Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / В поисках «энергетической капсулы»
Начало сайта / Раритетные издания / В поисках «энергетической капсулы»

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Архимед

Как люди научились летать

Крушение парадоксов

Популярная библиотека химических элементов

У истоков дизайна

Физики продолжают шутить

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

В поисках «энергетической капсулы»

Нурбей Гулиа

Часть I. Энергетические искушения

Поднять, растянуть, накачать?

Глава первая, в которой автор пытается разобраться, что же, собственно, ему хочется найти, а затем ищет это в часах-ходиках, гитарных струнах, резине, воздухе – как с машинным маслом, так и без него...

Задача потруднее буридановой

У Буриданова осла было только две кучки сена, и то он не мог сделать выбора. 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.

Прежде всего я стал выяснять, каким образом запасают энергию различные аккумуляторы, чтобы определить, какой из них имеет шансы стать «капсулой». Мне казалось, что свежему человеку легче разобраться в этом, чем специалисту, занимавшемуся 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 в 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 и изобретенные Армстронгом. После каждой статьи об аккумуляторах были помещены ссылки на книги и другие источники, по которым вопрос можно изучить подробнее.

Все! Конец ниточки был у меня в руках, и, потянув за него, я мог уже 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.

«Устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования»... Я вспомнил школьные опыты с электрической машиной. Мы крутили большой стеклянный диск, трущийся о кожаные подушки, а затем извлекали из заряженных шаров или конденсаторов – так называемых лейденских банок – яркие искры. Вращая диск, мы накапливали энергию, а извлекая искры из шара или лейденской банки, использовали ее. Как будто это устройство подходит под определение «аккумулятор», но что-то подсказывало мне, что электрическая машина – не аккумулятор. Ведь заряжали мы электричеством только шар или лейденскую банку, именно они накапливали энергию. А стеклянный диск, трущийся о подушки, служит для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию, он не имеет к аккумулированию никакого отношения. Такие устройства для преобразования энергии в энциклопедии называются «машинами».

Значит, аккумуляторы-накопители здесь – шар или лейденская банка, а все устройство, включающее и диск с подушками, – это не аккумулятор, а машина, электрическая машина.

Выходит, аккумулятор должен выделять энергию в том виде, что и была в него «заложена». Тогда он будет хранилищем энергии, «энергетической капсулой». А если изменяется форма энергии, это уже не аккумулятор, а машина. Если мы кладем на сберкнижку рубли, то рубли с нее и получаем. Действительно, сберкнижка – «аккумулятор» денег. Но допустим, что мы положили туда рубли, а получили, например, бублики на ту же сумму. Тогда это уже не аккумулятор денег – сберкнижка, а самый настоящий магазин. Видимо, доверять можно не всегда и энциклопедиям, их тоже люди пишут. Хорошо, лейденская банка – уж точно аккумулятор энергии. И потомки лейденской банки – конденсаторы, без которых не обходится ни один радиоприемник или телевизор, – тоже.

Порывшись в памяти, я заключил, что наряду с конденсаторами электроэнергию накапливают и катушки-электромагниты. Те самые, которые мы видим и в мощных электромагнитных подъемных кранах, перегружающих металлолом, и в электронных будильниках, не говоря уже о том, что в каждом приемнике или телевизоре их десятки.

Только в конденсаторах энергия накапливается в виде электрического заряда, а в электромагнитах – в виде магнитного поля вокруг катушки.

И уж конечно, к накопителям энергии относится всем нам известный автомобильный электроаккумулятор. Вроде бы больше электроэнергию никакие другие устройства накопить не могут.

Позвольте, а электроутюг и электроплитка, которые включаются в сеть?

Подумав об утюге, я все-таки решил, что накапливает он не электричество, а тепло. Тепло переходит в утюг от раскаленной спирали или другого нагревательного элемента, питаемого электротоком: электроэнергия в спирали – преобразователе энергии – превращается в тепловую энергию, а последняя накапливается в металлической массе утюга. То же самое происходит в электроплитках и любом другом электронагревательном приборе.

Но лучше всего проявляются теплоаккумулирующие свойства в обыкновенном чугунном утюге, который разогревается на газу. Тепло от газового пламени переходит в металл утюга и довольно долго в нем сохраняется.

