Перспективные энергоаккумуляторы: КАК ЗАПЕЧАТАТЬ ДЖИНА В БУТЫЛКУ
"Бывают вещи слишком невероятные,
чтобы в них можно было поверить.
Но нет вещей настолько невероятных,
чтобы они не могли произойти."
(Томас ХАРДИ).
Сберечь энергию - задача не менее важная и не менее сложная, чем произвести ее в достаточных количествах. Если говорить об аэрокосмической технике, то энергоаккумуляторы могут в ней служить не только вспомогательную роль, разгружая во время пиковых нагрузок энергоустановку, но и позволяют свести роль энергоустановок к минимуму или даже вообще отказаться от нее - в случае, если переданной от внешнего источника и запасенной на борту энергии хватит на все задачи полета. Наша задача и состоит в том, чтобы найти оптимальные материалы и конструкции сверхмощных аккумуляторов.
В настоящее время применяются в аэрокосмической технике или просто известны следующие виды аккумуляторов: маховики или механические инерционные, тепловые, гидравлические, пневматические, химические, электрические аккумуляторы; конденсаторы; сверхпроводящие аккумуляторы, плазмоидные аккумуляторы и другие малоиспользуемые или вообще не используемые на практике виды аккумуляторов. Мы будем рассматривать только те из них, которые способны запасти или получить на выходе напрямую или через генератор (преобразователь) электроэнергию.
МАХОВИЧНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Маховики - наиболее совершенные инерционные аккумуляторы механической энергии вращения, используемые также для уменьшения неравномерностей вращения валов различного типа.
На практике маховики как аккумуляторы уже неоднократно применялись:
В 1860 году российский изобретатель, инженер-порутчик З.ШУБЕРСКИЙ опубликовал идею использования мощных маховиков на железнодорожном транспорте, новый вид транспорта назвали "маховозом". [г."Современная летопись" 1862, июль].
В 1918 году изобретатель-самоучка Анатолий Г.УФИМЦЕВ (тот самый, что летал на сфероплане собственной конструкции) получил патент на идею маховикового аккумулятора, в 1920-х годах предложил использовать инерционные аккумуляторы для приведение в движение трамваев в г.Курске, но проект не был воплощен в жизнь. По неподтвержденным данным, маховик Уфимцева, возможно, испытывали на Кольском полуострове. [Архив "Космопоиска"].
Американский ученый, изобретатель Дэвид РАБЕНХОРСТ сумел даже построить и испытать 2-местный махомобиль. В 1990-х годах западные автомобилестроительные фирмы испытали по крайней мере еще одну модель, но на серийный выпуск никто не решился.
Теоретически с помощью маховиков можно было бы решить и иную задачу: запасти достаточное количество энергии, для чего необходимо значительно увеличивать массу и скорость вращения, однако, на практике использование быстровращающихся маховиков может быть не только опасным, но и невозможным по причине, что нагрузки на материал маховика при нужных скоростях значительно превосходят пределы прочности.
Разрыв быстровращающегося маховика очень часто приводит к эффекту, сравнимому со взрывом бомбы. Преодолеть эту опасность можно, например, изменением конструкции маховика, например, безопасным считается вращающийся диск, собранный из металлической ленты. Разорвавшийся от предельных нагрузок виток ленты в экспериментах не пробивал даже тоненького, как консервная банка, кожуха. 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. Максимум, что инженеры могут "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. [Гулиа Н.В. "В поисках "энергетической капсулы" М., ДЛ, 1984, с.101].
Так или иначе, если не считать создания нескольких экспериментальных моделей маховичных автомобилей, работа по созданию и испытанию супермаховиков в мире, а тем более в России, практически не ведется, хотя это направление и обещает большие открывающиеся перед конструкторами перспективы...
ТЕПЛОВЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Теплоаккумуляторы - устройства, накапливающие тепло, предназначенное для покрытия пиков тепловой нагрузки или для получения других видов энергии. Устройства такого типа эффективны в прямой зависимости от существующей в агрегате и вокруг его разницы температур. Тепловые аккумуляторы уже использовались на спускаемых аппаратах АМС "Венера-9" и других автоматических зондах для охлаждения аппаратуры, опыт их использования в условиях реального космического полета имеется. Но в при полетах вблизи звезд или внутри атмосфер планет, когда температура среды изменяется в очень широких пределах, такие аккумуляторы не всегда смогут найти применение...
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Гидроаккумуляторы - устройства, накапливающие под давлением жидкость, поступающую от насосов и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без нее. При этом следует различать буферные запасы жидкости (или запасы жидкого топлива) и собственно жидкостные аккумуляторы давления. Из-за значительной массы рабочего тела использование таких типов аккумуляторов в аэрокосмической технике затруднено, а экономия веса на стенках гидроприводов ради снижения веса ЛА вообще может иметь катастрофические последствия...
ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Пневмоаккумуляторы - устройства, накапливающие газ и отдающие ее в моменты наибольшего расходования с преобразованием в другие виды энергии или без этого преобразования. В ракетной технике есть почти забытый (из-за того, что само устройство давно уже не применяется) термин воздушный аккумулятор давления (ВАД).
