Безкоштовна технічна бібліотека

Транспорт майбутнього. Особистий транспорт

Довідник / Особистий транспорт: наземний, водний, повітряний

 Коментарі до статті

Вчені, які займаються проблемами майбутнього, - футурологи - вже сьогодні намагаються визначити, яким стане світ, що оточує нас, скажімо, до кінця другого тисячоліття або навіть через 100 років. При цьому дещо проглядається порівняно легко, щось важко. Але твердо можна сказати, що через 50, 100 і більше років транспорт існуватиме. І не лише існувати, а й неухильно розвиватись.

Письменники-фантасти іноді висловлюють думку, що у майбутньому переважна більшість інформації зможе передаватися переважно засобами зв'язку - від відеотелефонів до лазерних каналів. Роль транспорту як носія як вантажів, а й інформації у своїй не враховується. Але це не так.

Гідність транспорту саме в тій, що він забезпечує переміщення не лише вантажів, а й людей – найємніших носіїв інформації. Відомий радянський вчений-транспортник професор В. Н. Іванов наголошує: "Людям необхідне безпосереднє спілкування, і замінити його не можуть ні телефон, ні телевізор, ні що інше". Не випадково, незважаючи на значний прогрес засобів зв'язку, сьогодні продовжує бурхливо вдосконалюватися і транспорт.

Якими шляхами піде його розвиток у майбутньому?

Здебільшого проблеми можна звести до наступного: транспортні машини, вірніше – їхні двигуни, мають стати нешкідливими для довкілля, або, як то кажуть, "екологічними".

Щоб по можливості розтягнути "витрати паливно-енергетичних ресурсів нашої планети, двигуни повинні стати максимально економічними. Велика увага приділяється безпеці машин, а також таким традиційним проблемам, як подальше підвищення швидкості, прохідності, комфортабельності. Стануть створюватися і розвиватися нові, спеціалізовані види транспорту для народного господарства

Однак яким же таки він буде, транспорт майбутнього, його двигуни? Чи є їх прообрази вже зараз, у наші дні? Всім цим питанням присвячуються пропоновані матеріали.

1. Теплові - "за" та "проти"

Вдячне людство звинувачує. Так можна сформулювати відношення, що склалося нині, до наймасовішого двигуна - теплового, і особливо до двигуна внутрішнього згоряння (ДВС).

Статей "винності" теплових двигунів перед людством переважно дві. Перша - неекономне, варварське витрачання непоправних природних ресурсів палива. Друга – забруднення навколишнього середовища токсичними вихлопними газами та іншими відходами отриманої енергії, у тому числі надлишковим теплом, шумом та запахом. Про все це зараз досить багато йдеться. Так само, як і про невблаганний висновок: якщо не вдосконалити теплові двигуни (або не відмовитися від них зовсім), то планеті в найближчому майбутньому, що вимірюється всього десятками років, загрожує, по-перше, паливний голод через повне виснаження запасів природного пального; по-друге, масове отруєння людства продуктами спалювання цього пального, а можливо, і надмірне (гірше, ніж у гарячій парилці!) потепління атмосфери.

Отже, удосконалення чи повна відмова. Якщо згадати, що теплові двигуни встановлені на сотнях мільйонів автомобілів, мотоциклів, тракторів комбайнів, літаків, кораблів, моторних човнів та інших машин, стане зрозуміло, що повністю відмовитися від них людина поки що не може. Однак необхідно зробити так, щоб, продовжуючи їх вік, суттєво не скоротити століття власного! Як же "примирити" тепловий двигун та людину?

Мал. 1. Двигун Ванкеля (порівняно зі звичайним двигуном) (натисніть для збільшення)

Рис. 2. Робочий цикл двигуна Ванкеля

Рис. 3. Схема двовального газотурбінного двигуна (натисніть , щоб збільшити)

Відповідь проста і складна: потрібно ліквідувати токсичність вихлопних газів теплових двигунів та підвищити їх економічність. Головну шкоду завдають оксид вуглецю, що містяться у вихлопних газах, оксиди азоту і вуглеводні (альдегіди), а також канцерогенні речовини. Але ж їх, очевидно, можна вловлювати? Так, такі пастки-нейтралізатори вже створені: рідинні, плазмові, каталітичні та комбіновані. Вони зазвичай встановлюються на виході газів за вихлопною трубою двигуна.

Однак усі ці пристрої забезпечують лише часткове вирішення питання: навіть за їх наявності сам двигун залишається тим самим ненажерливим механічним чудовиськом.

Від віку мрією фахівців з двигунів було побудувати такий, де поршень не здійснював поворотно-поступальних рухів, а тільки обертався. Це обіцяло значне зниження розмірів та маси двигуна, скорочення витрати пального та викиду токсичних продуктів згоряння. Наблизився до вирішення цього завдання більше, ніж будь-хто інший, професор Ф. Ванкель. Багато фахівців вважають, що створений ним роторний двигун може стати основним автомобільним двигуном внутрішнього згоряння.

