Античный мускульный экипаж-улитка
В 1257 году английский ученый и общественный деятель Роджер Бэкон предсказал скорое появление городских экипажей на мускульной тяге, которые будут иметь практическое значение. Таковые вскоре и появились. В 1447 году в европейских городах на новогодних празднествах видели закрытую повозку, приводимую в движение «скрытым механизмом» – по-видимому, спрятанными внутри повозки людьми. Великий художник Альбрехт Дюрер сконструировал целых девять «самобеглых» повозок для императора Максимилиана I. Даже сам Ньютон в ранней молодости построил «самокатку», которая ездила по полу в его доме.
Архимед (287—212 до н.э.)
Автомобиль-пневмокар, работающий на потенциальной энергии сжатого в баллонах газа
Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в позапрошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 МПа, при общем объеме 2800 л, трамваю хватало, чтобы проходить на накопленной в воздухе энергии путь в 10—12км. В США уже в начале прошлого века был изготовлен автомобиль-пневмокар, работавший на энергии сжатого воздуха. Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем, от воздушной дрели или гайковерта. Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав… замерз. Да-да, покрылся инеем и остановился! Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики. В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа, и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а углекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухим льдом», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и послужило основной причиной остановки пневмодвигателя. Можно, конечно, нагреть охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же был пущен в работу, тогда бы он охладился до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда, за счет расширения, и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, отсюда и «сухой лед». Как ни горько мне было читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными. Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.
Автор монтирует свою магнитную подвеску крупного маховика в университете города Циттау (Германия)
Судя по расчетам, такой супермаховик, раскрученный до скорости 30тыс. оборотов в минуту, крутился бы до остановки многие месяцы! Да и этот срок можно было увеличить, если бы не фиксирующие подшипники, которые, несмотря на малый размер и ничтожные потери энергии, все же «подтормаживали» супермаховик. Замечу, что совсем недавно, в 2003 году, по моему изобретению в Москве изготовили магнитную подвеску для полуторатонного маховика, которую затем перевезли в Германию и успешно испытали там для применения в накопителе, предназначенном для рекуперации энергии, о чем еще пойдет речь в дальнейшем. А как вывесить супермаховик совсем без механического контакта в подшипниках? Надо проверить и такую возможность. Для этого подойдут большие кольца из диамагнетиков – то есть из материалов, отталкивающихся от магнитов, например из графита, – которые не дадут супермаховику «сваливаться» набок. Кольца эти будут выполнять роль фиксирующих подшипников. Правда, они займут много места. Но если сам супермаховик изготовлен из графита?… Над этим стоит подумать! Только потом я узнал, что подобные «бесконтактные» подвески уже давно созданы, причем наиболее совершенные из них разработаны немецким ученым Е. Штейнгровером.
Автор со своими «железками» сегодня
Не я один мечтал об «энергетической капсуле», не для меня одного она стала целью в жизни. Многое из того, о чем я думал, о чем писал, волновало и других людей, в других странах, причем приблизительно в одно и то же время. Вначале это поражало меня, особенно когда я узнал, что американские ученые почти одновременно со мной пришли к такой же идее супермаховика. Но потом, по мере того как число сообщений о похожих разработках и экспериментах росло, я удивлялся все меньше и даже не огорчался – напротив, это давало мне уверенность, что если одни и те же решения приходят к разным людям, живущим в разных полушариях Земли, то, наверное, эти решения верные. И все же понадобились годы опытов, множество доказательств, сотни выступлений для того, чтобы преодолеть предубеждение скептиков, чтобы в «энергетическую капсулу» поверили. Помню, когда в 1965 году в журнале «Изобретатель и рационализатор» я рассказал о своих новых изобретениях – вращающихся в вакууме супермаховиках из лент, проволок и сверхпрочных волокон, да еще с магнитной подвеской, многие говорили, что этого не может быть. Я называл количество энергии, которое сможет накопить такой супермаховик,– «серьезные» люди заявляли, что данная величина завышена в 100 раз. Мне доказывали, что маховик прокрутится несколько минут и остановится. Приходилось показывать маховик с магнитной подвеской, где за час терялось всего несколько оборотов в минуту. Убеждали, что, разрываясь, маховик пробивает метровые стены – я демонстрировал фотографию разорванного супермаховика в целехоньком кожухе, который был не чем иным, как большой жестяной банкой из-под килек. Утверждали, что для ленточной передачи маховичного автобуса потребуется лента с рессору толщиной – я клал на стол тоненькую стальную ленточку, из которой делают лезвия для безопасных бритв. Она была отрезана от той самой передачи… Меньше всего, оказывается, убеждают цифры, формулы, математические доказательства. А вот опыты, фотографии, кино– и видеосъемки действуют неотразимо, хотя они и не всегда бывают достоверны. Сейчас уже достоинства супермаховиков признаны почти всеми специалистами. Во много раз увеличилось число научных трудов, посвященных им, значительно возросло количество связанных с ними изобретений. Специалисты считают супермаховики одним из наиболее перспективных видов накопителей энергии среди всех известных ныне и прочат им блестящее будущее. Вариаторы, правда, пока не «супер», все шире используются в автомобилестроении. Американские ученые подсчитали, что массовое внедрение в соответствующие отрасли национальной экономики эффективных накопителей энергии, которые я назвал для себя «энергетической капсулой», позволит ежегодно сокращать расходы в размере многих миллиардов долларов. Думается, немалый выигрыш может быть получен и у нас в стране. Но главное, что получит человек от внедрения «энергетической капсулы», – это возможность действительно по-хозяйски, бережно использовать «Ее Величество Энергию» – бесценный дар природы, синоним которого сама «Жизнь».
Баеровский контакт конических
Контакт сателлитов с дисками – так называемый баеровский, по имени изобретателя – хитроумного немецкого инженера Баера, позволяет развивать огромные нажимные усилия в зонах контакта. Вся рабочая часть вариатора плоская, как блин или диск, поэтому и называется вариатор дисковым.
Бесконтактная подвеска Е. Штейнгровера
Чтобы «помочь» постоянным магнитам, можно установить еще и электромагниты. Как только супермаховик задумает «свалиться» набок, это уловит специальный датчик и включит соответствующий электромагнит, который выправит положение. Такая система называется «следящей». С ее помощью ученые добились скорости вращения полностью вывешенного шарика в 800 тыс. оборотов в секунду, или почти 50 млн оборотов в минуту! Подвесив маховик со значительной массой подобным образом, можно получить столь малое сопротивление, что разогнанный маховик будет вращаться до остановки десятки лет! Однако для этого в камере, где вращается маховик, необходимо создать высокий вакуум, иначе так называемые вентиляционные потери – потери из-за трения маховика о воздух – «съедят» весь запас энергии за считанные часы. Интересно, что при вращении маховика в вакууме можно вообще практически избавиться от трения в опорах. Для этого нужно подшипники маховика, изготовленные из вполне обычных материалов – графита, полиэтилена или на молибденовой основе, облучить потоком электронов. Это явление обнаружили российские ученые, которые назвали его «эффектом аномально низкого трения», сокращенно АНТ. Для облучения подшипников супермаховика достаточно миниатюрной «электронной пушки», наподобие электронно-лучевой трубки (кинескопа) телевизора, только в сотни раз менее сложной, крупной и мощной, чем этот кинескоп.
Без вариатора – не обойтись!
Как мне казалось, мои изобретения – «магнитофонный» привод и «мягкий» супермаховик – позволяют использовать неудобную, «падающую» характеристику вращения маховика для большинства практических целей. Однако это было не так. Как ни огорчали меня дальнейшие размышления, как я ни гнал от себя их неутешительные итоги, от правды никуда не денешься… И «магнитофонный» привод и «мягкий» супермаховик лишь частично решают проблему отбора мощности в «энергетической капсуле». Н у, посудите сами, насколько часто встречаются случаи, когда автомобиль, трамвай или другое транспортное средство должны разгоняться и тормозить только по одному, заранее заданному закону. Старушка перебегает дорогу – а ты можешь двигаться только по одному закону, не всегда совместимому с жизнью старушки! Для всякого рода устройств-автоматов, работающих от маховика, «магнитофонный» привод – пожалуй, то что надо. Но только не для реального, сегодняшнего «свободолюбивого» транспорта! Да и «мягкие» супермаховики – тоже не панацея. Оказалось, что они «работают» только тогда, когда обороты выходного вала близки к оборотам обода самого супермаховика. Эти обороты, или, правильнее, частота вращения выходного вала, могут быть не более чем вдвое выше или ниже частоты вращения обода супермаховика. Для маневров это неплохо, а как машине трогаться с места или тормозить до полной остановки? И я понял, что для «энергетической капсулы», для успешного отбора энергии у нее жизненно необходим вариатор. Кто не знает, что это такое, скажу – это механизм, меняющий передаточное отношение, вроде коробки передач, но без ступеней. Вращение выходного вала в вариаторе изменяется плавно – бесступенчато. Во сколько раз снижается частота его вращения, во столько же раз повышается крутящий момент. Если же частота вращения растет, то крутящий момент пропорционально снижается. А мощность, равная произведению этих параметров, остается постоянной. Вроде бы электро– и гидроприводы обеспечивают то же самое, но, оказывается, не совсем. Не вдаюсь в специфику работы этих достаточно сложных устройств, хочу только напомнить, что, если вид или форма энергии преобразуется при ее передаче, то непременно страдает КПД.
