Зачем во Франции построили огромную печь, которую нагревает Солнце

Чтобы нагреть металл до высокой температуры, обычно сжигают топливо или используют электричество. Во французских Пиренеях для этого построили сооружение с огромным вогнутым зеркалом. Перед ним стоят десятки других зеркал, которые следят за Солнцем и направляют его свет к зданию. Вместе они образуют солнечную печь Одейо — исследовательскую установку, способную нагревать образцы материалов выше трёх тысяч градусов.

Большая печь нужна прежде всего для научных опытов: учёные изучают, как материалы переносят сильный нагрев, исследуют химические реакции и испытывают детали солнечных энергетических установок. Солнечный свет здесь позволяет быстро получить высокую температуру, не помещая образец в пламя горелки.

Как солнечный свет собирают в одной точке

Солнечными лучами можно выжечь отверстие в бумаге, если собрать их лупой. Линза собирает свет с относительно большой площади на маленьком участке, и тот сильно нагревается. В Одейо свет тоже собирают на маленьком участке. Лучи сначала отражаются от поворотных зеркал, а затем — от большого неподвижного отражателя.

Перед зданием расположены 63 гелиостата. Так называют зеркала с приводами, которые меняют своё положение вслед за движением Солнца. Они направляют лучи на большой вогнутый концентратор. По мере движения Солнца приводы поворачивают зеркала так, чтобы отражённый свет продолжал попадать на него.

Сам концентратор занимает фасад исследовательского здания и состоит из множества отдельных зеркальных элементов. Его поверхность имеет форму части параболоида. После второго отражения лучи сходятся перед зданием, в рабочей зоне специальной башни. Там устанавливают образец или экспериментальный реактор, на который должен попасть собранный свет.

Благодаря двум отражениям огромный концентратор и тяжёлое исследовательское оборудование остаются неподвижными. За Солнцем поворачиваются только сравнительно небольшие гелиостаты, установленные на склоне. Каждый из них направляет к печи свою часть солнечного света, и все эти лучи собираются в небольшой рабочей зоне.

Тепловая мощность большой печи составляет около одного мегаватта. Её обеспечивает солнечный свет, собранный всей системой зеркал. При подходящих условиях образец можно разогреть выше 3000 °C. Результат зависит от погоды, настройки оптики, свойств материала и того, сколько тепла он успевает отдавать наружу.

Что испытывают в солнечной печи

При сильном нагреве деталь может ещё сохранять форму, но уже терять прочность, покрываться трещинами, окисляться или менять структуру. Для инженеров важно знать, когда это происходит и сколько циклов нагрева и охлаждения выдержит материал. Такие испытания помогают выбирать керамику, покрытия и другие материалы для работы при высоких температурах.

Солнечный свет нагревает образец без горелки и без соприкосновения с нагревательным элементом. Это позволяет проводить опыты в разных условиях: на воздухе, в камере с определённым составом газа или в вакууме. Приборы при этом измеряют температуру и другие параметры, по которым исследователи судят о поведении материала.

Например, на открытом воздухе нагретый материал может окисляться. Если изменить состав газа вокруг образца, можно проверить, как на него влияют температура и кислород. Такой опыт помогает понять причину повреждений: один и тот же материал при одинаковом нагреве ведёт себя по-разному в разных средах.

В Одейо работают с материалами для солнечных тепловых установок, исследуют преобразование и накопление энергии, а также способы получения топлива с помощью высокотемпературных реакций. Здесь можно проверять, как образец поглощает интенсивное излучение и насколько быстро разрушается при повторных нагревах. Для каждого опыта выбирают, сколько солнечной энергии подвести к образцу и на какой площади её сосредоточить.

Кроме большой мегаваттной печи, на площадке есть небольшие солнечные печи мощностью от одного до нескольких киловатт. Они позволяют работать с меньшими образцами и проводить опыты, для которых не требуется вся мощность большого концентратора. Исследователи выбирают печь по размеру образца, нужной температуре и условиям эксперимента.

Почему такую печь построили в Пиренеях

Солнечной печи нужны прямые лучи. При плотной облачности свет рассеивается и приходит к зеркалам с разных направлений, поэтому собрать его в маленькой рабочей зоне гораздо труднее. Чем чаще над площадкой ясное небо, тем больше времени остаётся для опытов.

Район Фон-Ромё в Пиренеях известен большим количеством солнечных часов. Солнечная погода и прозрачный горный воздух сделали это место подходящим для такой установки. Тем не менее время работы приходится планировать по сезону и прогнозу: зимой световой день короче, а облака могут прервать нагрев даже посреди опыта.

Большую установку создавали после опытов с меньшими солнечными печами. Её открыли в 1969 году, а полноценная эксплуатация началась на рубеже 1960-х и 1970-х. Зеркала перехватывают свет, который иначе попал бы на большую площадку перед зданием, и направляют его на небольшой образец. За счёт этого учёные получают высокие температуры и могут быстро нагревать исследуемый материал.

Электрические печи удобнее для работ, которые должны продолжаться ночью или при любой погоде. Солнечная печь даёт исследователям мощный поток излучения, которым можно быстро нагреть материал и проверить его под большой тепловой нагрузкой. Такие испытания помогают выбирать материалы для установок, где детали тоже будут получать тепло от концентрированного солнечного света.

Изображение в превью:
Автор: H. Zell
Источник: commons.wikimedia.org