Нагадаємо, як влаштований та працює ванкель. У його корпусі є порожнина складної конфігурації, в якій обертається ротор-поршень трикутної форми, з'єднаний із валом за допомогою зубчастих коліс. Він вільно сидить на ексцентриці валу, центр якого збігається із центром нерухомої зубчастої шестерні. Обігаючи її складною кривою, ротор-поршень постійно стосується вершинами внутрішніх стін корпусу. Для ущільнення у вершинах встановлюються рухомі пластини. При цьому об'єми камер, що утворюються поверхнями ротора-поршня та стінками корпусу, послідовно змінюються. Тут і протікають процеси впуску, стиснення та займання палива, розширення та випуску відпрацьованих газів Відкриття та закриття впускного та випускного каналів здійснюється самим ротором-поршнем.

Таким чином, за один повний оборот у двигуні Ванкеля протікають усі процеси звичайного чотиритактного двигуна, причому одночасно в різних робочих камерах: при спалахах палива, що займається від однієї свічки, три робочі ходи, три випуски відпрацьованих газів, три впускання свіжої суміші. Двигун Ванкеля виявився не тільки найкомпактнішим і найлегшим (один з перших його досвідчених зразків потужністю близько 30 л. с. важив всього 10 кг), але і з найвищою кількістю обертів. Додайте до цього, що може працювати на дешевому дизельному паливі. Здавалося б, ось воно – вирішення проблеми. Але... як не "мудрять" конструктори, досі не вдалося домогтися надійності ущільнень ротора, що обертається Цей порок, головним чином перешкоджає подальшому вдосконаленню мотора, є справжнім бичем двигунів подібного типу.

Інший напрямок пошуку - розробка двигунів, які нині застосовуються в авіації, - газотурбінних (ВМД). Вони виходять значно менше таких за потужністю ДВЗ, простіше та надійніше в експлуатації. Незважаючи на дещо підвищену витрату пального, виділяють менше токсичних продуктів, особливо двоокису азоту. Пояснюється це тим, що в ВМД горіння палива йде безперервно, при менших тисках та температурах, ніж у поршневих. Газотурбінний двигун – теж ДВС. Тільки в ньому стиск горючої суміші здійснює компресор (зазвичай відцентровий). Зовнішнє повітря, потрапляючи у компресор, обертається разом із його лопатками, стискується під впливом відцентрової сили, та був підігрівається в теплообміннику і потрапляє у камеру згоряння. Внаслідок спалювання суміші гарячі гази тиснуть на лопатки турбіни, на осі якої розташований компресор. Потрапивши далі на лопатки робочого колеса турбіни, вони витрачають головну частину своєї енергії на здійснення корисної роботи.

Такою є принципова схема дії так званої двовальної газової турбіни. Вона відрізняється тим, що обидві турбини, високого (компресорна) і низького (робоча) тиску, кінематично абсолютно незалежні. Для автотранспорту розробляються одновальні та тривальні турбіни. Поки що невідомо, яка з цих схем виявиться найперспективнішою. Швидше за все, залежно від необхідної потужності та спеціалізації автомобіля, кожна з них отримає право на подальший розвиток.

У всіх розглянутих вище двигунах пальне спалюється в камері згоряння – усередині порожнини, де знаходиться ротор, поршень чи турбіна. Управляти горінням там дуже нелегко, тому часто паливо спалюється не повністю, виділяється багато токсичних продуктів. Далі розглянемо такі двигуни, де пальне окислюється поза робочою порожниною (циліндрами). За аналогією з двигунами внутрішнього згоряння їх можна назвати двигунами зовнішнього згоряння. Основні з них - парові двигуни та двигуни Стірлінга.

Друга ера паровиків почалася лише кілька років тому, коли їх конструюванням на сучасній основі зайнялися найбільші науково-дослідні центри. У цих моторів багато привабливих особливостей: великий початковий момент, що крутить, відсутність складної коробки зміни передач, повна нешкідливість вихлопу. Та й динамічність парового двигуна – одна з важливих переваг.

При вдосконаленні старих схем вдалося подолати такі порски класичної парової машини, як вибухонебезпечність котла, непомірно велика вага, складність запуску та труднощі використання води як пароутворююча рідина в зимовий час. На зміну громіздким та небезпечним водогрійним котлам прийшли компактні трубчасті пароутворювачі. Вдалося успішно вписати всі агрегати у габарити легкового автомобіля.

Ще одна перспективна гілка дослідження пов'язана з мотором, винайденим ще в 1816 шотландцем Р. Стірлінгом. Цей двигун зовнішнього згоряння був заглушеною з обох кінців трубу, в якій ходив поршень. Порожнину з одного боку поршня безперервно нагрівали, з іншого охолоджували. Холодний газ зріджували та перекачували в гарячу порожнину. Тут за нерухомого поршня його температура і тиск піднімалися за рахунок нагрівання. Після досягнення газом максимальних параметрів поршень приходив у рух, роблячи робочий хід. Потім газ, що розширився, перекачували в холодну порожнину, де, безперервно охолоджуваний, він стискався поршнем, що рухається. Цикл повторювався.

