В поисках «энергетической капсулы»

Еще в 30-х годах в Шотландии был построен беспилотный маховичный вертолет. Разгоняли маховик на земле вместе с воздушным винтом, лопастям которого задавали нулевой угол атаки, чтобы разгон шел легче. Затем, раскрутив маховик, лопасти устанавливали под нужным углом, и машина взмывала в небо. Когда энергии в маховике оставалось уже мало, вертолет плавно опускался. Не правда ли, очень похоже на игрушечный вертолет, где разгон лопастей-маховиков производится пусковым шнурком?

А недавно создали такой же беспилотный вертолет, но с супермаховиками. Два легких кольцевых супермаховика диаметром 1,4 метра, вращающиеся в разные стороны, раскручивают воздушные винты, расположенные внутри колец супермаховиков. Кольца разгоняют до 4 тысяч оборотов в минуту на специальном базовом автомобиле, с которого вертолет стартует. Вертолет быстро поднимается на 100-метровую высоту, зависает там и, имея на борту фото- и телеаппаратуру, производит съемки или телепередачи. Подобный вертолет удобно использовать и для пожарных работ – его двигатель не заглохнет от дыма, а баки с горючим не загорятся, так как на этом вертолете нет ни двигателя, ни баков.

Если нужно попасть на борт вертолета, зависшего высоко над землей, или на какую-нибудь площадку на высоте 100 и более метров, лучше всего воспользоваться для этого маховичным подъемником, который позволяет поднять девять человек подряд, причем в 5 раз быстрее обычных моторных подъемников. Маховик подъемника разгоняется маленьким электродвигателем мощностью 1,5 киловатта до 28 тысяч оборотов в минуту.

Осуществить экстренный спуск с того же вертолета или из окна горящего высотного здания поможет маховичный лифт, в разработке которого довелось участвовать и мне. При пожарах нередко требуется срочно эвакуировать людей с верхних этажей дома, но в это время ток от здания, как правило, отключается и никакие подъемные механизмы не работают. Вот и придумали особое устройство для таких случаев.

Человек надевает специальный пояс с прикрепленной к нему лентой и прыгает вниз. Лента намотана на валу небольшого маховика или супермаховика, как в ленточном вариаторе, о котором речь шла выше. Сматываясь с вала, она разгоняет маховик, сначала медленно, затем все сильнее и сильнее. А человек, наоборот, приближаясь к земле, все больше и больше теряет скорость. И наконец мягко приземляется. Пояс с лентой сам поднимается вверх, за счет энергии маховика, раскрученного спускавшимся человеком. Так маховичный лифт может доставлять на землю одного за другим сколько угодно людей.

Поистине безграничные возможности открываются перед супермаховиками в космосе. В космическом вакууме у супермаховиков совершенно нет потерь на трение о воздух, а невесомость устраняет нагрузки на подшипники. В этом случае подшипники могут быть простыми «сухосмазывающимися» втулками.

К середине 80-х годов на французских спутниках связи предполагается использовать супермаховичные накопители энергии. Дело в том, что спутники связи, транслирующие на большие расстояния телефонные разговоры, телепрограммы и радиопередачи, питаются обычно не только от солнечных батарей. Приходится ставить на них и аккумуляторы энергии, которые дают ток, пока спутник загорожен от Солнца Землей и находится в тени. Однако время жизни электрохимических аккумуляторов невелико, они быстро выходят из строя, а из-за них прекращает существование весь спутник, который мог бы служить еще долго. Вот и пал выбор на супермаховики, которые очень долговечны. Их намечено поместить в магнитную подвеску и вращать со скоростью 40 тысяч оборотов в минуту. Плотность энергии супермаховиков для спутников связи будет примерно 0,1 мегаджоуля на килограмм массы.

Видимо, не обойтись без супермаховиков и в космических станциях, которые отправятся к далеким планетам, где почти нет солнечного света, дающего энергию для питания электронного оборудования станций. По мнению ученых, кратковременных включений пиропатронов будет вполне достаточно, чтобы с помощью газовой турбины так разогнать супермаховик, что его энергии надолго хватит для бесперебойной работы всех приборов.

В космосе супермаховики необходимы и для более прозаических дел – например, для ремонта станций, приведения в движение механизированного инструмента.

