Энциклопедия удивительных устройств
Сберечь энергию - задача не менее важная и не менее сложная, чем произвести ее в достаточных количествах. Если говорить об аэрокосмической технике, то энергоаккумуляторы могут в ней служить не только вспомогательную роль, разгружая во время пиковых нагрузок энергоустановку, но и позволяя свести роль энергоустановок к минимуму или даже вообще отказаться от нее. Задача состоит в том, чтобы найти оптимальные материалы и конструкции сверхмощных аккумуляторов.
МАХОВИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ. Маховики - наиболее совершенные инерционные аккумуляторы механической энергии вращения, используемые также для уменьшения неравномерностей вращения валов различного типа. На практике маховики как аккумуляторы уже неоднократно применялись.
Так в 1860 году российский изобретатель, инженер-поручик З.Шуберский опубликовал идею использования мощных маховиков на железнодорожном транспорте, новый вид транспорта назвали «маховозом».
В 1918 году изобретатель-самоучка А.Г.Уфимцев (тот самый, что летал на сфероплане собственной конструкции) получил патент на идею маховикового аккумулятора; в 20-х годах предложил использовать инерционные аккумуляторы для приведения в движение трамваев в г. Курске, но проект не был воплощен в жизнь. По неподтвержденным данным, маховик Уфимцева, возможно, испытывали на Кольском полуострове.
Американский ученый, изобретатель Дэвид Рабенхорст сумел даже построить и испытать двухместный махомобиль. В 1990-х годах западные автомобилестроительные фирмы испытали, по крайней мере, еще одну модель, но на серийный выпуск никто не решился.
Теоретически с помощью маховиков можно было бы решить и иную задачу: запасти достаточное количество энергии, для чего необходимо значительно увеличивать массу и скорость вращения, однако на практике использование быстровращающихся маховиков может быть не только опасным, но и невозможным: нагрузки на материал маховика при нужных скоростях значительно превосходят пределы прочности.
Разрыв быстроврашающегося маховика очень часто приводит к эффекту, сравнимому со взрывом бомбы. Преодолеть эту опасность можно, например, изменением конструкции маховика. Безопасным считается вращающийся диск, собранный из металлической ленты. Разорвавшийся от предельных нагрузок виток ленты в экспериментах не пробивал даже тоненького, как консервная банка, кожуха.
Так или иначе, если не считать создания нескольких экспериментальных моделей маховичных автомобилей, работа по созданию и испытанию супермаховиков в мире, а тем более в России практически не ведется, хотя это направление и обещает большие открывающиеся перед конструкторами перспективы.
ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ - устройства, накапливающие тепло, предназначенное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг него разницы температур. Тепловые аккумуляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС «Венера-9» и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры, опыт их использования в условиях реального космического полета имеется. Но при полетах вблизи звезд или внутри атмосфер планет, когда температура среды изменяется в очень широких пределах, такие аккумуляторы не всегда смогут найти применение.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ - устройства, накапливающие под давлением жидкость, поступающую от насосов, и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без нее. При этом следует различать буферные запасы жидкости и собственно жидкостные аккумуляторы давления. Из-за значительной массы рабочего тела использование таких типов аккумуляторов в аэрокосмической технике затруднено, а экономия веса на стенках гидроприводов ради снижения веса летательного аппарата вообще может иметь катастрофические последствия.
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ, накапливающие газ, отдают его в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забытый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин «воздушный аккумулятор давления (ВАД)».
Неплохой проект использования такого аккумулятора для старта из-под воды предложил московский изобретатель А.Н.Ильин. Предполагалось, что специально созданные сферические сверхпрочные баллоны, находящиеся на морском дне вблизи подводных вулканов, будут собирать перегретый газ, выходящий под большим давлением из жерла. Затем этот газ создавал тягу, выбрасывая под большим давлением запас рабочего тела - морской воды. Расчет показал, что подобная ракетная система становится способной вывезти сама себя на базовую орбиту лишь при стартовой массе порядка тысячи тонн, а при стартовой массе в десяток тысяч тонн система становится уже рентабельной и выигрышной по сравнению с обычными ракетоносителями. Причем - без затрат на строительство сложных стартовых комплексов (старт происходит из-под воды). Главный минус этой системы - ограничения минимального веса, неуниверсальность всей системы.
