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

В поисках «энергетической капсулы»

Законы Паркинсона

Культура. Техника. Образование

Пионеры атомного века

Ум хорошо...

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

«Капсулу» – в упряжку!

Глава третья, и последняя, в которой автор, размышляя о будущем «энергетической капсулы», все более укрепляется в своем мнении, что она уже начала приносить людям немалую пользу...

Небольшая экскурсия в молодость

Как быстро пролетело время! Еще пятнадцатилетним юношей я решил искать «энергетическую капсулу», а сегодня мне уже сорок. Прошло четверть века, двадцать пять лет непрерывной работы, но проблема «энергетической капсулы», пожалуй, только сейчас встала передо мной во всей своей грандиозности.

Я не изменил своей мечте – все, что сделано и достигнуто мною, так или иначе связано с ней. К двадцати годам – первые изобретения, научные статьи, модели, к двадцати пяти – степень кандидата наук, первые опытные машины с маховиками, идея супермаховика, к тридцати пяти – докторская степень, звание профессора, испытания новых машин, накопителей. К сорока годам – новые книги, новые изобретения, новые машины. У меня появилось много молодых и талантливых коллег-маховичников, страстно увлеченных своим делом. И это самое приятное.

Не я один мечтал об «энергетической капсуле», не для меня одного она стала целью в жизни. Многое из того, о чем я думал, о чем писал, волновало и других людей, в других странах, причем приблизительно в одно и то же время. Вначале это поражало меня, особенно когда я узнал, что американские ученые почти одновременно со мной пришли к такой же идее супермаховика. Но потом, по мере того как число сообщений о похожих разработках и экспериментах росло, я удивлялся все меньше и даже не огорчался – напротив, это давало мне уверенность, что если одни и те же решения приходят к разным людям, живущим в разных полушариях Земли, то, наверное, эти решения правильны.

И все же понадобились годы опытов, доказательств, выступлений для того, чтобы преодолеть предубеждение скептиков – чтобы в супермаховики поверили.

Помню, когда в 1965 году в журнале «Изобретатель и рационализатор» я рассказал о моих новых изобретениях – супермаховиках из лент, проволок и сверхпрочных волокон, вращающихся в вакууме, да еще с магнитной подвеской, многие говорили, что это фантастика.

Я называл количество энергии, которое сможет накопить такой супермаховик, «серьезные» люди предлагали убрать два нуля сзади.

Мне доказывали, что маховик прокрутится несколько минут и остановится. Приходилось показывать маховик с магнитной подвеской, где за час терялось всего несколько оборотов в минуту.

Спорили, что, разорвавшись, маховик пробивает метровые стены, я демонстрировал фотографию разорванного супермаховика в целеньком кожухе, который был не чем иным, как большой жестяной банкой из-под килек.

Утверждали, что для ленточной передачи маховичного автобуса потребуется лента с рессору толщиной, тогда я клал на стол тоненькую стальную ленточку, из которой делают лезвия для безопасных бритв. Она была отрезана от той самой передачи...

Меньше всего, оказывается, убеждают цифры, формулы, математические доказательства. А вот опыты, фотографии, киносъемки действуют неотразимо, хотя они и не всегда бывают достоверны.

Как-то раз нам нужно было показать одному большому начальнику маховичную машину. Перед его приходом машина прекрасно работала, но только мы стали ее демонстрировать – отказала. Как потом выяснилось, в корпусе маховика открутилась гайка и заклинила маховик. Испытали без маховика. Походил, походил начальник вокруг нашей машины, да и подписал все, что нам требовалось. Математическим же формулам, которые не подвержены так называемому «визит-эффекту», которые не ломаются и не выходят из строя, он не верил. Не подписывал.

Сейчас уже почти все верят в супермаховики. Во много раз увеличилось число научных трудов, посвященных им, значительно возросло количество связанных с ними изобретений. Специалисты считают супермаховики одними из наиболее перспективных среди всех известных ныне накопителей энергии и прочат им блестящее будущее.