Допустим, космонавту нужно просверлить отверстие или завернуть гайку. Если он применит обыкновенные дрель и гайковерт, то реактивный момент, действующий на корпус ручного инструмента, закрутит в первую очередь самого космонавта. На Земле такое не случается благодаря силе тяжести и силе трения, а в условиях невесомости – закономерное явление.

Теперь проделаем следующий опыт. Возьмем самый простой детский волчок – юлу, укрепим на ее кончике сверло и, разогнав юлу, уберем руку. На первый взгляд как будто ничего удивительного – юла стоит на сверле и сама сверлит подставку. А ведь ни с какой из обычных дрелей подобный опыт не получится никогда. Даже у электрической дрели корпус тотчас завертится в противоположную сторону и порвет все провода.

Дело в том, что маховики и супермаховики обладают свойством «безреактивности», то есть при вращении они не оказывают реактивного воздействия на корпус и другие части устройства. Маховик связан с корпусом только подшипниками, которые, свободно проворачиваясь, не передают вращательных усилий.

Изготовленная мною маховичная дрель успешно сверлила любые доски, на которые я ее ставил. При этом она прекрасно выдерживала вертикальное направление благодаря еще одному свойству маховика, о котором уже упоминалось, – сохранять положение своей оси в пространстве.

Чтобы прочувствовать это свойство самому, лучше всего снять велосипедное колесо с вилки, взяться за концы оси и, держа колесо на вытянутых руках, попросить товарища раскрутить его. Если колесо раскручено как следует, никакие попытки повернуть ось ни к чему не приведут, несмотря даже на большие усилия. Колесо будет сопротивляться совсем как живое, стараясь вырваться из рук. Суть происходящего состоит в том, что ось вращающего маховика всякий раз стремится повернуться не туда, куда мы хотим, а под прямым углом к этому направлению.

Существует много способов узнать, куда будет поворачиваться ось маховика, но все они трудны и рассчитаны на специалистов. Поэтому я придумал для себя способ попроще, который назвал правилом колеса. Запомнить его ничего не стоит, достаточно иметь в кармане хотя бы одну монетку или колесико. Пустим монетку катиться по столу. Скоро она начнет падать набок, но что для нас особенно важно – она и сворачивать будет в ту же сторону. Теперь представим себе, что монетка – это вращающийся маховик. Допустим, мы пытаемся повернуть ось маховика в ту сторону, куда падает монета. Направление поворота монеты позволит нам определить, куда на самом деле будет сворачивать ось маховика. Вот и все правило.

Если никто не воздействует на ось маховика, то она безупречно сохраняет свое положение в пространстве. И это делает маховик незаменимым в навигационных приборах, которые сейчас устанавливают на всех кораблях, самолетах, ракетах. Называют такие приборы гироскопическими. Об этих интереснейших приборах написано много книжек, и я не буду подробно останавливаться здесь на них. А вот об автомобиле, в котором был применен как раз гироскопический эффект вращающегося маховика, думаю, сказать надо. Построил этот «гирокар» в 1914 году русский инженер П. Шиловский. Гирокар демонстрировался в Лондоне, где вызвал огромный интерес. Еще бы, машина Шиловского имела всего два колеса, как велосипед, однако она поддерживалась без каких-либо упоров в устойчивом состоянии, если даже все пассажиры садились на один ее бок. «Держал» машину раскрученный маховик благодаря гироскопическому эффекту.

Такие автомобили строились и позже. Возможно, что будущий махомобиль с супермаховичной «энергетической капсулой» спроектируют тоже двухколесным, чтобы использовать сразу оба замечательных свойства супермаховика – накапливать энергию и стабилизировать свое положение в пространстве.

«Капсула» разрастается...

Помните, мы говорили, что ученые разрабатывают проекты гигантских накопителей энергии на основе сверхпроводящих катушек – четверть километра диаметром и 50...70 метров высотой. И накапливать они должны десятки миллионов мегаджоулей энергии. Такие накопители нужны для аккумулирования энергии в период ночных недогрузок электростанций и для выделения ее при перегрузках в часы «пик». Наиболее чувствительны к недогрузкам и перегрузкам атомные электростанции, на долю которых с каждым годом будет приходиться все большая и большая часть электроэнергии, вырабатываемой как у нас в стране, так и во всем мире.

