В поисках «энергетической капсулы»

Итак, по каким причинам нельзя накопить в обычном маховике больше энергии? Во-первых, это малая прочность материала, из которого он изготовлен. Крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Во-вторых, чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее его разрыв, если он приключится, и тем больший запас прочности понадобится, чтобы уберечь маховик от разрыва.

«А что, если изменить форму маховика? – подумал я. – Например, разместить всю массу на периферии, превратив маховик в тяжелый обод, связанный с центральной частью тонкими спицами, как в велосипедном колесе?»

Оказывается, специалисты уже пытались это сделать. По сравнению с кругом древнего гончара и впрямь получалось лучше. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, – диски «равной прочности». Как это ни удивительно, но энергии они могли накопить раза в два больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе маховика.

Так я пришел к важному для себя заключению: энергия каждого килограмма массы маховика зависит от его формы и от прочности! Математическое доказательство этого я дал позже, когда уже окончил институт, а пока по мере своих возможностей высчитал, что если с изменением формы с самой худшей на самую лучшую прибавка энергии незначительна, максимум в три раза, то, повышая прочность, можно во столько же раз увеличивать плотность энергии, причем это увеличение ничем не ограничено. Правда, тут получался порочный круг. Непрочный, например глиняный, маховик накапливает мало энергии, но разрыв его не так уж опасен, а прочный, скажем, стальной, может накопить большую энергию, однако разрыв его столь опасен, что приходится заботиться о повышении запаса прочности. А это опять-таки равносильно снижению прочности.

Конструкторам маховиков никак не удавалось вырваться из этого замкнутого круга, поэтому и вынуждены были маховики играть вторую, если не третью, роль среди накопителей энергии...

Одним выстрелом – двух зайцев

Решение я нашел не сразу. Долго старался всякими хитроумными способами увеличить прочность маховика – ничего не выходило. Попытки уменьшить последствия разрыва надрезанием обода на мелкие части – чтобы осколки были поменьше размером, тоже ни к чему не привели. Я вспомнил, что так же надрезали корпуса гранат-лимонок, но безопаснее они от этого не стали. Напротив, осколков прибавилось, и граната увеличила убойную силу.

Помогли мне здесь, как это ни странно, занятия гиревым спортом. Чтобы укрепить кисти рук, мы клали на два крючка ломик и медленно наворачивали на него тоненький стальной тросик с тяжелой гирей на конце. Свитый из проволок, этот тросик никогда не рвался сразу, а всегда постепенно, проволочка за проволочкой. Разумеется, о высокой прочности стальных проволок и тросов из них я знал и раньше, но до сих пор это как-то не увязывалось в сознании с массивным маховиком. И вот теперь, когда заброшенный на антресоли тросик случайно попался мне на глаза, я чуть было не воскликнул: «Эврика!» – и решил: маховик нужно делать из троса!

Я взял кусок троса в метр длиной, зажал его посередине в кольцевом зажиме – оправке, а саму оправку посадил на вал. Получился хоть и необычный, но маховик. Такие маховики в дальнейшем были названы супермаховиками.

В чем преимущества супермаховика? Если вращать вал с оправкой и тросом в ней, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке. А тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух. Стало быть, супермаховик из троса разрывается безопасно!

Однако это еще не все. Дело в том, что огромная прочность проволочек троса дает возможность супермаховику накапливать значительные количества энергии. Если прочность стальной струны выше прочности монолитного стального куска раз в пять, то супермаховик из струны при прочих равных условиях накопит энергии во столько же раз больше, чем обычный маховик с той же массой. Но ведь условия-то совсем не одинаковые!

Обычный литой маховик, разорвавшись, способен наделать много разрушений, а разрыв супермаховика снаружи даже и не заметишь. Выходит, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его следует уменьшить примерно вдвое по сравнению с маховиком. То есть получается, что супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в десять раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. И при этом его разрыв безвреден для окружающих! Эти качества, присущие именно супермаховику, – высокая плотность энергии и безопасность разрыва – приблизили его к «энергетической капсуле».

