Как я уже сказал, меня удивляла противоречивость сообщений об электромобилях. Например, в одной из публикаций я прочел, что японские инженеры построили электромобиль с дальностью пробега 500 километров, а скорость и разгон у него – ну прямо как у спортивных автомобилей. Спустя какое-то время после этого сообщения американские специалисты решительно заявили, что электромобили пока способны проходить лишь 50...60 километров с одной зарядки, максимальная скорость у них не выше 80 километров в час, а разгон – из рук вон плохой. В гору такой электромобиль вообще не может быстро двигаться. По своим характеристикам это скорее не электромобиль, а электрокар – аккумуляторная тележка, какие ездят по территории заводов.
Чего только не приходилось читать и про зарядку аккумуляторов. Писали, например, что уже созданы электронные установки для зарядки аккумуляторов за считанные минуты и чуть ли не секунды. Но тем не менее до сих пор аккумуляторы еще заряжают в течение многих часов.
Короче говоря, я задумал построить модель электромобиля, чтобы все проверить самому. Признаться, осуществить задуманное оказалось нелегко. Постоянно вставали вопросы: где раздобыть то? Где найти это? Но раз уж взялся за дело, нужно было доводить его до конца.
В своей конструкции я использовал раму от маленького спортивного автомобиля – карта. Задние колеса взял побольше, от мопеда, а передние – от детского самоката. На раму позади сиденья поставил одну аккумуляторную батарею от автомобиля МАЗ (там две такие батареи), которую выпросил на время у знакомого водителя. Масса этой батареи – около 40 килограммов, батарея была совершенно новая и очень емкая.
В качестве тягового двигателя я применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Правда, пришлось двигатель разобрать и заменить в нем шестерню такого же размера стальным цилиндром с накаткой, как у напильников, для большей шероховатости. Впоследствии я убедился, что можно было и не снимать шестерню, а посадить на зубья стальное кольцо с накаткой, залив пространство между зубьями эпоксидным клеем. Такие цилиндры или кольца, передающие движение трением, в технике называются фрикционами.
Стартерный двигатель я установил у одного из задних колес, на качающемся рычаге. Вместе с фрикционом двигатель прижимался к колесу пружиной. С аккумуляторной батареей он был соединен несколькими толстыми проводами так, чтобы к нему можно было подключать различное напряжение: 6, 8, 10 и 12 вольт. Один провод – общий, а другие подключались к клеммам стартера через соответствующие переключатели. Каждому напряжению соответствовал отдельный переключатель. Получилась своеобразная коробка скоростей.
Управление машиной было несложным – руль и переключатели, которые обеспечивали нужную скорость. Тормоза я взял от мопеда. Задние колеса посадил на ось на подшипниках, привод был только на одно колесо. Это давало возможность автомобилю свободно поворачивать вправо и влево. Такие приводы характерны для микромобилей.
Я немало поездил на своем электромобиле. Выбирал и ровные, и наклонные дороги, развивал на некоторых участках скорость до 40 километров в час. Единовременный пробег в разных дорожных условиях составлял около десяти километров, дальше разряжать аккумулятор было ни к чему – он мог испортиться. Соотношение массы аккумулятора и мощности двигателя (стартера) с массой электромобиля (а он весил со мной вместе до 100 килограммов) оказалось примерно таким же, как и у стандартных зарубежных электромобилей. Поэтому мои выводы могли быть применимы для всех этих машин. А выводы были следующие: электромобиль прекрасно идет по ровным дорогам с постоянной скоростью; дальность пробега электромобиля в этих условиях может быть достаточно большой, в расчете, конечно, на емкие аккумуляторы; разгоняется электромобиль очень вяло, медленно набирает скорость. Он не может вписаться в городское движение. У светофора, например, он будет сдерживать всю колонну автомобилей позади себя; в гору электромобиль либо не едет вообще, либо едет очень медленно и очень недолго; аккумуляторы при этом мгновенно «садятся»; торможения и разгоны катастрофически сокращают дальность пробега электромобиля; десяток торможений и разгонов до предельной скорости поглощают всю энергию аккумулятора; зарядка аккумуляторов удручающе длительна.
Я привел свои выводы лишь потому, что они почти полностью согласовались с мнениями специалистов по электромобилям, которые я прочел гораздо позже. Видимо, к тому же пришли и конструкторы электромобилей в начале века – идея электромобиля за это время не претерпела каких-либо существенных изменений. Вот если бы электромобиль смог по резвости соревноваться с обычным автомобилем, тогда ему, как говорится, цены бы не было!
В чем тут дело? Казалось бы, электродвигатель обладает всеми положительными качествами, необходимыми для автомобиля, – способностью переносить перегрузки, удобством управления, экономичностью. Троллейбус, который приводится в движение электромотором, при разгонах оставляет далеко позади себя автобусы с двигателем внутреннего сгорания, перегоняет их при движении на подъемах. Почему же электромобиль отстает от троллейбуса?
