ТРАНСПОРТ, УХОДЯЩИЙ В ЗАВТРА

Многих читателей заинтересовал материал «Махомобиль — фантазия? Реальность!» (1977, № 11), рассказывающий о необычном двигателе для транспорта — маховике, разработанном группой молодых энтузиастов, участников НТТМ. Идя навстречу пожеланиям читателей продолжить эту тему, мы начинаем сегодня публикацию серии статей о транспорте завтрашнего дня. Вести этот раздел мы попросили доктора технических наук профессора Н. В. Гулиа.

Ученые, занимающиеся проблемами будущего, — футурологи — уже сегодня стараются определить, каким станет окружающий нас мир, скажем, к концу второго тысячелетия или даже через 100 лет. При этом кое-что просматривается сравнительно легко, что-то с трудом. Но твердо можно сказать, что и через 50, 100 и более лет транспорт будет существовать. И не только существовать, но и неуклонно развиваться.

Писатели-фантасты иногда высказывают мысль, что в будущем основная часть информации сможет передаваться преимущественно средствами связи — от видеотелефонов до лазерных каналов. Роль транспорта как носителя не только грузов, но и информации при этом не учитывается. Но это далеко не так.

Достоинство транспорта именно в той, что он обеспечивает перемещение не только грузов, но и людей — самых емких носителей информации. Известный советский ученый-транспортник профессор В. Н. Иванов подчеркивает: «Людям необходимо непосредственное общение, и заменить его не могут ни телефон, ни телевизор, ни что другое». Не случайно же, несмотря на значительный прогресс средств связи, сегодня продолжает бурно совершенствоваться и транспорт.

Какими же путями пойдет его развитие в будущем?

В основном проблемы можно свести к следующему: транспортные машины, вернее — их двигатели, должны стать безвредными для окружающей среды, или, как говорят, «экологичными». «Из поля зрения советских ученых, — говорил в Отчетном докладе ЦК КПСС XXV съезду партии Генеральный секретарь ЦК КПСС, Председатель Президиума Верховного Совета СССР Л. И. Брежнев, — не должны выпадать обострившиеся за последнее время проблемы окружающей среды и народонаселения».

Чтобы по возможности с растянуть» расходование топливно-энергетических ресурсов нашей планеты, двигатели должны стать максимально экономичными. Большое внимание уделяется безопасности машин, а также таким традиционным проблемам, как дальнейшее повышение скорости, проходимости, комфортабельности. Станут создаваться и развиваться новые, специализированные виды транспорта для народного хозяйства

Однако каким же все-таки он будет, транспорт будущего, его двигатели? Есть ли их прообразы уже сейчас, в наши дни? Всем этим вопросам посвящаются предлагаемые материалы.

1. ТЕПЛОВЫЕ: «ЗА» И «ПРОТИВ»!

Благодарное человечество обвиняет. Так можно сформулировать сложившееся ныне отношение к самому массовому двигателю — тепловому, и в особенности к двигателю внутреннего сгорания (ДВС).

Статей «виновности» тепловых двигателей перед человечеством в основном две. Первая — неэкономное, варварское расходование невосполнимых природных ресурсов топлива. Вторая — загрязнение окружающей среды токсичными выхлопными газами и другими отходами полученной энергии, в том числе избыточными теплом, шумом и запахом. Обо всем этом сейчас достаточно много говорится. Так же, как и о вытекающем отсюда неумолимом выводе: если не усовершенствовать тепловые двигатели (или не отказаться от них совсем), то планете в обозримом будущем, измеряемом всего десятками лет, угрожает, во-первых, топливный голод из-за полного истощения запасов природного горючего; во-вторых, массовое отравление человечества продуктами сжигания этого горючего, а возможно, и чрезмерное (хуже, чем в самой горячей парилке!) потепление атмосферы.

Итак, усовершенствование или полный отказ. Если вспомнить, что тепловые двигатели установлены на сотнях миллионов автомобилей, мотоциклов, тракторов комбайнов, самолетов, кораблей, моторных лодок и прочих машинах, станет ясно, что полностью отказаться от них человек пока не может. Однако необходимо сделать так, чтобы, продляя их век, существенно не сократить века собственного! Как же «примирить» тепловой двигатель и человека?

Рис. 1. Двигатель Ванкеля (в сравнении с обычным мотором).