Несмотря на то, что я был необычайно рад моей находке, идея вращать трос «поперек себя» мне не очень нравилась. Такой трос, помещенный в кожух, оставит там много свободного места, он будет бесцельно взбаламучивать воздух, как пропеллер, затрачивая на это энергию. Да и разорваться подобный супермаховик может, в принципе, целиком – оторвавшаяся проволочка не мешает свободно рваться другим. А это совсем нежелательно.

Поэтому после недолгих раздумий я решил навивать проволоку, из которой изготовляется трос, на барабан, как на катушку. Но вскоре мне в голову пришла мысль, что вместо проволочек можно взять такую же по прочности тонкую стальную ленту, чтобы намотка была плотнее, а для надежности склеить витки ленты между собой. Получится супермаховик, напоминающий по виду обычный маховик, только накапливающий гораздо больше энергии. Я назвал его ободковым, так как вся лента здесь должна была навиваться по ободу барабана.

Разрыв ободкового супермаховика обещал быть уже совершенно безопасным. При превышении скорости вращения первой разорвется наиболее нагруженная внешняя лента, которая тотчас же прижмется к корпусу и автоматически затормозит супермаховик. Оторванную ленту можно будет приклеить снова – и супермаховик опять готов к работе. От первоначальной идеи вращающегося троса я без колебаний отказался.

Наверное, я не мог бы так сразу отбросить идею тросового супермаховика, если бы знал тогда, что американские специалисты будут свыше десяти лет разрабатывать такие маховики. Правда, спустя годы они, убедившись в неудобстве подобных конструкций, тоже перешли к ободковым супермаховикам.

Но идея идеей, а пробовать надо – вдруг что-нибудь не так? Начались мои хождения по свалкам вторсырья, химическим и хозяйственным магазинам, по знакомым, работающим на производстве. Наконец я стал обладателем ящика с поржавевшей стальной лентой, банки резинового клея и бутылки бензина. На заводе друзья выточили мне несколько дисков из текстолита, на которые я намеревался навивать ленту. И вот в одно из воскресений я упросил товарища помочь мне изготовить супермаховики.

Мы очищали поверхность ленты бензином, мазали клеем и навивали на диски. Лента часто соскакивала, резала нам руки, падала на пол, так что приходилось всякий раз вновь стирать с нее пыль, но работу мы все равно закончили. Перед нами лежали три супермаховика диаметром по 30 сантиметров. Внешние слои ленты мы закрепили тонкой стальной проволокой и нагрели супермаховики в духовке, чтобы клей окончательно высох.

Я рассчитывал испытать мои супермаховики на разрыв с помощью двигателя от пылесоса. Пылесосный двигатель очень скоростной, вал его делает 15...18 тысяч оборотов в минуту.

Надев супермаховик на вал двигателя и закрепив его там, я зажал двигатель в тисках и включил в сеть. Начался разгон супермаховика. Вибрации то нарастали – казалось, что диск уже срывается с оси, – то снова стихали. Скорость вращения увеличивалась, о чем можно было судить по изменяющемуся реву двигателя. Но вот рев стал постоянным по тону, и я понял, что разгон прекратился, а супермаховик остался цел. Дальше двигатель не «тянул» – супермаховик гнал воздух, как вентилятор, от него дуло ветром, вся мощность двигателя уходила на создание этого ветра. Я выключил двигатель. Супермаховик долго, наверное с час, еще вращался, проходя через те же полосы вибраций, что и при разгоне.

Когда впоследствии мне удалось все-таки разорвать мои супермаховики на специальном разгонном стенде, я узнал, что эти кустарные изделия в несколько раз превзошли по плотности энергии маховики гиробуса фирмы «Эрликон» – лучшие по тем временам.

