В поисках «энергетической капсулы»

Прежде всего я решил подсчитать скорости, которые могут быть у супермаховика на автомобиле. Для простоты взял супермаховик диаметром в один метр, что вполне годится и для автомобиля, и для автобуса, и для многих других машин.

Каждый материал для супермаховика способен выдержать лишь определенную окружную скорость (скорость на самом отдаленном от центра краю обода). При этом, оказывается, никакого значения не имеет диаметр супермаховика – так распорядилась природа. А прочность материала повышается пропорционально квадрату скорости точно так же, как возрастает и энергия.

Например, стальная лента выдерживала во время испытаний скорость 500 метров в секунду, а кевлар – 1000 метров; Отсюда и энергии в кевларовом супермаховике накапливалось в 4 раза больше, чем в таком же по массе ленточном. Если бы кевлар имел ту же плотность, что и сталь, то напряжения в нем при скорости 1000 метров в секунду были бы соответственно вчетверо больше напряжений в ленте, и супермаховик мог бы разрушиться. Но в действительности с ним ничего не случится. Ведь кевлар почти в пять раз легче стали, и удельная прочность у него значительно выше.

Итак, какие же обороты будут у стального и кевларового маховиков? Если поделить окружную скорость на радиус супермаховика, мы получим его угловую скорость, а по ней уже просто отыскать число оборотов как в секунду, так и в минуту. Ленточный супермаховик будет вращаться со скоростью 1000 радиан в секунду, что соответствует 160 оборотам в секунду, или 9 559 оборотам в минуту. Вращение кевларового супермаховика будет вдвое быстрее – около 19 тысяч оборотов в минуту.

Но ведь такую угловую скорость развивает двигатель даже обычного бытового пылесоса, и его подшипники прекрасно справляются с этим. Скорость вращения мощных газовых турбин бывает свыше 30 тысяч оборотов в минуту, а там есть подшипники, работающие в худших условиях, чем в супермаховике. В турбинах на подшипники действуют нагрев, сильные вибрации и другие отрицательные факторы, которые в супермаховике отсутствуют.

Сейчас есть подшипники, выдерживающие 100...150 и более тысяч оборотов в минуту, этого вполне хватило бы и для супермаховика из алмазного волокна. Если к тому же один подшипник вставить внутрь другого, то можно добиться вдвое большей скорости вращения, так как на каждый из них придется только половина общей скорости.

Хорошо бы, конечно, обойтись совсем без подшипников, ведь на их вращение с нагрузкой, тяжелым супермаховиком, тоже идет энергия, а она нам так дорога...

А что, если закрепить над супермаховиком кольцеобразный магнит, который будет воспринимать его силу тяжести? Правда, в этом случае супермаховик должен быть стальной. Чтобы получить тот же эффект с кевларовым, стеклянным и графитовым маховиками, надо вмонтировать в них подобный же магнит, взаимодействующий с первым. И лучше сделать так, чтобы магниты работали не на притяжение, а на отталкивание, тогда супермаховик сам «вывесится» на определенной высоте и в таком положении будет вращаться.

Нетрудно убедиться в этом, если взять два кольцевых магнита, например от старых динамиков из репродуктора, и надеть их на деревянную или любую другую немагнитную палочку одноименными полюсами друг к другу. Верхний магнит повиснет над нижним, и потребуется большая сила, чтобы сдвинуть их вместе.

Но все-таки и в такой магнитной подвеске нужны подшипники. Во-первых, супермаховик при тряске и толчках может «продавить» магнитную подвеску, достаточно мягкую. Во-вторых, постоянными магнитами нельзя полностью вывесить какое-нибудь тело: супермаховик здесь разгружен только от силы тяжести, а не от боковых сил. Подшипники будут лишь фиксировать подвеску, без нагрузки – ее ведь «нейтрализуют» магниты, – и энергии на их вращение потребуется немного.

Мои магнитные подвески были признаны изобретениями, и на них мне выдали авторские свидетельства.

Надо сказать, эти подвески производили огромное впечатление на тех, кто их видел. Одна из таких подвесок поддерживала супермаховик массой 7 килограммов и диаметром около полуметра. В ней были использованы 10 магнитов, каждый массой около 30 граммов и диаметром 3 сантиметра, и миниатюрные фиксирующие подшипники размером не больше таблетки. Показывая своим гостям устройство подвески, я как бы нечаянно подталкивал супермаховик, и он начинал медленно, со скоростью диска электропроигрывателя вращаться. Но если после выключения проигрывателя его диск через считанные секунды останавливается, мой супермаховик продолжал крутиться в течение всего разговора, и, казалось, скорость его не уменьшалась. Гости уже из принципа ждали час, другой, но супермаховик и не думал останавливаться, «Неужели это вечный двигатель?» – в изумлении спрашивали меня. «Подождите до утра, – отвечал я, – может, и остановится».