Рис. 2. Рабочий цикл двигателя Ванкеля.

Рис. 3. Схема двухвального газотурбинного двигателя.

Ответ прост и сложен: нужно ликвидировать токсичность выхлопных газов тепловых двигателей и повысить их экономичность. Главный вред приносят содержащиеся в выхлопных газах окись углерода, окислы азота и углеводороды (альдегиды), а также канцерогенные вещества. Но ведь их, очевидно, можно улавливать? Да, такие ловушки-нейтрализаторы уже созданы: жидкостные, плазменные, каталитические и комбинированные. Они устанавливаются обычно на выходе газов за выхлопной трубой двигателя.

Однако все эти устройства обеспечивают лишь частичное разрешение вопроса: даже при их наличии сам двигатель остается все тем же прожорливым механическим чудовищем.

От века мечтой специалистов по двигателям было построить такой, где поршень не совершал бы возвратно-поступательных движений, а только вращался. Это сулило значительное снижение размеров и массы двигателя, сокращение расхода горючего и выброса токсичных продуктов сгорания. Приблизился к решению этой задачи больше, чем кто-либо другой, профессор Ф. Ванкель. Многие специалисты считают, что созданный им роторный мотор может стать основным автомобильным двигателем внутреннего сгорания.

Напомним, как устроен и работает ванкель. В его корпусе имеется полость сложной конфигурации, в которой вращается ротор-поршень треугольной формы, соединенный с валом с помощью зубчатых колес. Он свободно сидит на эксцентрике вала, центр которого совпадает с центром неподвижной зубчатой шестерни. Обегая ее по сложной кривой, ротор-поршень постоянно касается вершинами внутренних стенок корпуса. Для уплотнения в вершинах устанавливаются подвижные пластины При этом объемы камер, образуемых поверхностями ротора-поршня и стенками корпуса, последовательно изменяются. Здесь и протекают процессы впуска, сжатия и воспламенения топлива, расширения и выпуска отработавших газов Открывание и закрытие впускного и выпускного каналов осуществляется самим ротором-поршнем.

Таким образом, за один полный оборот в двигателе Ванкеля протекают все процессы обычного четырехтактного двигателя, причем одновременно в разных рабочих камерах: при вспышках топлива, воспламеняющегося от одной свечи, три рабочих хода, три выпуска отработавших газов, три впуска свежей смеси. Двигатель Ванкеля оказался не только самым компактным и самым легким (один из первых его опытных образцов мощностью около 30 л. с. весил всего 10 кг), но и с самым высоким числом оборотов. Добавьте к этому, что он может работать на дешевом дизельном топливе. Казалось бы, вот оно — решение проблемы. Но… как ни «мудрят» конструкторы, до сих пор не удалось добиться надежности уплотнений вращающегося ротора Этот порок, главным образом препятствующий дальнейшему совершенствованию мотора, является подлинным бичом двигателей подобною типа.

Другое направление поиска — разработка двигателей, применяемых ныне в авиации, — газотурбинных (ГТД). Они получаются значительно меньше таких же по мощности ДВС, проще и надежнее в эксплуатации. Несмотря на несколько повышенный расход горючего, выделяют меньше токсичных продуктов, особенно двуокиси азота. Обьясняется это тем, что в ГТД горение топлива идет непрерывно, при меньших давлениях и температурах, чем в поршневых. Газотурбинный двигатель — тоже ДВС. Только в нем сжатие горючей смеси осуществляет компрессор (обычно центробежный). Наружный воздух, попадая в компрессор, вращается вместе с его лопатками, сжимается под действием центробежной силы, а затем подогревается в теплообменнике и попадает в камеру сгорания. В результате сжигания смеси горячие газы давят на лопатки турбины, на оси которой расположен компрессор. Попав далее на лопатки рабочего колеса турбины, они расходуют главную часть своей энергии на совершение полезной работы.

Такова принципиальная схема действия так называемой двухвальной газовой турбины. Она отличается тем, что обе тypбины, высокого (компрессорная) и низкого (рабочая) давления, кинематически совершенно независимы. Для автотранспорта разрабатываются одновальные и трехвальные турбины. Пока еще неизвестно, какая из этих схем окажется наиболее перспективной. Скорее всего в зависимости от требуемой мощности и специализации автомобиля каждая из них получит право на дальнейшее развитие.