Но самое главное – разрыв, как и ожидалось, не доставлял никаких неприятностей. Разорвавшийся виток ленты не пробивал даже тоненького, как консервная банка, кожуха. Я приклеивал такой виток клеем, обвивал слоем проволоки, и супермаховик снова готов к работе.

А результат был немалый – разрыв наступал при 30 000 оборотах в минуту, что соответствовало почти пятистам метрам в секунду скорости обода или плотности энергии около 0,1 мегаджоуля на килограмм массы. Супермаховик «ручной работы» одним махом обогнал по важнейшему показателю свинцово-кислотные аккумуляторы, совершенствование которых идет уже более ста лет!

Впрочем, это еще не означало, что найдена желанная «энергетическая капсула». Надо было доказать, что супермаховик может стать недосягаемым для других аккумуляторов по плотности энергии так же, как для них недосягаем по плотности мощности обычный маховик. Ведь раскрученный маховик способен развить любую, самую высокую мощность, если его достаточно сильно тормозить. И разогнаться он может практически мгновенно, поглощая при этом мощность хоть целой электростанции. Ни один из накопителей не в состоянии воспринимать и выделять энергию при такой высокой мощности, как маховик.

Далеко ли предел!

Действительно, где «потолок» повышения плотности энергии супермаховиков? Только ли прочность материала определяет его? Например, тяжелый чугун и легкий дюралюминий почти одинаково прочны. Из какого же материала выгоднее делать маховик, из легкого или тяжелого?

Как ни парадоксально, но расчеты показали, что из легкого. Оказывается, не просто прочность, а удельная прочность, то есть отношение прочности к удельному весу материала, определяет плотность энергии маховика.

Максимум, что мы можем «выжать» из стали, даже самой совершенной, – это 30...50 килоджоулей на килограмм, дальше маховик разорвется. А маховик из более легких титана, дюралюминия, магниевых сплавов при той же массе накопит до разрыва в полтора раза больше энергии. Неплохим материалом для маховиков являются пластмассы, особенно усиленные стеклонитью, так называемые стеклопластики. Тяжелые же материалы практически не годятся для маховиков. Медный маховик не накопит и десятой доли энергии стального, а свинцовый – и сотой доли энергии титанового или дюралевого маховика.

Раньше мне показалось бы абсурдным изготовление маховиков из дерева или бумаги. Теперь я узнал, что маховики из дерева, фанеры, бумаги, склеенной в несколько слоев, могут накопить больше энергии, чем такой же по массе стальной, и значительно дешевле его.

Например, плотность энергии маховиков из бамбука почти в десять раз выше, чем у стального, и достигает 0,3 мегаджоуля на килограмм. Приблизительно вдвое хуже, но все-таки очень высокие показатели у маховиков из березы, сосны, ели. Плохо только, что объем их слишком велик – дерево очень легко. Объем маховиков с одним и тем же запасом энергии бывает равным лишь при одинаковой их прочности. Выходит, маховики из бамбука, дюраля и чугуна, имеющие одну и ту же прочность, при равном запасе накопленной энергии одинаковы и по объему. Однако дюралевый маховик в 3 раза, а бамбуковый в 10 раз легче, чем чугунный. Это подтвердили как расчеты, так и испытания.

Совершенной неожиданностью для меня были данные, которые я вычитал о таких, казалось бы, хрупких материалах, как стекло и горный хрусталь. Оказывается, специально закаленное стекло, как и лучшая проволока, выдерживает 3 кН/мм2, а хрусталь и даже кварц еще прочнее – 10 кН/мм2. И это при втрое меньшей плотности, чем у стали. В результате маховик из плавленого и закаленного кварца способен накопить в килограмме массы до 5 мегаджоулей энергии, или в 150 раз больше, чем стальной маховик! То есть он уже вполне может стать «капсулой». Автомобилю массой в одну тонну для прохождения ста километров будет достаточно пятикилограммового супермаховика из кварца.