Судя по расчетам, такой супермаховик, раскрученный до скорости 30 тысяч оборотов в минуту, крутился бы до остановки многие месяцы! Да и этот срок можно было бы увеличить, если бы не фиксирующие подшипники, которые, несмотря на малый размер и ничтожные потери энергии в них, все же «подтормаживали» супермаховик.

А как вывесить супермаховик совсем без механического контакта в подшипниках? Надо проверить и такую возможность. Для этого подойдут большие кольца из диамагнетиков, – то есть из материалов, отталкивающихся от магнитов, например, из графита, – которые не дадут супермаховику «сваливаться» вбок. Кольца эти будут выполнять роль фиксирующих подшипников. Правда, они займут много места. Но если сам супермаховик изготовлен из графита?.. Над этим стоит подумать!

Чтобы «помочь» постоянным магнитам, можно установить еще и электромагниты. Как только супермаховик задумает «свалиться» вбок, это уловит специальный датчик и включит соответствующий электромагнит, который выправит положение. Такая система называется «следящей». С ее помощью советские ученые добились скорости вращения полностью вывешенного шарика в 800 тысяч оборотов в секунду или почти 50 миллионов оборотов в минуту!

Подвесив подобным образом маховик со значительной массой получим столь малое сопротивление, при котором разогнанный маховик будет вращаться до остановки десятки лет! Однако для этого в камере, где вращается маховик, необходимо создать высокий вакуум, иначе так называемые вентиляционные потери – потери из-за трения маховика о воздух – «съедят» весь запас энергии за считанные часы.

Интересно, что при вращении маховика в вакууме можно практически вообще избавиться от трения в опорах. Нужно подшипники маховика, изготовленные из вполне обычных материалов – графита, полиэтилена или на молибденовой основе, облучать потоком электронов. Это открытие принадлежит советским ученым, которые назвали его «эффектом аномально низкого трения», сокращенно – АНТ. Для облучения подшипников супермаховика достаточно миниатюрной «электронной пушки», наподобие электронно-лучевой трубки (кинескопа) телевизора, только в сотни раз менее сложной, крупной и мощной.

Тут возникает вопрос: а как же отбирать накопленную энергию через герметичную стенку вакуумной камеры? Ведь вал сквозь нее не пропустишь – никакие сальники и манжеты, как бы плотно они ни обхватывали вал, не смогут помешать доступу воздуха в камеру?

И все-таки есть способ вывести вал маховика наружу. Но для этого придется использовать не обычные уплотняющие устройства в виде сальников или резиновых манжет, а специальные, изготовленные из магнитной жидкости.

Магнитная жидкость – это коллоидный раствор тончайшего порошка феррита в керосине, масле, воде и любой другой жидкости.

Частицы феррита здесь настолько малы, что, выложив их цепочкой, мы на одном миллиметре длины уместили бы их сто тысяч штук!

Иначе и нельзя: если частички будут больше, раствор быстро осядет. Так, например, случается с крупномолотым кофе, размешанным в воде. Растворимый же кофе имеет очень тонкий помол и в воде превращается в стойкий коллоидный раствор. Поэтому и частицы феррита в магнитной жидкости, как правило, не крупнее частиц растворимого кофе.

Для того, чтобы надежно уплотнить стальной вал, нужно надеть на него кольцеобразный магнит, а зазор между магнитом и валом заполнить магнитной жидкостью. Теперь выведенный через стенку вакуумной камеры вал будет вращаться, не нарушая ее герметичности.

Я даже сделал модель для демонстрации действия магнитного уплотнения. В надутый прозрачный резиновый шар вставил заводную игрушку, ключ к которой через описанное магнитное уплотнение выходил из шара наружу. Сколько я ни заводил игрушку – уплотнение не пропускало воздуха.

Магнитные уплотнения необходимы, когда требуется именно механическое вращение вала супермаховика. Если же нам нужно получить от супермаховика электроэнергию, то дело проще. Устанавливаем внутри камеры вращения вместе с супермаховиком электрическую машину – генератор, а провода выводим наружу через герметические изоляторы. Подавая ток по проводам в машину, которая в этом случае будет работать в режиме электродвигателя, разгоняем супермаховик. Потом переводим машину в режим генератора, и она начинает выдавать нам электрический ток, отбирая энергию от супермаховика. Такой способ отбора энергии, пожалуй, наилучший. Ведь ток можно использовать для каких угодно целей – и для освещения, и для питания приборов, и для движения электромобилей.