Этот «налог» на преобразование энергии нельзя обойти никакими путями. Поэтому лучше, если энергия имеется в виде вращения вала, и исполнительному органу эта энергия нужна тоже в виде вращения, например колеса, то лучше «по дороге» не преобразовывать ее в поток электронов или жидкости. Если, конечно, вам не жаль потерять или, точнее, перевести в никому не нужное тепло добрую часть этой энергии. И возникает еще одна проблема, не сразу заметная, особенно неспециалисту. Допустим, двигатель автомобиля имеет мощность 100 кВт – обычную мощность среднего легкового автомобиля. Для применения электропривода нам понадобится генератор, соединенный с валом этого двигателя или маховика – накопителя, выполняющего его роль. Конечно, наличие генератора ведет к утяжелению привода и понижению его КПД, зато генератор имеет ту же мощность, что и двигатель автомобиля – и это уже неплохо. Но для вращения колес автомобиля с электроприводом нужен еще тяговый двигатель. И как вы думаете, на какую мощность он должен быть рассчитан? Не ошибитесь – только не на 100 кВт, как генератор! Особенно, если автомобиль приводится в движение не двигателем, а маховиком. Решим, во сколько раз мы хотим изменить скорость автомобиля то есть частоту вращения его колес? Допустим, в 20 раз – с 10 до 200 км/ч, и это очень типичные условия движения автомобиля. Соответственно, во столько же раз должен измениться и крутящий момент. И если при 200 км/ч этот момент таков, что обеспечивает 100 кВт мощности, то при 10 км/ч и той же мощности он будет в 20 раз больше. Если иметь в виду, что размеры и масса электродвигателя почти целиком зависят от крутящего момента, то это повышение момента эквивалентно повышению мощности тоже в 20 раз. То есть по массе и габаритам наш тяговый двигатель будет аналогичен двигателю в 2000 кВт! Чтобы такой двигатель работал нормально, его потребуется оснастить соответствующей по мощности системой частотного регулирования, а также другими, отвечающими ему по массе и габаритам, необходимыми агрегатами.Но вариатор – это не обычная ступенчатая коробка передач. Это – хитрый механизм, и самое неприятное состоит в том, что вариаторов с высоким КПД и нужным нам диапазоном регулирования в 20 раз и более просто не существует! Но ведь и супермаховиков-то раньше не существовало, а еще пораньше – и автомобилей вообще! И все это создавали мы, люди. Но если я сумел изобрести супермаховик, то почему бы мне не придумать «супервариатор» с нужными параметрами! И я решил в очередной раз попробовать…
«Большое колесо Мандарина»
Сообразительный хозяин тут же приказал привязать еще камней под каждый парус и стянуть шесты веревками. Так его колесо превратилось в огромный маховик, накапливающий энергию ветра и постепенно расходующий ее во время затишья. Благодаря маховику появилась возможность поднимать воду без постоянного контроля со стороны человека. Сейчас такое сооружение назвали бы автоматическим водоподъемником маховичного типа, а тогда его именовали «Большое колесо Мандарина». Сохранилось и другое название маховичного колеса, данное ему в память о древней китайской цивилизации, на закате которой оно было создано, – колесо Пан-По. Колесо Пан-По имело, по описаниям того времени, «четыре человеческих роста над землей и два – под землей». Крепкие «спицы», на концах которых были закреплены паруса и тяжелые камни, соединялись между собой распорками и канатами. Вал колеса покоился на подшипниках-втулках из твердых пород дерева, обильно поливаемых водой. Чем не современная жидкостная смазка подшипников?! Да, «Большое колесо Мандарина» было настоящим шедевром древних инженеров, на много лет опередившим техническую мысль той эпохи. Маховики, правда, несравненно меньших размеров, применялись в старинных смычковых сверлилках-дрелях. В них функцию маховика выполнял тяжелый диск, насаженный на сверло. Через него, обвиваясь, проходила тетива смычка. Двигая смычком вперед-назад, мастер разгонял маховик, а затем, надавливая на тупой конец сверла камешком с углублением, просверливал отверстия, используя накопленную в маховике энергию. Подобным способом можно было не только сверлить, но и добывать огонь трением.
Буриданову ослу суждено умереть от голода между двумя одинаковыми и равноудаленными кучками сена
Я же рассуждал так. Что нужнее всего для существования человечества? Что будет дорожать с каждым днем? Что нельзя заменить ничем другим? Что не потеряет своего значения для людей, даже если они переселятся на другие планеты? И ответ на все эти вопросы у меня нашелся только один – энергия. Вот она – самая важная субстанция для человечества! Важнее золота, пищи и даже воздуха. Имея энергию, и пищу можно приготовить, и воздух добыть, хотя бы из воды. Но, увы, не наоборот! Стало быть, ею и надо заниматься. «Загадочный» английский поэт Уильям Блейк так писал об энергии: «Вся жизнь есть энергия, энергия – вечный восторг!» А поэты – они провидцы, пророки,– им верить надо! Однажды, правда, я уже «обжегся» на энергии, пытаясь построить вечный двигатель. Но желание приручить ее у меня не пропало. Я понимал, что получать энергию, сжигая горючее, по меньшей мере неперспективно. Горючее рано или поздно кончится, и замрут двигатели, тепловые электростанции, пропадет труд, затраченный учеными, инженерами, рабочими на создание этих машин. Я знал, что запасов горючего человечеству хватит ненадолго, особенно нефти. Не успеешь и состариться – а нефти уже нет. Кроме того, топливо, сгорая, сильно загрязняет атмосферу. А мне очень не хотелось вступать в конфликт с природой. Я понимал, что выиграть в этом споре нельзя. Можно, конечно, получать энергию от поистине вечных и к тому же безвредных для природы источников: огромные, практически неисчерпаемые запасы энергии таят в себе ветер, реки, морские приливы и течения, внутреннее тепло Земли; немалые надежды возлагают ученые и на использование атомной и термоядерной энергии. И все-таки самой главной, естественной и вечной «электростанцией» служит для нас Солнце. Это его энергия «законсервирована» в ветре, в течениях рек и океанов, в том же горючем. Солнце посылает нам энергию независимо от того, хотим мы этого или нет. Так давайте же воспользуемся ею! Правда, надо еще суметь это сделать! Словом, энергии вокруг нас – хоть отбавляй. Но смогли бы мы использовать это море энергии, если бы не научились передавать ее на расстояние, по проводам? Трудно даже вообразить, что бы мы все делали без электроэнергии, передаваемой на расстояние. Пришлось бы вырабатывать энергию на том же месте, где запланировано ее использование. Наши квартиры освещались бы свечами, отапливались печами. А в гости мы ездили бы на лошадях или паровиках… Впрочем, сегодняшние автомобили в этом отношении не ушли далеко от своих предков – паровиков. Ведь энергия вырабатывается их двигателем из горючего непосредственно в самом автомобиле. Насколько он отстал, этот маленький автомобильный двигатель, не только от солнечной или атомной электростанции, но даже от обыкновенной тепловой – ТЭС! Он куда более дымный, шумный, прожорливый. Если, конечно, сравнивать все эти качества при одном и том же количестве вырабатываемой энергии.
Быстрее крутить нельзя
Все, что я прочел про маховики, все, что продумал за это время, помогло мне поверить в большие возможности этих накопителей энергии. Однако повысить плотность энергии маховика в 100 раз – дело нешуточное. Что же мешает решить эту задачу? Попробуем разобраться. Швейцарский гиробус проходил до остановки 6км. Четыре из них он шел с приличной скоростью, вполне вписываясь в городское движение. Но почему не больше? Почему, например, не 20 км, что позволило бы открыть в городах линии маховичных автобусов без двигателя и без горючего? Чтобы пройти впятеро больший путь, гиробус должен запасти во столько же раз больше энергии. Для этого совершенно не обязательно крутить маховик в пять раз быстрее, достаточно увеличить частоту вращения в 2,24 раза, то есть нужно разогнать маховик гиробуса до 6-7 тыс. оборотов в минуту. Казалось бы, чего проще? А вот ученые утверждают, что это совсем не так просто.
«Человеческая» модель «раздвижного» маховика
Задача создания «раздвижных» маховиков уже давно привлекает изобретателей. Однако большинство энтузиастов избирают неверный путь. Об этом можно судить хотя бы по тому, что на высоких оборотах их маховики отказываются работать. Многие устройства – почти точное повторение раздвижного патрона токарного станка. Только грузы в них раздвигаются винтами или рычагами. Я уже говорил, что при вращении маховика его частицы, стремясь двигаться по инерции, то есть прямолинейно, а не по кругу, создают настолько большие усилия, что рвут монолитную сталь. А здесь все эти гигантские силы приходятся на винты, рычажки и другие «хлипкие» механизмы. Где им устоять? Поэтому и рвутся «раздвижные» маховики, не достигая и десятой доли энергоемкости даже обычных маховиков. Их авторы будто заранее позаботились о размерах и массе осколков, специально разрезав монолитный маховик на части и скрепив их непрочными связями. Не лучше показали себя заливные и насыпные маховики. Такие маховики изготовляют полыми, в виде бочки, и для увеличения инертности заполняют водой, ртутью или даже дробью. Когда же нужно уменьшить инертность, заполнитель либо изымают из маховика, либо тем или иным способом «стягивают» к центру. Но изобретатели не учитывают, что жидкость или дробь сами не несут своей нагрузки. Все усилия, связанные со стремлением «вырваться» из кругового движения, заполнитель перекладывает на тонкую стенку полого маховика. Жидкость, а тем более дробь, при вращении создает в маховике давление в тысячи атмосфер (сотни мегапаскалей), которое без труда взрывает тонкостенный сосуд – маховик. Попытки сделать стенку толстой не приносят успеха – слишком мало остается места для жидкости, и сосуд превращается в заурядный монолитный маховик. Другой порок «заливных» маховиков заключается в очень малом КПД. При заливке жидкости на ходу почти половина кинетической энергии маховика переходит в тепло, так как жидкость тормозит маховик, а при изъятии жидкости из маховика теряется вся ее кинетическая энергия – ведь жидкость нужно как бы остановить, сделать неподвижной. Как же быть с изъятием жидкости, если она будет иметь колоссальное давление и сверхзвуковую скорость? Тогда ее никаким насосом не откачаешь! Вот если бы жидкость, дробь и прочие заполнители сами несли свою нагрузку да еще обладали высокой прочностью… А почему бы не применить в качестве заполнителя стальную ленту – ту, что идет на намотку супермаховика? Пусть она наматывается на вал в центре такого же ленточного супермаховика, понижая его инертность, и, наоборот, сматывается с вала, прижимается к внутренней поверхности ленточного обода, повышая инертность супермаховика. К тому же лента-заполнитель сама несет свою нагрузку.
Что может тепловая «капсула»
Проведя несколько дней в библиотеке, я понял, что все мои мысли и проекты отнюдь не новы. Американские инженеры уже испытали парафиновые накопители тепла, которые действительно оказались гораздо лучше водяных. Я мог не пачкать термос парафином… Японские энергетики строят накопители тепла, состоящие из множества шариков, сделанных из окиси алюминия. Шарики сначала обдувают горячим воздухом, а потом они сами нагревают холодный воздух, который затем идет на отопление. Немецкие ученые построили накопитель тепла в виде вращающегося котла с глауберовой солью. Когда котел подогревают, соль плавится, поглощая большое количество энергии. Накопленное тепло используют для разных целей, в частности для обогрева жилых помещений. Глауберова соль запасает тепла в 7 раз больше, чем нагретая вода, и в 12 раз больше, чем нагретые камни. Объем такого котла – около 3 м3. Однако немецкие ученые на этом не остановились и предложили проект поистине гигантского теплового накопителя. Озеро площадью около 5 км2они задумали укрыть «одеялом» из пенопласта толщиной 10 см. После этого воду в озере нагреют до 75 °С. Благодаря «одеялу», тепло в озере будет сохраняться очень долго, многие месяцы, и его можно постепенно использовать. Странно, что этот проект появился в современной Германии, где так пекутся об экологии. Ведь рыба, живущая в этом озере, будет очень недовольна повышением температуры воды до 75 °С! Но уж если говорить о гигантских тепловых накопителях, то проект российских ученых не имеет себе равных. В нем предлагается использовать солнечную энергию с помощью теплового накопителя массой 400 млн т! Этот накопитель можно представить себе в виде кольца, имеющего ширину 10 м и толщину в полметра, которое опоясывает Землю по экватору. Днем участки кольца, освещаемые солнцем, нагреваются, и заполнитель плавится. Ночью расплавленные участки гигантского накопителя выделяют тепло, снабжая энергией население всего земного шара. Проект этот показался мне хоть и заманчивым, но уж очень фантастичным, почти утопией.
Узнал я и о том, что тепловые накопители применяли на транспорте, причем более 100 лет назад. Как я уже говорил, во Франции, в городе Нанте в конце позапрошлого века ходил трамвай, работавший на сжатом воздухе. Так вот, этот трамвай на конечных станциях заправляли не только сжатым воздухом, но и кипятком. Кипяток, играя роль накопителя тепла, согревал воздух после выхода его из баллона, когда газ сильно охлаждался. Нагревание повышало давление воздуха, и он совершал гораздо большую работу, чем без нагрева. Таким образом, пользуясь дополнительным накопителем тепла, можно получать от газового или воздушного аккумулятора энергию, даже превосходящую ту, что была затрачена при зарядке баллона. Такой же принцип, но с заменой кипятка на горелку со змеевиком, был использован в американском пневмокаре, о котором мы уже говорили. Таким образом, получался своеобразный «гибрид» теплового двигателя и пневматического накопителя.
