Размещено на http://www.allbest.ru/

Двигатель внутреннего сгорания: эволюция и альтернативы

Одна из примечательных черт нашего времени - охватившая планету автомобилизация. Только за последние 50 лет мировой автопарк увеличился более чем в 12 раз и превысил 630 миллионов машин. Особенно бурно этот процесс протекал в Европе, где за полвека произошел 30-кратный скачок - с 7 до 230 миллионов автомобилей. По данным журнала "Motor Vehicle", их производство в 1995 году составило: в США - 12 миллионов, в Японии - 10,2, в Германии - 4,7, во Франции - 3,5, в Великобритании - 1,8, в Италии - 1,7 миллиона автомобилей. Всего же в мире с конвейеров автозаводов ежегодно сходит больше 40 миллионов машин.

В развитых странах, таких, как Канада, Германия, Италия, Япония, Франция, Великобритания, на 1000 жителей приходится 500-700 автомобилей, в США - около 800. Эти впечатляющие по нашим меркам цифры (в России менее 150 автомобилей на 1000 жителей) продолжают расти, так что, скорее всего, до полного удовлетворения автомобильных потребностей жителей планеты еще далеко. Во всяком случае по зарубежным прогнозам рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти XXI века.

Загрязнение воздуха вредными выбросами автомобилей в конце ХХ века стало одной из глобальных экологических проблем. Путь ее решения только один - автомобиль должен стать экологически чистым.

В журнале «Наука и Жизнь» рассмотрению этой проблемы уделяется много внимания. Причём с 90 гг. в теоретической области прослеживается явная тенденция к изменению направления исследований в данной области: от поиска путей усовершенствования ДВС таким образом, чтобы сделать его экологически более безопасным к разработкам неких альтернативных экологически безопасных вариантов источников энергии, способных привести в движение автомобиль.

До настоящего момента никакие альтернативные решения проблемы ДВС не нашли применения в массовом производстве. В то время как именно это условие - применение источника энергии в массовом производстве, - является необходимым для «оздоровления» автомобиля.

Таким образом, практически наиболее успешны как раз разработки, касающиеся усовершенствования ДВС. К середине 90гг. в эволюции ДВС, судя по опубликованным стстьям, наблюдалась следующая картина:

В развитых странах, таких, как Канада, Германия, Италия, Япония, Франция, Великобритания, на 1000 жителей приходится 500-700 автомобилей, в США - около 800. Эти впечатляющие по нашим меркам цифры (в России менее 150 автомобилей на 1000 жителей) продолжают расти, так что, скорее всего, до полного удовлетворения автомобильных потребностей жителей планеты еще далеко. Во всяком случае по зарубежным прогнозам рост мирового автомобильного парка будет продолжаться и в первой четверти XXI века.

Своим беспрецедентным распространением по всему миру автомобиль обязан главным образом двигателю внутреннего сгорания (ДВС), созданному больше 100 лет назад, но до сих пор не имеющему конкурентов. При сравнительно небольшой массе он развивает значительную мощность, достаточно надежен, экономичен, работает на сравнительно недорогом топливе. ДВС гарантирует высокие скорости и хорошие тяговые свойства автомобиля в любых условиях движения.

Однако с годами, по мере роста автомобильного парка, все больше стал проявляться существенный недостаток ДВС - он оказался причиной значительного загрязнения атмосферного воздуха, особенно в крупных городах. При большом скоплении автомобилей количество выбрасываемых с выхлопными газами вредных веществ становится недопустимо большим. В Лондоне, например, уже в шестидесятые годы из-за смога, образованного выхлопными газами автомобилей, отмечались случаи резкого роста смертности людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. В семидесятых годах загазованность улиц Токио была так велика, что регулировщики движения часто стояли на посту в противогазах.

