В поисках «энергетической капсулы»

И все же полного удовлетворения у меня не было. Изучая пристально воздушный аккумулятор, я убедился, что при сильном сжатии многие газы просто-напросто сжижаются и дальнейшее сжатие, если оно даже возможно, уже не дает ожидаемого эффекта.

Оказалось также, что нельзя держать сжатый до очень большого давления газ в одном цельном баллоне – не выдержит, разрушится стенка баллона, даже если ее сделать очень толстой. Надо помещать один в другой несколько баллонов, постепенно повышая давление от внешних к внутренним. Однако полноценным аккумулятором станет только внутренний, самый малый баллон, где наиболее высокое давление. Остальные будут практически балластом.

Значит, повышать давление более 400...500 атмосфер для аккумулирования энергии в сжатом газе невыгодно. То есть энергетический «потолок» здесь невысок. И хотя такие аккумуляторы, в общем-то, нужны и полезны, моей «капсулы» тут не найти.

Время шло, а «энергетическая капсула» продолжала пока быть мечтой.

«Капсула» разогревается

Глава вторая, в которой капсула начинает теплеть, но с появлением загадочного «демона Максвелла» автор всерьез стал сомневаться, туда ли он в своих поисках забрел...

Тепловой «банк»

Несмотря на то, что с газовыми аккумуляторами и было решено покончить, забыть я их никак не мог. Не давало покоя тепло – энергия, пропадающая при остывании горячего после закачки воздуха баллона. Вернее, не пропадающая, а переходящая в окружающий воздух, но от этого не легче.

Хорошо, размышлял я, пусть газ при сжатии сильно нагревается, однако неужели нельзя спасти это тепло, не дать ему рассеяться? Тогда энергию сжатого газа можно было бы использовать не тотчас же после сжатия, а когда угодно после.

Есть, конечно, целый ряд способов, как уберечь тепло от рассеивания. Еще наши предки, когда хотели, чтобы заварочный чайник на самоваре подольше оставался горячим, накрывали его ватной «бабой». Кастрюлю с кашей с той же целью клали под подушку. Да и мало ли мы знаем примеров «укутывания» для сохранения тепла?

Но лучший способ сберечь тепло – это воспользоваться термосом. Я всегда удивлялся способности этого прибора долго, целый день, удерживать чай почти кипящим. Пробовал разобраться, как устроен термос, что у него внутри.

Однажды, сняв крышку, я вынул из корпуса сверкающую зеркальную бутылочку с торчащим хвостиком внизу. Так как больше ничего особенного я не обнаружил и загадка термоса не была разгадана, я с замиранием сердца обломил кончик хвостика, надеясь заглянуть внутрь, под зеркальный слой. Послышался резкий свист воздуха, и все стихло. Посмотрев в крошечное отверстие в бутылочке, я понял, что обманулся – ничего там не было.

Я поспешно вставил испорченный сосуд обратно в корпус и завинтил крышку. Внешне термос остался тем же, а тепла, увы, уже не удерживал. Кипяток в нем, правда, остывал не так скоро, как, например, в чайнике, но и не так медленно, как раньше. Термос посчитали негодным и выбросили.

А я, заглянув в энциклопедию, нашел там статью про термос и выяснил его устройство. Оказывается, зеркальная бутылочка была не цельная, а состояла из двух стеклянных колб, вставленных одна в другую и позеркаленных особым способом. Вставив колбы друг в друга, в пространство между ними заливают специальный раствор, содержащий соли серебра, и колбы нагревают. Стенки колб при этом покрываются тончайшей серебряной пленкой. Затем раствор выливают, воздух из этого пространства выкачивают и отверстие запаивают. Вот и остается после него тоненький стеклянный хвостик, который я обломил...

Для чего же все это делается? Если мы нальем в термос горячую жидкость и заткнем его пробкой, то куда денется тепло? Окружающий воздух не нагреется – тепло не пройдет через безвоздушную прослойку между колбами. Излучиться в пространство, как излучается оно Солнцем или раскаленным металлом, тепло тоже не может – зеркальный слой отражает тепловые лучи, как свет, снова внутрь колбы. А внешняя колба позеркалена для того, чтобы тепловые и солнечные лучи снаружи не попали внутрь и не нагрели содержимого, на случай, если в термосе находится холодная вода или мороженое. Поэтому термос одинаково хорошо сохраняет первоначальную температуру как холодных, так и горячих тел. Говорят, что он теплоизолирует их от окружающей среды. Тепло может «утечь» или «притечь» только через тоненькую «шейку», соединяющую обе колбы, или через пробку. А пробка очень плохо передает тепло.

Изобрел этот хитрый сосуд в самом конце прошлого века английский ученый Джеймс Дьюар, и в честь него термос называют еще сосудом Дьюара.

Вот куда надо бы помещать сжатый газ, чтобы он не охлаждался, сохранял свое тепло подольше. Но сосуд Дьюара, рассчитанный на огромные давления аккумулятора, станет очень сложным и дорогим; как говорится, игра здесь просто не будет стоить свеч.

Зачем же вообще помещать туда газ, да еще сжатый? Ведь значительно большее количество энергии можно накопить в заранее нагретых телах помассивнее, чем газ, например в жидкостях, их и сжимать для этого не надо. Тогда давление нам уже не помешает, и сосуд Дьюара будет иметь свой обычный вид.

Килограмм сжатого до 500 атмосфер газа, как я подсчитал раньше, может накопить 50 килоджоулей энергии. А литр воды, имеющий массу тоже килограмм, как известно, при нагревании всего на один градус накопит 1 большую калорию тепла, что соответствует механической энергии в 4,2 килоджоуля. Если же нагреть литр воды с 0 до 100 градусов, то в воде накопится энергии в 8 раз больше, чем при сжатии килограмма газа в 500 раз!

Все это показали несложные расчеты, которые я в свое время на уроках в школе делал, откровенно говоря, довольно неохотно. Но теперь результат буквально ошеломил меня. Вот где надо искать настоящую «энергетическую капсулу»! Даже обыкновенная вода, нагреваемая до столь невысокой температуры, запасает огромное количество энергии. А что могут дать другие, новые материалы, которые, возможно, гораздо лучше воды накапливают тепло?

Мысли о новых теплоемких материалах отныне не покидали меня ни на минуту. Я жил в предвкушении сенсационных открытий.

Секреты плавления

В мечтах уже виделся сияющий кусочек неведомого пока материала, нагретый до чудовищной – в миллионы градусов – температуры. Этот кусочек, вобравший в себя гигантское количество тепловой энергии, помещен в жароупорный «термос». Чтобы не расплавились стенки сосуда, кусочек «подвешен» в магнитном поле внутри «термоса»...

Эту фантастическую картину я рисовал моему школьному товарищу, когда мы до глубокой ночи провожали друг друга по домам. А он жестоко и методично разбивал мои мечты одну за другой.

Во-первых, говорил он, при температуре свыше трех-четырех тысяч градусов почти все вещества превращаются в пар. Пара же в термосе много не уместишь. Во-вторых, столь высокую температуру не выдержит не только сосуд Дьюара, но и любой другой сосуд – он расплавится или сгорит.

Твердые или жидкие тела останутся в прежнем состоянии, если их нагревать до одной – полутора тысяч градусов, не более. Но при такой температуре они уже не подчиняются магниту, в магнитном поле их не «подвесишь». Можно, конечно, «подвешивать» небольшие количества расплавленного металла в высокочастотном электромагнитном поле, где металл поддерживается в расплавленном виде энергией поля. Однако потери электроэнергии на «подвешивание» здесь очень велики, для «энергетической капсулы» это не подходит.

Напомнил мне друг и о том, как мучаются физики-ядерщики, пытаясь хоть на краткий миг «запереть» сверхгорячую материю в магнитном поле, и что из этого пока мало что получается. А у меня, дескать, и подавно ничего не выйдет. Большее, на что я могу рассчитывать, это накалить докрасна камни, как в русской бане, а затем «извлекать» из них энергию, поливая водой. Пар же можно направить и в паровую машину и...

Меня злили доводы друга, хотя я понимал, что он прав. Но где же выход? Мечты об «энергетической капсуле» рассеивались как дым. Я лег спать в раздумьях, и мне снилась русская баня...

А утром произошло следующее. Выйдя на кухню, я увидел в кастрюле на газу плавающие в кипятке какие-то странные предметы – зеленые и все в шипах. Оказалось, это термобигуди, которыми пользуются для укладки волос. Нагретые в кипятке, такие бигуди долго-долго остаются горячими. Да это же почти то, что нужно, – накопитель тепла!

Я выпросил одну «бигудину» и бросил в кипяток вместе с равными ей по массе кусочками дерева, пластмассы и металла. Затем одновременно вынул их и оставил стынуть. Поразительно, но «бигудина» сохраняла тепло в несколько раз дольше своих соседей. Не доверяя пальцам, я проверил это даже небольшим электротермометром, который взял в школьном физическом кабинете.

Проделывая опыт многократно, я заметил, что «бигудина» в отличие от других образцов, остывала весьма необычно. Сначала температура ее падала довольно резко. Потом, дойдя до 50...60 градусов, держалась так очень долго. Затем «бигудина» опять резко остывала до комнатной температуры.

Тут я не удержался и вскрыл «бигудину», чтобы посмотреть, что за механизм у нее внутри. Но там, кроме какой-то пастообразной массы, ничего не оказалось. Это был парафин или стеарин, из которых делают обыкновенные осветительные свечи. Чудеса!

Я купил килограмм парафина, расплавил его и залил в термос. В другой такой же термос я поместил воду, одинаково с парафином нагретую. Результат был прежний. Когда вода уже остыла, парафин в термосе все оставался горячим и жидким. Наконец он затвердел, а после этого остыл быстро, почти как вода. Вода простояла горячей около дня, а парафин – несколько дней.

И вдруг меня осенило. Конечно же, при отвердевании жидкости выделяется «скрытая» энергия, которая была затрачена при плавлении! Когда жидкость остывает, тепло постоянно отбирается от нее, но пока вся она не затвердеет, пока останется хоть капля жидкости, температура ее будет держаться на точке плавления. Для парафина это – 54 градуса.

И наоборот, температура плавящегося тела, например льда, не поднимается ни на градус, пока последний его кусочек не расплавится, не превратится в жидкость. Все это я проходил в школе, обо всем этом написано в учебниках.

Оказывается, чтобы расплавить килограмм льда, нужно затратить 80 килокалорий, алюминия – 92,4, железа – 66, свинца – 6,3, ртути – 2,8 килокалории. А есть материалы – к примеру, гидрид легкого металла лития, – которые требуют для плавления гораздо большего тепла. Так, чтобы килограмм твердого гидрида лития перешел в жидкость при температуре его плавления – 650 градусов, потребуется 650 килокалорий.

Посмотрим теперь с точки зрения аккумулирования тепла. Предположим, что нам нужна температура в аккумуляторе между 700 и 600 градусами, например, чтобы получить из воды пар для питания парового автомобиля. Воспользуемся для этой цели куском металла, железом или медью. При остывании с 700 до 600 градусов каждый килограмм железа или меди выделит около 10 килокалорий. Если то же проделать с гидридом лития, то только при затвердевании на точке 650 градусов он выделит 650 килокалорий. А дополнительно, остывая с 700 до 600 градусов, – еще 30 килокалорий. Итого – 680 килокалорий, или в 68 раз больше, чем может дать неплавящийся металл! Это ли не «капсула»?

Действительно, если подсчитать, какой механической работе это соответствует, мы получим гигантскую цифру – 2,85 мегаджоуля на килограмм массы рабочего вещества. Ведь каждая килокалория – 4,2 килоджоуля энергии. Стало быть, менее десяти килограммов теплового аккумулятора хватило бы для прохождения 100 километров пути! Это равно количеству бензина, необходимого автомобилю для подобной поездки.

Не один гидрид лития обладает таким «магическим» свойством. Для получения рабочих температур теплового аккумулятора около 100 градусов подходят кристаллы фосфорнокислого натрия. Если же нужна температура выше 1000 градусов, то можно взять окислы бериллия, магния, алюминия, кремния, их соединения, а также силициды и бориды некоторых металлов.