Что такое «рекуперация»?
Рекуперация – это использование того, что раньше предполагалось выбрасывать. Вот, решили мы старую одежду выбросить, а потом передумали и отдали ее в «секонд хенд». Это уже можно назвать рекуперацией. Или еще пример – испортилась на складе осетринка, ну, стала она «второй свежести». Положено бы ее выбросить, но мы скармливаем ее свиньям – это тоже рекуперация. А если коптим ее и скармливаем теперь уже людям – то это рекуперация криминальная. В большинстве случаев термин «рекуперация» относится к энергии. Допустим, в каком-то технологическом процессе нам надо выпустить в атмосферу отработанный пар, имеющий еще приличную температуру. Мы же используем этот пар для отопления или подогрева воды. Происходит процесс рекуперации энергии. А теперь поговорим о транспорте. Спускается с горы электричка, тяговые двигатели ее работают в режиме генераторов – вырабатывают ток. Его можно направить в реостаты и подогреть атмосферу, а можно направить обратно в сеть и помочь другой электричке взобраться на гору. Это – очень характерный прием рекуперации, давно используемый на электротранспорте, что дает большой экономический выигрыш. Огромную экономию принесла бы рекуперация на городском транспорте – ведь он только и делает, что тормозит и разгоняется. Почти половина, иногда и больше, энергии, вырабатываемой двигателем машины, гасится в тормозах. Какое расточительство, ведь энергия эта, переходя в тепло, пропадает для нас навечно, «съедаемая» коварной энтропией, о которой мы уже говорили раньше. Что же сделать, чтобы спасти энергию? Если речь идет об электротранспорте – трамваях, троллейбусах, поездах метро – то эта проблема еще имеет решение, правда частичное. Вот мы уже научились отдавать полученную при торможении энергию обратно в сеть, чтобы ее могли расходовать другие машины. Но практика показала, что этот путь не очень рациональный. Как быть, если, например, большинство водителей таких машин решило тормозить почти одновременно? Ведь это огромный выброс мощности, которую просто невозможно использовать.
Поэтому эффект от отдачи энергии торможения в сеть не столь заметен. Особенно велика роль рекуперации для поездов метро: они движутся очень быстро – до 90км/ч и тормозят часто. Тот же рваный ритм движения и у трамваев, им приходится тормозить даже еще чаще. Вот бы сюда «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. Затормозил трамвай или поезд метро – и энергия не уходит в тормоза или в сеть, где она не всегда нужна, а целенаправленно через электродвигатель раскручивает маховик. Машина остановлена, а энергия ее накоплена в раскрученном маховике. Настало время разгоняться – энергия из маховика через генератор, в который на время превращается электромотор, направляется в тяговые двигатели машины – поезда или трамвая. Машина разгоняется, а маховик замедляет свое вращение. Основной вопрос в том – где разместить «энергетическую капсулу»: поставить ее на саму машину или установить стационарно вблизи остановки, да еще для безопасности заглубить в землю? Связь с машиной при этом будет осуществляться по проводам, здесь проблемы нет. Нужно только на время торможения и разгона отсоединять машину от основной силовой сети, чтобы не мешать остальным машинам нормально двигаться. Зато мы не будем стеснены габаритами и массой «энергетической капсулы», да и вопросы безопасности при размещении «капсулы» вблизи остановки решаются проще, чем в случае ее крепления на самой машине, рядом с пассажирами. Описанная концепция размещения накопителя вблизи трамвайных остановок легла в основу проекта, который мы осуществляем в г. Ганновере совместно с германской энергетической фирмой SEEBa. Маховик, для дешевизны изготовленный из большого железнодорожного колеса, вращается в вакуумной камере на магнитной подвеске и соединяется с мотор-генератором. Последний через частотный преобразователь тока связывается с токоподающи-ми проводами, которые как я уже говорил, на время торможения и разгона отключаются от основной силовой сети. Экономия ожидается в размере около 150 евро с одной трамвайной остановки в сутки.
Далеко ли предел?
Действительно, где «потолок» плотности энергии супермаховиков? Только ли прочность материала определяет его? Например, тяжелый чугун и легкий дюралюминий почти одинаково прочны. Из какого же материала выгоднее делать маховик – из легкого или тяжелого? Как ни парадоксально, но расчеты показали, что из легкого. Оказывается, не просто прочность, а удельная прочность, то есть отношение прочности к удельному весу материала, определяет плотность энергии маховика. Максимум, что мы можем «выжать» из стали, даже самой совершенной,– это 30—50 кДж/кг, дальше маховик разорвется. А маховик из более легких титана, дюралюминия, магниевых сплавов при той же массе накопит до разрыва в полтора раза больше энергии. Неплохим материалом для маховиков являются пластмассы, особенно усиленные стеклонитью, так называемые стеклопластики. Тяжелые же материалы практически не годятся для маховиков. Медный маховик не накопит и десятой доли энергии стального, а свинцовый – и сотой доли энергии титанового или дюралевого маховика. Раньше мне показалось бы абсурдным изготовление маховиков из дерева или бумаги. Теперь я узнал, что маховики из дерева, фанеры, бумаги, склеенной в несколько слоев, могут накопить больше энергии, чем такой же по массе маховик из стали, и при этом будут значительно дешевле его. Например, плотность энергии маховиков из бамбука почти в 10 раз выше, чем из стали, и достигает 0,3 МДж/кг. Приблизительно вдвое хуже, но все-таки очень высокие показатели у маховиков из березы, сосны, ели. Плохо только то, что объем их слишком велик – дерево очень легкий материал. Объем маховиков с одним и тем же запасом энергии бывает равным лишь при одинаковой их прочности. Выходит, маховики из бамбука, дюраля и чугуна, имеющие одну и ту же прочность, при равном запасе накопленной энергии одинаковы и по объему. Однако дюралевый маховик в три раза, а бамбуковый в 10 раз легче, чем чугунный. Это подтверждено расчетами и испытаниями. Совершенно неожиданными для меня стали данные, которые я вычитал о таких, казалось бы, хрупких материалах, как стекло и горный хрусталь.
Оказывается, специально закаленное стекло, как и лучшая проволока, выдерживает 3 кН/мм2, а хрусталь и даже кварц еще прочнее – 10 кН/мм2. А ведь их плотность в три раза меньше, чем у стали! В результате маховик из плавленого и закаленного кварца способен накопить в килограмме массы до 5 МДж энергии, или в 150 раз больше, чем стальной маховик! То есть он уже вполне может стать «капсулой». Автомобилю массой 1 т для прохождения 100 км будет достаточно пятикилограммового супермаховика из кварца. К сожалению, кварц слишком дорог, а разрыв его, как и стекла, опасен. Осколков тут, правда, не образуется, маховик мгновенно разлетается в пыль, но весь и сразу. Это хуже, чем взрыв такого же количества тротила, во всяком случае, энергии при разрыве маховика выделится больше. А что, если вместо монолитного стекла или кварца использовать волокна, тончайшие нити? Прочность у стеклянных и кварцевых волокон гораздо выше, чем у монолита. Например, тонкие волоконца из кварца во время испытаний показали в три-четыре раза большую прочность, чем литой кварц, и в 10 раз большую, чем стальная проволока. Супермаховик, навитый из такого волокна, даже с запасом прочности обеспечит плотность энергии в 5 МДж/кг. Продолжая поиск, я выяснил, что необычайной прочностью обладают волокна из углерода. Да-да, из обычного угля, графита и даже алмаза, который по химическому составу – тот же углерод. И насколько алмаз прочнее мягкого графита, настолько же волокно алмазной структуры прочнее графитового. А ведь графит в виде волокна имеет ту же прочность, что и стальная проволока, хотя плотность его в пять раз меньше! Маховик, навитый из графитового волокна, в 20—30 раз превзойдет стальной по плотности энергии, а навитый из алмазного волокна приобретет фантастическую энергоемкость – 15 МДж/кг! Но пока цена такого материала тоже фантастическая, нить из него получить очень трудно – на сегодняшний день волоконца имеют длину всего несколько микрон. Обнадеживает однако тот факт, что лет десять назад и графитовое волокно стоило весьма дорого, а теперь, когда его производство отлажено, из него делают даже лыжные палки.
Поэтому можно надеяться, что и сверхпрочные волокна из алмаза скоро станут дешевыми, как уже подешевели, например, искусственно получаемые алмазы. Запасов же углерода, кварца, стекла в мире хоть отбавляй. Итак, 20 кг супермаховика для 500 км пробега автомобиля! Это отличный результат для «капсулы». Но, как оказалось, прочностные возможности материалов еще далеко не исчерпаны. Совсем недавно, на основе нанотехнологий в США и Австралии были созданы волокна и ленты фантастической прочности на основе того же карбона или углерода. При толщине ленты в сотни раз меньше волоса, она по прочности в тысячи раз превышает сталь, или ординарное графитовое волокно. Стало быть, его плотность энергии может составить тысячи мегаджоулей на килограмм, вероятнее всего 2500—3500 МДж/кг. Такую плотность энергии даже вообразить себе трудно – это в тысячи раз больше, чем у самых перспективных электроаккумуляторов. Супермаховик из этого «суперкарбона» массой 150 кг способен обеспечить пробег легкового автомобиля в 2 с лишним миллиона километров с одной раскрутки! То есть больше, чем может выдержать шасси машины. Это даже не «капсула», а «сверхкапсула», такой, пожалуй, пока и не надо. К тому же суперкарбон, необходимый для ее создания, стоит очень дорого – сотни долларов за грамм. Вероятнее всего, этот материал со временем будет дешеветь, как и обычный карбон. Но если спуститься с небес на землю и посмотреть, на что я со своей идеей «энергетической капсулы» мог рассчитывать сегодня, то я пришел к таким выводам. Имеющихся в промышленности материалов – стальных лент, проволок, стеклянных и кварцевых волокон, волокон из графита, бора, специального дешевого волокна – кевлара, идущего, кстати, на покрышки для автомобилей, – вполне достаточно для создания супермаховичных накопителей с плотностью энергии большей, чем у лучших электроаккумуляторов. По другим полезным показателям – плотности мощности, КПД, долговечности, стоимости – супермаховики тоже намного превзойдут эти аккумуляторы.