Во всех рассмотренных выше двигателях горючее сжигается в камере сгорания — внутри полости, где находится ротор, поршень или турбина. Управлять горением там очень нелегко, поэтому часто топливо сжигается не полностью, выделяется много токсичных продуктов. Дальше рассмотрим такие двигатели, где горючее окисляется вне рабочей полости (цилиндров). По аналогии с двигателями внутреннего сгорания их можно назвать двигателями внешнею сгорания. Основные из них — паровые двигатели и двигатели Стирлинга.

Вторая эра паровиков началась лишь несколько лет назад, когда их конструированием на современной основе занялись крупнейшие научно-исследовательские центры. У этих моторов много заманчивых особенностей: большой начальный крутящий момент, отсутствие сложной коробки перемены передач, полная безвредность выхлопа. Да и динамичность парового двигателя — одно из важных преимуществ.

При совершенствовании старых схем удалось преодолеть такие порски классической паровой машины, как взрывоопасность котла, непомерно большой вес, сложность запуска и трудности использования воды в качестве парообразующей жидкости в зимнее время. На смену громоздким и опасным водогрейным котлам пришли компактные трубчатые парообразователи. Удалось успешно вписать все агрегаты в габариты легкового автомобиля.

Еще одна перспективная ветвь исследования связана с мотором, изобретенным еще в 1816 году шотландцем Р. Стирлингом. Этот двигатель внешнего сгорания представлял собой заглушенную с обоих концов трубу, в которой ходил поршень. Полость по одну сторону поршня непрерывно нагревали, по другую охлаждали. Холодный газ сжижали и перекачивали в горячую полость. Здесь при неподвижном поршне его температура и давление поднимались за счет нагревания. После достижения газом максимальных параметров поршень приходил в движение, совершая рабочий ход. Затем расширившийся газ перекачивали в холодную полость, где, непрерывно охлаждаемый, он сжимался движущимся поршнем. Цикл повторялся.

Рис. 4. Двигатель Стирлинга:

1 — распылитель, 2 — воздушная форсунка, 3 — камера расширения, 4 —поршень, 5 — толкатель, 6 — ведущая косая шайба, 7 — ведущий вал, 8 — масляный насос, 9 — трубы газоохладителя, 10 — трубы газоподогревателя, 11 — выпуск.

Схема рабочего цикла двигателя.

Так как на сжатие холодного газа затрачивается меньше механической работы, чем выделяется при расширении горячего, двигатель Стирлинга выделял избыточную механическую энергию.

Ясно, что такая работа двигателя не могла быть особенно Экономичной. Однако, если сжатый холодный газ перед подачей в горячую полость подогревать теплом, которое отводилось при охлаждении горячего газа, стирлинг может стать весьма экономичным двигателем, превышая по КПД и карбюраторный и дизельный.

Устройство для подогрева газа — емкость, названную регенератором, — предложил в свое время сам автор изобретения. Б наши дни эффективность такого подогревателя довели до 98%. А полости двигателя стали заполнять сжатым до 100 — 200 атм водородом или гелием. Усовершенствовали и привод поршней Стирлинга, сделав его похожим на привод аксиально-поршневого насоса — с косой шайбой. В результате осовремененный стирлинг подходит для большинства машин, использующих тепловые двигатели. Токсичность его в Сотни раз меньше, чем карбюраторного, и работает он почти бесшумно. Но пока стирлинги сложны и дороги, да и тяжелее карбюраторных.

И все же рассмотренные выше двигатели в подавляющем большинстве активные потребители природного горючего. А запасы его небезграничны. Поэтому представляют большой интерес попытки использовать в качестве топлива искусственно полученный водород. Добывать же его можно из воды, разлагая ее электротоком, солнечными лучами, высокой температурой с катализаторами.

Главное преимущество такого горючего — гораздо меньшая, чем у бензина, токсичность продуктов сгорания. Окислов азота образуется, например, в 200 раз меньше, а окиси углерода и углеводорода в выхлопе вообще нет. Однако возникают другие проблемы — например, хранение газа в баллонах. Впрочем, ученые предлагают насыщать водородом гидриды некоторых металлов, впитывающих его, как губка. Интересно, что баки, заполненные гидридом, вмещают в 40 раз больше водорода, чем полые.