Чтобы получить энергию в виде потока жидкости – например, масла под давлением для приведения в движение механизмов в шахтах, где электрическая искра способна вызвать пожар, – вместо электромашины в камеру вращения нужно поместить гидромашину. Она так же, как и электромашина, может работать в режиме двигателя, разгоняя супермаховик, и в режиме генератора – насосном режиме, качая масло энергией супермаховика. Разумеется, из камеры с супермаховиком будут выходить уже не провода, а трубочки, по которым потечет масло. Энергией потока масла можно приводить в действие гидродвигатели, гидроцилиндры, заряжать гидроаккумуляторы, о которых речь шла в самом начале книги.

Есть еще способ вывести энергию супермаховика наружу – посредством вращения его корпуса.

Допустим, нам понадобилось пробурить скважину, взять пробу грунта или проделать другую механическую работу на дне океана, на глубине около 5 километров, где давление воды огромно. В таких условиях очень трудно воспользоваться традиционными источниками энергии – двигателями и электроаккумуляторами. Действительно, двигателю нужен воздух, который, однако, с поверхности по трубке не подведешь – ее раздавит. Электрический кабель тоже не выдержит давления – будет пробой. Маховик же выделяет энергию непосредственно в виде вращения вала, без кабелей и труб. Он-то нас и выручит.

Конечно, помещать вращающийся маховик прямо в воду бессмысленно – его сразу же остановит сопротивление воды. Целесообразнее поступить следующим образом. Заключим маховик или, если нам надо много энергии, супермаховик в герметичную вакуумную камеру, лучше сферическую, чтобы она могла противостоять давлению. При этом закрепим его не в центре камеры, а сместив вниз. Супермаховик массой в несколько сот килограммов будет висеть, как маятник, стремящийся под воздействием гравитации сохранить свое наиболее низкое положение. Дальше все просто. Свяжем супермаховик понижающей механической передачей с камерой, и он станет вращать ее, только гораздо медленнее, чем вращается сам. Это очень напоминает бег белки в клетке-колесе. Белка выступает там как бы в роли супермаховика, а колесо – та же вращающаяся камера. Теперь мы можем отбирать энергию не от самого супермаховика, а от вращающейся, правда с меньшей скоростью, камеры.

К этой камере легко приделать любой инструмент – ковши, бур, фрезу – в общем, все, что надо. Когда камера встретит сопротивление (например, бур упрется в твердую породу), супермаховик начнет вращать ее с большим усилием. Но даже если бур и в этом случае не подастся, никакой поломки или аварии не произойдет. Супермаховик просто «заходит» по кругу внутри камеры, пока не уменьшат нагрузку.

Заряжаться – раскручиваться супермаховик сможет от вращения своей же камеры. Достаточно прикрепить прямо к ней, как к валу корабля, гребной винт, и она быстро закрутится во время спуска на дно за счет собственной тяжести и тяжести супермаховика.

Это супермаховичное «беличье колесо» и ряд других придуманных как мной самим, так и вместе с товарищами систем вывода энергии из вакуумной камеры были признаны изобретениями. Еще один шаг к «капсуле» сделан!

Что же удалось достичь? В супермаховике можно накопить огромную энергию, эту энергию несложно надолго «законсервировать», используя вакуумную камеру, магнитные подвески, быстроходные подшипники. Накопленная энергия выводится из вакуумной камеры, причем выводится в любом удобном для нас виде: в виде вращения вала или корпуса, в виде электрического тока, напора жидкости (масла). Но супермаховик, отдавая свою кинетическую энергию, постепенно останавливается. Отразится ли снижение скорости на работе «энергетической капсулы»?

Возможен ли «мягкий» маховик

Что касается супермаховиков, от которых энергия отбирается электрическим или гидравлическим путем, то тут все ясно. Электро-и гидроприводы можно регулировать «мягко», так, что «потребитель» и не догадается об изменении скорости супермаховика.

Особенно успешно регулируется гидропривод. Гидронасос состоит из нескольких поршеньков, приводимых в движение шайбой, к которой они шарнирно прикреплены. Шайба обычно наклонена таким образом, что за один ее оборот поршенек проделывает вместе с ней некоторый путь вверх-вниз. Уменьшив угол наклона шайбы, поставив ее почти параллельно поршенькам, ход поршеньков можно сделать едва заметным, с увеличением угла наклона увеличится и ход поршеньков. Такая регулировка позволяет менять скорость вращения вала от нуля до самой высокой.

Предположим, на автомобиле установлены обычный гидродвигатель и супермаховик с гидравлическим приводом, причем на супермаховике – регулируемый насос. Как будет производиться движение машины?

Сначала шайба насоса чуть наклоняется, в гидродвигатель подается немного масла, и он тихонько «трогает» автомобиль. По мере разгона шайба наклоняется все больше и больше, повышая мощность насоса, а стало быть, и скорость автомобиля. Если супермаховик только что «заряжен» и скорость вращения его высока, то можно ограничиться малым наклоном шайбы; если же скорость вращения основательно упала, то надо увеличить угол наклона, и скорость автомобиля не изменится. Конечно, когда шайба дойдет до предельного положения, регулировка будет уже неэффективна.