«Заряжать» супермаховики можно с помощью обычного электродвигателя. Если требуется быстрая «зарядка», супермаховик нужно соединить с валом большого стационарного двигателя мощностью в сотни киловатт. Такой двигатель разгонит его за считанные минуты или даже секунды. А если время «зарядки» не регламентировано, то сгодится маломощный зарядный двигатель, который можно возить с собой на автомобиле и при необходимости подключать к электросети посредством шнура с вилкой, как мы включаем, например, пылесос. То есть и по срокам «зарядки» супермаховики гораздо совершеннее электроаккумуляторов, которые, как известно, заряжаются часами. Кроме того, супермаховики воспринимают «зарядку» полнее, чем электроаккумуляторы, и стоимость накопленной в них энергии будет самой низкой по сравнению со всеми другими типами накопителей. Теперь я уже мог со спокойной совестью работать над супермаховиками дальше, не опасаясь, что мои усилия пропадут даром, а идея «энергетической капсулы» будет расценена как нереальная или преждевременная. Чтобы выявить сильные и слабые стороны супермаховиков, я решил построить и испытать несколько образцов из ленты и проволоки. Казалось бы, взял ленту или проволоку, намотал на катушку – и готов супермаховик. Но не тут-то было. При создании супермаховиков я столкнулся со многими трудностями – расслоением ленточного витого обода, спаданием обода с центра – барабана, вибрациями при работе, закреплением последнего витка и другими. Какие хитроумные головоломки приходилось тут решать, я хочу показать на следующем примере.
Демон Максвелла, как я его себе представлял
Однако страсти вокруг «демона» не утихают, приверженцы этой идеи стараются найти все новые аргументы в ее защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной проблеме «демона Максвелла», всерьез говорится о том, что роль «демона» в разделении молекул с разной энергией взял на себя квантовый генератор – лазер, который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных. Утверждают, что разделение молекул по скоростям в потоке газа якобы происходит в вакуумной камере под действием гравитационного поля Земли: дескать, в этих условиях медленные молекулы больше отклоняются от первоначальной траектории, чем быстрые. Кроме того, заявляют, будто показания, снятые в разных точках жидкости при измерении температуры ее кипения, могут отличаться на десятки градусов. Как, если не с помощью «демона Максвелла», это можно объяснить? Последнее меня заинтересовало, и я задумал сам провести опыт, который должен был подтвердить или опровергнуть существование злополучного «демона».
Древняя электрическая батарейка
Так или иначе, огромная заслуга Вольты состоит в том, что он не только построил гальванический элемент, но и объяснил его действие, чего по вполне понятным причинам не могли сделать древние. Элемент Вольты давал очень маленькое напряжение. Чтобы повысить его, стали изготавливать батареи из медных и цинковых пластин, переложенных прокладками, смоченными серной кислотой. Батареи эти, названные вольтовыми столбами, обеспечивали уже достаточно большое напряжение. После Вольты немало ученых – Жорж Лекланше, Якоб Даниэль, Вильям Грове и Угольный электрод
Джеймс Уатт (1736—1819)
ЕСЛИ ХОЧЕШЬ БЫТЬ СЧАСТЛИВЫМ…
Автор рассказывает о том, как стать счастливым, и подкрепляет этот рассказ конкретными советами, как житейскими, так и чисто техническими, не забывая, конечно, и об «энергетической капсуле».
Один из афоризмов небезызвестного Козьмы Пруткова призывает: «Если хочешь быть счастливым – будь им!» Что ж, ему не откажешь ни в остроумии, ни в глубокомыслии, тем более, что «содрал» он этот афоризм у Лоренцо Медичи (или Великолепного), писавшего: «Счастья хочешь – счастлив будь! Нынче, завтра – безразлично!» Но совет уж больно расплывчатый, неконкретный. Нисколько не претендуя на лавры Козьмы Пруткова, а тем более Лоренцо Великолепного, я перефразирую это изречение так, как понимаю его сам: «Если хочешь быть счастливым – будь изобретателем!» Ибо людей счастливее изобретателей, пожалуй, нет. Я сам испытал немало счастливейших минут такого «озарения», какое заставило великого Архимеда выскочить голым на улицу с криком: «Эврика!» Как я был счастлив, когда мне пришла идея навивать обод супермаховика из проволоки, вместо того чтобы делать его цельным! А когда во сне я увидел вращающиеся кассеты магнитофона и понял, что это – мой вариатор! Или когда огромный полуторатонный маховик, подвешенный в моей магнитной подвеске, замер в «безразличном» равновесии! А последним (только пока!) таким счастливым озарением стала идея супервариатора. Думаете, эти мгновенья счастья соизмеримы с теми, которые случаются, например при выигрыше в лотерею миллиона, пусть даже долларов? Нисколько – деньги просто «сваливаются» на тебя, а идею, единственную и лучшую в мире, «вынашиваешь» ты сам! Однако на этом пути, читатель, немало «подводных камней», как, впрочем, и в любом другом серьезном деле. Попытаюсь уберечь тебя от наиболее опасных из них, а заодно дам несколько советов, хотя это, как известно, и не самое благодарное дело. Никогда не берись изобретать то, о чем мало знаешь; удачи здесь вряд ли добьешься, зато прослывешь «горе-изобретателем». Постарайся изучить как можно больше в той области, в которой хочешь изобретать, и в первую очередь изучи изобретения, что были сделаны раньше; отнесись к ним с уважением и вниманием – их делали неглупые люди.
Вместе с тем не поддавайся мнению авторитетов, не ищи традиционных решений – толкового изобретения таким путем не создашь. Думай постоянно о своем изобретении, не забывай о нем и перед сном – не исключено, что именно во сне ты увидишь решение мучительной для себя задачи. Будь дружен с наукой, всегда обращайся к ней в трудных случаях, не иди ей наперекор – и ты никогда не станешь изобретать «вечные двигатели», «инерцоиды» и прочие химеры, которые превращают изобретателя из самого счастливого человека в самого несчастного… Я рассказал тебе в этой книжке о моем поиске, который оказался столь же трудным, сколь и удачным – я все-таки воплотил свою мечту: нашел свою «энергетическую капсулу». Если ты будешь честно и добросовестно вести свой поиск, не пожалеешь для него времени, тебя тоже обязательно ждет удача. По-другому просто не бывает – это подтверждается многовековой историей человеческого поиска, это закон. Интересных и увлекательных задач, решению которых можно посвятить себя, бесконечно много. Но мне очень хотелось бы, чтобы ты, так же как и я, отправился на поиски «энергетической капсулы». Иначе я не стал бы писать для тебя эту книжку. Не подумай вдруг, будто все самое основное в поиске «энергетической капсулы» уже сделано и тебе остались лишь крохи. Сейчас трудно даже представить себе, какой в действительности окажется «энергетическая капсула» будущего, которую, возможно, построишь ты. Я надеюсь, что это будет супермаховик, моему коллеге электрику, видимо, больше по душе конденсатор или сверхпроводник, а химику, конечно, электрохимическая батарея! Решение же, вероятнее всего, где-то посередине, на «стыке» двух или нескольких направлений. Я чувствую, что ты хочешь подтверждающего примера. Пожалуйста. Возьмем палку с двумя грузами на концах и раскрутим ее на стенде, как стержневой супермаховик из куска троса – вокруг поперечной оси. Что мешает крутить быстрее? Да все та же малая прочность – грузы, стремясь двигаться по прямой, разорвут палку и разлетятся. Это ахиллесова пята всех маховиков – рано или поздно разрывается даже лучший из супермаховиков.
Обратимся за помощью к электричеству. Силы притяжения электростатических зарядов, оказывается, могут быть очень велики. Если поставить двух людей на расстоянии метра друг от друга и передать одному из них всего 1 % электронов, взятых у другого, то сила притяжения этих людей будет равна… силе тяжести всего земного шара! Не знаю, поверишь ли ты мне, но это так. Теперь используем это свойство зарядов в нашем стержневом маховике. Будем по мере раскрутки отнимать у одного из грузов электроны и добавлять их другому, заставляя их притягиваться друг к другу все сильнее. Так мы можем раскрутить маховик до сверхкосмических скоростей без разрыва палки и разлета грузов. При этом помимо колоссальной кинетической энергии будет накоплена и громадная электроэнергия в виде заряда. Ну, как идея? Стоит поработать? Учти только, что я умышленно не говорю тебе о трудностях на этом пути. Ты скажешь: «Ну что за накопитель энергии – палка с грузами на концах! Это несерьезно». Но подобная «несерьезная» идея может послужить основой для создания вполне реальной конструкции. Помнишь, я рассказывал о супермаховике, который мы навивали из металлической ленты? Тебе ничего не напомнила эта модель супермаховика? Да ведь это же конденсатор, обычный конденсатор из фольги – накопитель электронов! Правда, в конденсаторах лента навита не в один, а в два слоя. Но и супермаховик тоже можно навить из двух лент. Если мы теперь станем раскручивать такой супермаховик, подавая постепенно на его ленты-обкладки напряжение, то эти ленты, накапливая электрическую энергию, будут одновременно прижиматься друг к другу, повышая прочность супермаховика. А это ведет к увеличению запаса кинетической энергии. Вот такая конструкция, основанная на «несерьезной» идее, была признана изобретением, и об этом я уже писал выше. Или взять, например, так называемые пульсары – звезды малых размеров, но с громадной массой. Ведь они вращаются с огромными окружными скоростями, не доступными никаким супермаховикам, накапливают фантастическую кинетическую энергию.Почему же эти пульсары не разрываются? Не «пускает» гравитация, она мешает частицам пульсара разлетаться по инерции. Может, что-нибудь подобное ты придумаешь для маховиков? Итак, в добрый путь, читатель! Ищи свою мечту и находи ее! Удачи тебе в этом поиске! А для убедительности приведу краткие сведения из жизни наиболее чтимых мной «счастливых» изобретателей «всех времен и народов» – грека Архимеда, русского И. П. Кулибина, англичанина Джеймса Уатта и американца Томаса Эдисона. И у каждого из этих «гигантов», оказывается, была своя «энергетическая капсула». Пусть эти великие люди будут для тебя маяками удачи!
Французский городской электромобиль «Тюльпан»
Сегодняшний возврат к электромобилям (как и к паромобилям, воздухомобилям и т. п.) вызван отнюдь не тем, что у инженеров появились какие-нибудь принципиально новые идеи, связанные с коренным улучшением электромобилей. Нет, просто стало трудно дышать в крупных городах из-за выхлопных газов двигателей, и к тому же быстро кончаются мировые запасы топлива. Отсюда возникла необходимость спешно найти замену автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. Вот и вспомнили про электромобили.
Геометрическое представление единицы электроемкости – фарады
Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ при напряжении 300 В, то масса его составит несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее 0,5 Дж. Стало быть, плотность энергии достигнет около 10 Дж/кг. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в 10 больше, но и это очень немного. Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, впервые был изготовлен конденсатор из активированного угля!
Гибридные автомобили современности
Нет, наш труд, хотя кое-кто из пессимистов называл его «мартышкиным», не пропал даром. Говоря «высоким штилем» – из искры стало разгораться пламя, причем созидательное. Я далек от мысли, что это созидательное пламя разгорелось только от нашей скромной искорки. Но все наши изобретения, а их около трех сотен, были запатентованы, а патенты специалистами изучаются. Все наши находки и ошибки, концепции и расчеты, данные испытаний и планы на будущее публиковались в сотнях статей и десятках книг, изданных в том числе «за бугром». Работы эти цитировались и обсуждались в книгах и статьях зарубежных авторов, поэтому логично предположить, что кое-что из прочитанного использовалось и на практике. И я бываю просто счастлив, когда среди новых зарубежных конструкций и расчетов встречаю такие знакомые мне решения… Конечно же, главное предназначение «энергетической капсулы», по крайней мере на ближайшее будущее,– это гибридные силовые агрегаты автомобилей. Сейчас многие промышленно развитые страны приступают к их выпуску. Существует много концепций гибридов, главным образом связанных с электроаккумуляторами и электроприводами. Ведь почти все преимущества супермаховика основаны на использовании механической трансмиссии с высочайшим КПД, иначе говоря – супервариатора. А его пока в промышленном исполнении нет – уж очень недавно он изобретен.
