早就有人試過了

我們知道,發電機的工作原理基于電磁感應,簡單來講就是,如果將導體置入一個磁場之中並讓它做切割磁感線的運動,導體兩端就會產生感應電動勢,在此情況下,如果將其接入一個閉合電路,那麼這個閉合電路中就會產生感應電流。

另一方面來講,地球自身就具備一個巨大的磁場,在它的保護之下,地球的大氣層才不會遭到「太陽風」(即來自太陽的高速帶電粒子流)的侵襲。

既然磁場可以產生電,那我們可以用地球自身的磁場來發電嗎?答案當然是肯定的。那為何人類不用地球自身的磁場來發電呢?其實原因就是:地球自身的磁場並沒有想象中的那麼強,想要利用它發出足夠我們使用的電根本就不現實,下面我們來具體講一下。

從物理學的角度來講,當一個導體在磁場中做切割磁感應線運動時,在其兩端產生感應電動勢(E)的大小可用公式「E = BLv」來描述(其中B、L、v分別代表磁場的磁感應強度、導體的長度以及導體切割磁感應線的速度)。

地球表面磁場最強的區域位于南極附近,其磁感應強度約為6.8 x 10^(-5)特斯拉,也就是說,即使我們讓一個長達100米的導體以100米/秒(即每小時360公里)的速度在地球磁場最強的區域高速運動,這個導體的兩端最多也只能產生0.68伏特的感應電動勢,這根本就不夠用啊。

由于我們無法增強地球磁場的磁感應強度,因此如果我們想要利用地球磁場發出更強的電,就需要大幅增加導體的長度,以及導體切割地球磁場的磁感應線的速度,應該如何實現呢?

一個可行的方法就是,發射一根非常長的導體到太空中去,然後讓它以極高的速度圍繞著地球運行(這其實就相當于在做切割地球磁場的磁感應線的運動)。有意思的是,其實這種方法早就有人試過了。

1992年,NASA的「亞特蘭蒂斯號」太空梭執行了一項名為「繩系衛星系統-1」(Tethered Satellite System 1,簡稱TSS-1)的任務。

該任務可以簡單地描述為:在「亞特蘭蒂斯號」進入預定位置之後會釋放出一顆衛星,這顆衛星與「亞特蘭蒂斯號」之間會通過長度為20公里的導電繩纜彼此連接,在此之後,「亞特蘭蒂斯號」還會放出一條導電繩纜到地球大氣層的電離層,從而形成一個通路。

根據預想,這條長達20公里的導電繩纜將會以大約7.5公里/秒的速度切割地球自身磁場的磁感應線,進而產生數千伏特的感應電動勢以及強度為幾安培的電流,然而在該任務的執行過程中,當導電繩纜放到200米長的時候,就卡住了……

儘管如此,人們還是探測到了40伏特的感應電動勢以及0.0015安培的電流,這說明了我們確實可以用地球磁場來發電。

由于「繩系衛星系統-1」的實驗結果令人很不滿意,因此在1996年的時候,NASA的「哥倫比亞號」太空梭又執行了一次名為「繩系衛星系統-1R」(TSS-1R)的類似任務,但此次任務也算不上成功,因為當導電繩纜放到19.3公里的長度時,就斷了……

不過在「繩系衛星系統-1R」任務中,人們探測到了3000伏特的感應電動勢以及3安培的電流,這還是相當可觀了。在此之後,人們決定再接再厲,又開始積極準備「繩系衛星系統-2」(TSS-2)任務,但由于種種原因,該任務至今都沒有實施。

小結

綜上所述,地球自身的磁場確實是可以用來發電的,但因為這並不能滿足人類平常的用電需求,所以人類才沒有採用這種發電方式。

實際上,就算是對運行在近地軌道的衛星來講,這種發電方式也不太適用,因為從能量的角度來講,衛星利用地球磁場發出的電,其實是來自衛星的動能,而衛星的動能減少了,就不能保持原有的軌道,于是就需要額外的能量來進行軌道修正。

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