Стало быть, утюги, грелки и другие устройства, накапливающие тепловую энергию, можно отнести к аккумуляторам тепла.

Какая еще форма энергии осталась «не охваченной» накопителями? Электроэнергия есть, тепловая тоже. Осталась, пожалуй, самая привычная – механическая энергия. Оказывается, поддается накоплению и она, причем каждый из нас является хозяином, по крайней мере, одного накопителя механической энергии – часовой заводной пружины. Конечно, речь идет о тех, кто носит механические, а не электронные часы. В механических часах целых два пружинных аккумулятора – заводная пружина и пружинка балансира. А если эти часы – будильник, то там добавляется еще и пружина боя или звонка. Многие приборы работают на энергии пружин. Заводные игрушки, механические бритвы – тоже питаются этой энергией.

Неплохой накопитель механической энергии – резиномотор, часто применяемый на летающих моделях. Я строил такие модели и даже пытался усовершенствовать их, поставив вместо резиномотора металлическую пружину, но, к моему удивлению, модели сразу же «разучивались» летать. Где-то я читал, что подобные модели с пружинами и воздушными винтами строил еще М.В. Ломоносов, но и у него они не взлетали. И как будто это сильно повредило идее летательного аппарата тяжелее воздуха. Жаль, что в то время Ломоносов не мог построить резиномотора!

На этом же свойстве резины накапливать энергию построены рогатки. В детстве я, как и многие мои сверстники, очень любил мастерить рогатки и метко стрелял из них. Помню, однажды я выиграл спор с товарищем, «расстреляв» из рогатки те подвижные мишени в тире, в которые он не мог попасть из пневматического ружья.

Правда, пневматическое ружье стреляло гораздо дальше моей рогатки, потому что сжатый воздух, который гнал пулю в стволе ружья, был гораздо «сильнее» резиновой ленточки. Отсюда я сделал вывод, что сжатый воздух как накопитель механической энергии очень и очень неплох. Молодец Армстронг, придумавший этот вид аккумулятора!

Я знал, что механическую энергию можно накопить и во вращающихся маховиках. Были у меня инерционные игрушечные автомобили, их надо было сначала поводить по столу, а потом они могли метр-два проехать сами. То есть не сами собой, а за счет энергии, накопленной в небольшом маховике внутри игрушки. Не раз видел я точильные круги, которые после выключения мотора долго еще вертелись за счет накопленной в них кинетической энергии, и на них в это время можно было даже точить ножи.

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 того, каких бед наделал разорвавшийся на ходу точильный круг – его осколки ломали все на своем пути. И я представил себе, что могла бы натворить «энергетическая капсула» с огромным запасом энергии в ней, разорвись она, как этот точильный круг...

Вот, пожалуй, и все формы энергии, за исключением световой. Можно, конечно, как это не покажется странным, накопить и световую энергию. Многие из моих товарищей увлекались такими накопителями, даже не подозревая, что это и есть накопитель. Я имею в виду светящиеся краски, которыми покрывают 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 приготовить самому. Я тоже их готовил, любовался сказочно красивым сиянием в темноте. Но все-таки сейчас мечтал создать «энергетическую капсулу» не для световой энергии, а для такой, которая сможет двигать 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, – поднятый груз, пружины, резина, а также сжатый газ. Сюда же я отнес и маховики, накапливающие при вращении кинетическую энергию; устройства, накапливающие электрическую энергию, – конденсаторы, электромагнитные катушки и электроаккумуляторы типа таких, которые стоят на автомобилях; устройства, накапливающие тепловую энергию, – различные нагретые тела.

Груз и струна

Для того чтобы сравнивать между собой аккумуляторы различных типов, я должен был избрать какую-нибудь мерку, или, как говорят ученые, критерий для их оценки. Можно сравнивать накопители по цене, экономичности, сложности, удобству и по многим другим качествам. Но я хотел, чтобы моя «энергетическая капсула» была установлена прежде всего на автомобилях, а поэтому и сравнивать накопители решил применительно к автомобилю. На автомобилях же источником энергии для движения служит топливо, сгорающее в двигателе. И обычно говорят: «Расход топлива в таком-то автомобиле столько-то литров на 100 километров пробега». Этот способ оценки автомобилей по расходу топлива на 100 километров пути стал узаконенным.