Гидрогазовый аккумулятор
Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и тут и там упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина и привязанный к ней шнурок разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например с осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то в рогатке поместили кусок кожи между резинкой и камнем – так сказать, рабочим телом. Без этой кожи рогатка стреляла бы гораздо хуже. Надо бы придумать что-нибудь подобное и для воздушного аккумулятора, решил я. И поиски привели меня к уже давно известному устройству, принцип работы которого заключался в следующем. Заливаем в баллон со сжатым газом машинное масло и разделяем их поршнем или резиновой диафрагмой. Сжатый газ давит на поршень, тот на масло, а оно уже поступает под давлением в гидромашину, которая очень похожа на пневмодвигатель или даже на паровую машину – те же цилиндры, поршни, золотники. Только вместо газа или пара гидромашину приводит в действие масло. Масло не сжимается, поэтому потерь энергии в такой машине во много раз меньше, чем в воздушном пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка. Это тоже был аккумулятор – гидрогазовый, то есть состоящий из жидкости – масла – и газа. Но наряду с преимуществами перед чисто воздушным аккумулятором он имел и свои недостатки. Главный недостаток – требовалось много масла. Чем более емкий аккумулятор мы хотим сделать, тем больше в нем должно быть сжатого воздуха. Масла, естественно, понадобится столько же, сколько и воздуха, не меньше. И еще – проходя через гидромашину, масло свободно стекает в бак – тяжелый, громоздкий, тем большего размера, чем больше масла. Если учесть, что здесь используется не один, а сразу несколько баллонов со сжатым воздухом и маслом, то можно себе представить, как это все увеличит размеры и массу аккумулятора! Нет, размышлял я, так дело не пойдет. Куда мне такая громадина? Один только бак чего стоит… А нельзя ли обойтись совсем без него? Половину баллона сначала занимает сжатый газ, вторую половину – масло. Попробуем сузить баллон посередине, между жидкостью и газом, поставив там запорный клапан. Изменим таким же образом и другие баллоны аккумулятора. Теперь сделаем вот что: пусть масло находится в нижней половине первого баллона, сжатый газ – в верхней. В остальных баллонах оставим сжатый газ только в верхних половинах, нижние оставим пустыми, а запорные клапаны перекроем. Причем последний баллон выполним только из нижней половинки. Итак, весь газ сжат, энергия в нем накоплена – все готово к совершению работы. Сможет ли аккумулятор работать без бака?
Гидрогазовый аккумулятор без бака
Открываем запорный клапан первого баллона и выпускаем масло под давлением в гидромашину. Но после гидромашины направляем масло уже не в бак – его ведь нет,– а в пустую нижнюю половину следующего баллона. Когда он заполнится, открываем запорный клапан этого баллона, и масло, отработав в гидромашине, поступает в третий баллон. И так далее, при любом количестве баллонов, при любой емкости аккумулятора. В конце работы остается только заполненная маслом нижняя половинка последнего баллона. Все в порядке, энергия выделяется! Зарядка аккумулятора должна происходить в обратной последовательности. Мы крутим гидромашину, и масло своим давлением поочередно сжимает газ в баллонах, переходя из одного в другой, при этом предыдущий баллон используется в качестве бака. Аккумулятор заряжен! Это была уже действительно победа! Использовать в аккумуляторе огромной емкости постоянный небольшой объем масла и обойтись совсем без бака – раньше это казалось мне просто фантастичным. Чтобы проверить правильность своих расчетов, я обратился к специалистам-гидравликам. И тут я по-настоящему оценил народную поговорку: «ум хорошо, а два лучше». Специалисты многое поправили в моей схеме, нашли такие «тонкости», о которых я и не подозревал. Разработанные нами впоследствии устройства были признаны изобретениями. И все же полного удовлетворения у меня не было. Пристально изучая воздушный аккумулятор, я убедился, что при сильном сжатии многие газы просто-напросто сжижаются, и дальнейшее сжатие, если оно даже возможно, уже не дает желаемого эффекта.
Оказалось также, что нельзя закачивать газ под очень большим давлением в один баллон – не выдержит, разрушится стенка баллона, даже если она сделана из толстой стали. Надо помещать один в другой несколько баллонов, постепенно повышая давление от внешних к внутренним. Однако полноценным аккумулятором станет только внутренний, самый малый баллон, где наиболее высокое давление. Остальные будут практически балластом. Значит, повышать давление более 40—50 МПа для аккумулирования энергии в сжатом газе невыгодно, то есть энергетический «потолок» здесь невысок. И хотя такие аккумуляторы в общем-то нужны и полезны, моей «капсулы» тут не найти. Время шло, а «энергетическая капсула» продолжала пока оставаться мечтой.
Гигантский супермаховичный накопитель Стивена Поста
Супермаховик Стивена Поста предполагается собрать в виде концентрических колец, навитых из кремниевого волокна и насаженных одно на другое с небольшим зазором, заполненным эластичным веществом, например резиной. Затем его заключат в герметичный корпус и соединят с валом мощного мотор-генератора. Сильная магнитная подвеска разгрузит подшипники от громадной тяжести супермаховика. В случае разрыва супермаховика выделится энергия, равная взрыву тысячи тонн тола, но в момент разрыва корпусу передастся не более 1-2 % этой энергии. Остальная энергия будет выделяться достаточно медленно, преобразуясь в тепло. На всякий случай супермаховик все же намечено установить под землей на безопасной глубине. Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики, о которых упоминалось выше. Единственной подвижной частью такого супермаховика является кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцо-супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор-генератора, а те места, где стоят обмотки магнитов, – статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.
Гирокар П. П. Шиловского (а) и принцип его действия (б)
Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – способность накапливать энергию и сохранять неизменное положение в пространстве.
Гиротроллейбус фирмы «Локхид» (США) (а) и его маховичный накопитель (б)
Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 км/ч и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100—150 м. Такой запуск очень надежен и экономичен.
Гончарный круг из города Ура – первый маховик
Во-первых, зачем понадобилось делать гончарный круг столь большим и тяжелым? В Египте, например, находили гончарные круги лет на тысячу старше. Изготовленные из дерева, они были гораздо меньше по размерам, легче и прекрасно служили в качестве простой вращающейся подставки. Такими же кругами пользовались и в Междуречье. И все-таки гончар из Ура сделал свой круг тяжелым и громоздким, как будто назло самому себе. Во-вторых, для чего было проделано маленькое отверстие в торце диска? Если большое отверстие в центре предназначалось для закрепления в нем оси, то маленькое отверстие сбоку поначалу казалось археологам совсем ненужным. И тут Леонард Вулли высказал блестящую мысль: в маленькое отверстие втыкалась деревянная рукоятка, с помощью которой древний мастер вращал массивный диск. А большой вес и внушительные размеры диска ему нужны были для того, чтобы подольше сохранять это вращение и работать на своего рода «механизированном» станке. Гончар из города Ура сделал гениальное открытие – он изобрел маховик! Как и миллионы нынешних маховиков, их предок – гончарный круг, вращаясь, переносил энергию во времени. Именно он, по признанию ученых, положил начало эре механизированного труда.
Груз и струна
Для того чтобы сравнивать между собой аккумуляторы различных типов, я должен был выбрать какую-нибудь меру, или, как говорят ученые, критерий для их оценки. Можно сравнивать накопители по цене, экономичности, сложности, удобству и многим другим качествам. Но я хотел, чтобы моя «энергетическая капсула» была установлена прежде всего на автомобиле, а поэтому и сравнивать накопители решил применительно к автомобилю. На автомобилях же источником энергии для движения служит топливо, сгорающее в двигателе. И обычно говорят: «Расход топлива в таком-то автомобиле столько-то литров на 100 км пробега». Этот способ оценки автомобилей по расходу топлива на 100 км пути стал общепризнанным. Что ж, зачем искать новую меру для сравнения накопителей, когда достаточно хороша и старая. От добра, как говорится, добра не ищут. Только уж очень неудобно оценивать накопители энергии в литрах, лучше в килограммах. В общем мерой для сравнения я принял массу в килограммах такой «энергетической капсулы», которая позволит автомобилю средней величины, например массой в 1 т, проехать путь в 100 км. Дорога при этом должна быть ровной, хорошей, без подъемов и спусков, а автомобиль должен ехать равномерно, с обычной скоростью 60—80 км/ч, без остановок, обгонов, дорожно-транспортных происшествий и прочих приключений. Иначе сравнение будет очень затруднено. Если подсчитать силу, с которой нужно толкать или тянуть такой автомобиль, то получится около 250 Н. Эта сила была определена так. Автомобиль массой в 1 т привязали буксиром к другому автомобилю, а в буксирное устройство вставили динамометр – измеритель силы, или попросту пружинные весы. При равномерном буксировании со скоростью 60—80 км/ч динамометр показывал 250 Н.
Хлорно-литиевый аккумулятор
Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары «сера – натрий» и «хлор – литий». Металлы там находятся в виде расплавов, их температура достигает нескольких сотен градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того что такие аккумуляторы работают при температурах 300—800 °С, они получили название горячих. Происходящее внутри горячих аккумуляторов почему-то мне сразу напомнило описание мифологического ада, о котором я в детстве немало читал. Достаточно было представить расплавленную серу, в которой «варится» расплавленный натрий, тот самый натрий, что уже от воды загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при восьмистах градусах! Недаром ученые уже который год бьются над созданием корпуса к этому «адскому» накопителю – мало какой материал способен выдержать такую начинку. Однако горячие аккумуляторы при низкой стоимости развивают плотность энергии раз в десять большую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в килограмме своей массы 64 кДж энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400—700 кДж! Автомобилю на 100км пути хватило бы всего 50 кг серно-натриевого аккумулятора, на 300 км – 150 кг. Это неплохие показатели. Но… горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, их оболочка не выдерживает долго «адского» содержимого. Да и при аварии машины с таким аккумулятором оказаться даже в качестве зрителя – тоже небезопасно. Более спокойный «характер» у новых – медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии у опытных образцов таких аккумуляторов в полтора раза выше, чем у серебряно-цинковых, и, что самое важное, они способны развивать высокую удельную мощность. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, – всего до нескольких минут. Интересны аккумуляторы на основе цинка и… обычного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в аккумуляторе зависит только от количества цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока.
Инерционный аккумулятор А. Г. Уфимцева с механическим приводом
Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок. В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе долгое время работала такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10т.