Мал. 4. Двигун Стірлінга (натисніть для збільшення): 1 - розпилювач, 2 - повітряна форсунка, 3 - камера розширення, 4 -поршень, 5 - штовхач, 6 - провідна коса шайба, 7 - провідний вал, 8 - масляний насос, 9 - труби газоохолоджувача, 10 - труби газопідігрівача, 11 - випуск

Схема робочого циклу двигуна (натисніть , щоб збільшити)

Так як на стиск холодного газу витрачається менше механічної роботи, ніж виділяється при розширенні гарячого, двигун Стірлінг виділяв надмірну механічну енергію.

Зрозуміло, що така робота двигуна не могла бути особливо економічною. Однак, якщо стиснутий холодний газ перед подачею в гарячу порожнину підігрівати теплом, яке відводилося при охолодженні гарячого газу, стирлінг може стати вельми економічним двигуном, перевищуючи ККД і карбюраторний і дизельний.

Пристрій для підігріву газу - ємність, названу регенератором, - запропонував свого часу сам автор винаходу. У наші дні ефективність такого підігрівача довели до 98%. А порожнини двигуна стали заповнювати стислим до 100 – 200 атм воднем чи гелієм. Удосконалили і привід поршнів Стірлінга, зробивши його схожим на привід аксіально-поршневого насоса – з косою шайбою. В результаті осучаснений стерлінг підходить для більшості машин, що використовують теплові двигуни. Токсичність його в Сотні разів менша, ніж карбюраторного, і працює він майже безшумно. Але поки що стирлінги складні і дорогі, та й важчі за карбюраторні.

І все ж таки розглянуті вище двигуни в переважній більшості активні споживачі природного пального. А запаси його небезмежні. Тому становлять великий інтерес спроби використовувати як паливо штучно отриманий водень. Видобувати його можна з води, розкладаючи її електрострумом, сонячними променями, високою температурою з каталізаторами.

Головна перевага такого пального - набагато менша, ніж у бензину, токсичність продуктів згоряння. Окисів азоту утворюється, наприклад, у 200 разів менше, а окису вуглецю та вуглеводню у вихлопі взагалі немає. Однак виникають інші проблеми – наприклад, зберігання газу у балонах. Втім, вчені пропонують насичувати воднем гідриди деяких металів, що вбирають його як губка. Цікаво, що баки, заповнені гідридом, вміщують у 40 разів більше водню, ніж порожнисті.

Створюються також двигуни, де використовуються найнесподіваніші природні фактори – сонячне випромінювання, випаровування, осмос. Не випадково їх називають екзотичними: поки що вони мають дуже мале поширення. Але посилення інтересу до екологічно нешкідливих джерел енергії, безумовно, призведе до зростання їхньої ролі. Стануть в нагоді вони і в космічному транспорті - планетоходах, системах обслуговування орбітальних станцій.

Прикладом екзотичних моторів може бути так званий двигун світлового поглинання. Робочий циліндр у ньому має прозоре віконце, крізь яке пропускаються сонячні промені або промінь лазера, що нагрівають газ у циліндрі. За рахунок цього нагріву і відбувається робочий хід. Експериментальний зразок лазерного мотора дає до 600 об/хв за потужності апарату 30 Вт. ККД цього двигуна, щоправда, не перевищував 2%. Відомі двигуни, що працюють від сонячного випромінювання. Воно перетворюється за допомогою фотоелементів на електричний струм.

Мал. 5. Працює осмос: 1 – ванна з водою, 2 – диск з набухаючим кільцем, 3 – ведені валки

Мал. 6. "Вічний двигун", що працює під дією світлових променів: 1 - джерело світла, 2 - біметалічна пластина, 3 - грузик, 4 - водяна ванна, що охолоджує

Рис. 7. "Сонячний" двигун: 1 - магніт, 2 - металевий обід

І вже зовсім незвичайними є моделі моторів, що діють завдяки "пам'яті", відкритій у сплаву нітинолу. Зварений з нікелю і титану, він має незвичайну властивість: запам'ятовувати форму, яку йому надають у нагрітому стані. Можна, наприклад, смужку з цього сплаву закрутити в спіраль - поперемінно нагрівається і охолоджується, вона стане знову смужкою, то назад закрутиться, і так незліченну кількість разів. Американським інженерам вдалося, використовуючи цю властивість, побудувати двигун. Його основа – колесо з вигнутими спицями, які у гарячому стані були прямими. Коли таку спицю занурюють у ванну з теплою водою, вона випрямляється та штовхає колесо. Негайно ж спиця потрапляє в холодну воду і згинається, а на її місце в теплу ванну приходить нова зігнута спиця. Для роботи двигуна достатньо перепаду температур лише 23°. Автори винаходу вважають, що цей дивний двигун допоможе, наприклад, використовувати тепло, яке забирає охолоджувальною водою атомних електростанцій.