К сожалению, кварц слишком дорог, а разрыв его, как и стекла, опасен. Осколков тут, правда, не образуется, маховик мгновенно разлетается в пыль, но весь и сразу. Это хуже, чем взрыв такого же количества тротила, во всяком случае, энергии при разрыве маховика выделится больше.

А что, если монолитные стекло и кварц заменить волокнами, тончайшими нитями? Прочность у стеклянных и кварцевых волокон гораздо выше, чем у монолита. Например, тонкие волоконца из кварца во время испытаний показали прочность в 3...4 раза большую, чем у литого кварца, и в десять раз большую, чем у стальной проволоки. Супермаховик, навитый из такого волокна, даже с запасом прочности обеспечит плотность энергии в 5 мегаджоулей на килограмм.

Продолжая поиск, я выяснил, что необычайной прочностью обладают волокна из углерода. Да, да, из обычного угля, графита и даже алмаза, который по химическому составу – тот же углерод. И насколько алмаз прочнее мягкого графита, настолько же волокно алмазной структуры прочнее графитового. А ведь графит в виде волокна имеет ту же прочность, что и стальная проволока, при впятеро меньшей плотности! Маховик, навитый из графитового волокна, в 20...30 раз превзойдет стальной по плотности энергии, а навитый из алмазного волокна приобретет фантастическую энергоемкость – 15 мегаджоулей на килограмм!

Но пока цена такого материала тоже фантастическая, нить из него получить очень трудно – на сегодняшний день волоконца имеют длину всего в несколько микрон. Обнадеживает, однако, тот факт, что лет десять назад и графитовое волокно стоило весьма дорого, а теперь, когда его производство отлажено, из него делают даже лыжные палки. Поэтому можно надеяться, что и сверхпрочные волокна из алмаза скоро станут дешевыми, как уже подешевели, например, искусственно получаемые алмазы. Запасов же углерода, кварца, стекла в мире хоть отбавляй.

Итак, двадцать килограммов супермаховика для пятисоткилометрового пробега автомобиля! Это отличный результат для «капсулы». Но, как оказалось, прочностные возможности материалов еще далеко не исчерпаны.

Профессор А.В. Степанов из Ленинграда предсказал и рассчитал новые «сверхматериалы», как будто специально созданные для супермаховиков. По его мнению, можно так плотно «упаковать» атомы в кристалле углерода – в алмазе, что полученный «сверхалмаз» выдержит небывалую нагрузку – 400 кН/мм2. Но еще больших результатов следует ожидать от «плотноупакованного»... азота. Этот азот будет уже не газом, а металлом, с плотностью большей, чем у платины, – 25 т/м3. Предполагается, что он должен выдерживать нагрузку 2800 кН/мм2. Маховик из «плотноупакованного» азота достигнет плотности энергии, которую даже трудно вообразить, – 60 мегаджоулей на килограмм.

Иначе говоря, небольшой маховичок из «сверхматериала» – диаметром 30 сантиметров и толщиной 6 сантиметров – сможет обеспечить пробег автомобиля на расстояние 30 тысяч километров без подзарядки!

Это даже не «капсула», а «сверхкапсула», такой, пожалуй, пока и не надо. К тому же сверхматериалов, необходимых для ее создания, еще нет, хотя специалисты утверждают, что они появятся в ближайшем будущем. Во всяком случае, меня очень радовало то, что перспектив у супермаховиков стать настоящей «энергетической капсулой» сколько угодно и я не зря связал свои надежды с этим видом накопителя энергии.

Но пора было, что называется, спуститься с небес на землю и посмотреть, на что я со своей идеей «энергетической капсулы» могу рассчитывать сегодня. И вот к каким выводам я в результате пришел.