Что ж, зачем искать новую мерку для сравнения накопителей, когда достаточно хороша и старая. От добра, как говорится, добра не ищут. Только очень уж неудобно оценивать накопители энергии в литрах, лучше в килограммах.

В общем, меркой для сравнения я принял массу в килограммах той «энергетической капсулы», которая позволит автомобилю средней величины, например в 1 тонну массой, проехать путь в 100 километров. Дорога при этом должна быть ровной, хорошей, без подъемов и спусков, а автомобиль должен ехать по этой дороге равномерно, с обычной скоростью 60...80 километров в час, без остановок, обгонов, дорожно-транспортных происшествий и прочих приключений. Иначе сравнение будет очень затруднено.

Если подсчитать силу, с которой нужно толкать или тянуть такой автомобиль, чтобы он ехал равномерно, то получится около 250 ньютонов. Эта сила была определена так. Автомобиль массой в 1 тонну привязали буксиром к другому автомобилю, а в буксирное устройство вставили динамометр – измеритель силы, или попросту пружинные весы. При равномерном буксировании со скоростью 60...80 километров в час динамометр показывал 250 ньютонов.

Работа, которую затратит автомобиль, проехав 100 километров, будет равна произведению силы на путь, а именно 25 тысячам ньютоно-километров. Переведя это в обычные для нас единицы работы – джоули (а один джоуль равен одному ньютоно-метру), получим 25 миллионов джоулей, или 25 мегаджоулей (МДж).

Значит, мой эталонный накопитель должен иметь запас энергии 25 мегаджоулей. Какой из аккумуляторов – механический, электрический или тепловой – окажется «чемпионом» по легкости, тот и будет претендентом на «энергетическую капсулу».

И вот еще что. Для перемещения среднего автомобиля на 100 километров, иначе говоря, для совершения работы в 25 мегаджоулей, достаточно всего около 10 килограммов топлива. Это знает любой водитель. Остается прикинуть, что покажут известные мне накопители – больше или меньше 10 килограммов?

Чтобы запасти 25 мегаджоулей аккумулятором Армстронга в виде поднятого груза, надо вознести 2,5 тонны груза на высоту километра либо 2,5 тысячи тонн на высоту метра. Для автомобиля, разумеется, более подходит вторая высота, но куда девать 2,5 тысячи тонн груза? Что и говорить, неудобный аккумулятор! Его и на автомобиле не разместишь, разве что поднять машину на двух с половиной километровую высоту. Тогда она сама станет аккумулятором энергии. Спускаясь с этой «горы», автомобиль сможет пройти без двигателя необходимые 100 километров, используя энергию, накопленную при подъеме. Но на каждые 100 километров пути гор, как говорится, не напасешься. Да и потом, не всегда же спускаться, нужно и подниматься когда-то.

Выходит, поднятый груз из списка претендентов на «капсулу» надо вычеркивать. Пусть он исправно служит, как и раньше, в часах-ходиках.

Следующим накопителем энергии в моем списке была пружина. Прямо скажу: пружины меня очень заинтересовали. Тем более, что, как я слышал, были в свое время пружинные колесницы, на которых коронованные особы совершали свой торжественный выезд. Нельзя ли автомобили приводить в движение энергией заводной пружины?

На глаза мне попались пружинные весы, или безмен. «Что, если попробовать сделать тележку, движущуюся энергией, накопленной в безмене?» – подумал я. И, увлеченный этой идеей, тут же принялся за постройку «безменовоза». На простой платформочке с двумя осями и колесами я укрепил безмен, к крючку которого привязал прочную нить. Другой конец нити привязал к одной из осей и, вращая колеса, стал наматывать нить на ось. Чем больший вес показывала стрелка безмена, тем труднее становилось крутить колеса. Это накопленная в пружине механическая энергия стремилась повернуть их в обратную сторону. Растянув пружину на полную длину (у обычных хозяйственных безменов это соответствует 10 килограммам, или, правильнее, 100 ньютонам), я поставил «безменовоз» на пол. Но перед тем как отпустить колеса, положил на тележку гирю, чтобы та была потяжелей.

Как только колеса были отпущены, началось выделение энергии пружиной безмена. Сжимаясь до прежнего положения, пружина тянула нить, которая сматывалась с оси и вращала колеса «безменовоза». Разогнавшись, он проехал немалое расстояние, прежде чем остановиться.