Испытуемый маховик Стенд для испытаний маховиков на разрыв
Обычно опыты с маховиками проводят на специальном стенде, помещенном глубоко под землей. Маховик там подвешивают в особой камере, из которой выкачивают воздух. Крутят маховик воздушной турбиной, если он легкий, или мощным электромотором, если он тяжелый, как маховик гиробуса. До 4-5 тыс. оборотов в минуту маховик сохраняет свои исходные размеры – если его остановить и измерить самыми точными приборами, все будет как прежде. Но уже при частоте вращения, близкой к 5 тыс. оборотов в минуту, маховик как бы «раздается» в стороны, его диаметр сильно увеличивается, и после остановки маховик не возвращается к прежним размерам. Чем это вызвано? Из физики известно, что каждое массивное тело стремится либо двигаться равномерно и прямолинейно, либо находиться в покое. При вращении маховика сила сцепления его частиц, определяющая прочность данного материала, заставляет эти частицы сворачивать со своего «естественного» прямолинейного пути и «ходить по кругу». И частицы начинают «растягивать» маховик, пытаясь его разорвать, что дало бы им возможность двигаться равномерно и прямолинейно. Теперь находиться вблизи маховика чрезвычайно опасно. Совсем небольшого увеличения скорости вращения может оказаться достаточно, чтобы маховик вдруг резко вытянулся и разорвался, как точильный круг. Только если осколки точильного круга легко удерживаются тоненькими защитными кожухами, то осколки маховика, массой по полтонны (а маховики почему-то чаще всего разрываются на три части), способны наделать много бед. Я слышал, что при разрыве маховика в подвале одной старой фабрики осколок пробил все междуэтажные перекрытия и вылетел наружу, а уже падая, еще раз пробил крышу. Маховик гиробуса в момент разрыва обладает энергией, которой хватило бы для пробега машины на 12—18 км. Но не доводить же маховик каждый раз до опасного предела. Поэтому, как правило, прочность маховика используют всего на 1/3, что во столько же раз снижает его энергоемкость, а стало быть, и пробег гиробуса. Вот откуда те самые 4-6 км, о которых упоминалось выше.
Итак, по каким причинам нельзя накопить в обычном маховике больше энергии? Во-первых, это малая прочность материала, из которого он изготовлен. Крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Во-вторых, чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее последствия в случае его разрыва, и тем больше запас прочности следует закладывать при его проектировании. «А что, если изменить форму маховика? – подумал я. – Например, разместить всю массу на периферии, превратив маховик в тяжелый обод, связанный с центральной частью тонкими спицами, как в велосипедном колесе?» Оказывается, специалисты уже это сделали. По сравнению с кругом древнего гончара и впрямь получилось лучше. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Еще лучше накапливал энергию маховик в виде диска без отверстия, но к нему трудно крепить вал. Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, – диски «равной прочности». Как это ни удивительно, но энергии они могли накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе маховика.
Иван Петрович Кулибин (1735—1818)
Экипаж Фредерика Ланчестера
В 1918 году русский изобретатель-самоучка А. Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.
Экологические источники энергии
А использовать дешевую и безвредную энергию электростанций на автомобилях нельзя – не привязывать же автомобиль к станции проводами! Тракторы, комбайны, самолеты и многие, многие другие машины постигла та же участь, что и автомобили, – им самим приходится «добывать» для себя энергию, хотя это совсем невыгодно. Значит, надо научиться передавать энергию без проводов, вроде как по радио. Да и дело не только в этом. Выработка и потребление энергии далеко не всегда совпадают по времени. Днем светит Солнце – пожалуйста, используй его энергию. А наступил вечер – откуда ее взять для освещения? Работает крупная электростанция, освещает город. Вечером нагрузка на нее огромна – в каждом окне горит свет. Ночью свет погашен – ну и что! Не останавливать же из-за этого станцию!
У автомобиля тут преимущество: не нужно ехать – выключай двигатель. Но хорошо ли это? Двигатель должен работать, а не стоять и ржаветь. А куда девать его энергию, если автомобилю она в это время не нужна? Выходит, недостаточно передавать энергию на расстояние, даже если это делать без проводов. Надо еще уметь «переносить» ее во времени! Консервировать, как пищу, копить, как деньги в банке! Тогда все проблемы обеспечения людей энергией будут решены. Вот это задача, ею стоит заняться! И я решил изобрести, как я ее назвал для себя, «энергетическую капсулу», которую можно было бы «заряжать» энергией, а затем использовать как бензобак. В отличие от бензобака, в моей «капсуле» должна накапливаться исключительно безвредная для человека энергия. И не так мало, как в автомобильных аккумуляторах, а столько, сколько, например, в том же бензобаке. Ведь не секрет, что в тяжелом автомобильном аккумуляторе содержится энергии не больше, чем в рюмке бензина… И я захотел стать обладателем самого ценного в мире богатства – энергии! Имея «энергетическую капсулу», я стану всесильным энергетическим «банкиром» человечества, подлинным «властелином энергии»! Итак, поиск «энергетической капсулы» – накопителя энергии – начался.
Эквиваленты работы в 25 МДж
Чтобы аккумулятор Армстронга мог запасти 25 МДж энергии в виде поднятого груза, надо поднять 2,5т груза на высоту 1 км, либо 2500 т на высоту 1 м. Для автомобиля, разумеется, больше подходит вторая высота, но куда девать 2500 т груза? Что и говорить, неудобный аккумулятор! Его и на автомобиле не разместишь, разве что поднять машину на 2,5-километровую высоту. Тогда она сама станет аккумулятором энергии. Спускаясь с этой «горы», автомобиль сможет пройти без двигателя необходимые 100 км за счет энергии, накопленной при подъеме. Но на каждые 100 км пути гор, как говорится, не напасешься. Да и потом не всегда же спускаться, нужно и подниматься когда-то. Выходит, поднятый груз из списка претендентов на «капсулу» надо вычеркивать. Пусть он исправно служит, как и раньше, в часах-ходиках. Следующим накопителем энергии в моем списке была пружина. Прямо скажу: пружины меня очень заинтересовали, тем более что, как я слышал, были в свое время пружинные колесницы, на которых коронованные особы совершали свой торжественный выезд. Нельзя ли автомобили приводить в движение энергией заводной пружины?
Электрическая, или электрофорная, машина
«Устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования…» Я вспомнил школьные опыты с электрической машиной. Мы крутили большой стеклянный диск, трущийся о кожаные подушки, а затем извлекали из заряженных шаров или так называемых лейденских банок (и то и другое – конденсатор) яркие искры. Вращая диск, мы накапливали энергию, а извлекая искры из шара или лейденской банки, использовали ее. Как будто это устройство подходит под определение «аккумулятор», но что-то подсказывало мне, что электрическая машина – не аккумулятор. Ведь заряжали мы электричеством только шар или лейденскую банку, именно они накапливали энергию. А стеклянный диск, трущийся о подушки, служит для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию, он не имеет к аккумулированию никакого отношения. Такие устройства для преобразования энергии в энциклопедии называются «машинами».
Электрическая «капсула»
... Автор еще раз убеждается во всесилии электричества, равно как и в том, что от воплощения своей мечты он пока еще очень далек…
Электрический скат – «торпедо» (а) и схема его «электрических» органов (б)
Электрические органы ската, расположенные по бокам головы, весят около пуда. По своему строению они поразительно похожи на батарею гальванических элементов. Состоят эти органы из многочисленных пластинок, несущих положительные и отрицательные заряды, причем пластинки расположены столбиками (как бы соединены последовательно), а столбики связаны между собой. Каждый электрический орган покрыт «электроизолирующей» тканью. Скат способен давать ток силой 8 А при напряжении 300 В, то есть развивать мощность почти 2,5 кВт, что больше 3 лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Если подсчитать плотность мощности электрических органов ската, то получится свыше 150 Вт/кг! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100—150 Вт/кг открыло бы широкие возможности для применения электрохимических источников тока на транспорте, в частности для привода электромобилей. Сегодняшним аккумуляторным батареям это пока не под силу. Браво, скат! Но хотя скат и обогнал аккумуляторную технику, не разводить же его специально для накопления энергии. Нет, скат – не «капсула», он и не захочет быть ею, даже если попытаться «одомашнить» его для целей электроснабжения. Да и общество защиты животных будет против!
Электролитический конденсатор
Известно, что активированный уголь, приготовленный путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную поверхность на единицу объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активированный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активированного угля и заинтересовала японских ученых. Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость 1см3такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости размещенного в пустоте шара, чей диаметр в 15 тыс. раз больше, чем диаметр Земли, больше, чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это мало что дает – конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии такого конденсатора составляет примерно 1 кДж/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мала. Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокой диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130 тыс. единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 мкФ заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 В плотность его энергии составит 20 кДж/кг, что превышает тот же показатель для резиновых аккумуляторов. Тут мне пришло в голову: что, если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. Удельная энергия конденсатора, судя по всему, вырастет еще раз в 100. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения 100 км, была бы не более 1-2 кг! Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК-активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет случайный пробой? Мне было трудно ответить на поставленные вопросы, кроме последнего. Дело в том, что однажды я чуть не стал заикой от оглушительного взрыва телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше… И еще одно обстоятельство меня огорчало. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности их энергии, который оказался в тысячи раз ниже по сравнению с вычисленным мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих расчетах, и я, кажется, догадывался, кто… По крайней мере на ближайшее будущее с помощью так называемых «ультраконденсаторов» в США планируют накапливать энергию в количестве всего около 30 кДж/кг.
Электромаховичный накопитель А. Г. Уфимцева
Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 кг А. Г. Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» на улице Семеновской и гордятся им. Маховик А. Г. Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 ч. Идеи одаренного русского самоучки воплощены сегодня во многих маховичных накопителях для электростанций. Например, американский изобретатель Аллан Милнер разработал супермаховичный накопитель для солнечной электростанции. Известно, что солнечный свет, преобразованный в электроэнергию, может питать потребителей только днем, да и то в безоблачную погоду. А для того чтобы использовать эту энергию ночью и в пасмурные дни, ее необходимо предварительно накапливать, и по возможности с минимальными потерями. Накопитель Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 т, вращающегося со скоростью 15 тыс. оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 МДж энергии, при этом потери составляют всего около 12 %. У такого накопителя плотность энергии в полтора раза выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – выше во много раз. К слову, маховичный накопитель подобного типа разрабатываю сейчас и я вместе с германскими коллегами из фирмы SEEBa и университета города Циттау. С помощью данного накопителя немецкая сторона рассчитывает повысить экономичность городского электротранспорта, о чем речь пойдет ниже.
Электромобиль с супермаховиком
Так, у одной из моделей американского «гибридного» электромобиля с супермаховиком длина пробега без подзарядки составляет 112 км против 63 км у обычного электромобиля. Масса супермаховика с приводом для полуторатонного электромобиля – всего 75 кг. Неплохой «гибрид» получается из электроаккумуляторов и гидрогазовых накопителей. Последние также помогают использовать кинетическую энергию машины, значительно повышают путь пробега, скорость электромобилей, сокращают время их разгона. На маленьких электромобилях эффективны даже резиновые накопители. Они просты и вполне применимы для накопления небольшой энергии. Я однажды было собрался поставить на самодельный электромобиль для накопления энергии торможения свой накопитель от резиномобиля, но когда узнал, что подобное уже сделали английские инженеры, раздумал – не хотелось повторять чужой эксперимент. Можно соединять вместе и аккумуляторы одного вида. В Японии, к примеру, на электромобиле установили два типа электроаккумуляторов – стартерные и тяговые батареи. Первые, хорошо переносящие большие токи и мощности, работают на разгонах и обгонах, а вторые, имеющие более высокий КПД и плотность энергии, – на крейсерской скорости, питая электромобиль на ровной дороге без подъемов и разгонов. Конечно, стартерные электроаккумуляторы по плотности мощности не идут ни в какое сравнение с маховичными или гидрогазовыми накопителями, но и эта «гибридизация» в чем-то полезна. Очень широко распространены «гибриды» статических и динамических накопителей одного и того же вида энергии. Всем известный маятник, в том числе и балансир с пружинкой в наручных часах, – «гибрид» статического аккумулятора механической энергии в виде поднятого груза или скрученной пружины и динамического аккумулятора той же энергии – маховика. «Перетекание» энергии из статического аккумулятора в динамический, и обратно, носит колебательный характер. Эти колебания необычайно точны по частоте, что и обусловило их применение в самых разнообразных часах.