Имеющихся в промышленности материалов – стальных лент, проволок, стеклянных и кварцевых волокон, волокон из графита, бора, специального дешевого волокна – кевлара, идущего, кстати, на покрышки для автомобилей, – вполне достаточно для создания супермаховичных накопителей с плотностью энергии большей, чем у электроаккумуляторов. По другим полезным показателям – плотности мощности, КПД, долговечности, стоимости – супермаховики тоже намного превзойдут эти аккумуляторы.

«Заряжать» супермаховики можно с помощью обычного электродвигателя. Если требуется быстрая «зарядка», супермаховик нужно соединить с валом большого стационарного двигателя мощностью в сотни киловатт. Такой двигатель разгонит его за считанные минуты или даже секунды. А если время «зарядки» не регламентировано, то сгодится маломощный зарядный двигатель, который можно возить с собой на автомобиле и при необходимости подключать к электросети посредством шнура с вилкой, как мы включаем, например, пылесос.

То есть и по срокам «зарядки» супермаховики гораздо совершеннее электроаккумуляторов, которые, как известно, заряжаются часами. Кроме того, супермаховики воспринимают «зарядку» полнее, чем электроаккумуляторы, и стоимость накопленной в них энергии будет самая низкая по сравнению со всеми другими типами накопителей.

Теперь я уже мог со спокойной совестью работать над супермаховиками дальше, не опасаясь, что мои усилия пропадут впустую, а идея «энергетической капсулы» будет расценена как нереальная или преждевременная.

Чтобы выявить слабые и сильные стороны супермаховиков, я решил построить и испытать несколько образцов из ленты и проволоки. Казалось бы, взял ленту или проволоку, намотал на катушку – и готов супермаховик. Но не тут-то было. При создании супермаховиков я столкнулся со многими трудностями – расслоением ленточного витого обода, спаданием обода с центра – барабана, вибрациями при работе, закреплением последнего витка и другими. Какие хитроумные головоломки приходилось тут решать, я хочу показать на следующем примере.

Когда делаешь супермаховик из проволоки, навиваешь ее на катушку, один конец проволоки оказывается внутри, а другой обязательно выходит наружу. Это естественно – ведь им заканчивается намотка. Однако для супермаховика такой конец очень нежелателен – его негде крепить. Если скрутить конец с предыдущим витком, он этот виток размотает или порвет – каждый миллиграмм массы проволоки при вращении создает огромные силы, разрывающие ее. Самое лучшее было бы «подсунуть» наружный конец под первые витки, но как это сделать? Сначала такое казалось мне невозможным. И все-таки выход нашелся.

Я закрепил оба конца проволоки на катушке, состоящей из двух отдельных половинок на одном валу, и начал крутить эти половинки в разные стороны. Проволока стала навиваться на них как обычно, с той лишь разницей, что когда процесс намотки подошел к концу, оба свободных конца проволоки остались внутри, а последний внешний виток пришелся как раз посередине обмотки. Потом я пропитал обмотку супермаховика клеем и высушил.

Этот способ изготовления супермаховиков и другие найденные мною способы, а также ряд предложений по конструкциям супермаховиков были отмечены авторскими свидетельствами. Изобретения мои оказались более ранними, чем похожие на них зарубежные, авторы которых сделали их совершенно самостоятельно, ничего не зная о моих находках. Просто диву даешься, как одинаково могут думать люди в разных концах света!

Как отобрать энергию?

Шло время, в каждом килограмме моего самодельного супермаховика уже накапливалось больше энергии, чем в других аккумуляторах. И вот однажды я задумался: несомненно, что в будущем в супермаховиках удастся накапливать столько энергии, сколько ее, например, в летящем с космической скоростью метеорите, однако сможем ли мы «отбирать» эту энергию? Какие трудности здесь встретятся?

Первая же мысль была о подшипниках. Выдержат ли они столь высокие скорости вращения супермаховика? Существуют ли вообще подшипники, способные работать при таких скоростях?