Резина побеждает сталь
Жаль было расставаться с пружинами, но моих надежд они явно не оправдали. Я должен был это предвидеть: из пружины даже рогатки толковой не изготовишь. Когда-то я пытался заменить резиновые жгуты в рогатке на тонкие пружины, намереваясь смастерить «суперрогатку», но получился конфуз. Под смех товарищей «суперрогатка» выплюнула мне камень под ноги. Выходит, не так уж плоха резина и для рогаток, и для резиномоторов. И ведь используется здесь именно свойство резины накапливать энергию. На первый взгляд кажется: ну что за материал резина по сравнению с прочнейшей проволокой? Но это только на первый взгляд. Проверим все в цифрах. Чтобы вытянуть резиновый жгут сечением в 1см2вдвое, нужно приложить силу около 200 Н. Я вычислил это, подвешивая к жгуту различные грузы. А до разрыва хорошая резина из натурального каучука растянется раза в четыре, не меньше.
Российский грузовой электромобиль, используемый на ВВЦ
Как я уже сказал, меня удивляла противоречивость сообщений об электромобилях. Например, в одной из публикаций я прочел, что французские инженеры построили электромобиль с дальностью пробега 500км, а скорость и разгон у него – ну прямо как у спортивных автомобилей. Спустя какое-то время после этого сообщения американские специалисты решительно заявили, что электромобили пока способны проходить лишь 50—60 км с одной зарядки, максимальная скорость у них не выше 80 км/ч, а разгон – и вовсе никуда не годится. В гору такой электромобиль вообще не может быстро двигаться. По своим характеристикам это скорее не электромобиль, а электрокар – аккумуляторная тележка, какие ездят по территории заводов. Чего только не приходилось читать и про зарядку аккумуляторов. Писали, например, что уже созданы электронные установки для зарядки аккумуляторов за считанные минуты и чуть ли не секунды. Но тем не менее до сих пор аккумуляторы еще заряжают в течение многих часов. Короче говоря, я задумал построить модель электромобиля, чтобы все проверить самому. Признаться, осуществить задуманное оказалось нелегко. Постоянно вставали вопросы: «Где раздобыть то?», «Где найти это?». Но раз уж взялся за дело, нужно было доводить его до конца. В своей конструкции я использовал раму от маленького спортивного автомобиля – карта. Задние колеса взял побольше, от мопеда, а передние – от детского самоката. На раму позади сиденья поставил одну аккумуляторную батарею от автомобиля МАЗ (там две такие батареи), которую выпросил на время у знакомого водителя. Масса этой батареи – около 40 кг, батарея была совершенно новая и очень емкая. В качестве тягового двигателя я применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Правда, двигатель пришлось разобрать и заменить в нем шестерню таким же по размеру стальным цилиндром с накаткой, как у напильников, для большей шероховатости. Впоследствии я убедился, что можно было и не снимать шестерню, а посадить на зубья стальное кольцо с накаткой, залив пространство между зубьями эпоксидным клеем. Такие цилиндры или кольца, передающие движение трением, в технике называются фрикционами.
Рычаг (а) и криволинейные направляющие
Но, хоть и друзья мне и те и другие, однако истина дороже! Маловато это – один ряд сателлитов, пусть даже шесть их в этом ряду. Вот бы четыре-пять рядов устроить, тогда во столько же раз и мощность возросла бы почти при тех же размерах. Ан нет! При движении сателлитов внешние диски, допустим, раздвигаются, а внутренние – сдвигаются! Как тут добавить ряды, если получается, что один и тот же диск должен иметь разную толщину при перемещении сателлитов. Вот тут-то и было создано изобретение, еще раз построенное на суперсуммарном эффекте. И внешние, и внутренние диски я выполнил как бы из двух тонких половинок, установленных на валу с зазором миллиметра в два-три между ними. Как раз на тот осевой ход, на который отожмут их радиально перемещающиеся конические сателлиты. Сами диски сделаны из прочной упругой стали, что придает им свойства дисковых пружин. А для перемещения сателлитов сделан несложный привод из рычагов и криволинейных направляющих. И рычаги, и направляющие соединены с вращающимся водилом и сателлитами, тоже вращающимися. И поэтому управлять ими нужно дистанционно, например с помощью пневмоцилиндров, что в общем несложно и технически легко исполнимо. Но вы даже представить себе не можете, сколько суперсуммарных эффектов при этом получилось! Первый – благодаря упругим податливым дискам можно устанавливать больше рядов сателлитов (обычно четыре), многократно повышая мощность вариатора. Второй – так как сателлиты, независимо прижимаемые упругими дисками, перемещаются не выдавливанием их домкратом, а рычагами,– нажим удалось сделать равномерным и оптимальным, причем уже не для 24, а для всех 96 рабочих контактов. А это ведет к существенному повышению КПД и долговечности вариатора.
Секреты плавления
В мечтах уже виделся сияющий кусочек неведомого пока материала, нагретый до чудовищной – в миллионы градусов – температуры. Этот кусочек, вобравший в себя гигантское количество тепловой энергии, следовало поместить в жароупорный «термос». Чтобы не расплавились стенки сосуда, кусочек должен быть «подвешен» в магнитном поле внутри «термоса»… Эту фантастическую картину я рисовал моему школьному товарищу, когда мы до глубокой ночи провожали друг друга домой. А он жестоко и методично разбивал мои мечты одну за другой. Во-первых, говорил он, при температуре свыше 3000—4000 °С почти все вещества превращаются в пар. Пара же в термосе много не уместишь. Во-вторых, столь высокую температуру не выдержит не только сосуд Дьюара, но и любой другой сосуд – он расплавится или сгорит. Твердые или жидкие тела останутся в прежнем состоянии, если их нагревать до 1000—1500 °С, не более. Но при такой температуре они уже не подчиняются магниту, в магнитном поле их не «подвесишь». Можно, конечно, «подвешивать» небольшие количества расплавленного металла в высокочастотном электромагнитном поле, где металл поддерживается в расплавленном виде энергией поля. Однако потери электроэнергии на «подвешивание» здесь очень велики, для «энергетической капсулы» это не подходит. Напомнил мне друг и о том, как мучаются физики-ядерщики, пытаясь хоть на краткий миг «запереть» сверхгорячую материю в магнитном поле, но из этого пока мало что получается. А у меня, дескать, и подавно ничего не выйдет. Большее, на что я могу рассчитывать, это раскалить докрасна камни, как в русской бане, а затем попробовать «извлечь» из них энергию, поливая водой. Пар же можно направить и в паровую машину, и… Меня злили доводы друга, хотя я понимал, что он прав. Но где же выход? Мечты об «энергетической капсуле» рассеивались как дым. Я лег спать в раздумьях, и мне снилась русская баня… А утром произошло следующее. Выйдя на кухню, я увидел в кастрюле на газу плавающие в кипятке какие-то странные предметы – зеленые и все в шипах. Оказалось, это термобигуди, которыми пользуются для укладки волос. Нагретые в кипятке, такие бигуди долго-долго остаются горячими. Да это же почти то, что нужно – накопитель тепла! Я выпросил одну «бигудину» и бросил ее в кипяток вместе с такими же по массе кусочками дерева, пластмассы и металла. Затем одновременно вынул их и положил остывать. Поразительно, но «бигудина» сохраняла тепло в несколько раз дольше своих соседей. Не доверяя пальцам, я проверил это даже небольшим электротермометром, который взял в школьном физическом кабинете.
Серно-натриевый аккумулятор
Но, увы, стоимость такого аккумулятора будет во много раз выше стоимости самого автомобиля. И надежд на его удешевление нет никаких – серебра на Земле становится все меньше и меньше, а дорожает оно на мировом рынке все больше и больше. Чтобы аккумулятор мог стать поистине массовым и перспективным, он должен содержать материалы, которых на Земле вдоволь.
Шахтный маховичный локомотив-гировоз (а) и его схема (б)
И вот в СССР начался выпуск маховичных локомотивов, которые могли проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5т несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, не образующая искры. «Транспортом пороховых складов» прозвали маховичные перевозные средства за их пожаро– и взрывобезопасность. И наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, проработавших 20 лет в Швейцарии, Бельгии и некоторых странах Африки. Масса гиробуса была 11 т, а с пассажирами – 16 т. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 м и массу 1,5 т. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4-6 км пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 МДж энергии использовалось 75 %.
Схема гибрида автомобиля «тойота приус»
Пожалуй, самым известным гибридом является автомобиль «тойота приус». В этом гибриде двигатель соединен с генератором переменного тока, который заряжает аккумуляторную батарею, питающую опять же электрические тяговые двигатели переменного тока. Стало быть, преобразуется не только механическая энергия в электрическую, но и переменный ток в постоянный, и обратно. Однако этим дело не ограничивается – тяговые двигатели связаны сложной дифференциальной передачей, имеющей две степени свободы, с генератором и главной передачей автомобиля. Даже тепло от двигателя через специальные накопители тепла нагревает особый химический реактив – гидрид никеля, который выделяет водород, поступающий для сгорания в тот же двигатель! Что ж, «богатенькие» японцы здесь развернулись на славу! Не хватает только солнечных батарей и ветроколес для подзарядки батарей в солнечную или ветреную погоду. Себестоимость такого автомобиля баснословная, хотя продается он, видимо, по рекламным соображениям, не так уж дорого. Ближе к реальной жизни, на наш взгляд, гибридный легковой автомобиль, проект которого разработан в США совместно с германской фирмой «BMW». При общей массе 1500 кг его двигатель потребляет всего 3 литра топлива на 100 км пробега. Если с бензиновым штатным двигателем такой автомобиль имел бы мощность 100 кВт, то в гибридном варианте оказалось достаточном дизельного двигателя мощностью 27 кВт и добавочных 50 кВт от супермаховичного накопителя с запасом энергии 1,5 кВт·ч. Обороты супермаховика – от максимальных 35 тыс. до минимальных – 17 тыс. оборотов в минуту. Схема гибрида обычная – дизель вращает генератор, который обеспечивает мощностью как тяговые двигатели автомобиля, так и разгонный электродвигатель супермаховика. Общая масса накопителя с электродвигателем, подвеской, супермаховиком и корпусом – 50 кг.
Схема гибридного силового агрегата автомобиля с маховичным накопителем
Допустим, что автомобиль едет по городу со скоростью 50—60 км/ч, расходуя малую часть мощности двигателя. При этом, если в супермаховике недостает энергии, то «зарядка» может выполняться прямо на ходу. Считаем, что максимальная энергия будет накоплена в супермаховике при 30 тыс. оборотов в минуту. При достижении этих оборотов двигатель автоматически выключается и отсоединяется от супермаховика. Фактически двигатель должен быть отрегулирован на один-единственный режим работы – оптимальный. Альтернатива ему – стоянка, никаких холостых ходов с выбросами самых вредных газов. Все приборы, которые необходимо питать, приводятся в действие от постоянно вращающегося супермаховика. Итак, автомобиль движется, расходуя энергию только от супермаховика. Покажем, что супервариатор позволяет делать это. Обычно обороты супермаховика при потреблении энергии не снижают больше чем на треть – это разумнее всего. При этом выделяется более половины всей запасенной в нем энергии. Возьмем самый невыгодный случай, когда нужно развить скорость 160 км/ч при минимальном запасе энергии в маховике, то есть при 20 тыс. оборотов в минуту. Не забудем, что двигатель соединен с супермаховиком повышающей передачей с передаточным отношением обычно около 6. Работу самого двигателя, который может подключиться и «помочь» при этом, в расчет не принимаем (эта работа идет в запас). Поделим обороты двигателя, а в данном случае это 3333 оборота в минуту (20000: 6 = 3333), на скорость автомобиля – 160 км/ч и получим особый коэффициент, пропорциональный передаточному отношению супервариатора; в нашем случае он равен 21. А теперь представим себе другой невыгодный случай, когда на предельных оборотах супермаховика – 30 тыс. оборотов в минуту и двигателя – 5 тыс. оборотов в минуту нужно ехать с самой низкой скоростью. Определим ее. Мы уже говорили, что передаточное отношение супервариатора может меняться в 20—25 раз; стало быть, наш коэффициент 21 должен увеличиться примерно до 500.
Поделим обороты двигателя – 5 тыс. на 500 и получим 10 км/ч, что вполне приемлемо. Итак, супервариатор при самых невыгодных условиях позволяет изменять скорость автомобиля от 10 до 160 км/ч как при разгоне, так и при рекуперативном торможении машины. И это все – без помощи двигателя! Нужна скорость меньше 10 км/ч – отсоединяем супермаховик и работаем только на двигателе, который может еще раза в три снизить свою частоту вращения, а стало быть, и скорость автомобиля. Нужна скорость больше 160 км/ч – опять же подключаем двигатель и совместной мощностью с супермаховиком повышаем скорость до 240 км/ч. Скорость больше 240 км/ч и меньше 3 км/ч развить нельзя – не позволит передаточное отношение данного супервариатора. Если нужно ехать со скоростью 300 км/ч или маневрировать с «ползучей» скоростью 1 км/ч, то нужно изменять параметры либо супермаховика, либо супервариатора. Следует заметить, что максимальную скорость автомобиль с супермаховиком в качестве источника практически неограниченной мощности может развить очень быстро, это весьма полезно для проведения маневров и повышения безопасности движения. Теперь представим себе ситуацию, когда запас энергии в супермаховике максимален, а мощность двигателя используется не в полной мере. Тогда двигатель просто автоматически отключается: покажет тахометр супермаховика 30 тыс. оборотов в минуту – питание двигателя автоматически прекращается и он отсоединяется от супермаховика. Опустились обороты супермаховика до 20 тыс. оборотов в минуту – двигатель подсоединяется к повышающей передаче супермаховика и начинает получать питание; двигатель при этом запустится моментально от энергии супермаховика, причем за мгновение до этого включится маслонасос, подающий масло в двигатель. Заранее скажу, что все вопросы, связанные с остановкой, пуском, смазкой двигателя и т. д., уже решены фирмами, которые занимаются изготовлением автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Так что дополнительных проблем с этим не будет.