Можливі й мотори, де сонячне (або будь-яке інше) тепло використовується зміни магнітних властивостей металів. Завдяки цьому можна отримати механічну роботу. Ілюстрація тому - двигун, запропонований винахідником та журналістом А. Г. Пресняковим. Він дуже простий, складається з обода зі спицями - і тільки. Обід виготовлений з феромагнітного сплаву, що втрачає свої магнітні властивості при +65 °С. (Сьогодні вже відомі сплави, де ця втрата відбувається за більш низьких температур.) Досить близько до обіду встановити сильний постійний магніт і навіть не нагрівати, а тільки освітлювати якусь ділянку обода до втрати ним магнітних властивостей, як магніт притягатиме сусідні ділянки обода , змушуючи його прокручуватися. Не слід думати, що такий двигун дуже слабкий. Сонячний водопідйомник, збудований Пресняковим, у пустелі качав до 800 л води на годину. Виготовив Пресняков і візок, який котиться на світ сильної електролампи. Таку модель може побудувати і будь-який юний конструктор.

Мал. 8. Схема пневмоприводу: 1 – акумулятор (балон зі стисненим газом), 2 – вентиль, 3 – пневмодвигун

Мал. 9. Маховичний акумулятор: а – стрічковий супермаховик, б – дисковий

Деякі винахідники намагаються використовуватиме отримання механічної роботи явище осмосу. Воно, як відомо, полягає в дифузії речовини через напівпроникну перегородку, за рахунок чого створюється надмірний осмотичний тиск на осмотичний двигун, досить складний, проте придатний, на думку винахідників, для застосування на автомобілях. Радянський інженер П. Роговик з Макіївки пропонує дуже простий тихохідний осмотичний двигун невеликої потужності, що базується на розбуханні матеріалів при зволоженні. Так розбухає, наприклад, желатин.

Кільце цього матеріалу винахідник затиснув між двома валками, зануреними у воду до рівнів осей. Частини кільця, що знаходяться нижче за рівень, розширюються від набухання і тиснуть на валки, приводять їх у обертання. Разом із валками повільно крутиться і кільце. Його набряклі частини поступово піднімаються вгору, а сухі опускаються, вбирають воду, набухають і тиснуть на валки, продовжуючи їх обертати. Частини кільця, що вийшли з води, висихають і цикл триває.

Молодим конструкторам під силу створити й іншу модель екзотичного двигуна. Він працює від світлової енергії електричної лампи або сонця, яка сфокусована через лінзу. Для її будівництва знадобиться кілька біметалевих пластин, які використовуються в різних теплових реле. Відомо, що біметалічна пластина, зібрана з двох смужок металу з різним коефіцієнтом теплового розширення при нагріванні досить сильно згинається.

Робочий циліндр, виготовлений, наприклад, із пластмаси, "обшивається" по периметру біметалевими пластинами, прикріпленими до циліндра одним кінцем. На іншому їх кінці знаходяться грузики. Циліндр посаджений на спицю, укріплену у двох втулках на краях якоїсь судини.

У нормальному стані пластинки вигнуті по колу циліндра. При нагріванні пластинка розпрямляється і відходить від стінки, рівновага сил вантажів порушується і циліндр прокручується. Місце цієї платівки займає нова,

Е, що розпрямилася, охолоджується і знову притискається до стінки циліндра. Для прискорення охолодження в посуд можна налити холодної води.

2. Банк кінських сил

Ми говорили про те, що теплові двигуни постійно удосконалюються: знижується витрата пального, токсичність вихлопних газів. Але постає справедливе питання: а чи не можна взагалі обійтися без цих негативних якостей?

На це питання можна відповісти позитивно: є можливість отримувати енергію для транспортних засобів, що не потребують спалювання палива, а потім довірити цю енергію до споживача, накопичуючи її в акумуляторах.

Зараз більшість енергії у всьому світі виробляється теплоелектростанціями - ТЕС. Якщо уявити їх у вигляді спеціальних двигунів колосальних розмірів, транспортні засоби ми побачимо, що вони максимально економічні, та й атмосфера від них страждає менше, на стаціонарних пристроях більшої потужності набагато легше регулювати правильне згоряння палива, ніж на тисячах дрібних моторів, умови роботи яких до того ж змінюються щохвилини. Але... ТЕС не витримують іспиту на екологічність, тобто відсутність шкідливого впливу на природні процеси, що протікають у сфері застосування тієї чи іншої техніки.

Людство, однак, ставить собі на службу та екологічні джерела енергії, причому джерела практично невичерпні. Це енергія сонця, річок, припливів, вітру, внутрішнього тепла землі, океанського тепла та течій. Відносно нешкідливі атомні (у майбутньому та термоядерні) станції.

Отриману з цих джерел енергію можна різними шляхами доводити до споживача. Якщо останній – стаціонарний чи прив'язаний до певного маршруту (електричка, трамвай, тролейбус), нехай працюють електропроводи. Вели ж споживач рухливий, ті енергію доведеться попередньо акумулювати, щоб чорні попу таким обрізом "енергетичні консерви" використовувати при русі.