Да потому, что троллейбус получает энергию извне, от электросети, а электромобиль – от собственной батареи. А электроаккумуляторы, даже с большой плотностью энергии, обеспечивающей долгий пробег, имеют очень небольшую плотность мощности. Этот показатель у электроаккумуляторов во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей.
Например, хороший двигатель массой в сто килограммов может развить до 80...100 киловатт мощности. А аккумуляторная батарея той же массы – не более восьми киловатт! И то при этом она достаточно быстро разрядится. Для того чтобы полностью сравняться с автомобилем, электромобиль должен иметь аккумулятор, основные показатели которого – плотность энергии и мощность – в пять – десять раз выше. Что ж, видимо, этим и придется заняться специалистам.
Водородные генераторы
В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в других его произведениях встречается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова.
Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика.
А что, если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.
В таком примерно виде этот метод был разработан полвека назад известным изобретателем А.Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же А.Г. Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 процентов. К тому же на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей работать не будет – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет нам желаемого результата, отдача энергии здесь будет очень мала.
Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или подсоленная, является здесь проводником тока, электролитом. Нельзя ли, подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?
Оказывается, ученые работают над этим давно. Еще в прошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток. Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.
Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100...200 градусов по Цельсию. Электролитами могут служить и щелочь и кислота, причем в твердом и жидком виде.
Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 процентов, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.
Как же все-таки работает современный топливный элемент?
В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии.
Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль. Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.
Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около мегаджоуля на килограмм. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.
Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 50 ватт на килограмм массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.
Накопители энергии, имеющие в основе своей работы принцип водородного аккумулирования, могут появиться в промышленности и на транспорте в лучшем случае к самому концу нашего века.
Очень уж сложна и трудоемка их разработка, слишком дорогими получаются пока составляющие их устройства.
Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб: например, электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.
Электрические органы ската, расположенные по бокам головы, весят около пуда. По своему строению они поразительно похожи на батарею гальванических элементов. Состоят эти органы из многочисленных пластинок, несущих положительные и отрицательные заряды, причем пластинки расположены столбиками (как бы соединены последовательно), а столбики связаны между собой. Каждый электрический орган покрыт «электроизолирующей» тканью.
Скат способен давать ток силой 8 ампер при напряжении в 300 вольт, то есть развивать мощность почти 2,5 киловатта, что больше трех лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Подсчитав плотность мощности электрических органов ската, получим свыше 150 ватт на килограмм! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100...150 ватт на килограмм открыло бы широкие возможности для применения электрохимических источников тока на транспорте, в частности для привода электромобилей. Сегодняшним аккумуляторным батареям это пока не под силу. Браво, скат!
Но хотя скат и обогнал аккумуляторную технику, не разводить же его специально для накопления энергии. Нет, скат – не «капсула», он и не захочет быть ею, даже если попытаться одомашнить его для целей электроснабжения. Это все, скорее, из области фантастики...
Неразгаданная тайна шаровой молнии
Поиски «энергетической капсулы» заставили меня поближе познакомиться и с таким загадочным 70 явлением природы, как шаровая молния. По правде говоря, никто пока точно не знает, накопитель это или нет. Но я с некоторой долей риска все-таки решил считать шаровую молнию аккумулятором энергии.
Вот кратко те характеристики шаровой молнии, которые составлены на основе большого количества свидетельств очевидцев: энергия, заключенная в молнии, – от 0,1 до 4 кВт·ч; время существования – от нескольких секунд до минут; масса – от 0,5 до 50 г; плотность – от 0,0013 до 0,015 г/см3.
Конечно, у шаровой молнии есть и другие характеристики, например, сила свечения, скорость движения и т.д., но меня прежде всего интересовали ее аккумулирующие возможности.
В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, естественно, отличающихся друг от друга. Однако особенно примечателен так называемый «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.
Шаровая молния размером с большой апельсин (10...15 см диаметром) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было погрузить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, что она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.
В бочонке помещалось около 16 литров воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч. В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку молния пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.
Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 литра и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см3, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5...50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 мегаджоулей на килограмм массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!
«Опыт с бочонком» не был единичным. Попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой во все последующие времена везде вызывало вскипание содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран учеными.
Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 мегаджоулей на килограмм, но, в общем-то, и это чрезвычайно много!
Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Мне же наиболее любопытными показались две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в прошлом веке знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии – «грозовой материи» – вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.
К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение искусственной «грозовой материи» по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.
Известный советский физик Я.И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.
Недавно открытое советскими учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждают, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование – ХЛО, которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.
Так или иначе, но эта гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, нравилась мне больше остальных. Может быть, потому, что она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.
Совершенно противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П.Л. Капица. Прежде всего он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П.Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».
При этом П.Л. Капица ссылается на так называемое высвечивание, то есть прекращение сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 метров высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 сантиметров (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!