С помощью гибридных силовых агрегатов расход топлива снижается в 2-2,5 раза, да и всем экологическим требованиям такие агрегаты соответствуют. Тогда задам, казалось бы, риторический вопрос: почему гибридные силовые агрегаты, раз они так хороши, на автомобилях до сих пор широко не используются? Ответ на этот вопрос таков. Во-первых, автомобили с гибридами, хоть малыми сериями, но производятся и оправдывают все ожидания. Супермаховики, энергоемкостью порядка 1 кВт·ч, требуемые для этого, никакой проблемы не представляют, необходимая автоматика тоже. Проблему представляет привод от супермаховика на колеса, вернее, на главную передачу автомобиля. Этот привод должен, во-первых, иметь диапазон 20—25, не меньше, о чем уже говорилось; во-вторых, КПД его должен быть предельно высоким. Почему же «предельно», а не просто высоким? Просто высокого КПД, то есть порядка 0,9, хватило бы для привода автомобиля только от двигателя; кстати, и диапазона 6-8 тоже вполне хватило бы, и не нужно этих фантастических показателей – 20—25. Но если про необходимость большого диапазона мы уже говорили, то про необходимость предельно высокого КПД пока еще ничего не сказали. По сравнению с обычным приводом автомобиля от двигателя, в гибриде мощность постоянно циркулирует по трансмиссии, допустим, по вариатору – от колес до супермаховика, и обратно. Когда тяговое усилие автомобиля направлено вперед, мощность идет от супермаховика через вариатор на колеса. При спуске или торможении двигателем мощность меняет свое направление на обратное. И если в обычном автомобиле эта направленная вспять мощность гасится, принудительно прокручивая двигатель, то в гибриде происходит процесс рекуперации. Энергия снова возвращается в супермаховик, значительно, процентов на 30, повышая экономичность автомобиля. Поэтому значение КПД привода нужно принимать как бы в «квадрате», умножая само на себя. Например, при КПД привода 0,9, циркуляция мощности снизит его до 0,92, то есть до 0,81. А это уже недопустимо мало! Вот 0,98, даже 0,97, пожалуй, хватило бы – тогда реальный КПД при рекуперации был бы не менее 0,95, что еще допустимо.Но таких приводов, кроме супервариатора, просто нет. Поэтому и используется в гибридах чаще всего электропривод, который позволяет обеспечить достаточный диапазон регулирования, правда, за счет сильного снижения КПД. Еще бы – механическую энергию двигателя нужно переводить в электрическую, а потом – обратно, чтобы подавать на колеса. Да и тяговые двигатели очень тяжелы и неэкономичны – как-никак крутящий момент нужно менять раз в 20—25, если использовать их для гибридов. Но все равно, и такие электромеханические гибриды дают большую экономию топлива. А супервариаторы пока на стадии опытных образцов. Что ж, подождем!
рекуператоров на автобусе оказались практически
Результаты испытаний маховичного и гидрогазового накопителей- рекуператоров на автобусе оказались практически одинаковыми – экономилось около половины топлива, втрое сокращалась токсичность выхлопа. Казалось бы, радоваться надо, но я постепенно стал понимать, что путь использования на автотранспорте рекуператоров – тупиковый. Не рекуператор со своим особым, дополнительным приводом, пригодным только для торможений и разгонов, нужен автомобилю, а «гибрид» – симбиоз супермаховика и автономной энергетической установки с супервариатором в качестве их общего, единого привода на все случаи жизни!
Схема электробуса новой концепции
Расчет показывает, что для городского электробуса с пробегом 400км в день масса добавочных агрегатов составит около полутора тонн, что даже меньше демонтируемых с автобуса агрегатов. Дополнительным компоновочным преимуществом супервариатора является то, что по форме и размерам он вполне соответствует ведущим колесам автобуса, что дает возможность разместить его непосредственно внутри обода колеса. Это позволит сэкономить много места в салоне автобуса, понизить уровень его пола, сделав машину более комфортабельной. Хотелось бы отметить неадекватную позицию некоторых зарубежных автомобильных компаний на наши предложения. Не рассматривая их по существу, они выражают удивление по поводу того, что коль выгода от них столь очевидна, то почему российские предприятия сами не реализуют эти предложения. И мне нечего им ответить. Но, к счастью, не все зарубежные фирмы так неадекватны, и нам, как Остапу Бендеру, остается надеяться, что «заграница нам поможет». Кстати, она уже нам помогает, только бы не сглазить!
Схема пневмокара с подогревом воздуха горелками
Разумеется, я не смог отказать себе в удовольствии проверить такой «гибридный» накопитель в действии и сделал небольшую тележку – микромобиль. Основой послужил детский педальный автомобильчик – карт, какой продается в «Детском мире». На тележке я установил баллон углекислотного огнетушителя и соединил его прочным резиновым шлангом, протянутым через накопитель тепла со змеевиком, с пневматическим гайковертом, который по официальной версии приобрел в магазине инструментов, а в действительности «реквизировал» с заводского конвейера. Гайковерт состоит из пневмодвигателя, работающего от сжатого воздуха, и редуктора, понижающего скорость вращения патрона. С этим патроном я связал цепной передачей заднее колесо тележки, а второе посадил на ось свободно, на подшипниках.
Схема работы топливного элемента
В таком примерно виде этот метод был разработан в прошлом веке известным изобретателем А. Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 %. К тому же для работы на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей не предназначен – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет желаемого результата, отдача энергии будет очень мала. Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или «подщелоченная», является здесь проводником тока, электролитом. А нельзя ли наоборот – подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды? Оказывается, ученые работают над этим уже давно. Еще в позапрошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали поместить платиновые электроды и к одному из них медленно направить водород, а к другому кислород, то на электродах появится разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Стоило соединить электроды, как возникал электрический ток. Сразу получить большой ток не удалось, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в том, чтобы увеличить мощность этого процесса. Для преобразования энергии ныне существует множество типов установок, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100—200 °С. Электролитами могут служить и щелочь, и кислота, причем в твердом и жидком виде.
Схема супермаховичного накопителя гибридного такси (а) и общий вид накопителя (б)
Вспомним, что раньше некоторые ученые считали супермаховик глупой фантазией, уверяя, что маховики надо лить или ковать из стали. А сейчас супермаховичный накопитель можно просто заказать. Вот я читаю рекламку: «Полная супермаховичная система с ротором из углепластика; мощность – 100 кВт; запас энергии – 1кВт·ч; КПД – более 0,92; дизайн, цена – договорные. Калифорния, национальная лаборатория „Лауренс-Ливермор“ – и далее адрес и факс. „Лауренс-Ливермор“ – это вам ничего не говорит? Да это же одна из самых высокотехнологичных военных лабораторий в США, а пожалуй, и в мире. Да, теперь супермаховик – в надежных руках!
Щелочной «кнопочный» аккумулятор
Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, в них больше достоинств, чем недостатков – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они находят все большее применение в технике. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть также в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и в других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, под названием «кнопочные», так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их состоит в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду и переразряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим «похвастать» не могут. На некоторых спутниках связи, космических станциях и даже в бытовых приборах применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие, до -60 °С, температуры. Они характеризуются плотностью накапливаемой энергии, в пять раз большей, чем кислотные аккумуляторы, а плотностью мощности – вдвое большей. Всем хорош серебряно-цинковый аккумулятор, хоть сейчас ставь его на автомобиль. Масса аккумулятора для прохождения стокилометрового пути не превысит 100кг…
Шотландский маховичный вертолет, прозванный «прыгающий Гиро»
Еще в 30-х годах прошлого века в Шотландии был построен маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. После разгона маховика лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, это очень похоже на игрушечный вертолет, в котором разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком? А полвека спустя в США создали разведывательный беспилотный вертолет с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 м, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тыс. оборотов в минуту на специальном автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото– и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.
Швейцарский маховичный автобус-гиробус (а) и его маховик (б)
Подзаряжался маховик на остановках через 1,2-2 км в течение 40 с. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД маховичного автобуса был невысок – всего 50 %, гиробус показал себя очень экономичным транспортным средством. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 МДж на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на километр пути не менее 400 г бензина, что составляет в переводе на механическую работу в три раза большую величину – 17 МДж. Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и др. В отличие от троллейбуса, гиробусу не требовались контактные провода, уродующие вид города и создающие опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении. И все же, несмотря на эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом. Это произошло, в основном, потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать. Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 км, а в действительности – около 6 км, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало. Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии. Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика, ни много ни мало, в 100 раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорита на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов. Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.
«Сосуд Дьюара» – термос
Зачем же вообще помещать туда газ, да еще сжатый? Ведь значительно большее количество энергии можно накопить в заранее нагретых телах помассивнее, чем газ, например в жидкостях,– их и сжимать для этого не надо. Тогда давление нам уже не помешает, и сосуд Дьюара будет иметь свой обычный вид. Килограмм сжатого до 50 МПа газа, как я подсчитал, может накопить 50 кДж энергии, в то время как литр воды, соответствующий по массе тому же килограмму, при нагревании всего на один градус уже накапливает одну большую калорию тепла, которая равна 4,2 кДж механической энергии. Если же нагревать литр воды от 0 до 100 °С, то в воде будет в восемь раз больше накопленной энергии, чем в килограмме сжатого до 50 МПа газа. Все это показали несложные расчеты, которые я раньше делал на уроках в школе, откровенно говоря, довольно неохотно. Но теперь результат буквально ошеломил меня. Вот где надо искать настоящую «энергетическую капсулу»! Даже обыкновенная вода, нагреваемая до столь невысокой температуры, запасает огромное количество энергии. А что могут дать другие, новые материалы, которые, возможно, гораздо лучше воды накапливают тепло? Мысль о новых теплоемких материалах отныне не покидала меня ни на минуту. Я жил в предвкушении сенсационных открытий.
Спасительные гибриды
Автор находит основное предназначение супермаховику и супервариатору…
Средневековый мускульный сити-кар
В XVII—XVIII веках были известны не менее десяти разновидностей «безлошадных» самоходных повозок, в том числе «самобеглая коляска» талантливого русского механика Л. Л. Шамшуренкова, построенная в 1752 году. В XX веке «самобеглые» получили как бы второе рождение. Люди хотят больше двигаться, ведь не секрет, что мы страдаем от недостатка движения. К тому же мускульные транспортные машины не имеют двигателей, сжигающих горючее, они совершенно безвредны. Сейчас создано много новых конструкций не только велосипедов, уже завоевавших мир, но и мускульных автомобилей – веломобилей или педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в хорошем понимании этого словосочетания, множатся с каждым днем. У всех «самобеглых» есть общий недостаток – они плохо преодолевают подъемы. Велосипедисты знают, как тяжело даже на современных легких педальных машинах ехать в гору. Можно понять, насколько трудно это было для водителей педикебов – велосипедных колясок, в которых помимо самого водителя нередко сидело еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» И. П. Кулибина в гору шла быстрее, чем по ровной дороге! Дело здесь в применении маховика, который, разогнавшись за счет накопленной энергии, помогал преодолевать подъемы и, кроме того, снижал скорость «самокатки» на спусках. Водитель, он же слуга, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, после чего уже сам маховик посредством механической передачи приводил в движение колеса. Маховик не единственный накопитель энергии, использованный И. П. Кулибиным в «самокатке». Он применил в качестве тормоза специальные пружины, способные накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, служившем одновременно сцеплением и коробкой передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль того времени. В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5.
Измерив модель, я определил диаметр маховика и массу обода. В натуральную величину они составляли 1,5м и 50 кг, соответственно. Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика при трении о воздух и в подшипниках, я получил максимальную скорость, до которой может быть разогнан такой маховик – 500 оборотов в минуту. Это очень низкая скорость для маховика, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 Дж/кг, а всего – около 40 кДж. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 кг и соответственно сила сопротивления его движению по дороге около 0,1 кН (килоньютон), я определил путь, который могла пройти «самокатка» только равен 400 м. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому наблюдателям и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.
Старинная лесопильная машина с маховиком
Даже тогда, когда машины стали приводить в движение с помощью водяного колеса, маховик не утратил своего значения. В XVI веке, например, его использовали в машинах для распиловки досок. Поднимать пилу вверх было легко: в это время она не пилила – наклон зубьев был в другую сторону, опускать же – совсем непросто, ведь при этом и происходила собственно распиловка доски. Без маховика пила бы часто застревала в доске, и водяное колесо не в силах было бы протянуть ее дальше. Теперь же маховик, разгоняясь при свободном ходе пилы вверх, отдавал ей свою энергию при рабочем ходе вниз. Пила не застревала, и дело шло быстро. Маховик здесь был уже гораздо больше по размерам и массе, чем на ручных машинах,– мощность тут требовалась большая.
Старинная смычковая дрель с маховиком
Уже в древности появились первые маховичные игрушки. И раньше других – волчок, который радует детей до сих пор, спустя тысячелетия. Волчок заключает в себе два главных свойства маховика – он накапливает и сохраняет энергию, а также сохраняет ось вращения в пространстве – обладает гироскопическим эффектом. Указанные свойства и обусловили применение маховиков в миллионах современных машин. Детство мое и моих сверстников протекало в военные и первые послевоенные годы. Тогда стране было не до игрушек, и мы сами делали их из дерева, глины, отливали из свинца. Иногда волчки получались очень удачные – закрутишь такой, бросишь на пол и подстегиваешь кожаной плетью. Волчок гудит, подпрыгивает от ударов и крутится, крутится чуть ли не часами.
«Статьи» расхода энергии на пути от электростанции до электромобиля
Газ, уголь или мазут на тепловых электростанциях, а их подавляющее большинство производят электроэнергию со средним КПД около 40—45 %. Можно спорить о теплофикации и других способах использования бросового тепла, но ведь и на автомобилях есть печки, потребляющие бросовое тепло двигателя. Так что давайте считать по-крупному. После электростанций ток идет на повышающие трансформаторы, затем на линии электропередач разной дальности с различными потерями энергии в них. Потом напряжение должно снова понижаться – один или несколько раз, после чего энергия поступает уже в городскую сеть, где часть ее снова теряется. Затем зарядная станция с выпрямителем еще возьмет свой налог; да и КПД при зарядке аккумуляторов тоже не блещет своей величиной. А в результате в батарее аккумуляторов электромобиля накопится весьма небольшая часть энергии сгоревшего топлива, КПД будет соизмерим с нынешним на обычных автомобилях. И экономичность электромобилей, по крайней мере, вдвое меньше, чем у автомобилей с гибридными силовыми агрегатами. Поэтому не будем возлагать столь большие надежды на массовый электромобиль или автомобиль, чья работа основывалась бы на использовании того или иного вида накопителя энергии, будь то электрохимическая батарея, конденсатор или супермаховик, ибо никакая революция в энергетике не способна обеспечить то количество энергии, что сейчас вырабатывается в двигателях автомобилей. Так что автомобили с автономными двигателями еще долго будут служить нам. А если эти автомобили станут еще и гибридными, то и заменять их электромобилями на аккумуляторах вообще не имеет смысла – первые и экономичнее, и экологичнее вторых. Но есть еще один тип электромобилей, который потенциально способен заменить все автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Это – электромобиль на топливных элементах, или, как еще его называют, электромобиль на электрохимических генераторах. Вот кого должен опасаться автомобиль! Правда, у топливных элементов есть серьезные недостатки, которые мешают им конкурировать с обычными двигателями.