Точно такой же эффект получим, объединив статический и динамический электрические аккумуляторы – конденсатор и катушку индуктивности. Вместе они образуют так называемый колебательный контур. Электрический колебательный контур – аналог механического маятника, законы колебаний того и другого одинаковы. Потери энергии в обоих случаях приводят к одному и тому же – колебания затухают, накопленная энергия переходит при этом в тепло. И все-таки электрический и механический «маятники», несмотря на общность законов их колебаний, не могут заменить друг друга в технике. Представьте себе, что было бы, если бы в подвеске автомобиля вместо рессор ставили конденсаторы, в телевизоре вместо конденсаторов – рессоры, а катушки заменяли маховиками! Но, пожалуй, самый неожиданный гибрид – это супермаховик и конденсатор в одном «лице». Ведь намотанный из тончайших, в микроны толщиной, лент метгласса (специальный быстроохлажденный металл, имеющий аморфную, как бы «стеклянную» структуру) супермаховик представляет собой идеальный конденсатор! Только навивать такой «гибридный» супермаховик надо не из одной, а из двух лент, склеенных между собой, что, собственно, почти одно и то же. Склеиваются эти куски при навивке обода синтетическим клеем, имеющим высокую диэлектрическую проницаемость. Вследствие того, что лента из метгласса имеет большую площадь поверхности, такой конденсатор будет обладать высокой емкостью. К тому же синтетический клей – прекрасный электроизолятор. В результате получаем супермаховик из прочнейшего метгласса, дешевеющего год от года, а вдобавок совершенно «бесплатно» – без прибавки объема и массы, просто в качестве «подарка» – надежный конденсатор, вносящий свою «лепту» в общую энергетическую копилку.
Электромобили
Прежде чем расстаться с электроаккумуляторами, я решил испытать их на электромобиле. Все прочитанное мною про электромобиль было настолько противоречиво, что мне захотелось непременно составить о них собственное мнение. На электромобили иногда смотрят как на какую-нибудь новинку. А ведь они были созданы задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х годах XIX века появился первый электродвигатель, его сразу же поставили на экипаж. Работал этот двигатель от батареи гальванических элементов. Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 году, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8м с метровыми колесами, то есть достаточно крупное сооружение. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не сохранилось. В России первый электромобиль сконструировал инженер Ипполит Романов в 1896 году. Машина имела скорость 25 км/ч и запас хода 40 км. Вскоре тот же И. Романов построил первые электрические автобусы, на 15 пассажиров каждый. Талантливый инженер мечтал создать в Петербурге широкую сеть электроавтобусов для перевозки пассажиров, им был составлен подробный план всех необходимых работ. Однако этому плану не суждено было сбыться. В самом начале прошлого века электромобилей было уже так много, что в американском городе Чикаго, например, их число вдвое превышало число автомобилей! Электромобилисты чувствовали себя тогда весьма уверенно – даже мировые рекорды скорости принадлежали им, а не автомобилистам. Еще в 1898 году этот рекорд был равен 63 км/ч, а годом позже – 105,9 км/ч. По тем временам это было совсем немало. Впоследствии, когда стали добывать много дешевого бензина (он поначалу даже считался побочным продуктом перегонки нефти, и его просто сжигали!), автомобили вытеснили своих электрических собратьев. Для подзарядки электромобилей, число которых сильно возросло, уже не хватало мощности электростанций.
Энергия… в воздухе!
«Бесполезно было ждать от резины энергии больше, чем она в состоянии накопить»,– успокаивал я себя, глядя на предмет моей гордости – авторское свидетельство на изобретение «резиноаккумулятора». Мне удавалось растягивать жгут лишь до известных пределов, в конце концов резина не выдерживала и лопалась. При этом вся накопленная энергия «вылетала» из нее, как пробка из бутылки шампанского. А кстати, почему вылетает пробка из бутылки с шампанским? Потому же, почему и пуля из пневматического ружья. Сжатый газ способен совершать работу благодаря накопленной в нем энергии. Той самой потенциальной энергии, что запасалась в устройствах, которые я мастерил раньше. Воздух, как и любой газ, обладает упругостью. Более того, воздух, например, можно сжимать гораздо сильнее, в большее число раз, чем растягивать пружину или резину. Хорошо, если пружину удается растянуть вдвое; резину иногда растягивают раз в пять-шесть. А воздух сжимай хоть в 500 раз – ничего ему не сделается. То есть в сжатом воздухе, если рассуждать теоретически, можно накопить огромную энергию. Но газ не поддается сжатию сам по себе, нужен сосуд – баллон, в котором этот газ находился бы. Баллон должен быть очень прочным, иначе его разорвет давление. А прочные вещи всегда тяжелые, поэтому сам баллон, как правило, намного тяжелее, чем газ внутри него. Правда, и газ, сжатый, например, в 500 раз, нелегок – по плотности он уже приближается к жидкости… Но все-таки, сколько энергии сумеет накопить сжатый воздух? Может ли он претендовать на звание «энергетической капсулы»? Я, наверное, первый раз в жизни листал свой школьный учебник по физике с таким нетерпением, прежде чем нашел то, что искал.
Как накопить электроны?
Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то уж точно направили по ложному пути. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не отвлекаться на яркие пустышки, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня у меня значился конденсатор. Я уже говорил, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, в котором в середине XVIII века был создан. Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины, или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды,– прибор заряжен. Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментаторов. Правда, это было давно, когда люди еще не знали об опасности такого опыта. Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу? Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель.
Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатор не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и… По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мой конденсатор не хуже лейденской банки. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами. Раньше, в XVII—XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» – стали определять емкость конденсатора как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет заряд, а в худшем – разрушится, причем, что не исключено, со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 В. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном счете нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок. И еще одно очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко меняться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора. Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице.
Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора и стекла – до 7, а для воды – 81. То есть водный конденсатор обладает в 81 раз большей емкостью, чем воздушный. Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например электролитических, которые широко распространены в радиотехнике, выяснилось, что она очень низкая, не выше, чем у обычных стальных пружин. Даже у конденсаторов-гигантов плотность энергии не выше, хотя общее количество энергии может быть достаточно велико. За единицу емкости конденсаторов принята фарада (Ф). Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например шар, диаметр которого равен 18 млн км, то есть в 1500 раз больше нашей Земли! Разумеется, емкость большинства существующих конденсаторов значительно меньше, поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах (мкФ), или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах (пФ).
Как отобрать энергию?
... Во весь рост встает проблема отбора энергии у супермаховика – одна из важнейших для «энергетической капсулы»…
Как удалось «подковать» немецкий вариатор
В чем же пороки столь привлекательного планетарного вариатора, что его даже нельзя использовать на автомобиле? Прежде всего – передаточное отношение в этом вариаторе изменяется, я бы сказал, варварским способом. Внешние неподвижные диски прижимаются друг к другу наподобие шарикового домкрата: они сдавливают конические сателлиты, и те сдвигаются к центру, разжимая прижатые пружиной внутренние диски. Меняются радиусы касания дисков с сателлитами и меняется передаточное отношение, в данном случае оно понижается – выходной вал, соединенный с во-дилом, начинает вращаться быстрее. Если разжать домкрат, – сателлиты под действием пружин «разъедутся» на периферию и передаточное отношение увеличится. Двигатель же вращает внутренние диски вариатора, считаем, с постоянной скоростью. Так вот это «варварское» сжатие домкратом внешних дисков создает «пережим» в зонах контакта в 30—40 раз больший по сравнению с необходимым нажимом. Старик Баер сошел бы с ума, если бы узнал, как беспардонно перегружают его хитроумный контакт! Сильно снижается КПД, падает долговечность. Да и длится этот перевод дисков из одного положения в другое минуты две. Водитель озвереет, если его заставить две минуты переключать передачу, да еще на ходу. Нет, не ожидал я от вдумчивых немцев такого упущения, придется исправлять!
Каков КПД автомобиля?
Да простит меня читатель, если я задам ему детский вопрос: каков КПД у автомобильного двигателя? «Совсем профессор от жизни отстал»,– скорее всего подумает он и ответит, что из учебника физики следует: КПД бензинового двигателя достигает примерно 25 %, а дизельного – приближается к 40 %. А может, не будем верить печатному слову, а лучше убедимся в этом сами. Заправим бак топливом «по горлышко» и проедем по городу, разумеется, без происшествий и «пробок», 100 км. А затем дольем бак из мерного сосуда снова до прежнего уровня. Если ваш автомобиль весит около тонны и работает на бензине, то долить придется в среднем около 10 л; для автомобиля той же массы с дизельным двигателем потребуется примерно 7 л солярки. Так как научные расчеты производятся не в литрах, даже не в поллитрах, а в килограммах, то для бензина, с учетом его плотности, это составит 7 кг, а для солярки – чуть больше 5 кг. При сжигании эти килограммы топлива выделят (можете проверить по справочнику!) 323 и 250 МДж энергии, соответственно. А затратит ваш автомобиль при движении со скоростью 50—60 км/ч (и это еще хорошо для города!) в среднем 25 МДж, о чем мы уже говорили выше. Поделим эту полезную работу на затраченную энергию и получим КПД для бензинового двигателя 7-8 %, а для дизеля – 10 %. Вот вам теория – 25 и 40 %, а вот суровая правда жизни – 7,5 и 10 %! Конечно, кое-что теряется и в трансмиссии, но это крохи по сравнению с потерями в двигателе. Так что ж, врут авторы учебников? Нет, не врут, но лукавят. Тот КПД, что в них указан, относится к одному единственному режиму работы, называемому оптимальным.
«Капсула» разогревается
... «Капсула» начинает теплеть, но с появлением загадочного «демона Максвелла» автор всерьез усомнился в правильности избранного пути…
«Капсула» разрастается
Помните, мы говорили, что ученые разрабатывают проекты гигантских накопителей энергии на основе сверхпроводящих катушек – четверть километра диаметром и 50—70м высотой. И накапливать они должны десятки миллионов мегаджоулей энергии. Такие накопители нужны для аккумулирования энергии в период ночных недогрузок электростанций и для выделения ее при перегрузках в часы «пик». Наиболее чувствительны к недогрузкам и перегрузкам атомные электростанции, на долю которых с каждым годом приходится все больше и больше вырабатываемой электроэнергии. А пригодны ли супермаховики для накопления столь огромных количеств энергии и что они будут представлять собой в этом случае? Применение маховичных накопителей на электростанциях тесно связано с именем известного русского изобретателя-самоучки А. Г. Уфимцева, которого М. Горький назвал «поэтом техники». Изобретения Уфимцева были необычайно широкого диапазона – от керосиновых ламп до самолетов. Тщательно проанализировав различные способы накопления энергии для ветро-электростанций, в том числе «водородное» и тепловое аккумулирование, он пришел к выводу, что маховичный накопитель подходит для этих целей лучше других. Первый маховичный аккумулятор был построен А. Г. Уфимцевым в 1920 году из паровозного буфера. Маховик имел массу всего 30 кг и вращался в вакуумной камере, из которой был откачан воздух до давления около 5 гПа (гектопаскаль), совершая 12 тыс. оборотов в минуту. Вывод мощности из камеры осуществлялся электрическим путем с помощью мотор-генератора.