Американские ученые подсчитали, что внедрение супермаховиков в американскую технику позволит сэкономить миллиарды долларов в год. Думается, не меньший выигрыш может быть и у нас в стране.

Но главное, что получит человек от внедрения «энергетической капсулы», – это возможность действительно по-хозяйски, бережно использовать Ее Величество Энергию – бесценный дар природы, синоним которого сама Жизнь.

Работает супермаховик

Есть ли уже сегодня машины, на которых установлены «энергетические капсулы» – супермаховики? Да, есть. Может быть, эти машины и не выпускаются пока сериями, как «Жигули» или «Москвичи», но они существуют. Работают, ездят, удивляя всех, кто их видит.

Самым типичным автомобилем, питающимся энергией, накопленной в супермаховике, является, пожалуй, маленький двухместный махомобиль американского ученого-маховичника Дэвида Рабенхорста. Попробуем на его примере разобраться в устройстве махомобилей.

Супермаховик махомобиля соединен с валом разгонного электродвигателя, причем электродвигатель помещен в воздушной среде, чтобы он лучше охлаждался, а супермаховик – в вакууме, чтобы не было лишних потерь энергии. Вал уплотнен при выходе его из вакуумной камеры магнитным уплотнением. В принципе можно даже разрезать вал и вывести вращение специальными магнитными муфтами.

Другой конец вала супермаховика соединен с гидронасосом обратимого типа, который может переходить и на режим работы гидродвигателя; о таких гидромашинах я уже говорил. Жидкость – масло от гидронасоса через распределитель, или, что одно и то же, через механизм управления махомобилем, подается в четыре маленькие гидромашины, встроенные в колеса махомобиля. Таким образом, все колеса махомобиля ведущие, и это очень хорошо – махомобиль быстро разгоняется, движется устойчиво, без заносов.

В махомобиле нет таких привычных автомобильных частей, как сцепление, коробка передач, карданный вал, дифференциал, полуоси, электроаккумуляторы, стартер и генератор; отсутствуют топливный бак и вся топливная система, система охлаждения с вентилятором, глушитель и, наконец, сам двигатель внутреннего сгорания. Махомобиль бесшумен, он не выделяет никаких газов, приводится в движение практически мгновенно. Известно, что супермаховик может развивать громадные мощности, так необходимые автомобилям для быстрого разгона.

Зарядка энергией, или разгон супермаховика, производится включением разгонного электродвигателя в сеть. Время зарядки – 20...25 минут, это в десятки раз быстрее, чем тот же процесс у электромобилей. Для приведения махомобиля в движение повышают наклоном шайбы производительность насоса, и масло начинает поступать в гидродвигатели колес, разгоняя машину. Больше наклон шайбы – больше скорость.

Махомобиль рассчитан на крейсерскую, то есть постоянную скорость 90 километров в час, причем кратковременно эта скорость значительно повышается, например для обгонов. Он может развить скорость 100 километров в час с места за 15 секунд, что не под силу не только электромобилю, но и многим легковым автомобилям.

Путь пробега махомобиля с одной зарядки пока около 60 километров, но его планируется увеличить в три раза. Это при массе супермаховика 100 килограммов, скорости его вращения от 23 700 до 11 900 оборотов в минуту и запасе энергии 24 мегаджоуля. Удельная энергия супермаховика тогда составит 240 килоджоулей на килограмм массы. Правда, уже испытаны супермаховики с удельной энергией в 650 и даже 700 килоджоулей на килограмм, а это значит, что и путь пробега увеличится почти до 500 километров!

У махомобиля рекордно малая по сравнению с электро- и. автомобилями стоимость пробега – 0,6 доллара, или около 40 копеек, на 100 километров пути. Я думаю, вряд ли какой водитель откажется от такой машины!

Посмотрим теперь, каковы мощности и массы махомобиля Рабенхорста. Разгонный электродвигатель мощностью 30...40 киловатт – 18,4 килограмма, гидронасос мощностью 37,5 киловатта – 11,4 килограмма, четыре гидродвигателя колес такой же общей мощностью – 10 килограммов, приборы управления – 9 килограммов, шасси – 175 килограммов, кузов – 270 килограммов, 2 пассажира – 150 килограммов. Вместе с супермаховиком, его корпусом и подвеской выходит чуть более 600 килограммов.