Прежде всего следует вспомнить уже описанные цинко-воздушные элементы. В режиме работы гальванических элементов цинковый анод просто окисляется кислородом воздуха, а катод из пористого никеля практически не расходуется. Попросту говоря, цинковые аноды здесь являются топливом, и их приходится заменять, отправляя получаемые окислы цинка на переработку. Нельзя сказать, чтобы цинковое топливо было очень удобным или дешевым, но плотность энергии в цинко-воздушных элементах очень уж велика – она почти рекордная для химических батарей. Да и плотность мощности достаточна для привода электромобиля. Но рассматривать цинк как топливо для автомобилей всерьез все-таки вряд ли кто отважится. И хлопот не оберешься с утилизацией этих окислов цинка – у нас, например, эту «кашу» будут просто выбрасывать, и запасы цинка быстро иссякнут, по крайней мере на территории России. Гораздо большую перспективу представляют топливные элементы на основе водорода, о которых тоже говорилось ранее. При этом совершенно необязательно заправлять автомобили с такими топливными элементами чистым водородом и кислородом. Первое время, во всяком случае. Заправка таких автомобилей будет производиться так же, как и обычных, – сжиженным или сжатым газом, бензином или соляркой. Уже на самой машине это топливо будет проходить через особый конвертор, вырабатывающий водород. Кислород же будет забираться из воздуха. Конечно же, у таких топливных элементов КПД будет ниже, чем у тех, что работают на чистом водороде и кислороде. Да и переработка топлива в конверторе тоже даром не обходится – и КПД топливного элемента падает с 70 до 56 %. Но все равно, даже у таких топливных элементов экономичность огромна, она вдвое выше, чем у бензиновых двигателей, работающих в оптимальном режиме. Но вот плотность мощности – сегодня около 60 Вт/кг при оптимуме КПД – совершенно неприемлема для автомобилей. Посудите сами, чтобы развить мощность 100 кВт, которую мы обычно принимали для двигателя легкового автомобиля, пришлось бы возить с собой более полутора тонн топливных элементов.Существуют проекты, основанные на «симбиозе» топливных элементов с конденсаторами, но такие проекты не кажутся мне удачными: уж очень мала плотность энергии конденсаторов, и по-прежнему сохраняется необходимость в использовании тяжелых и дорогих тяговых электродвигателей. И у меня созрел совершенно особый план создания электромобиля на основе перспективных топливных элементов. Да-да, вы не ошиблись – с использованием одновременно супермаховиков и супервариаторов!
«Сухая» батарейка на основе элемента Лекланше
Лекланше, твердые – цинковый стаканчик и графитовый стержень. А вот электролит уже не жидкий. Ведь жидкость может в любой момент пролиться, а делать элемент герметичным дорого и сложно. Вот и заменили жидкость желеобразным электролитом. Получился удобный и практичный источник электричества. Если через разряженную сухую батарею особыми импульсами пропустить ток, ее можно вновь «оживить». Эту операцию порой проделывают по несколько раз. Однако она ненадолго восстанавливает элемент. Постойте-постойте… Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это? Оказывается, и так и не так. Прежде всего, не каждый гальванический элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например с элементом, который состоит из двух электролитов. Таков элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановишь. Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию. Но процесс накопления столь неэкономичен и неэффективен, что многие считают подзарядку таких элементов неоправданной. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо «переносить» процесс зарядки. И этого наконец удалось добиться в середине XIX века. В 1859 году французский ученый и инженер Гастон Планте провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Планте построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Планте подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов.
Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что гальванический элемент сам стал вырабатывать электроток и при этом выделять почти всю энергию, затраченную на его зарядку. Зарядку можно было повторять много раз: элемент неизменно работал исправно и не разрушался, подобно сухим батареям. Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором. Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Планте? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом,– выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, – выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится в тот момент, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение. Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку. Ясно, что энергия в таком аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, как в предыдущих накопителях электрической энергии, а в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, нежели в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах и электромагнитах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.
Супермаховичный накопитель автомобиля «Patriot»
Что ж, получился вполне компактный скоростной автомобиль, стоимостью в сотни тысяч долларов. Этакий гибридный «болид» для профессионального гонщика, а может быть, для богатого и столь же смелого автолюбителя. Но настоящим автомобилем, вернее электромобилем будущего, я бы назвал гибридный автомобиль-такси, разработанный в США. Его основной источник энергии – топливные элементы, работающие на водороде, который получают из метана, метанола или углеводородного жидкого топлива в конверторе на самом автомобиле. Вспомним, что ранее говорилось о топливных элементах, об их малой плотности мощности, несмотря на огромную плотность энергии и высокий КПД. Стало быть, для повышения мощности автомобиля нужно что? Да, конечно же, супермаховик! Его и использовали создатели нового электромобиля, серийный выпуск которого запланирован на 2010 год. Запас энергии в супермаховике – 2 кВт·ч; мощность его мотор-генератора номинальная – 50 кВт, но может быть временно повышена и до 100 кВт. Обороты супермаховика максимальные – 30 тыс. оборотов в минуту. Устройство накопителя – обычное. Супермаховик из композита, вероятно графитового, подвешен в магнитной подвеске в вакуумном корпусе. Мотор-генератор на основе постоянных магнитов для экономичности. Обхватывающее корпус защитное кольцо – на случай разрыва супермаховика. Читатель может спросить, а что же отличает эти гибриды от электромобиля, который предлагал автор? А отличие состоит в том, что привод в описанных гибридах электрический вместо супервариатор-ного. В результате масса – больше, а КПД – меньше. Но ведь сегодня нет реального привода к гибриду, кроме электрического. Ведь супервариатор пока – журавль в небе, а электропривод – синица в руках!
Супермаховик (а) и ротор мотор-генератора (б) американско-немецкого накопителя
Интерес представляет конструкция супермаховичного накопителя. Супермаховик из композитного материала подвешен на колоколообразной ступице в вакуумированном корпусе. Подвеска – магнитная, с постоянными магнитами и фиксирующими шарикоподшипниками. Между верхними и нижними подшипниками установлен скоростной мотор-генератор, дающий дополнительную мощность тяговым электродвигателям. Сам супермаховик и ротор мотор-генератора можно видеть на фотографии.
Супермаховик и супервариатор в помощь двигателю
А теперь попробуем связать колеса автомобиля с «настоящим» емким накопителем энергии – супермаховиком, для чего придадим ему в помощь вариатор с широким диапазоном регулирования – супервариатор. Двигатель при этом останется на своем «законном» месте, только вместо примитивного чугунного маховика с его коленчатым валом повышающей передачей свяжем супермаховик. С ведущими колесами этот супермаховик свяжет уже супервариатор. Не рискуя ошибиться, могу сказать, что в будущем практически все силовые агрегаты автомобилей будут гибридными: по той или иной схеме, но обязательно содержащими в себе как двигатель, так и накопитель, а также бесступенчатый привод к ведущим колесам, так как автомобилю для движения каждый раз нужна различная мощность, а двигатель экономично может работать только на одной мощности – близкой к максимальной. Поэтому и должен двигатель работать в этом режиме, а излишки мощности переводить в «энергетическую капсулу» – накопитель энергии. А уже эта накопленная дешевая и экологичная энергия будет расходоваться автомобилем по необходимости. Как же будет работать гибридный силовой агрегат на автомобиле? Перед началом движения двигатель разгонит до стартовых оборотов супермаховик, а заодно и «прогреется». Энергии на это потребуется очень мало – что-то около 1 кВт·ч для автобуса, а для легкового автомобиля и того меньше. «Зарядка» супермаховика может производиться не только во время «прогрева» двигателя, но и тогда, когда на малом ходу автомобиль, скажем, выезжает из гаража или проезжает через двор,– супервариатор, связывающий двигатель, а стало быть, и супермаховик с колесами, вполне позволяет это. Ведущие колеса автомобиля почти всегда связаны с трансмиссией особым редуктором, называемым «главной передачей». Вот с ней и связывается выходной вал супервариатора. Для гибридов рекомендуются двигатели с пониженной мощностью, что-то около 30—50 % от мощности штатного двигателя. Но если это скоростной автомобиль, то мощность можно и не понижать.
Супермаховик из троса
Однако это еще не все. Дело в том, что огромная прочность проволочек дает возможность такому супермаховику накопить значительное количество энергии. Если прочность стальной струны выше прочности монолитного стального куска раз в пять, то при прочих равных условиях во столько же раз больше накопит энергии супермаховик из струны по сравнению с обычным маховиком той же массы. Но ведь условия-то совсем не одинаковые! Обычный литой маховик, разорвавшись, способен наделать много разрушений, а разрыв супермаховика снаружи даже и не заметишь. Выходит, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его можно понизить примерно вдвое по сравнению с маховиком. То есть получается, что супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в 10 раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. И при этом его разрыв не представляет опасности для людей! Эти качества, присущие именно супермаховику,– высокая плотность энергии и безопасный разрыв – приблизили его к «энергетической капсуле». Несмотря на то что я был необычайно рад своей находке, идея вращать трос мне не очень нравилась. Такой трос, помещенный в кожух, оставит там много свободного места, он будет бесцельно взбаламучивать воздух, как пропеллер, затрачивая на это энергию. Да и разорваться подобный супермаховик может, в принципе, целиком – оторвавшаяся проволочка не мешает свободно рваться другим. А это совсем нежелательно. Поэтому после недолгих раздумий я решил навивать проволоку, из которой изготовляется трос, на барабан, как на катушку. Но вскоре мне пришла мысль, что вместо проволочек можно взять такую же по прочности тонкую стальную ленту, чтобы намотка была плотнее, а для надежности склеить витки ленты между собой. Получится супермаховик, напоминающий по виду обычный маховик, только накапливающий гораздо больше энергии. Я назвал его ободковым, так как вся лента здесь должна была навиваться на обод барабана. Разрыв ободкового супермаховика представлялся уже совершенно безопасным. При превышении скорости вращения первой разорвется наиболее нагруженная внешняя лента, которая тотчас же прижмется к корпусу и автоматически затормозит супермаховик. Оторванную ленту можно будет приклеить снова – и супермаховик опять готов к работе. От первоначальной идеи вращающегося троса я без колебаний отказался.
Супермаховик-конденсатор
Проведем небольшой расчет. Супермаховик из метгласса при прочности ленты в 3 ГПа (прочность, обычная для метглассовой ленты), даже с запасом прочности, будет иметь плотность энергии 0,2 МДж/кг. Если наш супермаховик накопит как конденсатор всего 0,1 кДж/кг, то при массе супермаховика-конденсатора в 1т это даст 0,1 МДж энергии, причем энергии электрической. Запас кинетической энергии в том же супермаховике составил бы при этом 200 МДж, и доля накопленной электроэнергии была бы просто ничтожна. Но и одна десятая мегаджоуля «на улице не валяется», а к тому же эта электроэнергия в виде электростатического заряда могла бы «возбудить» асинхронные генераторы привода, что очень ценно. На «гиробусе» для этой цели специально «возили» тяжеленные конденсаторы огромных размеров. Успешно сотрудничают не только накопители разных типов. «Союз» с накопителями очень полезен и для тепловых двигателей. Любой двигатель хорошо работает на какой-то одной скорости, в каком-то одном режиме. Тогда у него и расход горючего наименьший, и выхлоп менее вредный. Изменение режима всегда ухудшает работу двигателя. К сожалению, невозможно представить себе, чтобы автомобиль все время двигался с постоянной скоростью, при постоянной мощности двигателя. Автомобилю для разгона и подъема в гору требуется наибольшая мощность, при движении по ровной дороге без уклона на невысокой скорости – совсем небольшая, а на спусках и при торможении мощность им не только не потребляется, но даже выделяется. Сейчас эта мощность безвозвратно теряется, впустую нагревая и изнашивая тормоза, хотя накопители энергии, в первую очередь махо-вичные и гидрогазовые, отлично могли бы сохранять ее и отдавать при разгонах машины. Этот процесс называется рекуперацией. Он очень важен для транспорта и имеет непосредственное отношение к «энергетической капсуле», поэтому рассмотрим его подробнее.
Супермаховик с использованием эффекта АНТ
Тут возникает вопрос: а как же отбирать накопленную энергию через герметичную стенку вакуумной камеры? Ведь вал сквозь нее не пропустишь – никакие сальники и манжеты, как бы плотно они ни обхватывали вал, не смогут помешать доступу воздуха в камеру. И все-таки есть способ вывести вал маховика наружу. Но для этого придется использовать не обычные уплотняющие устройства в виде сальников или резиновых манжет, а специальные, изготовленные из магнитной жидкости. Магнитная жидкость – это коллоидный раствор тончайшего порошка феррита в керосине, масле, воде или в некоторых других жидкостях. Частицы феррита в магнитной жидкости настолько малы, что, выложив их цепочкой, мы на одном миллиметре длины уместили бы 100тыс. таких частиц!
Супернакопитель энергии
Конструкция кольцевого накопителя привела меня с соавторами к идее «сверхнакопителя» энергии, который тоже был признан изобретением. Мы решили «переложить» с маховика на землю огромные разрывные напряжения, возникающие во вращающемся кольце. Но практически осуществить это будет возможно только в накопителях гигантских размеров. В общих чертах идея «сверхнакопителя» такова. Кольцевой маховик в корпусе зарыт в землю горизонтально. На внешней поверхности кольца-супермаховика и на обращенной к ней внутренней поверхности корпуса одноименными полюсами друг к другу уложены сильные постоянные магниты. Взаимодействуя, они сжимают кольцо-супермаховик и растягивают корпус. От корпуса это растяжение передается фундаменту, в котором заключен корпус, а в результате и земле. Иными словами, земля используется в данном случае как гигантский и очень прочный корпус! Может возникнуть вопрос: хватит ли сил у магнитов, чтобы противостоять колоссальному стремлению частей супермаховика удалиться от центра, а если и хватит, то не будет ли супермаховик «раздавлен» этими силами при остановке? Все дело здесь, оказывается, в размерах, точнее, в диаметре супермаховика. Чем он больше, тем меньше магнитные силы. По мере разгона магниты супермаховика вследствие его растяжения все теснее поджимаются к соответствующим магнитам на корпусе, зазор между ними делается все меньше, а сила отталкивания – все больше. При остановке происходит обратное явление – магниты маховика отходят от корпуса, зазор увеличивается, и сила отталкивания падает. Поэтому маховик и не «раздавливается» в состоянии покоя. У хороших постоянных магнитов при малых зазорах сила отталкивания может стократно превышать силу тяжести подвешиваемой массы. Постоянные магниты применяют для вывешивания над магнитными «рельсами» вагонов-магнитопланов. Подобные магнитопланы уже в недалеком будущем будут курсировать между городами со скоростями, доступными сейчас лишь самолетам. Наш супермаховик-кольцо можно представить в виде как бы непрерывной кольцевой сцепки из таких «вагончиков», только гораздо меньших и состоящих почти из одних магнитов.