Мне уже думалось, что поиск «энергетической капсулы» близок к завершению, – энергетическая, вернее, тепловая «капсула» обещала быть не более бензобака автомобиля! И я стал искать в литературе все, что было написано про тепловые аккумуляторы, чтобы подробнее их изучить.

Что может тепловая «капсула»

Проведя несколько дней в библиотеке, я понял, что все мои мысли и проекты давно известны.

Американские инженеры уже испытали парафиновые накопители тепла, которые действительно оказались гораздо лучше водяных. Мне можно было не пачкать термос парафином...

Японские энергетики строят накопители тепла, состоящие из множества шариков, сделанных из окиси алюминия. Шарики сначала обдувают горячим воздухом, а потом они сами нагревают холодный воздух, который затем идет на цели отопления.

Немецкие ученые построили накопитель тепла в виде вращающегося котла с глауберовой солью. Когда котел подогревают, соль плавится, поглощая большое количество энергии. Накопленное тепло используют для разных целей, в частности – для обогрева жилищ. Глауберова соль запасает тепла в 7 раз больше, чем нагретая вода, и в 12 раз больше, чем нагретые камни. Объем такого котла – около 3 кубометров.

Однако немецкие ученые на этом не остановились и предложили проект поистине гигантского теплового накопителя. Озеро площадью до 500 гектаров предполагается покрыть «одеялом» из пенопласта толщиной 10 сантиметров. После этого воду в озере нагреют до 75 градусов. Благодаря «одеялу» тепло в озере будет держаться очень долго, многие месяцы, и его можно постепенно использовать.

Но если уж и говорить о гигантских тепловых накопителях, то проект советских ученых не имеет себе равных. В нем предлагается использовать солнечную энергию с помощью теплового накопителя массой... 400 миллионов тонн! Этот накопитель можно представить себе в виде кольца шириной 10 метров и толщиной в полметра, опоясывающего Землю по экватору. Днем участки кольца, которые освещаются солнцем, нагреваются, и заполнитель плавится. Ночью расплавленные участки гигантского накопителя выделяют тепло, снабжая энергией население всего земного шара.

Узнал я и о том, что тепловые накопители применяли на транспорте, причем более ста лет назад. Как я уже говорил, во Франции в городе Нанте в конце прошлого века ходил трамвай, движимый сжатым воздухом. Так вот, этот трамвай на конечных станциях заправляли не только сжатым воздухом, но и... кипятком.

Кипяток, играя роль накопителя тепла, согревал воздух после выхода его из баллона, когда первый сильно охлаждался. Нагревание повышало давление воздуха, и он совершал гораздо большую работу, чем без нагрева. Так можно было получить от газового или воздушного аккумулятора энергию, даже превосходящую ту, что была затрачена при зарядке баллона.

Разумеется, я не мог отказать себе в удовольствии проверить такой «гибридный» накопитель в действии и сделал небольшую тележку – микромобиль. Основой послужил детский педальный автомобильчик – карт, какие продаются в «Детском мире». На тележке я установил баллон углекислотного огнетушителя и соединил его прочным резиновым шлангом с пневматическим гайковертом, приобретенным в магазине инструментов. Гайковерт состоит из пневмодвигателя, работающего от сжатого воздуха, и редуктора, понижающего скорость вращения патрона. С этим патроном я связал цепной передачей одно из задних колес тележки, а второе посадил на ось свободно, на подшипниках.

Раскрывая вентиль баллона, я подавал углекислоту в гайковерт, он вращал колесо, и микромобиль катился. Но теперь пневмодвигатель не замерзал, как в моем недавнем опыте с воздуховозом. Я поставил на пути газа из баллона в пневмодвигатель накопитель тепла, изготовленный из кастрюли, и внутри его поместил змеевик из металлической трубки (он был взят из выброшенного холодильника). В кастрюлю заливалась кипящая вода, а впоследствии расплавленный парафин и даже глауберова соль. Углекислый газ, проходя через змеевик, сильно нагревался и отдавал микромобилю значительно больше энергии.