Машинка с пружинкой
В скором времени нанотрубки избавят нас от любых других портативных источников энергии во многих сферах, не исключая и автомобилестроение.
Заводные автомобильчики практически исчезли с прилавков магазинов детской игрушки. Да и последние модели с инерционным приводом уступают место электрическим. Однако во взрослой жизни все может сложиться с точностью до наоборот.
Жгут с приставкой «нано»
Если изготовить механический аккумулятор с пружиной из стали, позволяющий автомобилю преодолеть расстояние в 100 км, то такая конструкция будет весить около 50 тонн. Резиновый жгут обладает большей энергоемкостью, но и в этом случае для такого же запаса хода потребовался бы накопитель массой 900 кг.
Неудивительно, что конструкторы предпочитают механическим аккумуляторам электрические: литий-ионная батарея серийного электромобиля Nissan LEAF весит 300 кг и позволяет преодолеть расстояние в 160 км. То есть электрические накопители до недавнего времени были эффективнее механических примерно в пять раз. Однако на дворе ХХI век, и модная приставка «нано» вносит все больше корректив в стандартные постулаты материаловедения. Не минула она и такое простое понятие, как пружина.
Исследователи Массачусетсского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) обнаружили, что изготовленная из кремниевых нанотрубок пружина обладает энергоемкостью в 1000 раз большей, чем стальная. Значит, механический аккумулятор из такого материала для того же Nissan LEAF при равном расстоянии пробега весил бы примерно в четыре раза меньше! К тому же механический накопитель заряжается мгновенно, может без потерь хранить энергию годами, срок его службы в десятки раз превышает электрические аналоги, а неблагоприятные условия в виде низких температур и повышенной влажности оказывают минимальное воздействие на энергоемкость.
Ученые изготовили волокна из нанопружин длиной около миллиметра и толщиной несколько нанометров. Теперь им предстоит научиться сплетать из них жгуты, которые не потеряли бы полезных свойств самих пружин.
Крутится волчок
Если механический аккумулятор на основе нанопружин – удел будущего, то накопители энергии с маховиком уже сегодня успешно отвоевывают себе место под солнцем, еще недавно занятое исключительно электрическими собратьями. Источники бесперебойного питания в энергетике, аккумуляторы для космических аппаратов, системы рекуперации механической энергии KERS (Kinetic Energy Recovery Systems) в автомобилях. Причем последние имеют все шансы эволюционировать из вспомогательной системы в основную энергетическую установку.
Однако существуют и две взаимосвязанные проблемы, затормаживающие развитие инерционных аккумуляторов. Первая, вставшая перед конструкторами подобных накопителей, – безопасность. Дело в том, что при раскрутке стального маховика до оборотов, позволяющих механическому аккумулятору достичь эффективности, сравнимой с электрическими аналогами, сам маховик попросту разрывается, превращаясь в осколочную бомбу огромной разрушительной силы.
Решение проблемы в 60-х годах предложил советский изобретатель Нурбей Гулиа. Он вместо цельного маховика использовал стальную ленту, навитую послойно. Такая конструкция получила свойства стального троса, свитого из отдельных проволочек и выдерживающего гораздо большие нагрузки, нежели цельный прут такого же диаметра. И, самое главное, витой маховик стал безопасным: в случае критических перегрузок отрывалась наиболее нагруженная внешняя лента, попросту затормаживая маховик трением о корпус. А после изобретения углеволокна Нурбей Владимирович подсчитал, что навитый из этого материала маховик массой 150 кг способен накопить энергию, достаточную для преодоления обычным автомобилем расстояния в два миллиона километров!
Что касается механических потерь, то они в подобных системах уже решены: сам маховик помещается в вакуумную камеру, а обычные подшипники заменяются магнитными, сводя к минимуму трение. Остаются лишь небольшие затраты на привод вакуумного насоса, компенсирующего потерю разрежения через сальники выходного вала.
Однако на горизонте обозначилась вторая проблема, препятствующая немедленному развитию инерционных аккумуляторов: слишком высокие обороты. Раскрученный до скорости, например, 60 тыс. об./мин. маховик требует массивного понижающего редуктора, сводящего на нет весь выигрыш от значительной энергоемкости самого накопителя.
Решение проблемы пошло по двум независимым путям. Первый предложил все тот же Нурбей Гулиа. Изобретенный им уже в наше время супервариатор теоретически способен справиться с огромной разницей в оборотах. Насколько хорошо — покажут испытания.
Второй способ укротить скорость маховика продемонстрировала в январе этого года компания Porsche, представившая на Детройтском автосалоне свой новый гибрид Porsche 918 RSR. В модели использована двойная схема преобразования механической энергии. Передние колеса снабжены электрическими моторами-генераторами, при торможении вырабатывающими электроэнергию. Третий мотор за счет выработанной энергии раскручивает маховик механического накопителя. В случае необходимости в дополнительной мощности третий электромотор превращается в генератор, приводимый в движение маховиком и выдающий энергию, необходимую для запитки двух передних электродвигателей мощностью по 75 кВт (102 л.с.). Правда, энергии маховика, вращающегося при относительно небольших оборотах (36000 об./мин.), хватает лишь на восемь секунд работы электродвигателей при полной мощности. Однако данная схема изначально представляет собой не основную энергетическую установку, а лишь систему рекуперации. И у нее несколько иное предназначение: за счет дармовой энергии торможения заднеприводный болид мощностью 563 л.с. пусть и на 8 секунд, но превращается в полноприводный автомобиль с суммарной мощностью силовой установки 767 л.с.