Крутиться это «гибкое» кольцо будет в вакуумированной трубе, уложенной вокруг электростанции, завода или даже города. Если радиус кольца достигнет, например 16 км (приблизительно столько же у кольцевой автострады вокруг Москвы), то с применением упомянутых постоянных магнитов скорость кольца-супермаховика составит 4 км/с! Плотность энергии кольцевого гиганта должна быть 8 МДж/кг, при сечении супермаховика всего 0,5 м2такая плотность создаст полный запас энергии в накопителе – 2·1015Дж, что в 200 раз больше, чем в огромном сверхпроводящем накопителе, спроектированном французскими учеными. Этой энергии вполне хватило бы на освещение всех городов мира в течение вечера. А ведь объем французского накопителя вдвое превосходит объем нашего кольца. Сегодня учеными разработаны магниты, сила взаимодействия которых в тысячи раз превышает их силу тяжести. К слову, такие магниты от нашей магнитной подвески имеются у меня дома. С ними обращение должно быть особое – если вдруг окажется, что расстояние между ними мало, они мгновенно устремятся навстречу друг другу, ломая все на своем пути. Главное, чтобы на их пути не оказалась рука человека. Сдавливание в сотни килограммов гарантировано! Если такие магниты поставить на наш сверхнакопитель, то скорость кольца супермаховика достигнет 12,6 км/с и превысит даже вторую космическую скорость. Плотность энергии тогда будет 80 МДж/кг, а вся энергия накопителя составит 2·1016Дж. Это значительно больше избыточной энергии электростанций всего мира, хотя по плотности энергии такой сверхнакопитель раз в 40 меньше супермаховика из суперкарбона. Можно пойти по пути уменьшения размеров накопителя и ограничиться запасом энергии в 1011Дж. Получится все-таки достаточно емкий накопитель, способный обеспечить равномерную работу большой электростанции. При радиусе накопителя 0,5 км сечение его подвижных магнитов будет всего 5?5 см. Такой накопитель в виде тонкой кольцевой трубки нетрудно расположить вокруг любой электростанции со всем ее хозяйством.
Супервариатор
Вы заметили, что я ни разу не назвал вариатор, который так расхваливал, «супервариатором». Несмотря на то, что у него масса суперсуммарных эффектов и что адаптивных фрикционных вариаторов ранее в технике просто не существовало. Нет, вариатор хороший, лучше имеющихся сегодня на автомобилях. Но скоро я понял, что «для полного счастья» мой вариатор не подходит – нужен новый, с «суперкачествами», совершенно особый, одним словом, настоящий «супервариатор». Так чем же не устроил меня прежний вариатор, что потребовалось теперь изобретать супервариатор? А тем, что хоть он и хороший, лучше имеющихся, но не «супер». Например, диапазон регулирования D = 8, н у, от силы D = 10, а нужен для приводов с маховиками, как я уже говорил, D около 20. КПД неплохой: при передаточном отношении 1,3 достигает 0,95, правда, при больших значениях передаточного отношения КПД снижается. А ведь для приводов с маховиками желательно больше. Минимальное передаточное отношение imin = 1,3, хотя для автомобилей, как хорошо знают водители, желательно меньше единицы – 0,6-0,7. И вот как-то пришла в голову такая мысль. Разгоняем, допустим, мы автомобиль вариатором, понижая передаточное отношение от imax до imin– 10; 8; 5; 2; 1,3. Все, больше вариатору делать нечего, меньшее передаточное отношение дать он не может. Максимальный диапазон регулирования D = imax / imin = 10/1,3 ? 7,7. А что если попробовать преобразовать повышение передаточного отношения снова в его понижение, то есть в дальнейший разгон автомобиля? На первый взгляд, задача фантастическая, нереальная, но посмотрим, нет ли в технике подтверждающих эту идею примеров?
Начало режима: выходной вал вариатора соединен с выходным валом привода (супервариатора): iвар = 10; iсупер = 10; n2 = nсупер = = 0,1n1. Середина режима: выходной вал привода (супервариатора) кратковременно соединен с выходными валами вариатора и дифференциала: iвар = iсупер = 1; n1 = n2 = n3 = nсупер (разрыва потока мощности нет). Конец режима: выходной вал привода (супервариатора) соединен с выходным валом дифференциала и отсоединен от выходного вала вариатора: n3 = nсупер = = 1,9n1; n2 = 0,1n1; iвар = 10; iсупер = 0,526. Диапазон регулирования супервариатора: D = iвар/iсупер = 19 Проведем несложный эксперимент: поддомкратим автомобиль так, чтобы «вывесились» его ведущие колеса, и пустим двигатель работать на холостом ходу, поставив в коробке первую передачу. Отпустим сцепление и понаблюдаем за колесами. Они будут вращаться, причем с равной скоростью. А теперь попробуем замедлить вращение одного колеса, например, тормозя его чем-нибудь. Мы заметим, что второе колесо ускорит свое вращение. Остановив полностью первое колесо, мы ускорим вращение второго ровно вдвое. Почему же это происходит? Да потому, что колеса автомобиля связаны между собой особым механизмом, называемым дифференциалом. Многие из читателей, особенно автомобилисты, хорошо знают, как он устроен. Выпускается этот механизм миллионами, он общедоступен, иные автомобили имеют сразу несколько таких дифференциалов. Так вот, достаточно включить дифференциал в конструкцию вариатора, и мы сможем преобразовывать, как в описанном опыте с автомобилем, понижение частоты вращения одного вала в повышение частоты вращения другого. Если подключить этот дифференциал в тот момент, когда вариатор дойдет до своего минимального передаточного отношения, допустим, 1,3, то частот2 ы вращения входного и выходного валов дифференциала станут одинаковыми. Но стоит нам увеличить передаточное отношение вариатора, как выходной вал дифференциала начнет убыстряться, соединяясь с ведущими колесами автомобиля, хотя в начале движения с ведущими колесами были связаны вал вариатора, или, что одно и то же, входной вал дифференциала.
Когда частоты вращения валов дифференциала станут одинаковыми, то безразлично, какой из них окажется подключенным к колесам автомобиля, можно даже соединить с ними сразу оба этих вала. Это очень ценно, так как не будет разрыва в трансмиссии, что происходит, например, при переключении передач автомобиля. Понижение скорости автомобиля осуществляется аналогично, только в обратном порядке. Конечно же, дифференциал я применил здесь не совсем автомобильный, без присущих ему конических зубчаток, но принцип остался тот же. В результате диапазон регулирования увеличился до 20—25, и почему это произошло – очевидно. Ведь используются оба рабочих хода управления вариатором – и на понижение, и на повышение передаточного отношения, а идут оба этих хода или только на понижение, или только на повышение данного отношения. Но, казалось бы, произошло невероятное – кроме диапазона повысился и КПД устройства! Во всех пособиях и учебниках, где речь идет о вариаторах, написано, что КПД с увеличением диапазона падает, и наоборот. В чем же дело, почему здесь законы механики не срабатывают? Нет, они срабатывают, но только в нужном нам направлении. Давайте проследим, что же происходит, когда мы подключаем дифференциал и начинаем повышать передаточное отношение вариатора. Выходной вал дифференциала, соединенный с колесами, вращается все быстрее, а ведь вал вариатора замедляется, через него проходит все меньшая мощность, меньше и потерь энергии. И все бол2 ьшая мощность проходит на колеса непосредственно от двигателя или маховика, минуя вариатор, а следовательно, уменьшаются и потери. Если бы вариатор остановился совсем, КПД всего устройства был бы равен практически единице, но вариатор все-таки вращается, хотя и еле-еле, вот и КПД не единица, а 0,99! Подсчет показывает, что в среднем, при наиболее употребительных режимах движения автомобиля, например, на шоссе, КПД нового устройства 0,97-0,99. Да таких показателей просто принципиально не может быть не только ни у одного из существующих вариаторов, но и у любых других типов бесступенчатых передач! Вот почему, подавая международную заявку на изобретение, ничуть не колеблясь, я назвал его «супервариатор».Инвестором моим выступила германская энергетическая компания «Планбау». Итак, теперь, кажется, есть все для осуществления моей мечты – создания «энергетической капсулы». Есть супермаховик, способный накапливать в единице массы огромную энергию, есть магнитная подвеска, способная при минимальном техобслуживании в течение многих лет выдерживать вращение супермаховика с ничтожными потерями, есть системы вывода вращения из вакуумной камеры, где обязательно должен «обитать» вращающийся с бешеной скоростью супермаховик. И уже есть, наконец, супервариатор, позволяющий получить из неудобной «падающей» характеристики вращения супермаховика любой закон движения машины, какой только ни пожелает потребитель. Теперь осталась самая малость – «внедрить» мою «энергетическую капсулу» в реальные машины!
Сверхпроводящий накопитель в разрезе
Немецкие ученые спроектировали накопитель диаметром 250 м и высотой 50—70 м. Криостат с жидким гелием и помещенной в него обмоткой из титан-ниобиевого сплава упрячут под землю. Под стать размерам и предполагаемая энергия накопителя. В своем проекте немецкие ученые собираются применить интересное новшество – огромные нагрузки, действующие на обмотку, они намерены частично «переложить» на грунт, в который будет зарыт накопитель. Специальные распорки должны будут «упираться» в корпус криостата, а он, в свою очередь, – в окружающие его породы. Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, привлекательны они пока только на бумаге. Слишком много в них уязвимых мест. Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем восполнить расход на его непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный. Но это еще куда ни шло, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, распорки надо проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и чутко реагирует на их изменение. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее! И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, – неизвестно. Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда уже в недалеком будущем подобные накопители станут реальным хранилищем энергии. Кое-что сделано уже сегодня – получены сверхпроводники, способные работать при гораздо более высоких – «азотных» – температурах. Прилагаются немалые усилия, чтобы отыскать такие материалы, чьи сверхпроводящие свойства проявлялись бы при комнатных температурах. Но как бы ни развивалось данное направление энергетики, задача создания простой, емкой, надежной «энергетической капсулы», которую к тому же можно было бы разместить на автомобиле, по-прежнему остается чрезвычайно актуальной. Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно непригодны в качестве источника энергии для автомобиля.
Свинцово-кислотный аккумулятор
В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит энергоемкость аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляют в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25—35%-ный водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение (точнее, электродвижущую силу) на клеммах 2-2,2 В. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 В, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции, и пластины, потеряв прочность, рассыплются. Мне очень хотелось узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности. Однажды я упросил одного знакомого водителя включить стартер, питаемый, как известно, от аккумулятора, при не включенном двигателе. Двигатель, естественно, не завелся, а секунд через 15—20 стартер начал сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановился. Было полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Я думал, водитель рассердится, скажет, мол, видишь, к чему привели твои опыты. Но он неторопливо выключил стартер, а потом, спустя пару минут, снова включил его. Стартер заработал! Откуда взялись «силы» у аккумулятора? Не мог же он, как живое существо, «отдохнуть»! В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похожи. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы силы восстановились. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать без спешки, неторопливо, с постоянной, но умеренной нагрузкой. Например, если попытаться бегом подняться на 20-й этаж дома, – без остановок это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и с остановками усталость будет ощущаться немалая.
А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особых усилий. Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая находится в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор. Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы – это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов – обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на килограмм массы аккумулятора, так называемая удельная мощность, или иначе – плотность мощности. Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота – опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона. Знаменитый изобретатель «всех времен и народов» Томас Алва Эдисон был моим кумиром. Я очень хотел походить на него стремлением к цели и работоспособностью, правда, не всегда удачно мне это удавалось. В аккумуляторах Эдисона электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20%-ный раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.
Сжатый газ в баллоне выделяет энергию, вращая пневмодвигатель
Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет – 500 атм, или около 50 МПа (мегапаскалей). Тогда весь кубометр воздуха уместится в сосуде емкостью 2 литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько и воздух (а это должен быть очень хороший крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, или одна тысячная кубометра, умноженный на 50 МПа, даст в результате 50 кДж энергии! Совсем неплохой показатель – 50 кДж/кг! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока – воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 кг. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя. Окрыленный этим открытием, я поспешил поделиться радостью со своим приятелем. Но тот в ответ лишь ухмыльнулся и сунул мне под нос только что полученный журнал, где говорилось, что не так давно итальянцы построили автомобиль-воздуховоз, способный с одной заправки воздухом пройти более 100 км.
Тайны вариаторов
Я снова сел за книги. Изобретать нечто совершенно новое и фантастическое можно тогда, когда никто ничего в этой области не делал. В области же вариаторостроения уже давно велись активные и плодотворные работы. Мне нужно было только выбрать наилучшую модель, взять ее за основу и усовершенствовать до получения требуемых результатов. Поэтому, сев за книги, я прежде всего хотел понять: какая модель вариатора самая перспективная применительно к той задаче, которую я поставил перед собой. К этому времени у меня уже был кое-какой технический опыт, я относился к своему выбору достаточно критично. Говоря о вариаторах, трудно удержаться и не рассказать об их истории, устройстве и принципе действия. Ведь они так необычны и сказочно интересны!