Обычно допускается снижение скорости вращения супермаховика вдвое, например с 12 до 6 тысяч оборотов в минуту. Но не следует думать, что и энергии его мы используем тоже половину. Так как при снижении скорости вдвое энергия супермаховика уменьшается в 22, то есть в четыре раза, соответственно мы получаем от него 3/4, или 75 процентов, всей энергии. Вот какой «глубокий» отбор полезной энергии можно произвести от маховичных накопителей.

Точно так же обстоит дело и с электроприводом, только роль шайбы здесь играет так называемое импульсное управление. Оно позволяет отбирать ток от генератора и передавать его двигателю не постоянно, а импульсами, различными по величине и по частоте. Пока супермаховик вращается быстро, импульсы могут быть меньше и реже, а если он сбавил обороты, импульсы должны быть больше и чаще.

Чтобы понять суть импульсного управления, можно взять любой электромотор, хотя бы домашний вентилятор, и включать его в сеть через каждую секунду с такой же продолжительностью включения. Лопасти вентилятора будут вращаться почти равномерно, однако с меньшей скоростью, чем если бы прибор был включен постоянно. Попробуем увеличивать паузы между включениями – вентилятор закрутится медленнее, станем их уменьшать – быстрее. При импульсном управлении импульсы тока подаются автоматически. Такое управление тоже обеспечивает 75-процентный отбор энергии от супермаховика.

Но как ни удобны электро- и гидроприводы, они все-таки сложны. КПД гидропривода – около 0,8...0,9, КПД электропривода поменьше. Их масса и стоимость велики. А главное – эти приводы не позволяют отобрать у маховика всю энергию, довести его до остановки. Почему же нельзя получить от маховика больше энергии?

Дело в том, что всякий привод хорошо работает только на какой-то одной скорости, такой, на которую он рассчитан. Если супермаховик сильно снижает свою скорость, то электрогенератор, соединенный с ним, дает слабый ток, а гидронасос – невысокое давление масла. Привод становится маломощным, КПД его падает. Вот потому-то оставшаяся в супермаховике четверть всей накопленной энергии, как правило, не используется совсем.

Сказанное относится к разгону автомобиля. А что происходит при его торможении? Ведь чтобы не потерять при этом кинетическую энергию автомобиля, нам надо перекачать ее в супермаховик.

Для привода безразлично, передавать ли энергию от супермаховика автомобилю или от автомобиля супермаховику. Поэтому на схемах обычно изображают автомобиль в виде супермаховика на одном валу привода, а супермаховик-накопитель – на втором. Так вот, электро- или гидропривод сумеет отобрать от автомобиля, как и от супермаховика, те же 75 процентов энергии, снизив его скорость лишь вдвое. А куда годится такое торможение, после которого автомобиль все еще движется, хотя и с половинной скоростью?!

И я стал придумывать привод, который смог бы «перекачивать» энергию автомобиля в супермаховик и наоборот практически полностью, – своего рода «энергетический насос», способный отбирать энергию от супермаховика до самой его остановки. Причем КПД этого привода-насоса должен быть выше, чем у любого другого типа привода.

Что и говорить, задача была не из легких. Но неожиданно мне повезло. Однажды, когда я сосредоточенно думал о приводе, мой взгляд упал на... магнитофон. Вот этот магнитофон, вернее, его» вращающиеся кассеты и натолкнули меня на правильное решение.

Для проверки мелькнувшей у меня мысли я изготовил специальные кассеты, где намотка начиналась почти от самого вала, и, поставив их на магнитофон, включил его в режиме перемотки ленты. В то время как кассета, на которой ленты было немного, тронулась с места, другая, полная кассета почти не повернулась. Затем, по мере намотки ленты на первую кассету, вторая разгонялась все больше и больше. Наконец, когда первая кассета наполнилась, ее скорость вращения стала едва заметной. Зато вторая кассета, с которой лента смоталась, вращалась очень быстро, совсем как разогнанный супермаховик.

Идея была найдена, далее следовала техническая работа. Не вдаваясь в подробности изготовления привода, скажу лишь, что ленту для него я взял такую же, какую использовал в супермаховиках, – стальную, толщиной 0,1 миллиметра и шириной 40 миллиметров.

«Магнитофонный» привод позволял передавать энергию от автомобиля супермаховику или, что одно и то же, от одного супермаховика другому почти без потерь – 99 процентов! При торможении автомобиля неподвижный супермаховик разгонялся, воспринимая без малого всю энергию автомобиля, доводя его практически до остановки, а затем разгонял неподвижный автомобиль примерно до той же скорости, что была у него до торможения. Сам супермаховик при этом останавливался.

Свое новое изобретение я назвал ленточным вариатором.