До речі, подібна енергія використовується з давніх-давен. Першими акумуляторами були, безумовно, найпростіші механічні пристрої, де людина запасаючи потенційну енергію. Підняті вантажі, натягнутий пук, катапульта - цими видами акумуляторів користувалися ще з давніх-давен. Є подібні акумулятори й досі. Вони використовуються дуже широке у вигляді заводних пружин: у годиннику, приладах, дитячих іграшках. Раніше вони знаходили застосування й у транспортних засобах: будувалися, наприклад, величезні заводні колісниці, у яких здійснювали парадні виїзди імператори. Пружини постійно підзаводилися захованими всередині воза рабами.

Однак у пружинних акумуляторів мала щільність енергії, тобто кількість її, що міститься в одиниці маси. Набагато більше вона у гумових пружних акумуляторах. Кожен модельіст знає, що мотори з еластичних джгутів піднімають у повітря моделі літаків та гелікоптерів. Є, звісно, ​​й тут недоліки: низький КПЦ, недовговічність.

Мал. 10. Схема сірчано-натрієвого акумулятора: 1 - струмовідведення позитивного електрода, 2 - розплав сірки, 3 - твердий електроліт, 4 - розплавлений натрій, 5 - корпус

Для транспортних машин більш придатний інший акумулятор, який може накопичити стільки енергії, що зможе забезпечувати переміщення на десятки і навіть сотні кілометрів. Це стислий газ. Накопичення енергії відбувається при закачуванні газу балон під тиском; виділення - під час випуску газу з балона. Працює тут пневмодвигун, подібний до тих, що застосовується, наприклад, у пневматичному ручному інструменті - гайковертах, дрилях.

Ще у 1876 році у французькому місті Нанті було збудовано трамвай, який працював на стислому повітрі. Він долав шестикілометровий маршрут із однієї заправки. Стиснутим до 30 атм. повітрям заповнювали десять балонів загальним об'ємом 2800 л. Витрата становила 8 кг повітря на кілометр шляху. Загального запасу вистачало на 10-12 км. Ідею цю не забуто і сьогодні. Пневмоакумулятори з'явилися на автомобілях, що працюють у міських умовах: фірма "Соргато" в Італії експериментує з машиною, з дев'ятьма сталевими балонами зі стисненим повітрям. Його вистачає, щоби пройти близько 100 км при швидкості 50 км/год. Вага "пневмобіля" - близько півтонни.

Пневматичний акумулятор "заряджають" та іншими газами, найчастіше рідким азотом, 50 л якого достатньо на 230 км пробіг автомобіля.

Але й газовий акумулятор має недоліки, причому суттєві. Так, при закачуванні газ нагрівається, під час випуску охолоджується. А це – непродуктивні втрати теплової енергії.

Більш перспективний інший акумулятор енергії – маховик. При обертанні він накопичує механічну енергію у вигляді кінетичної, і вона присутня в маховику до тих пір, поки він обертається.

Один з найстародавніших маховиків віком понад 55 тис років був виявлений археологом Леонардом Вуллі при розкопках в Іраку: масивне колесо, яке служило древньому майстрові гончарним колом. Згодом маховик зазнав значних змін, перетворився на сталевий диск, форма якого диктується вимогою "рівної міцності": адже зросли й швидкості розкручування. Сьогодні його поміщають у вакуумну камеру – для зменшення значних втрат на тертя про повітря. З тією ж метою замість підшипників застосовують магнітні опори, втрати на тертя про них виключені.

Скептики доведено довго утримували свою позицію, вказуючи на головну нестачу маховика як акумулятора – малу густину енергії. З чим це було пов'язано! Здавалося б, все просто: піднявши швидкість обертання, скажімо, удвічі, ми, як відомо з фізики, підвищуємо кінетичну енергію маховика вчетверо. Але разом з тим вчетверо зростають і механічні навантаження на тіло маховика, що призводять до його розриву з утворенням уламків, які становлять велику небезпеку для оточуючих.

І тоді пошук вчених та конструкторів призвів до створення так званих супермаховиків, виготовлених із тонких волокон чи стрічок шляхом навивки. Справа в тому, що сучасні нитко- і стрічковоподібні матеріали мають величезну міцність - у кілька разів міцніше, ніж моноліт з того ж матеріалу. Більш безпечним є і розрив супермаховика: тонкі волокна або стрічки не утворюють уламків, здатних викликати серйозні руйнування. Автору цих рядків доводилося випробовувати на розрив стрічковий супермаховик: він не міг пробити навіть кожуха двоміліметрової товщини, тоді як монолітним маховикам ніщо метрові стіни.

Головне ж у тому, що щільність енергії супермаховика набагато більша, ніж у монолітних. Теоретично вона навіть значно вища, ніж у електричних акумуляторів, а практично анітрохи не поступається їм.