И в России автомобильный транспорт стал одним из главных загрязнителей атмосферы. Его вредные выбросы во многих городах в 4-5 раз превышают загрязнение воздуха промышленными предприятиями. Вот типичные цифры, иллюстрирующие масштабы бедствия: в 1993 году с выхлопными газами автомобилей в атмосферу попало 14,7 миллиона тонн оксида углерода, 3,4 миллиона тонн углеводородов, около одного миллиона тонн оксидов азота, более 5,5 тысячи тонн высокотоксичных соединений свинца.

Несмотря на многочисленные попытки заменить двигатель внутреннего сгорания каким-либо другим, не выделяющим токсичные вещества, альтернативы ему пока нет. А если принципиально новый двигатель и появится, то переналадка производства для его крупносерийного выпуска потребует грандиозных капиталовложений и произойдет далеко не сразу. Вместе с тем уже сейчас человечество подошло к той черте, когда без экологически чистого автомобиля просто не обойтись. И выход пока видится один - надо если не полностью исключить, то во всяком случае свести к минимуму вредные выбросы ДВС.

Важное место здесь принадлежит системам нейтрализации, способным в несколько раз снизить токсичность выхлопных газов. Мировая практика давно доказала высокую эффективность применения нейтрализаторов, но распространение их в России сдерживается - все еще не решены экономические, технические и организационные проблемы.

Все крупные автомобильные компании, особенно в последние годы, заняты поиском решений экологических проблем, связанных с автомобильным двигателем. Они постоянно совершенствуют действующие и предпринимают шаги к созданию новых моторов с наиболее полным сгоранием топлива. Результат этой работы налицо. Современные автомобили ведущих фирм Европы и США выбрасывают в атмосферу в 10-15 раз меньше вредных веществ, чем автомобили восьмидесятых годов. Этому в значительной степени способствовали такие нововведения, как двигатели, работающие на переобедненных смесях, многоклапанные системы газораспределения, впрыск топлива вместо карбюраторного смесеобразования, электронное зажигание. При пуске холодного двигателя в современных карбюраторах используются автоматы пуска и прогрева. На режимах торможения двигателем применяют экономайзер принудительного холостого хода - клапан, отключающий подачу топлива.

Большое внимание уделяется подбору обедненных регулировок дозирующих систем карбюратора. На двигателях с впрыском топлива появились электронные системы коррекции состава горючей смеси в зависимости от температуры, климатических и других условий. Система термостатирования воздуха, поддерживающая его температуру на входе в двигатель, создает оптимальные условия для приготовления горючей смеси. Система зажигания с высокой энергией разряда свечи повышает надежность воспламенения смеси, особенно на режимах холостого хода.

Для уменьшения выброса оксидов азота используется рециркуляция - перепуск части отработавших газов из выпускного трубопровода во впускной - при этом понижается температура сгорания и их образуется значительно меньше. Рециркуляция применяется не только на двигателях с искровым зажиганием, но и на дизелях. Перспективны в этом плане и системы электронного регулирования, оптимизирующие работу двигателя на всех режимах. Кроме того, автомобильные заводы планомерно ужесточают технологические допуски и повышают точность изготовления приборов питания и зажигания, впускной и выпускной систем, деталей крипошипного механизма и газораспределения. двигатель автомобилизация рециркуляция

Благодаря этим усовершенствованиям загрязнение атмосферного воздуха заметно уменьшается. И все же полностью удалить токсичные вещества из отработавших газов не удается.

Кроме того, предлагаются к использованию нейтрализаторы различного типа, применение которых реально способно уменьшить выбросы в атмосферу. Однако общий тон статьи говорит о том, что ДВС никогда не сможет стать полностью экологически безвредным, кроме того, сам процесс роста количества автомобилей в мире сводит на нет результаты технических новинок, призванных уменьшить загрязнени от ДВС.

Уже в следующих публикациях (1997г.) предлагаются альтернативы ДВС, в частности электромобили. Первые в мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале 80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899 году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.

Тяговый электродвигатель в таких электрических автомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм. Значит, для того, чтобы "прокормить" двигатель мощностью в 20 киловатт (27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Эквивалентное же ему по запасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всего в 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилей стало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвью автомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологические проблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.

