Текст книги "Удивительная механика"

Автор книги: Нурбей Гулиа

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 15 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]

Электромобили

Прежде чем расстаться с электроаккумуляторами, я решил испытать их на электромобиле. Все прочитанное мною про электромобиль было настолько противоречиво, что мне захотелось непременно составить о них собственное мнение.

На электромобили иногда смотрят как на какую-нибудь новинку. А ведь они были созданы задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х годах XIX века появился первый электродвигатель, его сразу же поставили на экипаж. Работал этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 году, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 м с метровыми колесами, то есть достаточно крупное сооружение. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не сохранилось.

В России первый электромобиль сконструировал инженер Ипполит Романов в 1896 году. Машина имела скорость 25 км/ч и запас хода 40 км. Вскоре тот же И. Романов построил первые электрические автобусы, на 15 пассажиров каждый. Талантливый инженер мечтал создать в Петербурге широкую сеть электроавтобусов для перевозки пассажиров, им был составлен подробный план всех необходимых работ. Однако этому плану не суждено было сбыться.

В самом начале прошлого века электромобилей было уже так много, что в американском городе Чикаго, например, их число вдвое превышало число автомобилей! Электромобилисты чувствовали себя тогда весьма уверенно – даже мировые рекорды скорости принадлежали им, а не автомобилистам. Еще в 1898 году этот рекорд был равен 63 км/ч, а годом позже – 105,9 км/ч. По тем временам это было совсем немало.

Впоследствии, когда стали добывать много дешевого бензина (он поначалу даже считался побочным продуктом перегонки нефти, и его просто сжигали!), автомобили вытеснили своих электрических собратьев. Для подзарядки электромобилей, число которых сильно возросло, уже не хватало мощности электростанций.

Французский городской электромобиль «Тюльпан»

Сегодняшний возврат к электромобилям (как и к паромобилям, воздухомобилям и т. п.) вызван отнюдь не тем, что у инженеров появились какие-нибудь принципиально новые идеи, связанные с коренным улучшением электромобилей. Нет, просто стало трудно дышать в крупных городах из-за выхлопных газов двигателей, и к тому же быстро кончаются мировые запасы топлива. Отсюда возникла необходимость спешно найти замену автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. Вот и вспомнили про электромобили.

Российский грузовой электромобиль, используемый на ВВЦ

Как я уже сказал, меня удивляла противоречивость сообщений об электромобилях. Например, в одной из публикаций я прочел, что французские инженеры построили электромобиль с дальностью пробега 500 км, 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 км с одной зарядки, максимальная скорость у них не выше 80 км/ч, а разгон – и вовсе никуда не годится. 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 кг, батарея была совершенно новая и очень емкая.

В качестве тягового двигателя я применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Правда, двигатель пришлось разобрать и заменить в нем шестерню таким же по размеру 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.

Мой микроэлектромобиль

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 В. Один провод – общий, а другие подключались к клеммам стартера через соответствующие переключатели. Каждому напряжению соответствовал отдельный переключатель. Получилась своеобразная коробка передач.

Управление машиной было несложным – руль и переключатели, которые обеспечивали нужную скорость. Тормоза я взял от мопеда. Задние колеса посадил на ось с помощью подшипников, привод был только на одно колесо. Это давало возможность автомобилю свободно поворачивать вправо и влево. Такие приводы характерны для микро-мобилей.

Я немало поездил на своем электромобиле. Выбирал и ровные, и наклонные дороги, развивал на некоторых участках скорость до 40 км/ч. Единовременный пробег в разных дорожных условиях составлял около 10 км, 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 кг) оказалось примерно таким же, как и у стандартных зарубежных электромобилей. Поэтому мои выводы могли быть распространены на все эти машины. 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 поглощает всю энергию аккумулятора; зарядка аккумуляторов удручающе длительна.

В чем тут дело? Казалось бы, электродвигатель обладает всеми положительными качествами, необходимыми автомобилю, – 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 100 кг развивает мощность до 80-100 кВт. А аккумуляторная батарея той же массы – не более 8 кВт! И то при этом она достаточно быстро разряжается. Для того чтобы полностью сравняться с автомобилем, электромобиль должен иметь аккумулятор, основные показатели которого – плотность энергии и мощность – были бы в пять-десять раз выше нынешних. Что ж, видимо, этим и придется заняться специалистам.