Однако недолго я забавлялся своим «безменовозом». Спустя некоторое время руки у меня так устали растягивать пружину безмена, что пришлось отложить тележку в сторону. Да и пора было всерьез поразмыслить над пружинами – на что они способны.

Пружина навивается из стальной упругой проволоки. Растягивая пружину, мы как бы скручиваем проволоку. Если мы чрезмерно растянем пружину, она больше не вернется к прежним размерам – вытянется, испортится. А нельзя ли накапливать энергию, растягивая не пружину, а саму проволочку?

Очень даже можно, и мы это часто делаем, когда играем на струнных музыкальных инструментах.

Взять хотя бы упругую струну на гитаре. Пока струна не напряжена, провисает, сила натяга равна нулю. Чем больше мы натягиваем струну специальными натяжными устройствами – колками, тем больше сила, с которой струна сопротивляется растяжению: во сколько раз удлиняется струна, во столько же раз и растет сила. Наконец струна не выдерживает натяга и с печальным звоном лопается.

Печальный звон – это и есть выделение накопленной в струне механической потенциальной энергии. Играя на гитаре, мы, оказывается, только тем и занимаемся, что, натягивая пальцами струны, накапливаем в них потенциальную энергию, а отпуская – даем струнам возможность выделить ее, причем буквально на воздух. Но энергия, накопленная в струнах, не пропадает даром. Переданная воздуху в виде звуковых колебаний, она услаждает наш слух музыкой.

Современная высококачественная проволока, из которой делается музыкальная струна, очень прочна. Проволока сечением 1 мм2 может выдержать до 400 килограммов груза. При этом метровая проволока упруго вытянется ни мало ни много – на 2 сантиметра. Запас потенциальной энергии в такой проволоке будет равен произведению средней силы на удлинение, то есть почти 35 джоулям. Объем этой проволоки легко вычислить, он равен всего 1 см3, а масса – около 8 граммов.

Если мы поделим энергию на массу, то получим весьма важный показатель для оценки аккумуляторов – удельную энергоемкость, или плотность энергии. Этот показатель характеризует, сколько энергии сможет накопить каждый килограмм массы аккумулятора. Я постарался как следует запомнить его, так как понимал, что он очень пригодится мне в дальнейшем. А пока выяснил, что для музыкальной струны он будет около 4 тысяч джоулей на килограмм, или 4 килоджоуля на килограмм.

Крупный концертный рояль, например, накапливает в своих струнах столько энергии, что ее хватило бы для передвижения его на несколько десятков метров! Правда, рояль пришлось бы поставить на велосипедные колеса, чтобы облегчить «ход». А чемпионом в такой поездке на энергии натянутых струн была бы, пожалуй, арфа. Струн у нее почти столько, сколько у рояля, но во сколько раз меньше вес!

Конечно, музыкальная струна – это уникальный, дорогой материал. Для обычных стальных пружинных материалов плотность энергии снизится более чем вдвое. Учитывая, что материал пружин напряжен неравномерно, а также сделав поправку на необходимый в любом случае коэффициент запаса прочности, я подсчитал, что каждый килограмм пружины накопит не более 0,5 килоджоуля энергии. Значит, автомобиль массой в 1 тонну для прохождения 100 километров пути должен иметь пружинный аккумулятор массой... 50 тонн!

А как же все-таки передвигались старинные королевские пружинные экипажи? Впоследствии в одной из книг я прочитал, что их в поте лица своего постоянно «подзаводили» сильные работники, хорошо спрятанные среди золоченой мишуры колесниц. Иначе бы не пройти им и десятка метров. Вот и весь секрет!

Итак, пружины тоже пришлось вычеркнуть. Претендентов на «капсулу» все меньше и меньше.

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 построить «сверхрогатку», но получился конфуз. Под смех товарищей моя «сверхрогатка» выплюнула камень мне в 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 сантиметр на сантиметр вдвое, нужно приложить силу около 200 ньютонов. Я вычислил это, подвешивая к жгуту различные грузы. А до разрыва хорошая резина из натурального каучука растянется раза в четыре, не меньше.

Метровый резиновый жгут такого сечения имеет массу чуть больше ста граммов, а накопит при полном растяжении около 3 килоджоулей энергии. Стало быть, плотность энергии резины как аккумулятора, достигающая 30 килоджоулей на килограмм, превышает почти в сто раз этот показатель у пружин! Вот, оказывается, почему модели с резиномоторами летают, а с пружинным мотором еще ни одна модель не взлетела в воздух. Этим объясняется и мой конфуз с пружинной «сверхрогаткой».