Тележка-«резиновоз» движется на накопленной в резине энергии
Лучше нельзя и придумать, но пока нет гипотетического идеально скользкого цилиндра. А, собственно говоря, для чего он нужен? Для того, чтобы каждый последующий слой резины на цилиндре мог провернуться относительно предыдущего без трения… Стоп! Ведь такой же результат мы получим, если разрежем цилиндр, как колбасу, на отдельные слои и насадим их свободно на общую ось! Слои эти можно изготовить из легкой пластмассы, даже из дерева. Я приглядел дома толстую добротную скалку, которой бабушка раскатывала тесто, и, воспользовавшись удобным случаем, распилил ее на множество тонких дисков. Выкрасил их сразу же раствором марганцовки, чтобы не узнали в моем «изобретении» бывшей скалки. Затем, проделав центральные отверстия, посадил диски на гладкий стальной стержень, на котором они могли бы свободно вращаться. Кроме того, я просверлил диски в разных местах, чтобы максимально облегчить конструкцию. В самые крайние диски аккуратно, стараясь не расколоть, вбил короткие толстые гвозди, перекинул через них зигзагами резиновый жгут, концы которого связал между собой. Чтобы диски не терлись торцами, проложил между ними шайбы. Теперь, вращая крайние диски в разные стороны, я мог растягивать резиновый жгут, накапливая в нем изрядное количество энергии. Установил я свой «резиноаккумулятор» на оси колеса детской коляски. Крайние диски закрепил неподвижно – один на оси колеса, другой на раме коляски. Закрутив колесо в обратную движению сторону до полного натяжения резины, оборотов на 50, я затем опустил его на землю. Коляска рванулась вперед, как норовистый конь, и резво вынесла меня прямо на середину двора на зависть младшим ребятишкам.
Тепловая смерть и «демон Максвелла»
Честно говоря, невеселые мысли посетили меня в свете рассуждений об эффективности преобразования механической да и другой энергии (электрической, химической, высокотемпературной тепловой) в тепло, к тому же тепло малоценное, низкотемпературное, из которого уже невозможно извлечь ничего путного. Что же получается? Работают сотни миллионов двигателей, электростанции, сгорает уголь, нефть, газ, вырабатывается внутриатомная энергия, и вся эта энергия в конце концов рассеивается, повышая температуру окружающей среды! Но если повышается температура естественного «холодильника» тепловых машин, то одновременно понижается их КПД, причем всех тепловых машин сразу. Это доказал еще в XIX веке тот же ученый Карно. Постепенно температуры окружающей среды и нагревателей сравняются, КПД всех тепловых машин окажется равным нулю, и произвести работу будет уже нельзя… Существование человечества станет невозможным! Поскольку вопрос возник «сверхсерьезный», я решил разобраться в нем подробнее. И здесь мне пришлось столкнуться с понятием энтропии, которое было предложено немецким ученым Рудольфом Клаузиусом в середине XIX века и без которого в этом вопросе никак не обойтись. Насколько я уяснил, энтропия есть некая величина, возрастание которой в необратимых процессах (например, при превращении механической энергии в тепло) характеризует ту часть энергии тел, которая уже не может совершать полезную работу и рассеивается в окружающей среде в виде тепла. Так вот, доказав, что работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному (иначе тепло и не переходит!), и распространив свои выводы на всю вселенную, Клаузиус заявил о неминуемой «тепловой смерти» вселенной. Конечно, энтропия – сложное понятие, оно с трудом воспринимается неподготовленным человеком, но мне помог прекрасный эмоциональный образ энтропии, энергии и их «отношений» в этом мире, найденный мною в одной старой книге: «Над всем, что совершается в беспредельном пространстве, в потоке преходящего времени властвует Энергия, как царица или богиня, озирая своим светом и былинку в поле, и гениального человека, здесь даря, там отнимая, но сохраняясь в целом количественно неизменной… Но где свет, там и тень, имя которой – Энтропия.
Глядя на нее нельзя подавить в себе смутного страха – она, как злой демон, старается умалить или совсем уничтожить все то прекрасное, что создает светлый демон – Энергия. Все мы находимся под защитой Энергии, и все отданы в жертву скрытому яду Энтропии… Количество Энергии постоянно, количество же Энтропии растет, обесценивая Энергию количественно. Солнце светит, но тени становятся все длиннее. Всюду рассеяние, выравнивание, обесценивание…» Этот отрывок весьма живо рисует ужасную картину приближения «тепловой смерти». И оказывается, до сих пор не найден механизм, защищающий вселенную от предсказанной Клаузиусом гибели. «Тепловая смерть» вселенной пугает людей, пусть даже гибель ее и должна произойти только через миллиарды лет. Даже писатель и философ Н. Г. Чернышевский высказался по этому поводу: «Формула, предвещающая конец движения во вселенной, противоречит факту существования движения в наше время. Эта формула фальшивая… Из того факта, что конец еще не настал, очевидно, что ход процесса прерывался бесчисленное множество раз действием процесса, имеющего обратное направление, превращающего теплоту в движение…» Конечно же, Чернышевский не мог знать о Большом Взрыве, о том, что вселенная не бесконечна во времени… Но последняя фраза Чернышевского как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, иначе говоря, позволяли бы теплу переходить от менее нагретых тел к более нагретым. Что это обеспечило бы миру, ясно без слов. Мы имели бы неограниченное количество энергии, причем не боялись бы при этом повышения температуры окружающей среды – «теплового загрязнения». Эту идею поддерживал и К. Э. Циолковский, он сам работал над полным превращением тепла в работу. Циолковский считал, что в природе существуют процессы концентрирования энергии, обратные процессам ее рассеяния. Поэтому «получается вечный круговорот материи», вечно возникающая юность вселенной. Отыскать механизмы, концентрирующие энергию, освоить их, использовать для утоления энергетического голода – вот задача, которую ставил Циолковский.
Решить такую задачу, правда, по-своему, попытался еще в 1871 году английский ученый Джеймс Максвелл. Функции подобного механизма он приписал некому фантастическому существу, названному позже «демоном Максвелла». Это существо, утверждал ученый, обладает столь изощренными способностями, что может следить за движением и скоростью каждой отдельной молекулы. Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и посадить «демона» у дверцы перегородки, мы можем заставить его открывать дверцу и пропускать в каком-нибудь одном направлении только быстрые молекулы, а в другом – только медленные. Тогда в одной части сосуда температура и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы, не совершая работы, получаем запас энергии. «Демон Максвелла» и ныне будоражит умы. Много раз ученые убедительно доказывали, что это лишь шутка великого физика, игра воображения, не имеющая никакой реальной основы. Действительно, если бы в сосуде было всего две молекулы, то и без «демона» они в половине случаев могли оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность их нахождения в одной части сосуда будет чрезвычайно мала. Академик А. Ф. Иоффе оценил возможность существования процессов концентрации энергии дробью, в которой после запятой идут еще 84 нуля. Вероятность получить при столкновении «жигулей» с «запорожцем» совершенно новый «мерседес» гораздо выше!
Тепловой «банк»
Несмотря на то что с газовыми аккумуляторами решено было покончить, забыть я их никак не мог. Не давало покоя тепло – энергия, пропадающая при остывании горячего баллона после его закачки воздухом. Вернее, не пропадающая, а переходящая в окружающую атмосферу, но от этого не легче. Хорошо, размышлял я, пусть газ при сжатии сильно нагревается, однако неужели нельзя спасти это тепло, не дать ему рассеяться? Тогда энергию сжатого газа можно было бы использовать не тотчас же после сжатия, а когда угодно. Есть, конечно, целый ряд способов, позволяющих уберечь тепло от рассеивания. Еще наши предки, желая подольше сохранить горячим заварочный чайник на самоваре, накрывали его ватной «бабой». Кастрюлю с кашей с той же целью убирали под подушку. Да и мало ли еще примеров «укутывания» для сохранения тепла! Но лучший способ сберечь тепло – это воспользоваться термосом. Я всегда удивлялся способности этого прибора долго, целый день, удерживать чай горячим. Пробовал разобраться – как устроен термос, что у него внутри. Однажды, сняв крышку, я вынул из корпуса сверкающую зеркальную бутылочку с торчащим хвостиком внизу. Так как больше ничего особенного я не обнаружил и загадка термоса не была разгадана, я с замиранием сердца обломил кончик хвостика, надеясь заглянуть внутрь, под зеркальный слой. Послышался резкий свист воздуха, и все стихло. Посмотрев в крошечное отверстие бутылочки, я понял, что обманулся – ничего там не было. Я поспешно вставил испорченный сосуд обратно в корпус и завинтил крышку. Внешне термос оставался тем же, а тепла, увы, уже не удерживал. Кипяток в нем, правда, остывал не так быстро, как, например, в чайнике, но и не так медленно, как раньше. Термос посчитали негодным и выбросили. А я, заглянув в энциклопедию, нашел там статью про термос и выяснил его устройство. Оказывается, зеркальная бутылочка была не цельная, а состояла из двух стеклянных колб, вставленных одна в другую и позеркаленных особым способом. В пространство между ними заливают специальный раствор, содержащий соли серебра, и колбы нагревают.
Стенки колб при этом покрываются тончайшей серебряной пленкой. Затем раствор выливают, воздух из этого пространства тщательно откачивают и отверстие запаивают. Вот и остается после него тоненький стеклянный хвостик, который я обломил… Для чего же все это делается? Если мы нальем в термос горячую жидкость и заткнем его пробкой, то куда денется тепло? Окружающий воздух не нагреется – тепло не пройдет через безвоздушную прослойку между колбами. Излучиться в пространство, как излучается оно Солнцем или раскаленным металлом, тепло тоже не сможет – зеркальный слой отразит тепловые лучи, как свет, снова внутрь колбы. А внешняя колба позеркалена для того, чтобы тепловые и солнечные лучи снаружи не попали внутрь и не нагрели термос, особенно когда в нем находится холодная вода или мороженое. Поэтому термос одинаково хорошо сохраняет первоначальную температуру как холодных, так и горячих тел. Говорят, что он теплоизолирует их от окружающей среды. Тепло может «утечь» или «притечь» только через тоненькую «шейку», соединяющую обе колбы, или через пробку. А пробка очень плохо передает тепло. Здесь следует заметить, что воздух между колбами должен быть откачан до очень высокого, почти «космического» вакуума. Если там остается даже ничтожное количество воздуха, даже его тысячная доля, то эффект термоса исчезает. Хоть молекул и становится намного меньше, но и длина их пробега увеличивается, а теплопроводность почти не падает! Вот такова эта удивительная физика! Изобрел этот хитрый сосуд в самом конце позапрошлого века английский ученый Джеймс Дьюар; в его честь термос и другие сосуды, поддерживающие постоянную температуру, называют еще сосудами Дьюара. Вот куда бы надо помещать сжатый газ, чтобы он не охлаждался, а сохранял свое тепло подольше. Но сосуд Дьюара, рассчитанный на огромные давления аккумулятора, станет тогда очень сложным и дорогим; как говорится, игра здесь просто не стоит свеч.
Термобигуди – накопитель плавления
Проделав опыт многократно, я заметил, что «бигудина» в отличие от других образцов остывала весьма необычно. Сначала температура ее падала довольно резко, потом, дойдя до 50—60 °С, держалась так очень долго. Затем «бигудина» опять быстро остывала до комнатной температуры. Тут я не удержался и вскрыл «бигудину», чтобы посмотреть, что за механизм у нее внутри. Но там, кроме какой-то пастообразной массы, ничего не оказалось. Это был парафин или стеарин, из которых делают обыкновенные осветительные свечи. Чудеса! Я купил килограмм парафина, расплавил его и залил в термос. В другой такой же термос я поместил воду, нагретую до одинаковой с парафином температуры. Результат был прежний. Когда вода уже остыла, парафин в термосе все еще оставался горячим и жидким. Наконец он затвердел, а после быстро остыл, почти как вода. Вода простояла горячей примерно сутки, а парафин – несколько дней. И вдруг меня осенило. Конечно же, при затвердевании жидкости выделяется «скрытая» энергия, которая была затрачена при плавлении! Когда жидкость остывает, тепло постоянно отбирается от нее, но пока вся она не затвердеет, пока не застынет последняя капля, температура ее будет держаться на точке плавления. Для парафина – это 54 °С. И наоборот, температура плавящегося тела, например льда, не поднимется ни на градус, пока последний его кусочек не расплавится, не превратится в жидкость. Все это я проходил в школе, обо всем этом написано в учебниках. Оказывается, чтобы расплавить килограмм льда, нужно затратить 80 килокалорий, алюминия – 92,4, железа – 66, свинца – 6,3, ртути – 2,8 килокалории. А есть материалы – к примеру гидрид легкого металла лития,– которые требуют для плавления гораздо большего тепла. Так, чтобы килограмм твердого гидрида лития перевести в жидкость при температуре его плавления – 650 °С, потребуется 650 килокалорий. Посмотрим теперь, сколько аккумулируется тепла. Предположим, что нам нужна температура в аккумуляторе между 700 и 600 °С, например, чтобы получить из воды пар для питания парового автомобиля.
Воспользуемся для этой цели куском металла – железа или меди. При остывании с 700 до 600 °С каждый килограмм железа или меди выделит около 10 килокалорий. Если то же проделать с гидридом лития, то только при затвердевании на точке 650 °С он выделит 650 килокалорий, а дополнительно, остывая до 600 °С, – еще 30 килокалорий. Итого – 680 килокалорий, или в 68 раз больше, чем может дать неплавящийся металл! Это ли не «капсула»? Действительно, если подсчитать, какой механической работе это соответствует, мы получим гигантскую цифру – 2,85 МДж/кг. Ведь каждая килокалория – 4,2 кДж энергии. Стало быть, менее 10 кг теплового аккумулятора хватило бы для прохождения 100 км пути! Это равно количеству бензина, необходимого автомобилю для такой поездки. Не только гидрид лития обладает таким «магическим» свойством. Для получения рабочих температур теплового аккумулятора около 100 °С подходят кристаллы фосфорнокислого натрия. Если же нужна температура выше 1000 °С, то можно взять окислы бериллия, магния, алюминия, кремния, а также силициды и бориды некоторых металлов. Мне уже думалось, что поиск «энергетической капсулы» близок к завершению, – энергетическая, вернее, тепловая «капсула» обещала быть не больше автомобильного бензобака! И я стал искать в литературе все, что было написано про тепловые аккумуляторы.
Томас Алва Эдисон (1847—1931)
Торпеда адмирала Хауэлла
Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор. В 1905 году англичанину Фредерику Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «…применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были смонтированы стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел и разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался к электрической сети также на остановках.
Традиционная (а) и новая (б) схемы
Далее – шесть сателлитов просто невозможно зажать дисками равномерно. Обычно только три сателлита зажаты как следует, а остальные – недожаты. А это тоже плохо! Будем критиковать немцев и дальше? А вообще, причем тут немцы? Они купили патент у австралийцев, вот эти последние, выходит, и виноваты! Но мне одинаково неловко ругать и немцев, и австралийцев – ведь работаю, причем тесно, я и с теми и с другими!