Водородные генераторы

В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в некоторых других его произведениях упоминается 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.

Схема работы топливного элемента

В таком примерно виде этот метод был разработан в прошлом веке известным изобретателем А. Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 %. К тому же для работы на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей не предназначен – 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 желаемого результата, отдача энергии будет очень мала.

Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или «подщелоченная», является здесь проводником тока, электролитом. А нельзя ли наоборот – подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?

Оказывается, ученые работают над этим уже давно. Еще в позапрошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали поместить платиновые электроды и к одному из них медленно направить водород, а к другому кислород, то на электродах появится разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Стоило соединить электроды, как возникал электрический ток. Сразу получить большой ток не удалось, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в том, чтобы увеличить мощность этого процесса.

Для преобразования энергии ныне существует множество типов установок, 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 °С. Электролитами могут служить и щелочь, и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Водородно-кислородный топливный элемент

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 %, 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 через особый фитиль. Она настолько чистая, 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 1 МДж/кг. 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 тяжелые. 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 небольшая, около 60 Вт/кг, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Накопители энергии, принцип работы которых основан на аккумулировании водорода, имеют свои особенности в применении на транспорте, в частности на автомобилях. Об этом будет подробно сказано позже.

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.

Электрический скат – «торпедо» (а) и схема его «электрических» органов (б)

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 А при напряжении 300 В, то есть развивать мощность почти 2,5 кВт, что больше 3 лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Если подсчитать плотность мощности электрических органов ската, то получится свыше 150 Вт/кг! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100—150 Вт/кг 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. Да и общество защиты животных будет против!

Неразгаданная тайна шаровой молнии

Поиски «энергетической капсулы» заставили меня поближе познакомиться и с таким загадочным 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 учеными 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 свойства.

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. Л. 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, со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и спустя 20 минут в нее нельзя было погрузить руку. Шаровая молния, израсходовав всю 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 л 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 на пути к бочонку молния прожгла телеграфные провода и опалила оконную раму.

«Опыт с бочонком» профессора Б. Л. Гудлета

Профессор Б. Л. Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около литра и принимая за 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 МДж/кг, то есть шаровая молния в сотни и тысячи раз превышает по плотности энергии лучшие электрохимические аккумуляторы!

«Опыт с бочонком» не был единичным. Попадание шаровых молний в баки, канистры и другие емкости всегда сопровождалось вскипанием содержащихся в них жидкостей. Просто «опыт с бочонком», достоверно описанный профессором Б. Л. Гудлетом, наиболее подробно 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. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 МДж/кг, но в общем-то и это чрезвычайно много!

Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не получила окончательного признания. Мне же наиболее любопытными показались две противоположные гипотезы. Согласно первой, выдвинутой в позапрошлом веке знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на создание 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 учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Часть исследователей утверждает, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование (ХЛО), которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.

Так или иначе, но эта гипотеза, в соответствии с которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, нравилась мне больше остальных. Может быть, потому, что она позволяла 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 150 м высвечивается примерно за 10 с. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 см (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!

Исходя из этого П. Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной от 35 до 70 см. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.

Хотя гипотеза П. Л. Капицы нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35—70 см, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком», описанному профессором Б. Л. Гудлетом. Дело в том, что вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало сколько-нибудь заметного ее нагрева.

Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает при соприкосновении толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие «силовые» трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести на куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния «нырнула» в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же шаровой молнии по своему эффекту напоминало бы скорее звук лопающегося резинового воздушного шарика.

Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как аккумулятора выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так, например, легкий газ ацетилен, взятый в объеме 1 литра, сгорает в воздухе в течение нескольких десятков секунд, образуя при этом яркое свечение, интенсивность которого соизмерима с силой света шаровой молнии. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз больше. Поэтому мне показалась более правдоподобной первая гипотеза.

Я уже почти не сомневался, что шаровая молния несет свою энергию внутри себя, то есть она и есть настоящая «энергетическая капсула», только созданная не человеком, а искусницей-природой.

Однако загадка шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной, ибо пока не удалось получить шаровую молнию искусственно. Возможно, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии! Но в нынешнем виде «грозовая материя» показалась мне слишком опасной, чтобы строить «капсулу» на ее основе.