Источником вдохновения могут послужить электрические угри и молнии с лазерным наведением.
В мире покемонов Пикачу — это пухлый желтый мышонок. Он может выглядеть милым и безобидным, но не дайте себя одурачить. Когда его красные щечки начинают искриться и он взмахивает хвостом в форме молнии, Пикачу может поджарить своих противников гигантским разрядом электричества. Говорят, что его фирменный прием — удар молнии — обеспечивает напряжение в 100 000 вольт.
Пикачу — не единственный персонаж, который сражается с помощью электричества. Во вселенной Marvel Тор метает молнии своим молотом Мьельниром. В «Аватаре: Последний маг воздуха» Азула превращает молнию в потрескивающие голубые дуги.
В фантастике электричеством управлять, кажется, легко, как взмахом меча или нажатием на спусковой крючок. Но в реальном мире? Не так-то просто. Это связано с тем, что электричество представляет собой поток крошечных заряженных частиц. Для перемещения этих частиц обычно требуется четкий путь, например, провод. Заставить его свободно двигаться по воздуху — по команде и в выбранном направлении — намного, намного сложнее.
Но природа предлагает несколько примеров того, как генерировать электричество «на лету». И у инженеров уже есть в запасе несколько удивительных трюков, чтобы взять под контроль молнию. От вод Амазонки до вершин швейцарских гор исследователи учатся получать и направлять электроэнергию.
Шокирующие существа
В дикой природе некоторые животные могут вырабатывать собственное электричество. Особенно это касается рыб. К числу потрясающих пловцов относятся электрические скаты, электрические сомы и самый мощный из них — электрический угорь. Эта длинная, похожая на змею рыба обитает в реке Амазонка. Взрослые электрические угри могут вырасти примерно до 2,5 метров (8 футов) в длину и весить до 18 килограммов (40 фунтов).
Как и Пикачу, электрические угри могут сами выбирать, как и когда они хотят использовать свое электричество. “Электрические угри обладают удивительным контролем над своими сверхспособностями”, — говорит Раймундо Нонато Мендес-Жуниор. Он биолог из Института сохранения биоразнообразия имени Чико Мендеса в Бразилиа, Бразилия.
Электрические угри издают слабые звуки, чтобы найти добычу или поговорить друг с другом. Но когда им нужно защищаться или нападать, они могут вызвать гораздо более сильный разряд. Как выяснили Мендес-Хуниор и его коллеги, самый сильный разряд может достигать 860 вольт. Это примерно в семь раз больше электроэнергии, чем в обычной розетке в США.
Они они могут делать это благодаря тысячам специальных клеток в своем организме, называемых электроцитами. Эти элементы работают как крошечные батарейки. Они расположены длинными рядами, каждый из которых имеет положительную и отрицательную стороны. Когда электрический угорь хочет нанести удар, он посылает сигнал, который заставляет все электроциты активироваться одновременно. Затем в воду попадает электрический разряд.
“Электрические угри сильно бьют током, но быстро восстанавливаются”, — говорит Мендес-Жуниор. Это потому, что они часто едят и действительно умеют превращать пищу в электроэнергию.
Поскольку вода распространяет электричество, энергия рассеивается до того, как достигнет цели. Поэтому, когда электрические угри сталкиваются с угрозой, находящейся частично над водой, например, с кайманом (родственником крокодилов), они прыгают. Они бьют свои цели головой в воздухе, нанося сокрушительные удары, не смягчаемые водой. Чем выше угорь поднимается из воды, тем мощнее становится его атака.
Элементы питания электрических угрей, похожие на батарейки, впечатляют. Но их молниеносные атаки по-прежнему не идут ни в какое сравнение с Пикачу, Тором или Азулой. Чтобы увеличить мощность электричества в реальной жизни, мы могли бы вместо этого воспользоваться одними из самых больших скачков напряжения на Земле: грозами.
Направленная молния
Молния образуется при статическом напряжении. внутри грозовой тучи накапливается электричество. Во время шторма мельчайшие частицы льда сталкиваются и обмениваются электронами. Это приводит к тому, что одна часть облака наполняется отрицательным зарядом.
Обычно воздух является плохим проводником. То есть электричество не может легко проходить через него. Но когда в облаке накапливается достаточное количество заряда, оно может начать разрушать воздух вокруг него. Электроны отрываются от своих атомов, образуя горячий суп из свободно плавающих заряженных частиц, называемых плазмой.
Как только образуется плазма, она действует как своего рода невидимый провод, протянутый по небу, говорит Джерри Молони. Он физик из Аризонского университета в Финиксе. Молния ударяет, когда электричество проходит по этому невидимому проводу.
Каждый болт загружен с силой. “Этой энергии хватит, чтобы обеспечить энергией ваш дом в течение недели”, — говорит Кармен Гуэрра-Гарсия. Она изучает физику воздуха в Массачусетском технологическом институте в Кембридже.
Молния обычно попадает на землю самым легким путем. Он часто поражает самый высокий из доступных объектов, например дерево или башню. Вот почему Бенджамин Франклин изобрел громоотвод. Молния, скорее всего, ударит в большой металлический столб, торчащий в небо, чем во что—либо еще вокруг него, что обеспечит безопасность зданий.
Но что, если вы хотите не просто поймать молнию в определенном месте, а поймать ее, а потом отправить его куда-нибудь еще?
В 2021 году ученые из Швейцарии сделали именно это. Они использовали мощный лазер, чтобы направлять молнию во время грозы. Лазер — это сверхфокусированный луч света, который остается прямым. Если он достаточно мощный, его энергия может сбивать электроны с молекул воздуха. Это помогает ему создавать в воздухе тонкую линию плазмы, по которой может следовать молния.
Когда молния ударила вблизи вершины швейцарской горы, она прошла по плазменному каналу, созданному лазером, примерно на 50 метров (160 футов) к громоотводу на башне.
Если бы кто-то вроде Тора или Азулы метал молнии в реальной жизни, им пришлось бы создавать плазменную дорожку, подобную этой. “В принципе, вы можете направлять лазер в разных направлениях и создавать эти ”провода» в разных точках пространства», — говорит Молони. Тогда, если вы не хотите дожидаться грозы, все, что вам понадобится, — это достаточно большой электрический заряд, чтобы послать свою собственную молнию вниз по линии. Но не пытайтесь делать это дома. Молони говорит: “Я всегда шучу, что если у вас на земле аспирант стреляет из лазера, то он может испариться, если в него попадет молния”.
Хорошо, что Пикачу сделан из более прочного материала.