Трудности производства (шуточный рассказ)
Трудности эти касались изготовления «железа», то есть научных экспериментальных установок. И тут научные работники использовали различные «средствА» – в зависимости от места своей работы. А «средствА» эти, например для сотрудников вузов были такими: кто-нибудь из работников завода обязательно учился на вечернем отделении, тогда мало кто имел высшее образование, а для руководства завода оно было очень желательно. Заключался «джентльменский» договор: вы нам – установку, а мы вам – оценку, а деньги, если и проплачивались, то только для проформы. Такой «бизнес» цвел махровым цветом в городе Тольятти, где я тогда жил и работал в Политехническом институте. Вуз в городе был один, и все руководство тольяттинских заводов стройными рядами подрядилось помогать нашей науке. Это был период расцвета вузовской науки – экспериментальные стенды и установки изготовлялись «за милую душу», вернее, за положительную оценку. Конечно, были и производственные трудности, о которых я хочу рассказать. Эти трудности касались изготовления и испытаний рекуператора энергии торможения для автобуса. С директором завода – моим студентом-«вечерником», договоренность была достигнута, и работа пошла… На стадии проектирования почти каждую ночь меня озаряли новые идеи, а утром конструктор с ужасом узнавал, что чертежи опять надо переделывать. Наконец документация была готова, ее размножили и отдали на завод, где после долгих уговоров согласились изготовить «этакую маленькую модельку». Начальник производства, увидев чертежи, наотрез отказался от работы, заявив, что это не «моделька», а настоящая адская машина, и что она «не пойдет», то есть не будет работать. С полчаса мы препирались, пока я не спросил, а почему, собственно, «не пойдет»? – Был у нас тут один доцент, – ответил начальник производства, – мы ему сделали тоже инерционный, но не рекуператор, а грохот. Грохот не работал. Стало быть, и ваш не будет. Я столь же убедительно возразил: – То был доцент, а я профессор, и наша конструкция будет работать.
Короче говоря, машину все-таки, не без вмешательства директора, запустили в производство. И тут началось… Прежде всего корпус, в котором должен был вращаться маховик, изготовили меньшего диаметра, чем сам маховик. Пробовали затолкнуть его туда прессом, но я категорически запротестовал. Тогда решили расточить корпус и обточить маховик. Обрабатывая корпус, начисто срезали ему один бок, а обтачивая маховик, сбили ему центровку – появилась статическая неуравновешенность. На корпус наварили длинную латку, после чего его ужасно искривило, и подшипники не полезли в гнезда. Маховик переточили и к статической добавили динамическую неуравновешенность. Я совершенно было потерял голову, но заводчане, воспользовавшись моей вынужденной командировкой, затолкнули все-таки маховик в корпус на стотонном прессе и, выкрасив агрегат в голубой цвет, торжественно передали нам. Пришлось принять, хотя я и заметил им, что можно было не трудиться и не красить, во всяком случае, поверхности трения. Но радушные за-водчане ответили, что для хороших людей им ничего не жалко, и отгрузили рекуператор. Для стендовых испытаний рекуператора институт выделил нам подвал в только что выстроенном здании. Стояла холодная зима, а в подвале было тепло, и это нас радовало. Мы целыми днями разбирали рекуператор на детальки и исправляли заводские дефекты. Убедились, что стотонный пресс на заводе работает хорошо: выпрессовать маховик мы так и не смогли. Пришлось заливать в корпус азотную кислоту и таким неслыханным способом выпрессовывать, а заодно и балансировать маховик. Помогали нам энтузиазм и сноровка, мешали пары азотной кислоты и темнота в наглухо закупоренном подвале. Основные дефекты мы ликвидировали, оставалось только собрать рекуператор. Детальки были аккуратно разложены на полу, завернуты в бумажки и пронумерованы, на потолке горела недавно установленная лампочка, а в просверленную в потолке щелку проникало дыхание наступающей весны. Я спокойно уехал в командировку отчитываться о проделанной работе, поручив лаборанту сборку рекуператора, которую нужно было провести не торопясь, тщательно, а самое главное, соблюдая чистоту деталей и смазки.
Ох уж эта весна! Какую злую шутку сыграла она с нами! Вернувшись из командировки в радужном настроении, я заглянул в наш подвал и… обомлел. При тусклом свете лампы невозмутимый лаборант с сигаретой в зубах стоял в болотных сапогах чуть не по пояс в грязной воде. В руках он держал шланг, по которому мощная помпа гнала глинистый раствор наружу, через спасительную щелку в потолке. Подвал не был гидроизолирован, и в него прорвались талые воды. Две недели откапывали мы ржавые детали, узлы и, отчаявшись очистить их от грязи и ржавчины, собирали рекуператор как попало. Настало время посылать агрегат заказчику для установки его на автобусе. Наученный горьким опытом, я тщательно гидроизолировал ящик для рекуператора и только после этого отправил груз на товарную станцию. Но и этой предосторожности оказалось недостаточно. По дороге крышку ящика повредили, и на завод он пришел полный воды. Рекуператор плавал в ней, как огурец в рассоле. Установив наш агрегат на автобусе и убедившись, что он не работает, заказчик возвратил его нам обратно вместе с автобусом. Опять грязегидравлические испытания, теперь по ноябрьским дорогам. Пробуем пустить машину сами – передача разлетается на куски. В чем дело? Ого! Приваривая ушко для крепления, сварщик заказчика прожег корпус и накрепко приварил к нему маховик. Наконец выкатили автобус во двор. Машиной управлял лаборант, а рекуператором с заднего сиденья – я. Договорились подавать сигналы друг другу свистками: один долгий – тормоза отпустить, два коротких – нажать. Предстартовая нервозность сыграла свою роль, и я, запуская рекуператор, вместо одного длинного свистка дал два коротких. От обломков передачи пришлось спасаться бегством. Я заметил, что каждый новый ремонт рекуператора занимал у нас все меньше времени. Мы привыкли к постоянному ремонту и не вылезали из-под автобуса. Нас даже прозвали «Карлсонами, которые живут под автобусом». Оттуда я консультировал студентов, там же выслушивал институтские новости и подписывал бумаги. Зимой мы примерзали спиной к асфальту.Нас вытаскивали из-под автобуса заботливые студенты. Опять наступила весна. Мы вывели автобус бережно, как норовистого коня. Выбрали тихую улочку, разогнались, и я уверенно включил рекуператор. Но это я лишь решил, что включил его. На самом деле я перепутал тумблеры, которые были заменены только накануне, и вместо «пуска» включил «аварийную остановку». Полетела прочнейшая стальная лента, связывающая маховик с колесами машины. Тут же склеили ее клеем N 88. Попробовали катить автобус – катится. Остановили – что-то с глухим стуком упало на асфальт. Глянули под автобус – батюшки, кардан! Поставили кардан, поехали. Снова включили рекуператор – не работает. Остановились, выбежали, осмотрели – ничего непонятно. Я в сердцах стукнул по нему кулаком – и автобус пошел – сам! – плавно набирая скорость. Едва догнали его. Теперь работает, и еще как – экономит почти половину горючего!
Трудности «жизни» в вакууме
Со временем в каждом килограмме моего самодельного супермаховика уже накапливалось все больше энергии по сравнению с другими аккумуляторами. И вот однажды я задумался: несомненно, что будущие супермаховики смогут накапливать столько энергии, сколько ее, например, в летящем с космической скоростью метеорите, однако сможем ли мы «отбирать» эту энергию? Какие трудности здесь встретятся? Первая же мысль была о подшипниках. Выдержат ли они столь высокие скорости вращения супермаховика? Существуют ли вообще подшипники, способные работать при таких скоростях? Прежде всего я решил подсчитать скорости, которые могут быть у супермаховика на автомобиле. Для простоты взял супермаховик диаметром в метр, что вполне годится и для автомобиля, и для автобуса, и для многих других машин. Каждый материал для супермаховика способен выдержать лишь определенную окружную скорость (скорость на самой отдаленной от центра точке обода). При этом, оказывается, никакого значения не имеет диаметр супермаховика – так распорядилась природа. А прочность материала следует повышать пропорционально квадрату скорости; в том же соотношении будет возрастать и энергия. Например, стальная лента выдерживала во время испытаний скорость 500м/с, а кевлар – 1000 м/с. Отсюда и энергии в кевларовом супермаховике накапливалось в четыре раза больше, чем в таком же по массе ленточном. Если бы кевлар имел ту же плотность, что и сталь, то при скорости 1000 м/с напряжения в нем были бы в четыре раза больше, чем в ленте, и супермаховик мог разрушиться. Но в действительности с ним ничего не происходит. Ведь кевлар почти в пять раз легче стали, и удельная прочность у него значительно выше. Итак, какие же обороты будут у стального и кевларового маховиков? Если поделить окружную скорость на радиус супермаховика, мы получим его угловую скорость, а по ней уже просто рассчитать число оборотов, как в секунду, так и в минуту. Ленточный супермаховик будет вращаться со скоростью 1000 рад/с (радиан в секунду), что соответствует 160 оборотам в секунду, или 9 559 оборотам в минуту.
Вращение кевларового супермаховика будет вдвое быстрее – около 19 тыс. оборотов в минуту. Но ведь такую угловую скорость развивает двигатель даже обычного бытового пылесоса, с чем его подшипники прекрасно справляются. Скорость вращения мощных газовых турбин обычно превышает 30 тыс. оборотов в минуту, а там есть подшипники, работающие в худших условиях, чем в супермаховике. В турбинах на подшипники действуют нагрев, сильные вибрации и другие отрицательные факторы, которые в супермаховике отсутствуют. Сейчас есть подшипники, выдерживающие 100—150 тыс. оборотов в минуту и более; этого вполне хватило бы и для супермаховика из алмазного волокна. Если к тому же один подшипник вставить в другой, то можно добиться вдвое большей скорости вращения, так как на каждый из них придется только половина общей скорости. Хорошо бы, конечно, обойтись совсем без подшипников, ведь на их вращение с нагрузкой, тяжелым супермаховиком, тоже идет энергия, а она нам так дорога… А что если закрепить над супермаховиком кольцеобразный магнит, который будет воспринимать его силу тяжести? Правда, в этом случае супермаховик должен быть стальной. Чтобы получить тот же эффект с кевларовым, стеклянным и графитовым маховиками, надо вмонтировать в них второй магнит, взаимодействующий с первым. И лучше это сделать так, чтобы магниты работали не на притяжение, а на отталкивание, тогда супермаховик сам «вывесится» на определенной высоте и в таком положении будет вращаться. В этом нетрудно убедиться, если взять два кольцевых магнита, например от старых динамиков из репродуктора, и надеть их на деревянную или любую другую немагнитную палочку одноименными полюсами друг к другу. Верхний магнит повиснет над нижним, и потребуется большая сила, чтобы приблизить их друг к другу. Но все-таки и в такой магнитной подвеске нужны подшипники. Во-первых, супермаховик при тряске и толчках может «продавить» магнитную подвеску, достаточно мягкую. Во-вторых, постоянными магнитами нельзя полностью вывесить какое-нибудь тело: супермаховик здесь разгружен только от силы тяжести, а не от боковых сил.Подшипники будут лишь фиксировать подвеску без нагрузки – ее ведь «нейтрализуют» магниты, и энергии на их вращение потребуется немного.
Устройство гибридного автомобиля
Более смелый проект предложила известная американская фирма «Крайслер» для своей спортивной модели «Patriot». Скоростной газотурбинный двигатель объединен в один агрегат с генераторами, дающими ток как для движения автомобиля, так и для подзарядки супермаховичного накопителя. Все агрегаты выполнены как бы в миниатюре специально для небольшого спортивного автомобиля массой около 700кг и мощностью почти 500 лошадиных сил (370 кВт). Супермаховичный накопитель содержит цилиндрический супермаховик, выполненный из графитового композита и помещенный в вакуумный корпус. Хотя об этом впрямую не говорится, подвеска, конечно, магнитная – другой здесь и быть не может. Мотор-генератор развит в размерах по диаметру, чтобы обеспечить огромную мощность, хотя бы в сравнении с предыдущим проектом.
В поисках «энергетической капсулы»
Проблеме создания совершенного накопителя энергии, образно названного автором «энергетической капсулой», посвящены сотни научных трудов и десятки книг Нурбея Гулиа – ученого, чьи работы получили признание как в России, так и за рубежом. Энергетика всегда была и остается приоритетным направлением науки и техники, а накопители энергии – важным и перспективным разделом энергетики. Эффективное накопление энергии «впрок» должно обеспечить такой же революционный скачок в энергетике, как банковское дело в экономике. Пока же, к сожалению, о сохранении энергии про запас серьезно говорить не приходится. Автор – один из тех энтузиастов накопительной энергетики, кто в своих книгах не только настойчиво об этом говорит, но и постоянно доказывает делами плодотворность самой идеи, которой он, «загоревшись» еще в юношеские годы, остается верным по сей день. Самое же удивительное то, что большинство сложных проблем создания «энергетической капсулы» автор решил, хотя бы принципиально, именно в юношестве и ранней молодости. Решения эти оказались настолько новыми и полезными, что на многие из них были выданы патенты и в современной технике они активно используются. Создатель знаменитой системы ТРИЗ – теории решения изобретательских задач – Г. С. Альтшуллер в самом начале своей книги «Найти идею» подчеркивает, что изобретателю-творцу для его творчества нужна достойная цель. И тут же приводит пример, имеющий непосредственное отношение к нашей книге: «Пятнадцатилетний школьник Нурбей Гулиа решил создать сверхъемкий аккумулятор. Работал в этом направлении более четверти века. Пришел к выводу, что искомый аккумулятор – маховик; начал делать маховики – своими силами, дома. Год за годом совершенствовал маховик, решил множество изобретательских задач. Упорно шел к цели (один штрих: авторское свидетельство N 1048196 Гулиа получил в 1983 году по заявке, сделанной еще в 1964 году,– 19 лет борьбы за признание изобретения!). В конце концов Гулиа создал супермаховики, превосходящие по удельной запасаемой мощности все другие виды аккумуляторов».