«Капсулу» – в жидкий гелий
Нет, не получилось из конденсатора полноценной «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда,– при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается. Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к аккумуляторной батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того, чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки тогда, когда питание от батареи уже не поступало? Похоже, эта энергия накапливалась в магнитном поле в то время, когда лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита. Итак, вот он – очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель. Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все бОльшая и бОльшая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но… от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита! Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, – вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление? Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных сведений.
Еще в 1911 году голландский физик Хейке Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,1 градуса, она полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости. В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не нашли. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось. В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию; в таком кольце ее примерно в семь раз больше, чем в равной по объему батарее конденсаторов. Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температуре, близкой к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия. Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде – была накоплена энергия в 10 кДж. Плотность энергии накопителя составляла около 40 кДж/кг. До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как… механическая прочность.
Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовляют проволоку для кольца, увы, совсем непрочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение энергии высокой плотности. Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь поверхности какого-либо тела пропорциональна квадрату его размеров, а объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель. Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе. Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными лишь тогда, когда запас энергии в них превышает 1 млн МДж. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в России способны запасать только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн.
Чуть больше подобные накопители за рубежом. Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего? В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 м и высотой свыше 20 м. Сечение обмотки – 17 м. Криостат заполняют жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключают в медные или алюминиевые оболочки и усиливают прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 кА (килоампер), а плотность тока достигает огромной величины – 3 кА на 1 мм2сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 млн МДж энергии. Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 МДж нужно автомобилю для прохождения пути в 100 км. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 км, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания 100 тыс. такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.
Кое-что об энергии и работе
Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики. Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», да мало ли еще какими, – их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильником, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю. Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию движения атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию. Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью перешло в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию.
И то всю механическую энергию они бы не передали, осталась бы еще потенциальная энергия взаимодействия молекул. Вот почему КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что КПД любого теплового двигателя не может превышать величину, равную частному от деления разности абсолютных температур нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя (это по Кельвину; чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса). Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200 °С, то есть 473 К, а уходит при температуре 100 °C, то есть 373 К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21 %. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10—15 %. Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, а не пытаться с их помощью производить механическую работу. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы для обогрева салона тех же автомобилей, что будут работать на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».
Кольцевой супермаховик
Если сравнить кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, то выявится следующее. Плотность энергии первого в 2-3 раза больше, чем второго, и достигает 0,5 МДж/кг. Потери на вращение у него в 50-100 раз меньше, чем у стального, благодаря чему он может свободно вращаться в течение 750, а в перспективе – 12тыс. ч, то есть продолжительность его вращения без остановки – 500 суток, или полтора года! Особенно перспективен кольцевой супермаховик при использовании для его изготовления новых сверхпрочных нановолокон и лент из углерода – суперкарбона, когда плотность энергии возрастает еще в тысячи раз! Ведь вращающийся с космической скоростью супермаховик находится в вакууме и ни с чем не контактирует.
Конденсатор-гигант
Между тем современные, так называемые «молекулярные» конденсаторы, несмотря на небольшую плотность энергии, в десятки раз уступающую плотности современных электроаккумуляторов, успешно применяются для запуска двигателей внутреннего сгорания и даже для перемещения транспортных средств на небольшие расстояния. Например, для некоторых типов инвалидных колясок.
Легко сказка сказывается…
... Автор, размышляя о будущем «энергетической капсулы», с удовлетворением отмечает, что уже сейчас она приносит людям немалую пользу…
Лейденская банка – первый конденсатор
Значит, аккумуляторы-накопители здесь – шар или лейденская банка, а все устройство, включая и диск с подушками,– это не аккумулятор, а машина, электрическая машина. Выходит, аккумулятор должен выделять энергию в том виде, в каком она была в него «заложена». Тогда он будет хранилищем энергии, «энергетической капсулой». А если форма энергии изменяется, это уже не аккумулятор, а машина. Если мы кладем на сберкнижку рубли, то рубли с нее и получаем. Действительно, сберкнижка – «аккумулятор» денег. Но допустим, что мы положили туда рубли, а получили, например, монгольские тугрики на ту же сумму. Тогда сберкнижка – уже не аккумулятор денег, а самый настоящий обменный пункт. Видимо, и энциклопедиям не всегда можно доверять, их тоже люди пишут. Хорошо, лейденская банка – уж точно аккумулятор энергии. И потомки лейденской банки – конденсаторы, без которых не обходится ни один радиоприемник или телевизор, – тоже аккумуляторы. Порывшись в памяти, я заключил, что наряду с конденсаторами электроэнергию накапливают и катушки-электромагниты. Те самые, которые мы видим и в мощных электромагнитных подъемных кранах, перегружающих металлолом, и в электронных будильниках, я уж не говорю о том, что в каждом приемнике или телевизоре их десятки. Правда, в конденсаторах энергия накапливается в виде электрического заряда, а в электромагнитах – в виде магнитного поля вокруг катушки. И уж конечно, к накопителям энергии относится всем нам известный автомобильный электроаккумулятор. Вроде бы больше нет других устройств, которые могли бы накопить электроэнергию. Позвольте, а электроутюг или электроплитка? Подумав об утюге, я все-таки решил, что накапливает он не электричество, а тепло. Тепло переходит в утюг от раскаленной спирали или другого нагревательного элемента, питаемого электротоком: электроэнергия в спирали – преобразователе энергии – превращается в тепловую энергию, а последняя накапливается в металлической массе утюга. То же самое происходит и в электроплитках, а также любом другом электронагревательном приборе. Но лучше всего проявляются теплоаккумулирующие свойства в обыкновенном чугунном утюге, разогреваемом на газе. Тепло от газового пламени переходит в металл утюга и довольно долго в нем сохраняется. Стало быть, утюги, грелки и другие устройства, накапливающие тепловую энергию, можно отнести к аккумуляторам тепла.
Ленточный супермаховик (а) и картина его разрыва в корпусе (б)
Наверное, я бы так сразу не отбросил идею тросового супермаховика, если бы знал тогда, что американские специалисты будут свыше 10 лет разрабатывать такие маховики. Правда, спустя некоторое время они убедились в неудобстве подобных конструкций и тоже перешли к ободковым супермаховикам. Но идея идеей, а пробовать надо – вдруг что-нибудь не так? Начались мои хождения по свалкам вторсырья, химическим и хозяйственным магазинам, по знакомым, работающим на производстве. Наконец я стал обладателем ящика с проржавевшей стальной лентой, банки резинового клея и бутылки бензина. На заводе друзья выточили мне несколько дисков из текстолита, на которые я собирался навивать ленту. И вот в один воскресный день я упросил товарища помочь мне изготовить супермаховики. Мы очищали поверхность ленты бензином, мазали клеем и навивали на диски. Лента часто соскакивала, резала нам руки, падала на пол, так что приходилось всякий раз вновь стирать с нее пыль, но работу мы все равно закончили. Перед нами лежали три супермаховика диаметром по 30 см. Внешние слои ленты мы закрепили тонкой стальной проволокой и нагрели супермаховики в духовке, чтобы клей окончательно высох. Я рассчитывал испытать супермаховики на разрыв с помощью двигателя от пылесоса. Пылесосный двигатель очень скоростной, вал его делает 15—18 тыс. оборотов в минуту. Надев супермаховик на вал двигателя и закрепив его там, я зажал двигатель в тисках и включил в сеть. Начался разгон супермаховика. Вибрации то нарастали – казалось, что диск уже срывается с оси, – то снова стихали. Скорость вращения увеличивалась, о чем можно было судить по изменяющемуся реву двигателя. Но вот рев стал постоянным по тону, и я понял, что разгон прекратился, а супермаховик остался цел. Дальше двигатель не «тянул» – супермаховик гнал воздух, как вентилятор, от него дуло ветром, вся мощность двигателя уходила на создание этого ветра. Я выключил двигатель. Супермаховик долго, наверное с час, еще вращался, проходя через те же полосы вибраций, что и при разгоне.
Когда впоследствии мне удалось все- таки разорвать супермаховики на специальном разгонном стенде, я узнал, что мои кустарные изделия в несколько раз превзошли по плотности энергии маховики гиробуса фирмы «Эрликон» – лучшие по тем временам. Но, самое главное, разрыв, как и ожидалось, не доставил никаких неприятностей. Разорвавшийся виток ленты не пробил даже тоненький, как консервная банка, кожух. Я приклеил такой виток клеем, обвил слоем проволоки, и супермаховик снова был готов к работе. И результат был немалый – разрыв наступал при 30 тыс. оборотах в минуту, что соответствовало скорости обода почти 500 м/с, или плотности энергии около 0,1 МДж/кг. Супермаховик «ручной работы» одним махом обогнал по важнейшему показателю свинцово-кислотные аккумуляторы, на совершенствование которых потрачено уже более 100 лет! А теперь о том, почему я назвал свое изобретение супермаховиком. Это теперь ко всему, что хоть немного лучше предыдущего, добавляют приставку «супер». Например «суперстар» – это, оказывается, не старый-престарый человек, как может показаться сначала, а суперзвезда, то есть звезда «покруче» обычной – как в астрономическом, так и в артистическом плане. В те годы, когда был изобретен супермаховик, ко всякого рода иностранным приставкам относились настороженно. Боялись космополитизма! Хотя были уже и супермены, супертанкеры, не говоря уже о супергетеродинах, хорошо знакомых каждому радиолюбителю. Но если говорить об изобретениях, то обычно выигрыш в одном полезном качестве был чреват проигрышем в другом. Например, чем более прочным был маховик, тем больше у него была плотность энергии, но тем более опасным становился его случайный разрыв. Приходилось идти на компромисс, и это касалось почти каждого изобретения. Однако встречаются и такие достаточно редкие случаи, когда выигрыш в одном полезном качестве ведет не к проигрышу, а к дополнительному выигрышу и в другом. Это очень ценное свойство изобретения называется в патентоведении «суперсуммарным эффектом».Вот и у моего маховика, полученного методом навивки, и плотность энергии увеличивается, и безопасность при разрыве повышается, и масса корпуса снижается за счет устранения тяжелого защитного кольца. Вот сколько суперсуммарных эффектов сразу! Поэтому и был назван новый маховик с этими суперсуммарными эффектами просто и удобно – супермаховик. Впрочем, это еще не означало, что найдена желанная «энергетическая капсула». Надо было доказать, что по плотности энергии супермаховик может стать недосягаемым для других аккумуляторов в такой же мере, в какой по плотности мощности недосягаем для них обычный маховик. Ведь раскрученный маховик способен развить любую, самую высокую мощность, если его достаточно сильно тормозить. И разогнаться он может практически мгновенно, поглощая при этом мощность хоть целой электростанции. Ни один из накопителей не в состоянии принимать и выделять энергию при такой высокой мощности, как маховик.