Создаются также двигатели, где используются самые неожиданные природные факторы — солнечное излучение, испарение, осмос. Не случайно их называют экзотическими: пока что они имеют весьма малое распространение. Но усиливающийся интерес к экологически безвредным источникам энергии, безусловно, приведет к возрастанию их роли. Пригодятся они и в космическом транспорте — планетоходах, системах обслуживания орбитальных станций.

Примером экзотических моторов может служить так называемый двигатель светового поглощения. Рабочий цилиндр в нем имеет прозрачное окошко, сквозь которое пропускаются солнечные лучи или луч лазера, нагревающие газ в цилиндре. За счет этого нагрева и совершается рабочий ход. Экспериментальный образец лазерного мотора дает до 600 об/мин при мощности аппарата 30 Вт. КПД этого двигателя, правда не превышал 2%. Известны моторы, работающие от солнечного излучения. Оно преобразуется с помощью фотоэлементов в электрический ток.

Рис. 5. Работает осмос:

1 — ванна с водой, 2 — диск с набухающим кольцом, 3 — ведомые валки.

Рис. 6. «Вечный двигатель», работающий под действием световых лучей:

1 — источник света, 2 — биметаллическая пластина, 3 — грузик, 4 — охлаждающая водяная ванна.

Рис. 7. «Солнечный» двигатель:

1 — магнит, 2 — металлический обод.

И уж совсем необычными являются модели моторов, действующие благодаря «памяти», открытой у сплава нитинола. Сваренный из никеля и титана, он обладает необычным свойством: запоминать форму, которую ему придают в нагретом состоянии. Можно, например, полоску из этого сплава закрутить в спираль — попеременно нагреваемая и охлаждаемая, она то станет снова полоской, то обратно закрутится, и так бесчисленное количество раз. Американским инженерам удалось, используя это свойство, построить двигатель. Его основа — колесо с изогнутыми спицами, которые в горячем состоянии были прямыми. Когда такую спицу погружают в ванну с теплой водой, она выпрямляется и толкает колесо. Тотчас же спица попадает в холодную воду и изгибается, а на ее место в теплую ванну приходит новая изогнутая спица. Для работы двигателя достаточно перепада температур всего в 23°. Авторы изобретения считают, что этот странный двигатель поможет, например, использовать тепло, уносимое охлаждающей водой атомных электростанций.

Возможны и моторы, где солнечное (или любое другое) тепло используется для изменения магнитных свойств металлов. Благодаря этому также можно получить механическую работу. Иллюстрация тому — двигатель, предложенный изобретателем и журналистом А. Г. Пресняковым. Он предельно прост, состоит из обода со спицами — и только. Обод сделан из ферромагнитного сплава, который теряет свои магнитные свойства при +65 °С. (Сегодня уже известны сплавы, где эта потеря происходит при более низких температурах.) Достаточно близко к ободу установить сильный постоянный магнит и даже не нагревать, а только освещать какой-либо участок обода до потери им магнитных свойств, как магнит станет притягивать соседние участки обода, заставляя его проворачиваться. Не следует думать, что такой двигатель очень слабосилен. Солнечный водоподъемник, построенный Пресняковым, в пустыне качал до 800 л воды в час. Изготовил Пресняков и тележку, которая катится на свет сильной электролампы. Такую модель может в принципе построить и любой юный конструктор.

Рис. 8. Схема пневмопривода:

1 — аккумулятор (баллон со сжатым газом), 2 — вентиль, 3 — пневмодвигатель.

Рис. 9. Маховичный аккумулятор:

а — ленточный супермаховик, б — дисковый.

Некоторые изобретатели пытаются использовать для получения механической работы явление осмоса. Оно, как известно, заключается в диффузии вещества через полупроницаемую перегородку, за счет чего создается избыточное осмотическое давление В Великобритании выдан патент № 1343391 на осмотический двигатель, довольно сложный, однако пригодный, по мнению изобретателей, для применения на автомобилях. Советский инженер П. Роговик из Макеевки предлагает очень простой тихоходный осмотический двигатель небольшой мощности, основанный на разбухании материалов при увлажнении. Так разбухает, например, желатин.

Кольцо из этого материала изобретатель зажал между двумя валками, погруженными в воду до уровней осей. Части кольца, находящиеся ниже уровня, расширяются от набухания и давят на валки, приводят их во вращение. Вместе с валками медленно крутится и кольцо. Его разбухшие части постепенно поднимаются вверх, а сухие опускаются, впитывают воду, разбухают и давят на валки, продолжая их вращать. Части кольца, вышедшие из воды, высыхают, и цикл продолжается.