А вот уже нынешний итог творческой деятельности автора нашей книги, который подводит журналист Б. Гармаев в журнале «Компьютерра» за июнь 2004 года в статье, посвященной реализации творческих решений Нурбея Гулиа, задуманных им еще в юности: «Сегодня неугомонный профессор живет и здравствует, и 65 лет возраста ему не мешают заниматься штангой и моржеванием, но самое главное – творить и претворять свою мечту в реальность. Ученики Гулиа востребованы в странах Запада, сам же профессор остается на родине и продолжает попытки внедрения своих изобретений в России. Тем временем в Америке и Европе уже выходят на дороги автомобили с маховичными накопителями и бесступенчатыми вариаторами, возводятся инерционные хранилища энергии, реализуются и приносят прибыль идеи Нурбея Гулиа». Здесь мы можем только добавить, что наш автор и сам активно сотрудничает как с Западом, так и с Востоком: он реализует свои изобретения в Германии и Австралии. Мы полагаем, что нашим читателям будет полезно ознакомиться с книгой изобретателя и ученого, правдиво и критично описавшего свой творческий путь к поставленной цели. Этот путь, возможно, предстоит еще пройти нашим читателям, чтобы успешно реализовать себя в жизни. Стать «энергетическим банкиром», «хранителем, властелином энергии», а попросту создателем новых систем энергетических «банков», способных накапливать энергию, – неплохой способ самореализации для современного талантливого молодого человека. Ведь энергия будет постоянно дорожать, и не угнаться за ней ни золоту, ни деньгам!
В поисках серьезной работы
Прошло еще 1200 лет, прежде чем в Древнем Китае был изготовлен другой гончарный круг маховичного типа. Известно даже имя хозяина гончарной мастерской близ Желтой реки. Звали его Ланг Шан, и он, по-видимому, сам дошел до идеи маховика. К чести китайца, его маховик был значительно совершеннее. Вытесанный из камня, что придавало ему большую прочность и долговечность, массивный диск приводился в действие ногами. Это позволяло развивать немалую скорость – ноги ведь гораздо сильнее рук. Очередное маховичное устройство появилось примерно через полторы тысячи лет, и снова в Китае. В долине реки Ло Ланг Хо постоянно дули сильные ветры, которые сдували слои земли, образуя глубокие овраги. В этих оврагах на глубине 10—12м можно было найти воду, необходимую для орошения полей. Китайцы сооружали большие колеса с парусами на шестах, к колесам цепями крепили кожаные ковши для воды. Ветер надувал паруса и вращал колеса, поднимая воду из оврагов. Однако когда ветер вдруг стихал, такое колесо останавливалось, а затем под тяжестью ковшей с водой начинало крутиться в обратную сторону, сливая воду в овраг. Чтобы этого не происходило, у колеса оставляли дежурить двух рабов, скованных одной цепью. Как только ветер прекращался, они повисали на той стороне колеса, где были пустые ковши, и удерживали его от обратного хода до следующего порыва ветра. Однажды хозяин колеса, которому рабы понадобились для другого дела, решил уравновесить колеса тяжелым камнем. Ничего не получилось, все равно кто-то должен был в нужный момент привязывать камень к колесу, а потом отвязывать его. Хозяин уже было махнул рукой на свою затею, но тут налетевший ветер раскрутил колесо вместе с камнем, который не успели снять, и оно стало быстро вращаться, поднимая ковши с водой, а когда ветер опять стих, колесо не сразу остановилось.
В помощь воздуху – масло
Прослеживая мысленно все этапы работы аккумулятора, я вдруг понял, что под впечатлением своей неудачи с воздуховозом упустил из виду очень существенный момент. Действительно, решив бороться с расширением и охлаждением газа после выхода его из баллона, я совсем не подумал о том, что почти то же самое происходит одновременно и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем становится все меньше и меньше, газ все больше расширяется, давление его падает, а следовательно, снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с литра сжатого газа огромную энергию, то потом, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а пшик. Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, с 50 МПа довести давление этак до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и начать перемещать внутри него поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне, просто увеличивая его объем. А это, в свою очередь, позволило бы использовать не только воздух, но и более подходящий для сжатия газ, поинертнее, скажем, азот или гелий. Дело в том, что воздух под большим давлением окисляет смазку, которая присутствует везде и всюду, а азот и гелий – нет.
Вариатор завода «Ленце» (Германия) в исполнении мотор-вариатора
Вариатор фирмы «Ленце» стоит того, чтобы о нем рассказать. В нем устранены почти все недостатки лобового вариатора. Прежде всего, он выполнен по так называемой планетарной схеме. Между внутренними центральными дисками, выполненными с торообразными, как у бублика, рабочими поверхностями, зажаты шесть конических дисков-сателлитов, подвижно закрепленных осями на водиле. Эти же сателлиты зажаты и между внешними центральными дисками, имеющими такую же торовую рабочую поверхность. Таким образом, сателлиты контактируют одновременно и с внешними, и с внутренними центральными дисками, причем с каждым в 12-ти точках. Итого – 24 точки контактов, это вам не одна точка, как в лобовом вариаторе! Следовательно, во столько же раз возрастает мощность вариаторов. Из-за малого угла конусности сателлитов зажим их между внешними и внутренними дисками силой в несколько тонн не дает ощутимой нагрузки на центральные подшипники – это огромное преимущество!
Водородно-кислородный топливный элемент
Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 %, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей. Как же все-таки работает современный топливный элемент? В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии. Получаемая в топливном элементе вода удаляется через особый фитиль. Она настолько чистая, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток. Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около 1 МДж/кг. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелые. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии. Плотность мощности у топливных элементов совсем небольшая, около 60 Вт/кг, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно. Накопители энергии, принцип работы которых основан на аккумулировании водорода, имеют свои особенности в применении на транспорте, в частности на автомобилях. Об этом будет подробно сказано позже. Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб, например электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но, возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.
Водородные генераторы
В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в некоторых других его произведениях упоминается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова. Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика. А что если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.
Вот она, моя «капсула»!
... «Капсула» обретает не только плоть, но и душу…
Воздушно-цинковый аккумулятор
Своеобразие этих устройств заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но гальванический элемент при этом будет обладать вдвое большей плотностью энергии по сравнению с аккумулятором. Однако как ни хороши описанные выше аккумуляторы-рекордсмены, специалисты все-таки считают, что проблему создания современного электромобиля с дальностью пробега 120—150 км должны решить не они, а дешевые и недефицитные никель-цинковые аккумуляторы. По плотности энергии и мощности такие аккумуляторы находятся между обычными и серебряно-цинковыми аккумуляторами. Тем не менее будущее, хотя и отдаленное, все же за горячими аккумуляторами, несмотря на все трудности и неудобства, связанные с их созданием и эксплуатацией. Их разработкой занимаются самые солидные фирмы и институты, в том числе и у нас в стране. Успехи же весьма скромные – создать конструкцию такого накопителя для серийного производства до сих пор не удалось. Из лабораторий горячий аккумулятор пока не вышел. Вряд ли мне будет под силу тягаться в этом с целыми научными коллективами. Особенно смутило меня то обстоятельство, что теоретический предел у электрохимических аккумуляторов уже близок. По расчетам ученых, основной показатель аккумулятора – плотность энергии – можно еще повысить максимум в три-четыре раза. Безусловно, маловато получается для «капсулы». Кроме того, как я хорошо знал, подойти вплотную к теоретическому пределу невероятно сложно. Вспомнить хотя бы, сколь трудным оказалось подобраться к абсолютному нулю температуры, к полному вакууму, к совершенно чистым материалам. Подобных примеров можно привести множество из самых разных областей человеческой деятельности. Поэтому, отдавая должное всесилию электричества и бесспорным преимуществам электроаккумуляторов, я все-таки мечтал найти такой накопитель, теоретический предел которого если не бесконечен, то хотя бы отодвинут достаточно далеко. Лишь тогда можно будет всерьез говорить об «энергетической капсуле».
Воздушный шарик с магнитным уплотнением
Магнитные уплотнения необходимы в том случае, когда требуется именно механическое вращение вала супермаховика. Если же нужно получить от супермаховика электроэнергию, то дело проще. Устанавливаем внутри камеры вращения вместе с супермаховиком электрическую машину – генератор, а провода выводим наружу через герметичные изоляторы. Подавая ток по проводам в машину, которая в этом случае будет работать в режиме электродвигателя, разгоняем супермаховик. Потом переводим машину в режим генератора, и она начинает выдавать электрический ток, отбирая энергию у супермаховика. Такой способ отбора энергии, пожалуй, наилучший. Ведь ток можно использовать для каких угодно целей – и для освещения, и для питания приборов, и для движения электромобилей. Об этом способе поговорим подробно позже. Чтобы получить энергию в виде потока жидкости, например масла под давлением для приведения в движение механизмов в шахтах, где электрическая искра способна вызвать пожар, вместо электромашины в камеру вращения нужно поместить гидромашину. Она так же, как и электромашина, может работать в режиме двигателя, разгоняя супермаховик, и в режиме генератора – насосном режиме, качая масло энергией супермаховика. Разумеется, из камеры с супермаховиком будут выходить уже не провода, а трубочки, по которым потечет масло. Энергией потока масла можно приводить в действие гидродвигатели, гидроцилиндры, заряжать гидроаккумуляторы, о которых речь шла в самом начале книги. В случае использования камеры из немагнитного материала, вращение можно вывести наружу через стенку с помощью магнитной муфты, в которой установлены сильные постоянные магниты. Иногда вращение выводят из герметичного пространства с помощью так называемой «поводковой» муфты. Кроме того, существуют особые «волновые» передачи, получившие в последнее время большое распространение; они тоже могут передавать вращение из герметичного корпуса.
Возможен ли «мягкий» маховик?
Что касается супермаховиков, у которых энергия отбирается электрическим или гидравлическим путем, то тут все ясно. Электро– и гидроприводы можно регулировать «мягко», так что «потребитель» и не догадается об изменении скорости супермаховика. Особенно успешно регулируется гидропривод. Гидронасос состоит из нескольких поршеньков, приводимых в движение шайбой, к которой они шарнирно прикреплены. Шайба обычно наклонена таким образом, что за один ее оборот поршенек проделывает вместе с ней некоторый путь вверх-вниз. Уменьшив угол наклона шайбы, поставив ее почти параллельно поршенькам, ход последних можно сделать едва заметным, с увеличением угла наклона увеличится и ход поршеньков. Такая регулировка позволяет менять скорость вращения вала от нулевой до самой высокой. Предположим, на автомобиле установлены обычный гидродвигатель и супермаховик с гидравлическим приводом, причем на супермаховике – регулируемый насос. Как будет производиться движение машины? Сначала шайба насоса чуть наклоняется, в гидродвигатель подается немного масла, и он тихонько «трогает» автомобиль. По мере его разгона шайба наклоняется все больше и больше, повышая мощность насоса, а стало быть, и скорость автомобиля. Если супермаховик только что «заряжен» и скорость вращения его высока, то можно ограничиться малым наклоном шайбы; если же скорость вращения основательно упала, то надо увеличить угол наклона, и скорость автомобиля не изменится. Конечно, когда шайба дойдет до предельного положения, регулировка будет уже неэффективна. Обычно допускается снижение скорости вращения супермаховика вдвое, например с 12 до 6 тыс. оборотов в минуту. Но не следует думать, что и энергии его мы используем тоже половину. Так как при снижении скорости вдвое энергия супермаховика уменьшается в 22, то есть в четыре раза, соответственно мы получаем от него 3/4, или 75 %, всей энергии. Вот какой «глубокий» отбор полезной энергии можно произвести от маховичных накопителей. Точно так же обстоит дело и с электроприводом, только вместо шайбы здесь применяется так называемое частотное управление.
Оно современно и хорошо разработано, мы даже используем его в бытовых приборах, например в вентиляторах. Но как ни удобны электро– и гидроприводы, они все-таки сложны. КПД – около 0,8-0,9, бывает и чуть повыше, – преобразование механической энергии в поток жидкости или электронов требует затрат – «налога» на это преобразование. Их масса велика, да и стоят они недешево. А главное, эти приводы не позволяют отобрать у маховика всю энергию, довести его до остановки. Почему же нельзя получить от маховика больше энергии? Дело в том, что всякий привод хорошо работает только на той скорости, на которую он рассчитан. Если скорость супермаховика сильно снижается, то электрогенератор, соединенный с ним, дает слабый ток, а гидронасос – невысокое давление масла. Привод становится маломощным, КПД его падает. Вот потому-то оставшаяся в супермаховике четверть всей накопленной энергии, как правило, не используется. Сказанное относится к разгону автомобиля. А что происходит при его торможении? Ведь чтобы не потерять при этом кинетическую энергию автомобиля, нам надо перекачать ее в супермаховик. Для привода безразлично, передавать ли энергию от супермаховика автомобилю или от автомобиля супермаховику. Поэтому на схемах обычно изображают автомобиль в виде супермаховика на одном валу привода, а супермаховик-накопитель – на втором. Так вот, электро– или гидропривод сумеет отобрать у автомобиля, как и у супермаховика, те же 75 % энергии, снизив его скорость лишь вдвое. А куда годится такое торможение, после которого автомобиль все еще движется, хотя и в два раза медленнее?! И я стал придумывать привод, который мог бы «перекачивать» энергию автомобиля в супермаховик и наоборот практически полностью, – своего рода «энергетический насос», способный отбирать энергию у супермаховика до самой его остановки. Причем КПД этого привода-насоса должен быть выше, чем у любого другого типа привода. Что и говорить, задача была не из легких. Но неожиданно мне повезло. Однажды я увидел во сне… магнитофон.Вот этот магнитофон, вернее, его вращающиеся кассеты и натолкнули меня на правильное решение. Для проверки своей мысли я изготовил специальные кассеты, где намотка начиналась почти от самого вала, и, поставив их на магнитофон, включил его в режиме перемотки.
Вращающийся точильный круг накапливает механическую кинетическую энергию
Признаться, поначалу я не очень верил в аккумулирующие возможности маховиков. Мой игрушечный маховичный автомобильчик проходил гораздо меньшее расстояние, чем заводной. К тому же, я однажды стал свидетелем – каких бед способен наделать разорвавшийся на ходу точильный круг, когда его осколки ломают все на своем пути. И я представил себе, что могла бы натворить «энергетическая капсула» с огромным запасом энергии, разорвись она, как этот точильный круг… Вот, пожалуй, и все формы энергии, за исключением световой. Можно, конечно, как это ни покажется странным, накопить и световую энергию. Многие мои товарищи увлекались такими накопителями, даже не подозревая, что это и есть накопитель. Я имею в виду светящиеся краски, которыми окрашивают стрелки и цифры приборов, часов, иногда выключатели. Если их предварительно осветить, то потом они долго выделяют накопленную световую энергию, «горя» различными цветами. Краски эти, называемые кристаллофосфорами, очень интересно готовить самому. Я тоже их готовил, любовался сказочно красивым сиянием в темноте. Но все-таки мечтал создать «энергетическую капсулу» не для световой энергии, а для такой, которая могла бы питать автомобили и другие машины. В итоге я наметил для себя следующие виды накопителей, из которых надлежало выбрать свой, лучший, чтобы работать над ним в дальнейшем: устройства, накапливающие механическую энергию,– поднятого груза, растянутой пружины или резины, а также сжатого газа (сюда же я отнес и маховики, накапливающие при вращении кинетическую энергию); устройства, накапливающие электрическую энергию, – конденсаторы, электромагнитные катушки и электроаккумуляторы, наподобие тех, что стоят на автомобилях; устройства, накапливающие тепловую энергию от различных нагретых тел.