Однак акумулятори характеризує не тільки щільність енергії, а й щільність потужності: тобто потужність, яку розвиває кожен кілограм маси. І за цим показником маховик рівних немає.

Таким чином, супермаховик – перспективний акумулятор (і двигун) для транспорту майбутнього. Він забезпечує швидкий розгін машини і не менш ефективне гальмування, має велику довговічність - словом, усі ті якості, які необхідні акумуляторному автомобілю і яких не бракує йому зараз. Особливо перспективний супермаховик для приводу автобусів, поїздів метро, ​​таксі та інших засобів міського транспорту, що працюють за циклічним, напруженим графіком, з частими розгонами та гальмуваннями.

Сучасні супермаховики у вакуумній камері обертання зберігають енергію навіть тижнями, а спеціальні зразки макувальних акумуляторів можуть керувати її роками. За терміном збереження енергії вони мають лише одне гідний суперник - електричні, чи, правильніше, електромеханічні, акумулятори. Створені вони порівняно недавно, хоча датою їх появи можна вважати 1799 коли Олександр Вольта, помістивши мідний і цинковий електроди в розведену сірчану кислоту, отримав перший гальванічний елемент. Адже майже будь-який гальванічний елемент може стати акумулятором, якщо через нього пропускати струм у зворотному напрямку, заряджаючи його. Навіть звичайні сухі батареї, що застосовуються для кишенькових ліхтариків та транзисторних приймачів, можна разів по 8-10 заряджати як акумулятор. Інша річ, що така "зарядка" економічно не надто вигідна: ККД виходить дуже малим. Але, погодьтеся, він все ж таки набагато вищий, ніж у викинутої батарейки.

Справжні ж акумулятори, хоч і дорожчі за звичайні гальванічні батареї, можуть витримати не 8-10 циклів підзарядки, а в сто разів більше. Тому зберігання енергії в електричних акумуляторах обходиться не дуже дорого.

З електричних акумуляторів найпоширеніші свинцево-кислотні; вони встановлюються на кожному автомобілі як стартерна батарея. Це скромні роботяги, вони не блищать енергетичними та потужними показниками, але досить економічні – мають високий ККД. Щоправда, погано переносять мороз, великі струми, сильну розрядку. На відміну від них лужком акумулятор невибагливий, але має низький ККД: до 0,4-0,5 порівняно з 0,75-0,8 свинцево-кислотного.

Від цих двох акумуляторів не можна очікувати особливих перспектив. Щільність енергії та потужності у них невисока, а автомобіль з таким вантажем возитиме в основному сам себе – такі вони важкі.

Особливі надії покладають сьогодні вчені на суперакумулятори – сірчано-натрієві, літієво-хлорні тощо. У них підтримується висока (300 – 600°) температура, електроліт розплавлений. Звичайно, руйнування такого акумулятора при аварії машини обіцяє мало хорошого, та й ККД їх невисокий, особливо якщо враховувати необхідність розігрівання вмісту. Однак дуже велика щільність енергії - разів на десять більше, ніж у свинцево-кислотних, та й щільність потужності вдвічі вища - до 150 Вт на кілограм маси. Потрібно зауважити, що такі "суперакумулятори" ще не вийшли зі стін лабораторій і над ними доведеться працювати і працювати.

Зрештою, не можна не згадати про так звані паливні елементи, що дозволяють безпосередньо переводити енергію пального в електричний струм. Найбільший інтерес з них представляють киснево-водневі елементи, в яких використовується процес розкладання води безпосередньо в самому елементі; в ньому є і ємності для зберігання одержуваних газів. Водень і кисень знову з'єднуються у воду, наприклад, за допомогою каталізаторів, високої температури та ін. При цьому виділяється електрична енергія, витрачена при розкладанні води, акумуляторна - у водні і кисні. Паливні елементи дуже перспективні для електромобілів, проте поки що дуже важкі та дорогі.

Мал. 11. Модель, що працює на акумульованій тепловій енергії: 1 – ковпак-турбінка, 2 – підшипник, 3 – голка, 4 – циліндр, 5 – опора, 6 – акумулятор (нагріте тіло)

Особняком стоять акумулятори теплової енергії. Самі по собі вони не можуть змусити машину рухатися, але в поєднанні з тепловим двигуном, наприклад, Стірлінг здатні забезпечити непогані результати. Раніше вже згадувалося про моторолера, що працює близько п'ятої години від відра розплавленого фтористого літію - акумулятора тепла.