Неплохой проект использования такого аккумулятора для старта из-под воды предложил московский изобретатель Александр Николаевич ИЛЬИН (р.1940). Предполагалось, что специально созданные сферические сверхпрочные баллоны, находящиеся на морском дне вблизи подводных вулканов, будут собирать (аккумулировать) перегретый пар (газ), выходящий под большим давлением из жерла. Затем в КЛА этот газ создавал тягу, выбрасывая под большим давлением запас рабочего тела (морской воды). Расчет показал, что подобная ракетная система становится способной вывезти сама себя на базовую орбиту лишь при стартовой массе порядка тысячи тонн, а при стартовой массе в десяток тысяч тонн система становится уже рентабельной и выигрышной по сравнению с обычными РН. Причем - без затрат на строительство сложных стартовых комплексов (старт происходит из-под воды). Главный минус этой системы - ограничения минимального веса, неуниверсальность всей системы и ограниченная сфера применения...
В конце 1990-х годов югославский изобретатель из Черногории Иван РАДУНОВИЧ придумал автомобильный двигатель, не нуждающийся в традиционных видах горючего, машина двигается на энергии из воздуха. Автор изобретения пока не раскрывает секрета новинки, а лишь сказал, что агрегат почти готов, и не хватает лишь емкости со сжатым воздухом, которую должны изготовить на заводе "Унитекс" в городе Смедерово. Общий вес двигателя составляет
АНАЛИЗ ПРОЕКТА: При таком описании трудно найти различия между электрохимическими аккумуляторами и, например, гальваническими элементами; не имея подробного описания, мы можем лишь констатировать сообщение изобретателя.
ХИМИЧЕСКИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Химические аккумуляторы - устройства для получения электрического тока и напряжений в результате химической реакции, как правило, в группе из однотипных батарей (многоразовых гальванических элементов), соединенных электрически и конструктивно. В настоящее время широко используются в аэрокосмической технике, но - как источник тока для приборных и вспомогательных систем, а не для создания тяги. Попытки улучшения энергомассовых характеристик этого типа аккумуляторов ведут многие электрические, электронные и автомобильные компании мира...
КОНДЕНСАТОРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Конденсаторные аккумуляторы - системы, накапливающие электрические заряды, состоящие из двух и более подвижных или неподвижных электродов (обкладок), разделенных диэлектриком (бумагой, слюдой, воздухом и др.); самые старые из известных электрических аккумуляторов (впервые "лейденскую банку" изготовили в середине XVIII века в голландском городе Лейдене).
Один из несомненных "плюсов" конденсаторов - способность выдать всю или часть запасенной энергии в самые короткие сроки, один из "минусов" - опасность непредвиденного пробоя, который при мгновенном выделении всей запасенной энергии будет сравним со взрывом. В перспективе конденсаторные батареи вполне могут значительно повысить свои энергомассовые характеристики - настолько, что станут вполне конкурентноспособными с любыми применяющимися аккумуляторами или даже превзойти их. Все зависит от того - сумеют ли современные ученые значительно повысить емкость конденсаторов за счет применения новых технологий, материалов и конструкций.
Один из возможных путей - изготовление конденсатора из активированного угля, который, как известно, приготавливается путем кипячения древесного угля в воде, имеет огромную площадь поверхностей в единице объема при оптимальном расстоянии между ними. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли (благодаря этому активированный уголь и поглощает запахи, яды, различные газы). Для придания этому изоляционному материалу свойств проводника японские химики пропитывают уголь раствором солей щелочных металлов (натрия, калия, лития) в органическом растворителе, благодаря чему емкость одного кубического сантиметра такого конденсатора возрастает до 10 и более фарад (это - емкость в вакууме шара диаметром в 15 тысяч раз больше размера Земли!). Но такой аккумулятор не в состоянии запасти большое количество энергии - конденсатор из активированного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии этого конденсатора пока составила примерно 1 кДжоуль/кг, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но меньше, чем необходимо для перспективной техники.
Иной путь предложили технологи в Венгрии, которые создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокими диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость - 130000 единиц (!) - у дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК, которая несет генетическую информацию). Если обычный конденсатор емкостью 10 микрофарад заполнить в качестве электролита веществом ДНК, то при напряжении 300 вольт плотность его энергии будет порядка 20-200 кДжоулей/кг. Этот показатель уже лучше, чем у газовых аккумуляторов.
В начале 1980-х годов заслуженный изобретатель СССР Нурбей Владимирович ГУЛИА предлагал объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активированный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой. По его расчетам, удельная энергия конденсатора, при этом выросла бы еще примерно в сто раз. [Гулиа Н.В. "В поисках энергетической капсулы" М., ДЛ, 1984, с.49].
Однако, для реализации на практике этой идеи до сих пор остаются нерешенными вопросы: "Где достать столько ДНК и как пропитать ДНК активированный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить и какова будет сила взрыва, если несмотря на все меры предосторожности все же произойдет внезапный пробой?"