В конце 90-х изобретатель из Черногории Иван Радунович придумал автомобильный двигатель, не нуждающийся в традиционных видах горючего, машина двигается на энергии из воздуха. Автор изобретения пока не раскрыл секрета новинки, а лишь сказал, что агрегат почти готов и не хватает лишь емкости со сжатым воздухом, которую должны изготовить на заводе «Унитекс» в городе Смедерово. Общий вес двигателя составляет 8,5 кг. Его мощности и автономии достаточно, чтобы проехать 50 км. Сам Радунович утверждает, что это далеко не предел, так как он уже работает над новой модификацией мотора.
КОНДЕНСАТОРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ - системы, накапливающие электрические заряды, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (бумагой, слюдой, воздухом и др.); это самые старые из известных электрических аккумуляторов. (Впервые «лейденскую банку» изготовили в середине XVIII века в голландском городе Лейдене.)
Один из несомненных плюсов конденсаторов - способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из минусов - опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним со взрывом. В перспективе конденсаторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики настолько, что могут стать вполне конкурентоспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того, сумеют ли современные ученые значительно повысить емкость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкций.
Один из возможных путей - изготовление конденсатора из активированного угля, который, как известно, приготавливается путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную площадь поверхностей в единице объема при оптимальном расстоянии между ними. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли (благодаря этому активированный уголь и поглощает запахи, яды, различные газы). Для придания этому изоляционному материалу свойств проводника японские химики пропитывают уголь раствором солей щелочных металлов (натрия, калия, лития) в органическом растворителе, благодаря чему емкость одного кубического сантиметра такого конденсатора возрастает до 10 и более фарад (это - емкость в вакууме шара диаметром в 15 тысяч раз больше размера Земли!). Но такой аккумулятор не в состоянии запасти большое количество энергии - конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение.
Плотность энергии этого конденсатора пока составила примерно 1 килоджоуль/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но меньше, чем необходимо для перспективной техники.
Иной путь предложили технологи в Венгрии. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокими диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость - 130 000 единиц (!) - у дезоксирибонук-леиновой кислоты (ДНК, которая несет генетическую информацию). Если обычный конденсатор емкостью 10 микрофарад заполнить в качестве электролита веществом ДНК, то напряжении 300 вольт плотность его энергии будет порядка 20-200 кДж/кг. Этот показатель уже лучше, чем у газовых аккумуляторов.
В начале 80-х заслуженный изобретатель СССР Нурбей Владимирович Гулиа предлагал объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть, пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. По его расчетам, удельная энергия конденсатора при этом выросла бы еще примерно в сто раз.
Однако для реализации на практике этой идеи до сих пор остаются нерешенными вопросы: «Где достать столько ДНК и как пропитать ДНК активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить, и какова будет сила взрыва, если, несмотря на все меры предосторожности, все же произойдет- внезапный пробой?»
Частично положительный ответ был получен после успешных генетических опытов то клонированию. Оно позволяет получать популяции идентичных ДНК нужной конфигурации теоретически в неограниченных количествах, в том числе - для производства сверхмощных конденсаторов.
ПЛАЗМОИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ. Они используют способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии.
В 1991 году физики В.П. Яковлев и В.И. Андрианов, основываясь на собственных исследованиях природы шаровой молнии, подали заявку и получили патент на «безотказный способ синтеза шаровых плазмоидов». Как явствует из документов, в 1994 году они также подали заявку и на «Способ аккумуляции энергии в шаровом плазмоиде и плазменном аккумуляторе» номинальной энергией 85 МДж (около 23 кВт/ч), габаритами 50x50x80 см, массой 50кг.
Несмотря на возможно многообещающие перспективы этого способа аккумуляции, до сих пор не было открыто финансирование для широкомасштабных исследований в этом направлении.
В.Чернобров
На грани невозможного 1,2005