Термос із гарячою водою, теплий камінь на сонці, гаряча праска, словом, будь-які нагріті тіла є акумулятором енергії. Однак є з'єднання, здатні накопичити її в десятки разів більше, ніж тіло, нагріте до тієї ж температури. З фізики відомо, що при плавленні кристалічної речовини температура його не підвищиться ні на один градус, доки не буде витрачено певну, зазвичай досить велику кількість тепла, - так звана прихована теплота плавлення. При затвердінні ця теплота виділяється, причому також без зміни температури речовини. Ось цьому явище і побудовано звані теплові акумулятори плавлення. Якщо необхідна температура невелика, нижче 100°, то в якості акумуляторної речовини застосовуються різні кристалогідрати. Для температур 600-800° найкраще підходять фториди та гібриди літію; вище - силіциди та бориди деяких металів:

Теплові акумулятори запасають величезну кількість енергії - більше, ніж будь-який, найперспективніший тип акумулятора. Лихо лише в тому, що при спробах використовувати цю енергію у вигляді механічної, електричної та інших "якісних" її видів основна кількість енергії втрачається, йдучи на нагрівання навколишнього середовища. До того ж маса пристрою, що перетворює тепло на "якісний" вид енергії (наприклад, двигун Стірлінга, термоелементи та ін., суттєво знижує такий показник, як щільність енергії всього пристрою, наближаючи його до пересічних типів акумуляторів енергії. Втім, і сьогодні тепловий акумулятор може мати непогане застосування, наприклад, для опалення транспортної машини, що приводиться від іншого акумулятора енергії: електричного, маковичного.

Говори про акумулятори, ми постійно посилаємося на їхній основний показник - щільність енергії. Для різних їх видів, якщо висловити його в кілоджоулях на кілограми маси, він такий:

у акумуляторів потенційної енергії: сталеві пружини – 0,32; гума – 32; газові та гідрогазові - 28. Тепловий акумулятор з двигуном Стірлінга - 9.

Електрохімічні акумулятори: свинцево-кислотні – 64; нікель-кадмієві (лужні) – 110; сірчано-натрієві – 800; паливний елемент за різних термінів розв'язки - 15-150.

Маховичні акумулятори: сталевий диск з отвором – 30; суцільний диск рівної міцності – 120; супер-маховик зі стрічки – 150; супермаховик із спеціального волокна - 650 (модель).

Однак не слід забувати, що у маховичних акумуляторів дуже великі резерви накопичення енергії. Так, наприклад, якщо виготовити супермаховик з кварцового волокна, яке поки що існує лише в лабораторіях, то вдасться підвищити густину енергії до 5000 кілоджоулів на кілограми. А якщо використовувати "наддефіцитне" вуглецеве волокно зі структурою алмазу, то отримаємо фантастичну цифру - 15 000 кДж/кг! Таких висновків дійшли нещодавно японські вчені.

Насамкінець хочу запропонувати побудувати цікаву модель "вічного" двигуна, що працює на акумульованій енергії, що отримується від простого пристрою теплового акумулятора. Для цього виготовимо циліндричний ковпак, склеївши його з восковки або іншого тонкого та міцного паперу з верхом із ватману або жорсткої алюмінієвої фольги. Ця кришка матиме вигляд турбінки, утвореної вирізами з відігнутими краями; оптимальний кут відгину можна визначити дослідним шляхом. У центрі турбінки на клею кріпиться легке металеве гніздо: суперечка з конічною виїмкою, в яку вставляється вістря голки. Тупим кінцем голка входить у пробку, укріплену на важкій вогнетривкій підставці за допомогою триноги з товстого дроту. Ковпак не перекошується на голці і легко обертається від слабкого поштовху або подиху знизу.

Для приведення такого "перпетууммобіле" в рух потрібно покласти на підставку металеву болванку, нагріту до 300-400 °, і накрити її ковпаком. Болванка-акумулятор тепла викликає рух повітря всередині ковпака знизу вгору. Проходячи через турбінку, повітря обертатиме її тим швидше, чим сильніше нагрітий акумулятор тепла.

Ще кращих результатів можна досягти, якщо болванку буде замінено банкою з розплавленим свинцем або цинком. Тоді ми матимемо справжній акумулятор плавлення. Найкраще, звичайно, використовувати фторид або гідрид літію. Тут потрібно дотримуватись великої обережності, щоб не обпектися і не влаштувати пожежу, а досвід вести у спеціально обладнаній фізичній лабораторії чи майстерні.

Хтось, можливо, скаже, що легше накрити цим ковпаком електролампу. Тоді ковпак-абажур (який при цьому можна розфарбувати) обертатиметься доти, доки горить лампа. Але при цьому ми змусимо працювати звичайний тепловий двигун без акумулювання енергії.

Ми розповіли лише про деякі типи теплових двигунів, які розробляються для машин майбутнього. Зрозуміло, це навіть не всі основні види двигунів завтрашнього дня. У їхній розробці можуть спробувати свої сили, звичайно ж, і молоді конструктори та моделісти. Однак треба пам'ятати, що створення нових двигунів - справа складна та трудомістка, для чого необхідні серйозні та спеціальні знання; одним "винахідництвом" багато чого не досягнеш. А першим іспитом на працездатність вашої ідеї може послужити побудована своїми руками модель, що діє.

Автор: Н.Гуліа

 Рекомендуємо цікаві статті розділу Особистий транспорт: наземний, водний, повітряний:

▪ Шагоплав

▪ Автомобіль-купе Пегас

▪ Самохідна монолижа

Дивіться інші статті розділу Особистий транспорт: наземний, водний, повітряний.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Машина для проріджування квітів у садах 02.05.2024

У сучасному сільському господарстві розвивається технологічний прогрес, спрямований на підвищення ефективності догляду за рослинами. В Італії було представлено інноваційну машину для проріджування квітів Florix, створену з метою оптимізації етапу збирання врожаю. Цей інструмент оснащений мобільними важелями, що дозволяють легко адаптувати його до особливостей саду. Оператор може регулювати швидкість тонких проводів, керуючи ним із кабіни трактора за допомогою джойстика. Такий підхід значно підвищує ефективність процесу проріджування квітів, забезпечуючи можливість індивідуального налаштування під конкретні умови саду, а також сорт та вид фруктів, що вирощуються на ньому. Після дворічних випробувань машини Florix на різних типах плодів результати виявились дуже обнадійливими. Фермери, такі як Філіберто Монтанарі, який використовував машину Florix протягом кількох років, відзначають значне скорочення часу та трудовитрат, необхідних для проріджування кольорів. ...>>

Удосконалений мікроскоп інфрачервоного діапазону 02.05.2024

Мікроскопи відіграють важливу роль у наукових дослідженнях, дозволяючи вченим занурюватися у світ невидимих ​​для ока структур та процесів. Однак різні методи мікроскопії мають обмеження, і серед них було обмеження дозволу при використанні інфрачервоного діапазону. Але останні досягнення японських дослідників із Токійського університету відкривають нові перспективи вивчення мікросвіту. Вчені з Токійського університету представили новий мікроскоп, який революціонізує можливості мікроскопії в інфрачервоному діапазоні. Цей удосконалений прилад дозволяє побачити внутрішні структури живих бактерій із дивовижною чіткістю в нанометровому масштабі. Зазвичай мікроскопи в середньому інфрачервоному діапазоні обмежені низьким дозволом, але нова розробка японських дослідників дозволяє подолати ці обмеження. За словами вчених, розроблений мікроскоп дозволяє створювати зображення з роздільною здатністю до 120 нанометрів, що в 30 разів перевищує дозвіл традиційних метрів. ...>>

Пастка для комах 01.05.2024

Сільське господарство - одна з ключових галузей економіки, і боротьба зі шкідниками є невід'ємною частиною цього процесу. Команда вчених з Індійської ради сільськогосподарських досліджень – Центрального науково-дослідного інституту картоплі (ICAR-CPRI) у Шимлі представила інноваційне вирішення цієї проблеми – повітряну пастку для комах, яка працює від вітру. Цей пристрій адресує недоліки традиційних методів боротьби зі шкідниками, надаючи дані про популяцію комах у реальному часі. Пастка повністю працює за рахунок енергії вітру, що робить її екологічно чистим рішенням, яке не вимагає електроживлення. Її унікальна конструкція дозволяє відстежувати як шкідливі, так і корисні комахи, забезпечуючи повний огляд популяції в будь-якій сільськогосподарській зоні. "Оцінюючи цільових шкідників у потрібний час, ми можемо вживати необхідних заходів для контролю як комах-шкідників, так і хвороб", - зазначає Капіл. ...>>

Випадкова новина з Архіву Спінений папір 06.06.2000 Для упаковки крихких виробів широко використовується стиропор - пориста пластмаса, з якої роблять пакувальні вставки для коробок з апаратурою та кульки або пластівці, що насипаються в такі коробки для пом'якшення ударів. Однак на синтез стиропора витрачається невідновлювана сировина - нафта, у її виробництві застосовуються гази, небезпечні для озонового шару Землі, а використана упаковка практично не розкладається, накопичуючись у природі. Німецький винахідник Фрідріх Пріс із Гамбурга заснував невелику фірму, яка виробляє за розробленою ним технологією спінений пакувальний матеріал із макулатури. Кидовий папір дрібно нарізається, потім розмелюється на окремі волокна, які поєднуються з крохмалем. З цієї маси пресують гранули. Їх піддають у герметичному апараті високому тиску з перегрітою водяною парою, а потім різко скидають тиск. Гранули спінюються, утворюючи пористі кульки, які поглинають поштовхи краще за стиропорові. Також отримують і пакувальні вставки, тільки паперова маса розливається попередньо за формами. Цей матеріал дешевший за стиропор і на звалищі швидко розкладається мікробами та грибками.

Інші цікаві новини:

▪ Бездротовий телевізор

▪ Протез росте разом із пацієнтом

▪ Магнітно-резонансна томографія одного атома

▪ Названо головну причину землетрусів

▪ Юпітер позбавив Сонячну систему планети

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Дозиметри. Добірка статей

▪ стаття Все зрозуміти - все пробачити. Крилатий вислів

▪ стаття Чи є у риби серце? Детальна відповідь

▪ стаття Люцерна тропічна. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Наближений розрахунок річного виробітку електроенергії вітроагрегатом. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Підсилювач-коректор на мікросхемі К157УЛ1 для магнітного звукознімача. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024