Вращение маховика «выводится» из вакуума путем вращения корпуса
Есть еще способ вывести энергию супермаховика наружу – посредством вращения его корпуса. Допустим, нам понадобилось про бурить скважину, взять пробу грунта или проделать другую механическую работу на дне океана, на глубине около 5км, где давление воды огромно. В таких условиях очень трудно воспользоваться традиционными источниками энергии – двигателями и электроаккумуляторами. Действительно, двигателю нужен воздух, который, однако, с поверхности по трубке не подведешь – ее раздавит давлением воды. Электрический кабель тоже не выдержит давления – будет пробой. Маховик же выделяет энергию непосредственно в виде вращения вала, без кабелей и труб. Он-то нас и выручит. Конечно, помещать вращающийся маховик прямо в воду бессмысленно – его сразу же остановит сопротивление воды. Целесообразнее поступить следующим образом. Заключим маховик или, если нам надо много энергии, супермаховик в герметичную вакуумную камеру, лучше сферическую, чтобы она могла противостоять давлению. При этом закрепим его не в центре камеры, а несколько ниже. Супермаховик массой в сотни килограммов будет висеть подобно маятнику, стремящемуся под действием гравитации сохранить свое наиболее низкое положение. Дальше все просто. Свяжем супермаховик понижающей механической передачей с камерой, и он станет вращать ее, только гораздо медленнее, чем вращается сам. Это очень напоминает бег белки в клетке-колесе. Белка выступает там как бы в роли супермаховика, а колесо – та же вращающаяся камера. Теперь мы можем отбирать энергию не от самого супермаховика, а от вращающейся, правда с меньшей скоростью, камеры. К этой камере легко приделать любой инструмент: ковш, бур, фрезу – в общем, все, что надо. Когда камера встретит сопротивление (например, порода упрется в твердую породу), супермаховик начнет вращать ее с бо2льшим усилием. Но даже если порода и в этом случае не поддастся, никакой поломки или аварии бура не произойдет. Супермаховик просто «заходит» по кругу внутри камеры, пока не уменьшит нагрузку. Заряжаться – раскручиваться супермаховик сможет от вращения своей же камеры. Достаточно прикрепить прямо к ней, как к валу корабля, гребной винт, и она быстро закрутится во время спуска на дно за счет собственной тяжести и тяжести супермаховика. Это супермаховичное «беличье колесо» и ряд других систем вывода энергии из вакуумной камеры, придуманных как мной самим, так и вместе с товарищами, были признаны изобретениями. Еще один шаг к «капсуле» сделан! Чего же удалось достичь? В супермаховике можно накопить огромную энергию, эту энергию несложно надолго «законсервировать», используя вакуумную камеру, магнитные подвески, быстроходные подшипники. Накопленная энергия выводится из вакуумной камеры, причем выводится в любом удобном для нас виде: в виде вращения вала или корпуса, в виде электрического тока, напора жидкости (масла). Но супермаховик, отдавая кинетическую энергию, постепенно останавливается. Отразится ли снижение скорости на работе «энергетической капсулы»?
Задача, потруднее буридановой
У буриданова осла было только две кучки сена, и то он не мог сделать выбор. А тут – попробуй выбери подходящую основу для «энергетической капсулы». Ведь существует немало всяких накопителей или аккумуляторов энергии, о которых я, к сожалению, имел тогда довольно смутное представление. Чтобы определить аккумулятор, который имеет шансы стать «капсулой», я стал выяснять, каким образом различные аккумуляторы запасают энергию. Мне казалось, что «свежему» человеку в этом легче разобраться, чем специалисту, который занимается каким-либо одним аккумулятором. Когда человек чего-нибудь совершенно не знает и хочет получить хотя бы общую справку, ему советуют заглянуть в энциклопедию. В Малую или Большую. А если нужно проследить что-то с самого начала, то нет ничего лучше старинного энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона. Открыв золоченый том этой ценнейшей книги 1890 года издания на слове «аккумулятор», я прочел: «Так называются в машиностроительном деле приборы для накопления механической энергии. Изобретены они Армстронгом и основаны на постепенном поднятии на высоту большого груза или на сильном сжатии воздуха». Энциклопедии последующих выпусков сообщили мне, что аккумулятором вообще называется «устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования» и что аккумуляторы бывают электрические, тепловые, механические, в том числе изобретенные Вильямом Армстронгом. После каждой статьи об аккумуляторах были помещены ссылки на книги и другие источники, в которых этот вопрос излагается подробно. Все! Конец ниточки был у меня в руках, и, потянув за него, я уже мог размотать весь «аккумуляторный клубок». Однако меня смутило определение понятия «аккумулятор» в энциклопедии. Получалось, что аккумулятор и задуманная мной «энергетическая капсула» – это совсем не одно и то же.
Занятиям гиревым спортом был сразу положен конец соседями снизу
Вопреки ожиданиям врачей я все-таки выжил. И по совету знакомых стал готовить себя в инженеры. Мол, раз таланта нет, единственный выход – в инженеры! Но так думают все кто угодно, но только не сами инженеры, особенно хорошие. Плохие инженеры, конечно, могут так рассуждать. Это облегчает их трудную жизнь. А я был просто поражен тем простором для поиска интересных идей, который открывала передо мной техника. Однако простор – это и хорошо и плохо. Хотелось заняться не пустячной, а чрезвычайно важной, «глобальной» проблемой. Начались муки выбора. Говорят, якобы французский философ Буридан утверждал, что, если голодного осла поставить на равном расстоянии от двух одинаковых кучек сена, то он умрет от голода – не сможет выбрать, с какой начать. Конечно, обычный живой осел так не поступит, если он не совсем уж «осел».
Заштрихованные зоны характеризуют потери энергии
Экспериментируя с резиновыми жгутами, я заметил, что при растяжении жгута требуется больше силы, чем при его сокращении до той же длины. Я построил графики растяжения и сокращения этих жгутов и заметил, что далеко не вся энергия, затраченная на растяжение, возвращается при сокращении, особенно если растягивать жгут сильно. Пропадает, а правильнее, переходит в тепло до 30 % накопленной энергии; стало быть, КПД резиноаккумулятора невелик! Метровый резиновый жгут сечением в 1см2имеет массу чуть больше 100 г, а накапливает при полном растяжении около 3 кДж энергии. Выходит, у резины как аккумулятора плотность энергии почти в 100 раз больше, чем у пружин, и достигает 30 кДж/кг! Вот, оказывается, почему модели с резиномоторами летают, в то время как ни одна модель с пружинным мотором еще не взлетела. Этим объясняется и мой конфуз с пружинной «суперрогаткой». Какова же будет масса резинового аккумулятора, пригодного для автомобиля? Необходимые 25 МДж энергии наберут всего около 900 кг резины. Это уже не 50 тонн! Над таким аккумулятором стоит поработать. Основная трудность, с которой пришлось столкнуться, – это как преобразовать натяжение резины во вращательное движение вала. Ведь в конечном счете накопленная энергия должна вращать вал. Если вращения не нужно, то все гораздо проще. Вот в подводном ружье или в той же рогатке резина тоже аккумулирует энергию. Но все обходится ее растяжением, и это очень облегчает задачу. В резиномоторах для моделей жгут из тонких резиновых нитей скручивают. Кто изготовлял такие резиномоторы, тот знает, как перекручивается жгут при заводке мотора, как трутся петли резины друг о друга. Их даже смазывают касторкой, чтобы уменьшить трение. В результате – много потерь энергии, быстрый износ. По сравнению с моделями для настоящих машин, работа которых определяется КПД и долговечностью, это совершенно неприемлемо. Итак, резину нужно только растягивать. Первой мыслью, конечно, было привязать к концу резинового жгута веревку и намотать ее на вал, который должен вращаться.
Я так и сделал. Превратить «безменовоз» в «резиновоз» было делом получаса. Под днищем тележки я закрепил конец резинового жгута, ко второму концу привязал шнурок, а шнурок намотал на ось колеса – и нехитрый привод был готов. Стоило прокрутить колеса тележки в обратную сторону, и энергия растянутой резины начинала катить «резиновоз», как только я опускал его на пол. Я убедился, что как транспортная машина он гораздо лучше «безменовоза»: и проходит большее расстояние, и движется более плавно. Но для реальной машины это не подходит. Если даже изготовить толстенный резиновый жгут сечением в 1 дм2, то для накопления нужной энергии он должен иметь длину не менее 100 м! Растянется же этот жгут почти на целый километр. Такой жгут не то что на автомобиль, на поезд не поместится. Если перекидывать жгут через блоки, как трос в подъемных кранах, то, хоть мы и сократим его длину, почти всю накопленную энергию «съедят» потери в блоках. Ведь резина – не стальной трос, она сильно растягивается, и при огибании блока жгут будет так тереться об его поверхность, что потери энергии, как и износ резины, неминуемы. И еще. Сам по себе жгут сечением в 1 дм2, растягиваясь, может развивать силу в несколько тонн. Перекинув жгут через блоки, мы как бы складываем его раз в 100 (чтобы сократить километровую длину хотя бы до пригодных для автомобиля десяти метров), при этом усилие растяжения достигает сотен тонн. Этакая сила запросто «сложит» автомобиль, совсем как трубу телескопа. Подобные аварии машин так и называются – «телескопированием». Да, неразрешимая проблема. Всем хороша резина, но слишком уж неудобна в обращении… И тут совершенно неожиданно мне пришла удачная мысль: если навить резиновый жгут на очень скользкий цилиндр (представим, что мы имеем такой идеально скользкий цилиндр), как на катушку, по спирали, то можно сильно сократить длину жгута. К тому же все усилие растяжения резины «перейдет» во вращение вала, не понадобится никаких дополнительных механизмов, и нечего бояться, что автомобилю грозит «телескопирование».Допустим, диаметр цилиндра будет всего полметра, тогда на каждый метр его длины ляжет не менее 30 слоев жгута, который еще сильно сузится при растяжении. Это уже составит около 50 м растянутой резины. Километровый жгут уляжется на 20 м цилиндра, сделав при этом 600 оборотов.
Зависимость КПД двигателя внутреннего сгорания от мощности
А как, собственно, в научных институтах получают этот расход топлива? Испытуемый двигатель (не будем уточнять: оснащенный дополнительными системами – вентилятором, компрессором, генератором и т. д. или нет) устанавливают на специальный стенд, где его нагружают сопротивлениями, попросту – тормозят. Изменяют подачу топлива, момент сопротивления, частоту вращения, ведут строгий учет расхода топлива. Зная момент сопротивления и частоту вращения, можно определить мощность, а умножая эту мощность на время, получить работу в киловатт-часах. Правильнее, конечно, было бы выразить ее в джоулях. Так вот – 1 кВт·ч равен 3,6 МДж. Теперь, зная расход топлива в килограммах, можем отнести его к произведенной двигателем работе и получить так называемый удельный расход топлива. Чем современнее двигатель, тем меньше удельный расход топлива при наибольшей мощности и тем больше его КПД. Вот откуда эти 25 и 40 %! А какова мощность, расходуемая двигателем при движении автомобиля со средней скоростью 50—60 км/ч? Оказывается, для оговоренной массы автомобиля она составляет около 4 кВт. Трудно в это поверить, но автомобиль с двигателем около 100 кВт тратит при этой скорости всего 4 % мощности. И какой КПД вы еще хотите получить при этом? Особенно с учетом привода от двигателя множества всяких дополнительных агрегатов. Что же делать? Если попробовать ехать на нашем автомобиле при оптимальном режиме работы двигателя, то это составит около 180 км/ч, что не всегда нужно. Да и, честно говоря, при такой скорости почти все топливо уйдет на взбалтывание воздуха, или, по-научному, на аэродинамические потери. Можно пойти по другому пути, поставив на наш автомобиль двигатель мощностью 5 кВт, то есть в 20 раз меньшей мощности. Тогда при скорости 60—70 км/ч наш автомобиль покажет рекордную экономичность, а двигатель – именно тот КПД, что указан в учебниках. Но, увы, такая скорость движения никого не устроит, не говоря уже о том, что разгоняться наш автомобиль будет медленнее товарного поезда.
Как же разрешить это противоречие, неужели никто об этом раньше не думал? Да нет же, думали. Уже чуть ли не полвека прошло с тех пор, как была предложена концепция так называемого «гибридного» силового агрегата. Предлагалось включать двигатель только при оптимальном режиме, чтобы запасать выработанную им «экономичную», а к тому же и «экологичную» энергию в накопителе, и выключать двигатель, когда он переполняется энергией (пусть отдохнет!), то есть использовать для движения автомобиля именно эту, самую дешевую и чистую энергию! На заре автомобилизма и даже гораздо позже, в 50-е годы прошлого века, у нас в стране, когда дороги были не так загружены, эту энергию накапливали в самой массе автомобиля. Делалось это так: автомобиль разгоняли примерно до 80 км/ч почти на полной мощности двигателя, а следовательно, и при максимальном КПД. После этого двигатель выключали, а коробку передач ставили в нейтраль. На автомобилях тех лет делать это еще разрешалось. И автомобиль шел с неработающим двигателем и отключенной трансмиссией накатом чуть ли не целый километр, пока скорость не падала ниже 30 км/ч. Затем опять включалась трансмиссия, запускался двигатель и разгон повторялся. И так автомобиль ехал всю дорогу. Такое движение по научному называется «регулярным импульсивным циклом». Благодаря этому циклу передовые водители-«стахановцы» тех лет экономили до 30 % топлива. При этом энергия двигателя, работающего почти в оптимальном режиме, накапливалась в массе самого автомобиля, как в аккумуляторе, и шла она на движение автомобиля накатом. Конечно же, никакой регулировки скорости движения такого автомобиля-накопителя произвести было невозможно. Его трансмиссия была отключена, разогнанный автомобиль был накопителем и потребителем собственной энергии. Как если бы поставить раскрученное колесо или маховик на ребро и дать ему возможность свободно катиться. Конечно же, не это было моей целью. Автомобиль должен нести в себе накопленную кинетическую энергию, но при этом быть управляемым, причем лучше всего, чтобы скорость изменялась плавно и бесступенчато, а для этого нужен вариатор.