Махомобиль не боится длительных стоянок – маховик может вращаться до 40 суток, или почти полтора месяца, без остановки. Это тоже не предел, потому что так называемые кольцевые супермаховики, о которых речь будет еще впереди, рассчитываются на более чем годичный выбег, а американский 45-килограммовый маховик в магнитном подвесе имеет столь малые потери, что способен крутиться до остановки свыше 10 лет!

Подвеска супермаховика в махомобиле тоже магнитная, только она практичнее, чем «абсолютный» магнитный подвес, здесь есть и подшипники, воспринимающие усилия при тряске или гироскопическую нагрузку при повороте оси супермаховика.

На сегодняшний день в разных странах уже построено много супермаховичных автомобилей и автобусов. Некоторые из них, как и швейцарский гиробус, оснащены штангами и могут двигаться, как троллейбус. Но при этом раскручивается и супермаховик, который потом питает током тяговые электродвигатели. Такие машины, названные гиротроллейбусами, не тратят время, подобно гиробусу, на раскрутку супермаховика, так как «зарядка» идет на ходу. Затем, после разгона супермаховика, гиротроллейбусы едут на накопленной энергии до конечной остановки через весь город.

Оставим наземный транспорт и спустимся под землю – в метро. И там маховик нашел себе применение. Поезда метро ходят очень быстро, развивая скорость до 80...90 километров в час. А останавливаться им приходится часто. Вот и получается, что не успеет поезд накопить в себе достаточную кинетическую энергию, как ее тут же надо «гасить» в тормозах.

Пробовали отдавать эту энергию в сеть в виде электроэнергии, но выходило не очень хорошо – скачки тока в сети мешали нормально работать остальным поездам. Тогда инженеры решили накапливать кинетическую энергию поезда при торможении в маховиках, близких по своим показателям к супермаховикам, а затем использовать ее при разгоне. Выяснилось, что два маховика массой по 250 килограммов каждый могут накопить при торможении кинетическую энергию одного вагона метро, а потом разогнать такой же вагон почти до первоначальной скорости или, в случае аварии сети, «тянуть» на себе целых два вагона до следующей станции. Маховичный метропоезд испытали в Нью-Йорке, где он экономил около 30 процентов всей затрачиваемой обычно на движение поезда электроэнергии.

Существуют проекты использования супермаховиков в авиации. В одном из них для взлета сверхзвуковых самолетов предлагают применять маховичную катапульту. Если разогнать крупный маховик электродвигателем, а затем подключить его к лебедке, соединенной тросом с самолетом, то маховик за несколько секунд разовьет гигантскую мощность, в десятки раз превышающую мощность электродвигателя. За считанные секунды самолет разгонится до 400 километров в час и взлетит. При этом путь разгона будет не более 100...150 метров. Такой запуск очень надежен и экономичен.

Двойную пользу можно получить от установки супермаховиков на легких тихоходных самолетах, у которых собственный двигатель развивает мощность не более 90 – 120 киловатт. Супермаховик массой всего 13 килограммов выдаст мощность 115 киловатт в течение 20 секунд, а массой 57 килограммов – 225 киловатт в течение 60 секунд – время, вполне достаточное для взлета. Кроме того, раскрученный супермаховик обеспечит безопасность экипажа в случае остановки мотора самолета. Энергии, накопленной в супермаховике, хватит для трехминутного полета самолета без мотора. Летчики успеют выбрать пригодную для посадки площадку и приземлиться.

Еще в 30-х годах в Шотландии был построен беспилотный маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. Затем, раскрутив маховик, лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, очень похоже на игрушечный вертолет, где разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?

А недавно создали такой же беспилотный вертолет, но с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 метра, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тысяч оборотов в минуту на специальном базовом 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.

Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 и более метров, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в 5 раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 киловатта до 28 тысяч оборотов в минуту.

Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожарах нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключается и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для таких случаев.

Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз. Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, затем все сильнее и сильнее. А человек, наоборот, приближаясь к земле, все больше и больше теряет скорость. И наконец мягко приземляется. Пояс с лентой сам поднимается вверх, за счет энергии маховика, раскрученного спускавшимся человеком. Так маховичный лифт может доставлять на землю одного за другим сколько угодно людей.

Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе. В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.

К середине 80-х годов на французских спутниках связи предполагается использовать супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, питаются обычно не только от солнечных батарей. Приходится ставить на них и аккумуляторы энергии, которые дают ток, пока спутник загорожен от Солнца Землей и находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование весь спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на супермаховики, которые очень долговечны. Их намечено поместить в магнитную подвеску и вращать со скоростью 40 тысяч оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи будет примерно 0,1 мегаджоуля на килограмм массы.

Видимо, не обойтись без супермаховиков и в космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций. По мнению ученых, кратковременных включений пиропатронов будет вполне достаточно, чтобы с помощью газовой турбины так разогнать супермаховик, что его энергии надолго хватит для бесперебойной работы всех приборов.

В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.

Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенные дрель и гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такое не случается благодаря силе тяжести и силе трения, а в условиях невесомости – закономерное явление.

Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло и, разогнав юлу, уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт не получится никогда. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.

Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного воздействия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, которые, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.

Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски, на которые я ее ставил. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – сохранять положение своей оси в пространстве.

Чтобы прочувствовать это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки повернуть ось ни к чему не приведут, несмотря даже на большие усилия. Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы хотим, а под прямым углом к этому направлению.

Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал правилом колеса. Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся повернуть ось маховика в ту сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.

Если никто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах написано много книжек, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она поддерживалась без каких-либо упоров в устойчивом состоянии, если даже все пассажиры садились на один ее бок. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту.

Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – накапливать энергию и стабилизировать свое положение в пространстве.

«Капсула» разрастается...

Помните, мы говорили, что ученые разрабатывают проекты гигантских накопителей энергии на основе сверхпроводящих катушек – четверть километра диаметром и 50...70 метров высотой. И накапливать они должны десятки миллионов мегаджоулей энергии. Такие накопители нужны для аккумулирования энергии в период ночных недогрузок электростанций и для выделения ее при перегрузках в часы «пик». Наиболее чувствительны к недогрузкам и перегрузкам атомные электростанции, на долю которых с каждым годом будет приходиться все большая и большая часть электроэнергии, вырабатываемой как у нас в стране, так и во всем мире.

А пригодны ли супермаховики для накопления столь огромных количеств энергии и что они будут представлять собой в этом случае?

Применение маховичных накопителей на электростанциях тесно связано с именем известного русского изобретателя-самоучки А.Г. Уфимцева, которого Горький назвал «поэтом техники». Изобретения Уфимцева были необычайно широкого диапазона – от керосиновых ламп до самолетов. Тщательно проанализировав различные способы накопления энергии для ветроэлектростанций, в том числе «водородное» и тепловое аккумулирование, он пришел к выводу, что маховичный накопитель подходит для этих целей лучше других.

Первый маховичный аккумулятор был построен Уфимцевым в 1920 году из паровозного буфера. Маховик имел массу всего 30 килограммов и вращался в вакуумной камере с давлением около 5 гектопаскалей, делая 12 тысяч оборотов в минуту. Вывод мощности из камеры осуществлялся электрическим путем с помощью мотор-генератора.

Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 килограммов Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» и гордятся им.

Маховик Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 часов, однако, по словам старожилов, еще не было такого случая, чтобы ветер за это время ни разу не подул.

Идеи одаренного русского самоучки воплощены сегодня в любом маховичном накопителе для электростанций. Например, американский изобретатель Аллан Милнер разработал супермаховичный накопитель для солнечной электростанции. Известно, что солнечный свет, преобразованный в электроэнергию, может питать потребителей только днем, да и то в безоблачную погоду. А для того, чтобы использовать эту энергию ночью и в пасмурные дни, ее необходимо предварительно накапливать, и по возможности с минимальными потерями.

Накопитель Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 тонны, вращающегося со скоростью 15 000 оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии от него осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 мегаджоулей энергии, при этом потери составляют всего около 12 процентов. Плотность энергии такого накопителя в полтора раза превышает этот показатель у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – во много раз.

Живут идеи Уфимцева и в проекте американского ученого Стивена Поста, предложившего для крупной электростанции гигантский супермаховик массой 200 тонн, диаметром 5 метров, вращающийся со скоростью 3500 оборотов в минуту. Такой супермаховик может накопить уже свыше 70 тысяч мегаджоулей энергии.

Супермаховик предполагается собрать из концентрических колец, навитых из кремниевого волокна и насаженных одно на другое с небольшим зазором, заполненным эластичным веществом, например резиной. Затем его заключат в герметичный корпус и соединят с валом мощного мотор-генератора. Сильная магнитная подвеска разгрузит подшипники от громадной тяжести супермаховика.

При внезапном разрыве этого супермаховика может выделиться энергия, равная взрыву тысячи тонн тола, но в момент разрыва корпусу передастся не более 1...2 процентов этой энергии. Остальная энергия будет выделяться достаточно медленно, вызывая лишь нагревание. На всякий случай супермаховик все же намечено установить под землей на безопасной глубине.

Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики, о которых упоминалось выше. Единственной подвижной частью такого супермаховика является кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцо-супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор-генератора, а те места, в которых стоят обмотки магнитов, – статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.

Если сравнивать кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, то выявится следующее. Плотность энергии кольцевого супермаховика в 2...3 раза больше и достигает 0,5 мегаджоуля на килограмм массы. Потери на вращение у него в 50...100 раз меньше, чем у стального, в связи с чем его свободное вращение достигает 750, а в перспективе – 12 тысяч часов. То есть такой супермаховик будет вращаться без остановки 500 суток, или полтора года!

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, что позволит во много раз повысить плотность энергии накопителя. 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 уложен корпус, а в результате и земле. Так как земля все равно существует и нам создавать ее заново не придется, то почему бы не использовать ее 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 достигает, например, 16 километров (приблизительно столько же у кольцевой автострады вокруг Москвы), то с применением упомянутых постоянных магнитов скорость кольца-супермаховика составит 4 километра в секунду!

Плотность энергии нашего кольцевого гиганта должна быть 8 мегаджоулей на килограмм, что при сечении супермаховика всего 0,5 м2 даст полный запас энергии в накопителе – 2·1015 джоулей, или 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.

Советские ученые из Свердловска разработали магниты, сила которых превышает в тысячу раз их силу тяжести. Если такие магниты поставить на наш сверхнакопитель, то скорость кольца супермаховика достигнет 12,6 километра в секунду и превысит даже вторую космическую скорость. Плотность энергии тогда будет 80 мегаджоулей на килограмм, а вся энергия накопителя составит 2·1016 джоулей. Это значительно больше избыточной или нереализуемой энергии электростанций всего мира. То есть использовать подобный накопитель полностью пока не удастся.

Можно пойти по пути уменьшения размеров накопителя и ограничиться запасом энергии в 1011 джоулей. Получится все-таки достаточно емкий накопитель, могущий обеспечить равномерную работу большой электростанции. При радиусе накопителя 0,5 километра сечение его подвижных магнитов будет всего 5x5 сантиметров. Такой накопитель в виде тонкой кольцевой трубки нетрудно расположить вокруг любой электростанции со всем ее хозяйством.

На позициях сотрудничества

Накопители энергии издавна помогают друг другу в работе. Если паровой и, скажем, дизельный двигатели ни к чему ставить на автомобиль одновременно, то аккумуляторы разных типов, наоборот целесообразно объединять.

Я уже говорил о том, как тепловые аккумуляторы помогают газовым отдавать больше энергии, – рассказывал про трамвай, который «заправлялся» и сжатым воздухом и кипятком, про свой микромобиль, где газовый аккумулятор – баллон с углекислотой работал вместе с тепловым аккумулятором – кастрюлей с расплавленной солью. А могут ли столь же успешно «сотрудничать» маховичные накопители, ну, хотя бы с электроаккумуляторами?

Оказывается, это сотрудничество одно из самых перспективных. Помните недостатки электромобиля? Он медленно разгоняется, не идет в гору, не может использовать кинетическую энергию, выделяемую при торможении. И всему виной невысокая плотность мощности электроаккумуляторов. По той же причине сами электроаккумуляторы не выносят быстрой зарядки. Они либо портятся, как, например, свинцово-кислотные, либо просто тратят «лишнюю» мощность на нагрев, как щелочные. Обыкновенные же маховики, не говоря об «энергетических капсулах» – супермаховиках, развивают какие угодно мощности, лишь бы выдержал привод, и, кроме того, позволяют сохранять кинетическую энергию транспорта. Соединив эти два накопителя на одном электромобиле, получаем большой выигрыш.

Электроаккумуляторы движут такой электромобиль только по ровным дорогам без уклонов, где не требуется торможений и разгонов, – иными словами, они обеспечивают ему крейсерскую скорость. А там, где нужны разгоны, обгоны, торможения, подъемы в гору, берется за дело супермаховик. По сравнению с обычным электромобилем здесь значительно повышается максимальная скорость, вдвое и больше сокращается время разгона, путь пробега увеличивается почти в два раза.

Так, у последней модели американского «гибридного» электромобиля с супермаховиком длина пробега без подзарядки составляет 112 километров против 63 километров у обычного электромобиля. Масса супермаховика с приводом для полуторатонного электромобиля – всего 75 килограммов. Выпуск этих электромобилей «второго поколения», оснащенных супермаховиками, предполагается начать примерно с 1985 года.

Неплохой «гибрид» получается из электроаккумуляторов и гидрогазовых накопителей. Последние также помогают использовать кинетическую энергию машины, значительно повышают путь пробега, скорость электромобилей, сокращают время их разгона.

На маленьких электромобилях эффективны даже резиновые накопители. Они просты и вполне применимы для накопления небольшой энергии. Я совсем было собрался поставить на самодельный электромобиль для накопления энергии торможения свой накопитель от резиномобиля. Но когда узнал, что подобное уже сделали английские инженеры, раздумал – не хотелось повторять чужой эксперимент.

Можно соединять вместе и аккумуляторы одного вида. В Японии, например, на электромобиле установили два типа электроаккумуляторов – стартерные и тяговые батареи. Первые, хорошо переносящие большие токи и мощности, работают на разгонах и обгонах, а вторые, имеющие более высокие КПД и плотность энергии, – на крейсерской скорости, питая электромобиль на ровной дороге без подъемов и разгонов. Конечно, стартерные электроаккумуляторы по плотности мощности не идут ни в какое сравнение с маховичными или гидрогазовыми накопителями, но и эта «гибридизация» в чем-то полезна.

Очень широко распространены «гибриды» статических и динамических накопителей одного и того же вида энергии. Всем известный маятник, в том числе и балансир с пружинкой в наручных часах, – «гибрид» статического аккумулятора механической энергии в виде поднятого груза или скрученной пружины и динамического аккумулятора той же энергии – маховика. «Перетекание» энергии из статического аккумулятора в динамический и обратно носит колебательный характер. Эти колебания необычайно точны по частоте, что и обусловило их применение в самых разнообразных часах.

Совершенно такой же эффект получаем, объединив статический и динамический электрические аккумуляторы – конденсатор и катушку индуктивности. Вместе они образуют так называемый колебательный контур. Электрический колебательный контур – аналог механического маятника, законы колебаний и того и другого одинаковы. Потери энергии в обоих случаях приводят к одному и тому же – колебания затухают, накопленная энергия переходит при этом в тепло.

И все-таки электрический и механический «маятники», несмотря на общность законов их колебаний, не могут заменить друг друга в технике. Представьте себе, что было бы, если бы в подвеске автомобиля вместо рессор ставили конденсаторы, в телевизоре вместо конденсаторов – рессоры, а катушки заменили маховиками!

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, постоянные скорость и мощность двигателя чаще всего не нужны машине, на которой он установлен. Автомобилю, например, 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 тормоза и изнашивая их, хотя накопители энергии, в первую очередь маховичные и гидрогазовые, отлично могли бы сохранять ее и отдавать при разгонах машины.

Поэтому специалисты если и видят будущее тепловых двигателей на автомобилях, то непременно в союзе с накопителями. Двигателю предоставят возможность работать в наилучшем для него режиме, выдавать среднюю мощность, «подпитывая» накопитель. А остальное – дело накопителя. Он будет или расходовать энергию на разгонах, подъемах, обгонах, или накапливать ее при торможениях и на спусках. Такой режим работы позволит чуть ли не вдвое снизить расход горючего, во много раз уменьшить вредность выхлопа, получить немало всяких других преимуществ.

Предвижу твой вопрос, читатель: «Почему же сегодня, несмотря на очевидные выгоды, причем выгоды огромные, мы еще не встречаем «энергетические капсулы» повсюду?»

Прежде всего потому, что супермаховик – изобретение молодое: ему нет и 20 лет. А первые серьезные опыты, показавшие преимущества супермаховиков над другими накопителями, проведены только несколько лет назад. К слову сказать, преимущества дизеля над бензиновым двигателем или щелочного аккумулятора над кислотным доказаны уже около 100 лет назад, но до сих пор ни те ни другие не вытеснили своих менее перспективных собратьев.

Кроме того, супермаховичная «энергетическая капсула» – устройство весьма непростое. Для изготовления полномасштабного супермаховика для реально работающей машины необходимо сложное и дорогое оборудование. Пока это могут позволить себе лишь крупные авиационные и аэрокосмические предприятия. Но постепенно такие устройства, как говорится, «спускаются на землю» и начинают служить, может быть, на менее экзотичных, но гораздо более распространенных машинах. Над созданием супермаховиков сейчас усиленно работают научные и инженерные коллективы многих высокоразвитых государств мира, включая нашу страну.

Уже получены успешно работающие опытные образцы автомобилей, электромобилей, метропоездов, солнечных и ветровых электростанций, различных приборов и многих других устройств, использующих супермаховики. Но и при разработке этих опытных образцов встречается много трудностей, порой непредвиденных.

Мне с товарищами по работе довелось строить и испытывать автобусы как с гидрогазовыми, так и с маховичными накопителями в соединении с тепловым двигателем. Поскольку накопители здесь могли сохранять, или, иначе говоря, рекуперировать, кинетическую энергию машины, мы их называли просто рекуператорами.

Признаться, строя свой, первый у нас в стране маховичный рекуператор, мы изрядно намучились. Виноваты были где-то и мы сами, где-то производственники, сказывалось и полное отсутствие опыта в этом новом деле. Все перипетии нашей работы я описал в шуточном рассказе, опубликованном лет десять назад в одном популярном журнале. Вот этот рассказ.

Как мы делали рекуператор
(шуточный рассказ)

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, директор которого после долгих уговоров согласился изготовить «этакую маленькую модельку». Начальник производства, увидев чертежи, наотрез отказался от работы, заявив, что это не «моделька», а 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, что то был доцент, а я профессор и наша конструкция будет работать.

Короче говоря, машину все таки 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 взявшись за 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 было совершенно 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 заводчане 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: маховик выпрессовать 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 на завод для установки его на автобусе. Наученный горьким опытом, я тщательно гидроизолировал ящик для рекуператора и только после этого отправил 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, завод возвратил его нам обратно вместе с автобусом. Опять грязегидравлические испытания, теперь по ноябрьским дорогам. Пробуем пустить машину сами – передача летит в куски. В чем дело? Ого! Приваривая ушко для крепления, заводской сварщик прожег корпус и накрепко приварил к нему маховик.

Наконец выкатили автобус во двор. Машиной управлял лаборант, а рекуператором с заднего сиденья – я. Договорились сигнализировать 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 №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!

 

Если хочешь быть счастливым...

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