Юным конструкторам под силу сделать и другую модель экзотического мотора. Он работает от световой энергии электрической лампы или солнца, сфокусированной через линзу. Для ее постройки потребуется несколько биметаллических пластин, какие применяются в различных тепловых реле. Известно, что биметаллическая пластина, собранная из двух полосок металла с разным коэффициентом теплового расширения, при нагревании довольно сильно изгибается.

Рабочий цилиндр, изготовленный, например, из пластмассы, «обшивается» по периметру биметаллическими пластинами, прикрепленными к цилиндру одним концом. На другом их конце находятся грузики. Цилиндр посажен на спицу, укрепленную в двух втулках на краях какого-нибудь сосуда.

В нормальном состоянии пластинки изогнуты по окружности цилиндра. При нагревании пластинка распрямляется и отходит от стенки, равновесие сил грузиков нарушается, и цилиндр прокручивается. Место этой пластинки занимает новая,

Е распрямившаяся охлаждается и снова прижимается к стенке цилиндра. Для ускорения охлаждения в сосуд можно налить холодной воды.

2. БАНК ЛОШАДИНЫХ СИЛ

В предыдущей статье говорилось о том, что тепловые двигатели постоянно совершенствуются: снижается расход горючего, токсичность выхлопных газов. Но возникает справедливый вопрос: а нельзя ли вообще обойтись без этих отрицательных качеств?

На этот вопрос можно ответить положительно: есть возможность получать энергию для транспортних средств, не требующих сжигания топлива, а затем «доверить» эту энергию до потребителя, накапливая ее в аккумуляторах.

Сейчас большая часть энергии во всем мире вырабатывается теплоэлектростанциями — ТЭС. Если представить их в виде особых двигателей колоссальных размеров, тс мы увидим, что они максимально экономичны, да и атмосфера от них страдает меньше, на стационарных устройствах большей мощности гораздо легче регулировать правильное сгорание топлива, чем на тысячах мелких моторов, условия работы которых к тому же меняются ежеминутно. Но… ТЭС не выдерживают экзамена на экологичность, те есть на отсутствие вредного воздействия на природные процессы, протекающие в сфере применения той или иней техники.

Человечество, однако, ставит себе на службу и экологичные источники энергии, причем источники практически неисчерпаемые. Это энергия солнца, рек, приливов, ветра, внутреннего тепла земли, океанского тепла и течений. Относительно безвредны атомные (в будущем и термоядерные) станции.

Полученную от этих источников энергию можно различными путями доводить до потребителя. Если последний — стационарный или привязан к определенному маршруту (электричка, трамвай, троллейбус), пусть работают электропровода. Вели же потребитель подвижный, те энергию придется предварительно аккумулировать, чтобы попу черные таким обрезом «энергетические консервы» использовать при движении.

Кстати, подобная энергия используется издревле. Первыми аккумуляторами были, безусловно, простейшие механические устройства, в которых человек запасая потенциальную энергию. Поднятые грузы, натянутый пук, катапульта — этими видами аккумуляторов пользовались еще с незапамятных времен. Есть подобные аккумуляторы и ныне. Они используются очень широке в виде заводных пружин: в часах, приборах, детских игрушках. Раньше же они находили применение и в транспортных средствах: строились, к примеру, огромные заводные колесницы, на которых совершали парадные выезды императоры. Пружины постоянно подзаводились спрятанными внутри повозки рабами.

Однако у пружинных аккумуляторов мала плотность энергии, то есть количество ее, заключенное в единице массы. Гораздо больше она в резиновых упругих аккумуляторах. Каждый моделист знает, что моторы из эластичных жгутов поднимают в воздух модели самолетов и вертолетов. Есть, конечно, и тут недостатки: низкий КПЦ, недолговечность.

Рис. 10. Схема серно-натриевого аккумулятора:

1 — токоотвод положительного электрода, 2 — расплав серы, 3 — твердый электролит, 4 — расплавленный натрий, 5 — корпус.