Какова же будет масса резинового аккумулятора, пригодного для автомобиля? Необходимые 25 мегаджоулей энергии наберут всего около 900 килограммов резины. Это уже не 50 тонн! Над таким аккумулятором можно и поработать.

Основная трудность, с которой пришлось столкнуться, – это как преобразовать вытяжку резины во вращательное движение вала. Ведь в конечном итоге 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 закручивают. Кто изготовлял такие резиномоторы, 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. Для модели это не так уж важно, а для настоящих машин, где огромное значение имеют коэффициент полезного действия – КПД и долговечность, совершенно неприемлимо.

Итак, резину нужно только растягивать. Первой мыслью, конечно, было привязать к концу резинового жгута веревку и наматывать 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, как резина растягивалась, накапливая энергию, которая затем двигала «резиновоз», когда я ставил его на пол. Я убедился, что как транспортная машина он гораздо лучше «безменовоза»: и проходит большее расстояние, и движется плавнее.

Но для реальной машины это не подходит. Если даже изготовить толстенный резиновый жгут сечением в квадратный дециметр, то для накопления нужной энергии он должен быть длиной не менее 100 метров! Растянется же этот жгут почти на целый километр. Это не то что на автомобиль, на поезд не поместится.

Если перекидывать жгут через блоки, как трос в подъемных кранах, то, хотя 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 квадратный дециметр, растягиваясь, может развивать силу в несколько тонн. Перекинув жгут через блоки, мы как бы складываем его раз в сто (чтобы сократить километровую длину хотя бы до пригодных для автомобиля десяти метров), при этом усилие растяжения достигнет сотен тонн. Этакая сила запросто «сложит» автомобиль, совсем как трубу телескопа. Подобные аварии машин так и называются – «телескопирование».

Да, неразрешимая проблема. Всем хороша резина, но слишком уж неудобна в обращении...

И тут совершенно неожиданно мне в голову пришла удачная мысль: если навить резиновый жгут на очень скользкий цилиндр (представим себе, что мы имеем такой идеально скользкий цилиндр), как на катушку, по спирали, то можно сильно сократить длину устройства. К тому же все усилие растяжения резины «перейдет» во вращение вала, не понадобится никаких дополнительных механизмов и нечего бояться, что автомобиль «телескопирует». Допустим, диаметр цилиндра будет всего полметра, тогда на каждый метр его длины ляжет не менее 30 слоев жгута, который сильно сузится при растяжении. Это уже составит около 50 метров растянутой резины. Километр уляжется на 20 метрах цилиндра, сделав при этом 600 оборотов.

Лучше и предложить трудно, но пока нет гипотетического идеально скользкого цилиндра. А собственно говоря, для чего он нужен? Для того, чтобы каждый слой резины на цилиндре мог повернуться 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, насадил диски на гладкий стальной стержень, на котором они могли свободно вращаться. Кроме этого, я просверлил диски в разных местах, чтобы максимально облегчить их. 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, переложил их шайбами.

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 пятьдесят, я затем опускал его на дорогу. Коляска рвалась вперед, как норовистый конь, и резво выносила меня прямо на середину двора на зависть младшим ребятишкам.

Потом я соединил вместе десять таких «резиноаккумуляторов», расположив их под днищем коляски, с приводом на одно заднее колесо. Второе посадил на ось свободно. Передние колеса я сделал рулевыми и ездил на своем «резиновозе» уже метров по триста, вызывая удивление у прохожих. Еще бы! Детская коляска с длинноногим «малюткой» сама собой катилась по улице, причем довольно быстро и бесшумно – совсем как печка с Емелей из сказки!

Моим «резиноаккумулятором» заинтересовались специалисты, тоже из числа прохожих. Один из них, работавший на заводе, посоветовал мне подать письмо-заявку в Комитет по изобретениям, описав в ней мой «резиноаккумулятор». Он и помог составить эту заявку, так как это оказалось непросто, особенно если делаешь в первый раз.

