"Удивительная механика" - читать интересную книгу автора (Гулиа Нурбей Владимирович)

Далеко ли предел?

Действительно, где «потолок» 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 кДж/кг, 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 маховик из стали, и при этом будут значительно дешевле его.

Например, плотность энергии маховиков из бамбука почти в 10 раз выше, чем из стали, и достигает 0,3 МДж/кг. Приблизительно вдвое хуже, но все-таки очень высокие показатели у маховиков из березы, сосны, ели. Плохо только то, что объем их слишком велик — дерево очень легкий материал. 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 три раза, а бамбуковый в 10 раз легче, чем чугунный. Это подтверждено расчетами и испытаниями.

Совершенно неожиданными для меня стали 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. А ведь их плотность в три раза меньше, чем у стали! В результате маховик из плавленого и закаленного кварца способен накопить в килограмме массы до 5 МДж энергии, или в 150 раз больше, чем стальной маховик! То есть он уже вполне может стать «капсулой». Автомобилю массой 1 т для прохождения 100 км 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 вместо монолитного стекла или кварца использовать волокна, тончайшие нити? Прочность у стеклянных и кварцевых волокон гораздо выше, чем у монолита. Например, тонкие волоконца из кварца во время испытаний показали в три-четыре раза большую прочность, чем литой кварц, и в 10 раз большую, чем стальная проволока. Супермаховик, навитый из такого волокна, даже с запасом прочности обеспечит плотность энергии в 5 МДж/кг.

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, хотя плотность его в пять раз меньше! Маховик, навитый из графитового волокна, в 20–30 раз превзойдет стальной по плотности энергии, а навитый из алмазного волокна приобретет фантастическую энергоемкость — 15 МДж/кг!

Но пока цена такого материала тоже фантастическая, нить из него получить очень трудно — на сегодняшний день волоконца имеют длину всего 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, 20 кг супермаховика для 500 км пробега автомобиля! Это отличный результат для «капсулы». Но, как оказалось, прочностные возможности материалов еще далеко не исчерпаны.

Совсем недавно, на основе нанотехнологий в США и Австралии были созданы волокна и ленты фантастической прочности на основе того же карбона или углерода. При толщине ленты в сотни раз меньше волоса, она по прочности в тысячи раз превышает сталь, или ординарное графитовое волокно. Стало быть, его плотность энергии может составить тысячи мегаджоулей на килограмм, вероятнее всего 2500–3500 МДж/кг. Такую плотность энергии даже вообразить себе трудно — это в тысячи раз больше, чем у самых перспективных электроаккумуляторов. Супермаховик из этого «суперкарбона» массой 150 кг способен обеспечить пробег легкового автомобиля в 2 с лишним миллиона километров с одной раскрутки! То есть больше, чем может выдержать шасси машины.

Это даже не «капсула», а «сверхкапсула», такой, пожалуй, пока и не надо. К тому же суперкарбон, необходимый для ее создания, стоит очень дорого — сотни долларов за грамм. Вероятнее всего, этот материал со временем будет дешеветь, как и обычный карбон.

Но если спуститься с небес на землю и посмотреть, на что я со своей идеей «энергетической капсулы» мог рассчитывать сегодня, то я пришел к таким выводам.

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 лучших 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 самой низкой по сравнению со всеми другими типами накопителей.

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

Чтобы выявить сильные и слабые 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 оставлять конец проволоки незакрепленным нежелательно. Если скрутить свободный 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 завершился, 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!