Для транспортных же машин более пригоден другой аккумулятор, который может накопить столько энергии, что будет в состоянии обеспечивать перемещение на десятки и даже сотни километров. Это сжатый газ. Накопление энергии происходит при закачивании газа в баллон под давлением; выделение — при выпускании газа из баллона. Работает здесь пневмодвигатель, подобный тем, что применяется, например, в пневматическом ручном инструменте — гайковертах, дрелях.

Еще в 1876 году во французском городе Нанте был построен трамвай, работавший на сжатом воздухе. Он преодолевал шестикилометровый маршрут с одной заправки. Сжатым до 30 атм. воздухом заполняли десять баллонов общим объемом 2800 л. Расход составлял 8 кг воздуха на километр пути. Общего запаса хватало на 10 —12 км. Идея эта не забыта и сегодня. Пневмоаккумуляторы появились на автомобилях, работающих в городских условиях: фирма «Соргато» в Италии экспериментирует с машиной, снабженной девятью стальными баллонами со сжатым воздухом. Его хватает, чтобы пройти около 100 км при скорости 50 км/ч. Вес «пневмобиля» — около полутонны.

Пневматический аккумулятор «заряжают» и другими газами, чаще всего жидким азотом, 50 л которого достаточно на 230-км пробег автомобиля.

Но и у газового аккумулятора имеются недостатки, причем существенные. Так, при закачке газ нагревается, при выпуске охлаждается. А это — непроизводительные потери тепловой энергии.

Более перспективен другой аккумулятор энергии — маховик. При вращении он накапливает энергию механическую в виде кинетической, и она присутствует в маховике до тех пор, пока он вращается.

Один из самых древних маховиков возрастом белее 55 тыс, лет был обнаружен археологом Леонардом Вулли при раскопках в Ираке: массивное колесо, служившее древнему мастеру гончарным кругом. Со временем маховик претерпел значительные изменения, превратился в стальной диск, форма которого диктуется требованием «равной прочности»: возросли ведь и скорости раскрутки. Сегодня его помещают в вакуумную камеру — для умененьшения весьма значительных потерь на трение о воздух. С той же целью вместо подшипников применяют магнитные опоры, потери на трение о них практически исключены.

Скептики доведено долго удерживали свою позицию, указывая на главный недостаток маховика как аккумулятора — малую плотность энергии. С чем же это было связано! Казалось бы, все просто: подняв скорость вращения, скажем, вдвое, мы, как известно из физики, повышаем кинетическую энергию маховика вчетверо. Но вместе с тем вчетверо же растут и механические нагрузки на тело маховика, приводящие к его разрыву с образованием осколков, представляющих большую опасность для окружающих.

И тогда поиск ученых и конструкторов привел к созданию так называемых супермаховиков, изготовленных из тонких волокон или лент путем навивки. Дело в том, что современные ните- и лентовидные материалы обладают огромней прочностью — в несколько раз крепче, чем монолит из того же материала. Более безопасен и разрыв супермаховика: тонкие волокна или ленты не образуют осколков, способных вызвать серьезные разрушение. Автору этих строк приходилось испытывать на разрыв ленточный супермаховик: он не мог пробить даже кожуха двухмиллиметровой толщины, в то время как монолитным маховикам нипочем метровые стены.

Главное же в том, что плотность энергии супермаховика гораздо больше, чем у монолитных. Теоретически она даже значительно выше, чем у электрических аккумуляторов, а практически нисколько не уступает им.

Однако’ аккумуляторы характеризует не только плотность энергии, но и плотность мощности: то есть мощность, которую развивает каждый килограмм массы. И по этому показателю маховику равных нет.

Таким образом, супермаховик — перспективный аккумулятор (и двигатель) для транспорта будущего. Он обеспечивает быстрый разгон машины и не менее эффективное торможение, имеет большую долговечность — словом, все те качества, которые необходимы аккумуляторному автомобилю и которых так недостает ему сейчас. Особенно перспективен супермаховик для привода автобусов, поездов метро, такси и других средств городского транспорта, работающих по циклическому, напряженному графику, с частыми разгонами и торможениями.