Какова же была моя радость, когда я получил официальное письмо, где говорилось, что мой «резиноаккумулятор» признан изобретением. А затем, почти через год, мне торжественно вручили государственный документ – авторское свидетельство на изобретение. Это был красивый диплом с красной печатью и зеленой лентой, с номером моего изобретения и чертежом «резиноаккумулятора». Тот, кто получает такое авторское свидетельство, уже считается изобретателем. Я очень гордился этим документом и повесил его на стенку.

Надо сказать, что «резиноаккумулятор» действительно вышел неплохой. Правда, он запасал не 30, как я ожидал, а всего 3 килоджоуля на килограмм своей массы, но и это было в десятки раз больше, чем может накопить пружина.

Конечно, я понимал, что это не совсем тот аккумулятор, о котором мечталось. И энергии не мешало бы накапливать побольше, и потерь ее в резине многовато. Да и материал – резина – недолговечный по сравнению с металлом, например. Что ж, значит, все еще впереди.

Энергия... в воздухе!

«Бесполезно было бы пытаться набрать в резине энергии больше, чем она в состоянии накопить», – успокаивал я себя, когда мой взгляд останавливался на предмете моей гордости – авторском свидетельстве на изобретение «резиноаккумулятора». Мне удавалось растягивать жгут лишь до известных пределов, в конце концов резина не выдерживала и лопалась. При этом вся накопленная энергия «вылетала» из нее, как пробка из бутылки шампанского.

А кстати, почему вылетает пробка из бутылки с шампанским? Потому, почему и пуля из пневматического ружья. Сжатый газ способен совершать работу благодаря накопленной в нем энергии. Той самой потенциальной энергии, что запасалась в устройствах, которые я мастерил раньше. Воздух, вообще всякие газы тоже обладают упругостью. Более того, воздух, например, можно сжимать гораздо сильнее, в большее количество раз, чем растягивать пружину или резину. Хорошо, если пружину удается сжать вдвое; резину иногда растягивают раз в пять-шесть. А воздух сжимай хоть в пятьсот раз – ничего ему не сделается.

То есть в сжатом воздухе, если рассуждать теоретически, можно накопить огромную энергию. Но газ нельзя сжимать сам по себе, нужен сосуд – баллон, в котором этот газ будет находиться. Баллон должен быть очень прочным, иначе его разорвет давление.

А прочные вещи всегда бывают тяжелыми. И поэтому сам баллон, как правило, намного тяжелее, чем газ внутри его. Правда, и газ, сжатый, например, в 500 раз, нелегок – по плотности он уже приближается к жидкости...

Но все-таки сколько энергии сумеет накопить сжатый воздух? Может ли он претендовать на звание «энергетической капсулы»? Я, наверное, первый раз в жизни листал свой школьный учебник физики с таким нетерпением и наконец нашел то, что искал.

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 атмосфер, или около 50 мегапаскалей (МПа). Тогда весь кубометр уместится в сосуде емкостью два литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько воздух (а это должен быть очень хороший, крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, одна тысячная кубометра, умноженная на 50 мегапаскалей давления, даст в результате 50 килоджоулей энергии!

Совсем неплохой показатель – 50 килоджоулей на килограмм массы аккумулятора! 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 килограммов. 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, проходящий с одной заправки воздухом более ста километров.

Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в прошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 мегапаскалей, при общем объеме 2800 литров, трамваю хватало, чтобы пройти на накопленной в воздухе энергии путь в 10...12 километров.

Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем от воздушной дрели или гайковерта.

Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав... замерз. Да, да, покрылся инеем и остановился!

Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики.

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухой лед», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и было основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагревать охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и «сухой лед».

Как ни горько было мне читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «хорошо» и «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными.

Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.

В помощь воздуху – масло

Прослеживая мысленно все этапы работы аккумулятора, я вдруг понял, что под впечатлением моей 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 в это время и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем остается все меньше и меньше, он все больше расширяется, давление его падает, а соответственно снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с одного литра сжатого газа огромную энергию, то, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а «пшик».

Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, довести давление этак с 50 мегапаскалей до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и перемещать внутри его поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне-цилиндре, 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.

Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и там и здесь упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина со шнурком разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то догадались помещать в рогатке кусок кожи в месте контакта с камнем – так сказать, рабочим телом. Без этой кожи рогатка стреляла бы гораздо хуже.