Самое интересное, что идея двойного преобразования механической энергии в электрическую и обратно не является новой: еще в 1947 году сначала в Ивердоне, а затем в Цюрихе и других городах Швейцарии стали появляться пассажирские гиробусы, выпущенные компанией «Эрликон». С виду этот автомобиль не отличался от обычного троллейбуса, однако не был постоянно подключен к электросети. Приводился он в движение маховиком весом 1,5 тонны, соединенным с электрическим мотор-генератором. На специально оборудованных остановках гиробус во время посадки-высадки пассажиров подсоединялся к электросети и раскручивал маховик до рабочих оборотов. А во время движения сам маховик служил источником механической энергии, перерабатываемой мотором-генератором в электрическую, питавшую приводной электродвигатель. На одной раскрутке маховика гиробус мог преодолеть расстояние 7—9 км. Вот уж поистине: все новое – хорошо забытое старое.
Остается лишь добавить, что идеей инерционного накопителя в настоящее время занимаются одновременно несколько лабораторий с мировыми именами. Один из проектов – «Летающее колесо» под руководством Джека Биттерли — финансирует известный американский киноактер Кевин Костнер, серьезно озабоченный охраной окружающей среды. Результатом проекта, в частности, является инерционный накопитель, использовавшийся вместо обычных электрических аккумуляторов при конструировании Международной космической станции.
Гидромотор и пневмопривод
Источником энергии для транспортных средств может служить и сжатый воздух, о чем свидетельствует патент, датированный еще 1799 годом. Однако практическое воплощение такой энергетической установки в наземном транспорте произошло лишь к концу следующего века.
В 1879 году во Франции появился трамвай, передвигающийся при помощи двигателя, работающего на сжатом воздухе, а в 1932-м в Лос-Анджелесе был представлен первый экспериментальный автомобиль с таким мотором. Дальнейшую судьбу воздушного двигателя, не способного конкурировать с ДВС ни по мощности, ни по емкости энергоносителя, представить несложно: все последующие попытки внедрить пневматический двигатель в автомобиль носят либо единичный характер, либо рассчитаны на мелкосерийное производство для специализированной техники. Однако техническая эволюция этого движителя, особенно в последние годы, заставляет задуматься о нем как о недорогой альтернативе электрическим гибридам.
В конце ХХ века французский инженер Гай Негре предложил двухкамерную систему расширения. В малом цилиндре порция сжатого воздуха из баллона дополнительно сжималась и нагревалась, а затем уже смешивалась с порцией холодного рабочего тела, которая и расширялась в большом цилиндре. Эта более эффективная схема послужила толчком для создания в нынешнем году двигателя Dual Energy. Она же взята за основу американской компанией Zero Pollution Motors при построении городского автомобиля CityCAT. Dual Energy способен использовать небольшое количество горючего (бензин, керосин, спирт и т.д.) для дополнительного нагрева сжатого воздуха. Такая схема позволила многократно повысить мощность и эффективность мотора, а расход топлива оказался сравним с показателями электрических гибридов – 2,2 л/100 км. Кроме того, CityCAT может по-прежнему обходиться без дополнительного топлива, работая лишь на сжатом воздухе, но его максимальная скорость падает со 155 до 56 км/ч. Zero Pollution Motors установила предварительную стоимость CityCAT — $17800, что примерно в два раза ниже, чем средняя стоимость электрических гибридов. Станет ли данный аргумент решающим – покажет время.
Гидравлический двигатель, в отличие от пневматического, уже сегодня используется в серийных моделях грузового транспорта, оказавшись главной альтернативой электрическому приводу в тяжелых гибридах. В такой гибридной схеме используется гидромотор-насос, обеспечивающий как рекуперацию энергии торможения, так и привод ведущих колес. В процессе торможения гидравлическая жидкость перетекает из резервуара низкого давления в резервуар высокого давления (гидроаккумулятор). Запасенная энергия используется впоследствии, когда автомобиль трогается или разгоняется. По данной схеме построен, например, серийный мусоровоз Peterbilt 320. Выполняющий частые остановки тяжелый грузовик значительно экономит топливо, используя при трогании накопленную во время торможения энергию. Кроме того, такая схема позволяет снизить расходы на обслуживание тормозной системы.
А вот знакомый всем коричневый фургончик компании UPS получил модификацию, которая вообще не имеет прямого привода от дизельного двигателя к колесам, – движение осуществляется исключительно за счет гидромоторов. Это позволяет дизелю постоянно работать в оптимальном режиме, лишь пополняя запас энергии в гидроаккумуляторах.