Современные супермаховики в вакуумной камере вращения сохраняют энергию даже неделями, а специальные образцы маковичных аккумуляторов могут править ее и годами. По сроку сохранения энергии у них есть только один достойный соперник — электрические, или, правильнее, электромеханические, аккумуляторы. Созданы они сравнительно недавно, хотя датой их появления можно считать 1799 год когда Александр Вольта, поместив медный и цинковый электроды в разбавленную серную кислоту, получил первый гальванический элемент. Ведь почти любой гальванический элемент в принципе может стать аккумулятором, если через него пропускать ток в обратном направления, заряжая его. Даже обычные сухие батареи, применяемые для карманных фонариков и транзисторных приемников, можно раз по 8—10 заряжать как аккумулятор. Другое дело, что такая «зарядка» экономически не особенно выгодна: КПД получается очень малым. Но, согласитесь, он все же намного выше, чем у выброшенной батарейки.

Настоящие же аккумуляторы, хоть и дороже обычных гальванических батарей, могут выдержать не 8—10 циклов подзарядки, а в сто с лишним раз больше. Поэтому хранение энергии в электрических аккумуляторах обходится не очень уж дорого.

Из электрических аккумуляторов наиболее распространены свинцово-кислотные; они устанавливаются на каждом автомобиле в качестве стартерной батареи. Это скромные работяги, они не блещут энергетическими и мощностными показателями, но довольно экономичны — имеют высокий КПД. Правда, они плохо переносят мороз, большие токи, сильную разрядку. В отличие от них щелочкой аккумулятор неприхотлив, но имеет низкий КПД: до 0,4—0,5 по сравнению с 0,75—0,8 у свинцово-кислотного.

От этих двух аккумуляторов нельзя ожидать особых перспектив. Плотность энергии и мощности у них невысока, а автомобиль с таким грузом будет возить в основном сам себя — так они тяжелы.

Особые надежды возлагают сегодня ученые на супераккумуляторы — серно-натриевые, литиево-хлорные и т. п. В них поддерживается высокая (300 — 600°) температура, электролит расплавлен. Конечно, разрушение такого аккумулятора при аварии машины сулит мало хорошего, да и КПД их невысок, особенно если учитывать необходимость в разогреве содержимого. Однако очень уж велика плотность энергии — раз в десять больше, чем у свинцово-кислотных, да и плотность мощности вдвое выше — до 150 Вт на килограмм массы. Надо заметить, что такие «супераккумуляторы» еще не вышли из стен лабораторий и над ними предстоит работать и работать.

Наконец, нельзя не упомянуть о так называемых топливных элементах, позволяющих непосредственно переводить энергию горючего в электрический ток. Наибольший интерес из чих представляют кислородно-водородные элементы, в которых используется процесс разложения воды непосредственно в самом элементе; в нем же имеются и емкости для хранения получаемых газов. Водород и кислород снова соединяются в воду, например, с помощью катализаторов, высокой температуры и пр. При этом выделяется электрическая энергия, затраченная при разложении воды, и аккумуляторная — в водороде и кислороде. Топливные элементы очень перспективны для электромобилей, однако пока еще очень тяжелы и дороги.

Рис. 11. Модель, работающая на аккумулированной тепловой энергии:

1 — колпак-турбинка, 2 — подшипник, 3 — игла, 4 — цилиндр, 5 — опора, 6 — аккумулятор (нагретое тело).

Особняком стоят аккумуляторы тепловой энергии. Сами по себе они не могут заставить машину двигаться, но в сочетании с тепловым двигателем, например, Стирлинга (см. «М-К» № 2, 1979 г.) способны обеспечить неплохие результаты. Ранее уже упоминалось о мотороллере, работающем около пяти часов от ведра расплавленного фтористого лития — аккумулятора тепла.

Термос с горячей водой, теплый камень на солнцепеке, горячий утюг, словом, любые нагретые тела является аккумулятором энергии. Однако есть соединения, способные накопить ее в десятки раз больше, чем просто тело, нагретое до той же температуры. Из физики известно, что при плавлении кристаллического вещества температура его не повысится ни на один градус, пока не будет затрачено определенное, обычно достаточно большое количество тепла, — так называемая скрытая теплота плавления. При отвердевании же эта теплота выделяется, причем также без изменения температуры вещества. Вот на этом явлении и построены так называемые тепловые аккумуляторы плавления. Если требуемая температура невелика, ниже 100°, то в качествe аккумуляторного вещества применяются различные кристаллогидраты. Для температур 600—800° лучше всего подходят фториды и гибриды лития; выше — силициды и бориды некоторых металлов:

Тепловые аккумуляторы запасают громадное количества энергии — больше, чем любой, самый перспективный тип аккумулятора. Беда только в том, что при попытках использовать эту энергию в виде механической, электрической и других «качественных» ее видов основноe количество энергии теряется, уходя на нагрев окружающей среды. К тому же масса устройства, преобразующего тепло в «качественный» вид энергии (например, двигатель Стирлинга, термоэлементы и пр., существенно снижает такой показатель, как плотность энергии всего устройства, приближая его к самым заурядным типам аккумуляторов энергии. Впрочем, и сегодня тепловой аккумулятор может иметь неплохое применение, например, для отопления транспортной машины, Приводимой от другого аккумулятора энергии: электрического, маковичного.

Говори об аккумуляторах, мы все время ссылаемся на их основной показатель — плотность энергии. Для различных их видов, если выразить его в килоджоулях на килограммы массы, он таков:

• у аккумуляторов потенциальной энергии: стальные пружины — 0,32; резина — 32; газовые и гидрогазовые — 28. Тепловой аккумулятор с двигателем Стирлинга — 9.
• Электрохимические аккумуляторы: свинцово-кислотные — 64; никель-кадмиевые (щелочные) — 110; серно-натриевые — 800; топливный элемент при различных сроках развязки — 15—150.
• Маховичные аккумуляторы: стальной диск с отверстием — 30; сплошной диск равной прочности — 120; супер-маховик из ленты — 150; супермаховик из специального волокна — 650 (модель).

Однако не следует забывать, что у маховичных аккумуляторов очень большие резервы накопления энергии. Так, например, если изготовить супермаховик из кварцевого волокна, которое пока существует лишь в лабораториях, то удастся повысить плотность энергии до 5000 килоджоулей на килограммы. А если использовать «сверхдефицитное» углеродное волокно со структурой алмаза, то получим и вовсе фантастическую цифру — 15 000 кДж/кг! К таким выводам пришли недавно японские ученые.

В заключение хочу предложить построить интересную модель «вечного» двигателя, работающего на аккумулированной энергии, получаемой от простого по устройству теплового аккумулятора. Для этого изготовим цилиндрический колпак, склеив его из восковки или другой тонкой и прочной бумаги с верхом из ватмана или жесткой алюминиевой фольги. Эта крышка будет иметь вид турбинки, образованной вырезами с отогнутыми краями; оптимальный угол отгиба можно определить опытным путем. В центре турбинки на клею крепится легкое металлическое гнездо: спора с конической выемкой, в которую вставляется острие иглы. Тупым концом игла входит в пробку, укрепленную на тяжелей несгораемой подставке с помощью треноги из толстой проволоки. Колпак не перекашивается на игле и легко вращается от слабого толчка или дуновения снизу.

Для приведения такого «перпетууммобиле» в движение нужно положить на подставку металлическую болванку, нагретую до 300—400°, и накрыть ее колпаком. Болванка—аккумулятор тепла вызовет движение воздуха внутри колпака снизу вверх. Проходя через турбинку, воздух будет вращать ее тем быстрее, чем сильнее нагрет аккумулятор тепла.

Еще лучших результатов можно добиться, если болванка будет заменена банкой с расплавленным свинцом или цинком. Тогда мы получим настоящий аккумулятор плавления. Лучше всего, конечно, использовать фторид или гидрид лития. Здесь нужно соблюдать большую осторожность, чтобы не обжечься и не устроить пожар, а опыт вести в специально оборудованной физической лаборатории или мастерской.

Кто-то, может быть, скажет, что легче накрыть этим коллаком электролампу. Тогда колпак-абажур (который при этом можно раскрасить) будет вращаться до тех пор, пока горит лампа. Но при этом мы заставим работать обычный тепловой двигатель без аккумулирования энергии.

Мы рассказали лишь о некоторых типах тепловых двигателей, разрабатываемых для машин будущего. Разумеется, это даже не все основные виды моторов завтрашнего дня. В их разработке могут попробовать свои силы, конечно же, и молодые конструкторы и моделисты. Однако надо помнить, что создание новых двигателей — дело сложное и трудоемкое, для чего необходимы серьезные и специальные знания; одним «изобретательством» многого не достигнешь. А первым экзаменом на работоспособность вашей идеи может послужить построенная своими руками действующая модель.

Н. ГУЛИА, доктор технических наук