А пригодны ли супермаховики для накопления столь огромных количеств энергии и что они будут представлять собой в этом случае?

Применение маховичных накопителей на электростанциях тесно связано с именем известного русского изобретателя-самоучки А.Г. Уфимцева, которого Горький назвал «поэтом техники». Изобретения Уфимцева были необычайно широкого диапазона – от керосиновых ламп до самолетов. Тщательно проанализировав различные способы накопления энергии для ветроэлектростанций, в том числе «водородное» и тепловое аккумулирование, он пришел к выводу, что маховичный накопитель подходит для этих целей лучше других.

Первый маховичный аккумулятор был построен Уфимцевым в 1920 году из паровозного буфера. Маховик имел массу всего 30 килограммов и вращался в вакуумной камере с давлением около 5 гектопаскалей, делая 12 тысяч оборотов в минуту. Вывод мощности из камеры осуществлялся электрическим путем с помощью мотор-генератора.

Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 килограммов Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» и гордятся им.

Маховик Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 часов, однако, по словам старожилов, еще не было такого случая, чтобы ветер за это время ни разу не подул.

Идеи одаренного русского самоучки воплощены сегодня в любом маховичном накопителе для электростанций. Например, американский изобретатель Аллан Милнер разработал супермаховичный накопитель для солнечной электростанции. Известно, что солнечный свет, преобразованный в электроэнергию, может питать потребителей только днем, да и то в безоблачную погоду. А для того, чтобы использовать эту энергию ночью и в пасмурные дни, ее необходимо предварительно накапливать, и по возможности с минимальными потерями.

Накопитель Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 тонны, вращающегося со скоростью 15 000 оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии от него осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 мегаджоулей энергии, при этом потери составляют всего около 12 процентов. Плотность энергии такого накопителя в полтора раза превышает этот показатель у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – во много раз.

Живут идеи Уфимцева и в проекте американского ученого Стивена Поста, предложившего для крупной электростанции гигантский супермаховик массой 200 тонн, диаметром 5 метров, вращающийся со скоростью 3500 оборотов в минуту. Такой супермаховик может накопить уже свыше 70 тысяч мегаджоулей энергии.

Супермаховик предполагается собрать из концентрических колец, навитых из кремниевого волокна и насаженных одно на другое с небольшим зазором, заполненным эластичным веществом, например резиной. Затем его заключат в герметичный корпус и соединят с валом мощного мотор-генератора. Сильная магнитная подвеска разгрузит подшипники от громадной тяжести супермаховика.

При внезапном разрыве этого супермаховика может выделиться энергия, равная взрыву тысячи тонн тола, но в момент разрыва корпусу передастся не более 1...2 процентов этой энергии. Остальная энергия будет выделяться достаточно медленно, вызывая лишь нагревание. На всякий случай супермаховик все же намечено установить под землей на безопасной глубине.

Большие перспективы сулят так называемые кольцевые супермаховики, о которых упоминалось выше. Единственной подвижной частью такого супермаховика является кольцо, навитое из высокопрочного волокна и помещенное в вакуумную камеру в форме бублика – тора. Поскольку кольцевой супермаховик лишен центра, в нем наиболее полно реализуются прочностные свойства волокон. Кольцо-супермаховик удерживается в камере в подвешенном состоянии с помощью магнитных опор, размещенных в нескольких местах по окружности. Само кольцо служит ротором мотор-генератора, а те места, в которых стоят обмотки магнитов, – статором. Это упрощает отбор энергии и зарядку супермаховика.

Если сравнивать кольцевой супермаховик со стальным маховиком из самой прочной стали, то выявится следующее. Плотность энергии кольцевого супермаховика в 2...3 раза больше и достигает 0,5 мегаджоуля на килограмм массы. Потери на вращение у него в 50...100 раз меньше, чем у стального, в связи с чем его свободное вращение достигает 750, а в перспективе – 12 тысяч часов. То есть такой супермаховик будет вращаться без остановки 500 суток, или полтора года!

Конструкция кольцевого накопителя привела меня с соавторами к идее «сверхнакопителя» энергии, который тоже был признан изобретением. Мы решили «переложить» с маховика на землю огромные разрывные напряжения, возникающие во вращающемся кольце, что позволит во много раз повысить плотность энергии накопителя. Но практически осуществить это будет возможно только в накопителях гигантских размеров.

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.