В феврале 1997 года был получен положительный ответ: после успешных генетических опытов по клонированию, проведенных Яном ВИЛМАТОМ, шотландским генетиком, руководителем лаборатории Рослинского института. Он осуществил эксперимент по клонированию (бесполому размножению) овцы, а в феврале 1997 официально объявил об успехе. Менее чем через месяц эксперимент был повторен в США уже с приматами, тем самым косвенно подтверждая возможность проведения таких операций на человеке. Иными словами, данный метод позволяет получать популяции идентичных ДНК нужной конфигурации теоретически в неограниченных количествах, в том числе - для производства сверхмощных конденсаторов...
СВЕРХПРОВОДЯЩИЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Сверхпроводящие аккумуляторы - электронакопительные системы, состоящие из бесконечно длинного (замкнутого) проводника с нулевым сопротивлением. Очевидный плюс этой системы - компактность, энергоемкость, способность хранить энергию без потерь на протяжении сколь угодно долгого времени, пока в проводнике будет сохраняться состояние сверхпроводимости. Учитывая, что в настоящее время широко производятся только холодные и теплые сверхпроводники (с хладогентами гелием и азотом соответственно), надо добавить, что при длительном использовании такого аккумулятора понадобятся дополнительные расходы энергии на охлаждение сверхпроводников. Наилучшим вариантом, конечно же, было бы создание для ЛА сверхпроводящего аккумулятора из горячих сверхпроводников, сохраняющих свои свойства при температурах +100-200 и выше градусов С. Работы по созданию таких материалов в настоящее время усиленно ведутся во всем мире.
Некоторые исследователи уже предварительно объявили о теоретическом "обнаружении" горячего сверхпроводника. Об этом, например, в 1964 году заявлял американский физик Литтл, предложивший новую схему получения сверхпроводника на основе кристаллической полимерной углеродной нитевидной решетки, которая должна сохранять свои свойства до температуры 2400 К (в этом материале роль ионов решетки играют электроны, создающие дополнительную систему в боковых ветвях кристаллической нити, которая в свою очередь создает притяжение между электронами проводимости в главной оси нити). Хотя такой материал до сих пор не был синтезирован по технологическим причинам, сама теория Литтла была косвенно подтверждена, когда удалось сделать первый сверхпроводящий полимер (SN)x, работающий при Тк=0,26 К!
Другой механизм сверхпроводимости, относящийся к "реальным трехмерным системам в сплавах с перекрывающимися зонами", в 1965 году предложил Б.Г.Гейликман, который заявил, что различные виды этих сверхпроводников будут работать в диапазонах температур от 100 К до 10**30 К!
В 1990-х годах объявил о создании новой теории горячих сверхпроводников сотрудник КБ "Салют" канд.техн.наук Василий Дмитриевич ШАБЕТНИК (р.1940), теория которого была не признана в России, но который с успехом продолжает работать в Великобритании. В 1997 году он заявил автору этого обзора, что создал и запатентовал сверхпроводник устойчиво работающий при +100 градусах С (373 гр.К) и готовит его улучшенный вариант. Вместе с тем, в самом КБ и на физфаке МГУ, где проходил проверку прежний образец сверхпроводника Шабетника, не исключают, что эти материалы, возможно и работающие при высоких температурах, в действительности теряют свойства сверхпроводника при пропускании через них сколь-нибудь значительных величин электротока. Так или иначе, но работа в области горячих сверхпроводников в настоящее время продолжается и специалисты многих стран неоднократно заявляли, что ожидают появления первых образцов в ближайшее десятилетие и что это событие произведет "настоящую революцию во всех видах техники"...
ПЛАЗМОИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Плазмоаккумуляторы для хранения большого количества энергии используют, по мнению авторов разработок, свойства и способность плазмы создавать долгоживущие сгустки энергии в виде шаровой молнии.
В 1991 году физик В.П.Яковлев совместно с В.И.Андриановым, основываясь на собственных исследованиях природы шаровой молнии, подал заявку и получил патент СССР N 1831977 на "безотказный способ синтеза шаровых плазмоидов". Как явствует из документов, в 1994 году они также подали заявку и на "Способ аккумуляции энергии в шаровом плазмоиде и плазменном аккумуляторе" номинальной энергией 85 МДж (около 23 кВт/ч), габаритами 50х50х80 см, массой
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
По энергомассовым характеристикам, по критериям эффективности и универсальности наиболее подходящими являются сверхпроводящие и плазмоидные аккумуляторы, стоит также обратить внимание на развитие супермаховиков и суперконденсаторов, потенциально годных для использования в перспективной аэрокосмической технике. Использование супермаховиков в силу их значительной инерционности может накладывать ограничения на использование их в высокоманевренных аппаратах, а сверхпроводящие и конденсаторные системы (а также маховики с конденсаторными обкладками) не должны применяться без электромагнитной совместимости с оборудованием КА, а также без защитных экранов в областях космического пространства где наблюдается высокая напряженность электромагнитного поля. Плазмоидные аккумуляторы до сих пор не испытаны в полном объеме. Таким образом, пока в ближайшем будущем самым перспективным для использования в аэрокосмической технике остается сверхпроводящий аккумулятор, изготовляемый поначалу из охлаждаемых, затем из неохлаждаемых горячих сверхпроводников.