Надо бы придумать что-нибудь подобное и для воздушного аккумулятора, решил я. И поиски привели меня к уже давно известному устройству, принцип работы которого заключался в следующем.

Заливаем в баллон со сжатым газом машинное масло и разделяем их поршнем или резиновой диафрагмой. Сжатый газ давит на поршень, тот на масло, а оно уже поступает под давлением в гидромашину, которая очень похожа на пневмодвигатель или даже на паровую машину – те же цилиндры, поршни, золотники. Только вместо газа или пара гидромашину приводит в действие масло. Масло не сжимается, поэтому потерь энергии в такой машине во много раз меньше, чем в воздушной – пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка.

Это был тоже аккумулятор – гидрогазовый, то есть состоящий из жидкости – масла – и газа. Но наряду с преимуществами перед чисто воздушным он имел и свои недостатки.

Главный недостаток – требовалось много масла. Чем более емкий аккумулятор мы захотим сделать, тем больше в нем должно быть сжатого воздуха. Масла, естественно, понадобится столько же, сколько и воздуха, не меньше. И еще – пройдя через гидромашину, масло свободно стекает в бак, тяжелый, громоздкий, тем большего размера, чем больше масла. Если учесть, что здесь используется не один, а сразу несколько баллонов со сжатым воздухом и маслом, то можно себе представить, как это все увеличит размеры и массу аккумулятора!

Нет, размышлял я, так дело не пойдет. Куда мне такая громадина? Один только бак чего стоит... А нельзя ли обойтись совсем без него?

Половину баллона сначала занимает сжатый газ, вторую половину – масло. Попробуем сузить баллон посередине, между жидкостью и газом, и поставить там запорный клапан. Таким образом изменим все баллоны аккумулятора. Теперь сделаем вот что. Пусть масло находится в нижней половине первого баллона, в верхней – сжатый газ. В остальных баллонах оставим только сжатый газ в верхних половинах – нижние пусты, и запорные клапаны перекрыты.

Итак, весь газ сжат, энергия в нем накоплена – все готово к совершению работы. Сможет ли аккумулятор работать без бака?

Открываем запорный клапан первого баллона и выпускаем масло под давлением в гидромашину. Но после гидромашины направляем масло уже не в бак, его ведь нет, а в пустую нижнюю половину следующего баллона. Когда он заполнится, открываем запорный клапан этого баллона, и масло, отработав в гидромашине, поступает в третий баллон. И так далее, при любом количестве баллонов, при любой емкости аккумулятора. Все в порядке, энергия выделяется!

Зарядка аккумулятора должна происходить в обратной последовательности. Мы крутим гидромашину, и масло своим давлением сжимает газ поочередно в баллонах, переходя из одного в другой, используя предыдущий баллон в качестве бака. Аккумулятор заряжен!

Это была уже действительно победа! Использовать в аккумуляторе огромной емкости постоянный небольшой объем масла и обойтись совсем без бака – раньше это казалось мне просто фантастичным.

Чтобы проверить правильность своих расчетов, я обратился к специалистам-гидравликам. И тут я по-настоящему оценил народную поговорку «ум хорошо, а два лучше». Специалисты многое поправили в моей схеме, нашли такие «тонкости», о которых я и не подозревал. Разработанные нами впоследствии устройства были признаны изобретениями.

И все же полного удовлетворения у меня не было. Изучая пристально воздушный аккумулятор, я убедился, что при сильном сжатии многие газы просто-напросто сжижаются и дальнейшее сжатие, если оно даже возможно, уже не дает ожидаемого эффекта.

Оказалось также, что нельзя держать сжатый до очень большого давления газ в одном цельном баллоне – не выдержит, разрушится стенка баллона, даже если ее сделать очень толстой. Надо помещать один в другой несколько баллонов, постепенно повышая давление от внешних к внутренним. Однако полноценным аккумулятором станет только внутренний, самый малый баллон, где наиболее высокое давление. Остальные будут практически балластом.

Значит, повышать давление более 400...500 атмосфер для аккумулирования энергии в сжатом газе невыгодно. То есть энергетический «потолок» здесь невысок. И хотя такие аккумуляторы, в общем-то, нужны и полезны, моей «капсулы» тут не найти.

Время шло, а «энергетическая капсула» продолжала пока быть мечтой.

 

«Капсула» разогревается

Оглавление


Дата публикации:

20 февраля 2000 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика