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...
Заключение, в котором автор говорит о том, как стать счастливым, и подкрепляет это конкретными советами, как житейскими, так и чисто техническими, не забывая, конечно, и об «энергетической капсуле»
В своих афоризмах небезызвестный Козьма Прутков сказал: «Если хочешь быть счастливым – будь им!» Что ж, ему не откажешь ни в остроумии, ни в глубокомыслии. Но совет уж больно расплывчатый, неконкретный. Нисколько не посягая на лавры Козьмы Пруткова, я расшифрую это изречение так, как понял его сам: «Если хочешь быть счастливым – будь изобретателем!» Ибо нет, пожалуй, людей счастливее, чем изобретатели.
Однако на этом пути, юный читатель, немало «подводных камней», как впрочем, и в любом другом серьезном деле. Попытаюсь уберечь тебя от наиболее опасных из них, а заодно дам несколько советов.
Никогда не берись изобретать то, о чем мало знаешь; удачи здесь почти никогда не бывает, зато прослывешь «горе-изобретателем».