Сама по себе замена ДВС электродвигателем, конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массой полегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 лет после первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (то есть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов (43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобака остаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.

Если же учесть необходимость многочасовой зарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие, относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслуживших батарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторный электромобиль пока непригоден.

Поэтому внимание авторов публикаций направлено на поиск альтернативных аккумулятору источников тока для двигателя электромобиля, в частности, химических источников тока - гальванических элементов. В основе их работы лежат окислительнор-восстановительные реакции, которые сопровождаются передачей электронов от атомов одного вещества (восстановителя) к атомам другого (окислителя). Если при этом непрерывно или время от времени выводить из источника образовавшиеся в нем продукты реакции, а взамен подавать в него все новые и новые реагенты. Они в этом случае выполняют роль топлива, и именно потому такие элементы носят название топливных.

В качестве окислителя предлагается, естественно, кислород. Восстановитель - топливо, его необходимо возить с собой. И потому при его выборе приходится прежде всего исходить из так называемого массо-энергетического показателя - полезной энергии, выделяемой при окислении единицы массы.

Наилучшими в этом отношении свойствами обладает водород, вслед за которым идут некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, а затем - алюминий. Однако именно алюминий наиболее безопасен из всех. В качестве электролита предлагается использовать щелочной раствор, так как в щелочной среде алюминий восстанавливается в присутствии дешёвых катализаторов.

В качестве недостатков указываются коррозия анода и большой расход воды. Однако даже при указанных недостатках коэффициент полезного использования алюминия достигает 98%. Сам же щелочной электролит отходом при этом не становится: отфильтровав от него кристаллы гидроксида алюминия, этот электролит можно снова заливать в элемент. Кроме того, отходов в привычном смысле этого слова при работе воздушно-алюминиевого источника тока не образуется. Ведь получаемый при разложении алюмината натрия гидроксид алюминия - это просто белая глина, то есть продукт не только абсолютно чистый экологически, но и весьма ценный как сырье для многих отраслей промышленности. Именно из него, например, обычно производят алюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплав этого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутый ресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока. Но гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Ведь очень многие искусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты - выполняются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или бериллия соответственно.

Стоимость "отходов" воздушно-алюминиевого источника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а масса их при этом в три раза больше массы исходного алюминия.

Самый большой недостаток - дороговизна анодного материала, которая определяется главным образом энергоемкостью процесса производства. Но судя по всему, специалисты видят большую перспективу именно в этом пути решения проблемы. В публикациях 1998 г. рассматриваются возможные пути устранения этого недостатка.

Одна из статей посвящена, в частности, последним разработкам Института металлургии имени А. А. Байкова Российской академии наук.

Специалисты института разработали новый и весьма эффективный метод так называемых многокомпонентных химических реакций. В специально подобранной среде, обладающей одновременно ионной и электронной проводимостью, возникают при определенной температуре множественные и равномерно распределенные в объеме реактора микроэлектродные (так их называют) электрохимические реакции. С их помощью можно получать в чистом виде многие из известных элементов, в том числе -- металлы, и в частности -- алюминий. Это делают уже сегодня, но пока в лабораторных условиях, а в качестве сырья используют обычную грунтовую глину или любое рудное сырье, содержащее глинозем.

Если промышленности удастся освоить новую технологию получения алюминия, то и он, и его сплавы станут намного дешевле. И тогда появится дополнительный стимул не только для решения проблемы автомобильного топлива, но и для пересмотра конструкции самого автомобиля. Кузов, в частности, будет иметь каркасную конструкцию из легкого и не поддающегося коррозии материала и станет много легче. А снижение веса автомобиля непременно уменьшит энергозатраты на его движение.

Однако поскольку подобные источники энергии всё ещё далеки от массового потребителя, разработчики автомобильных компаний параллельно с поиском альтернатив ДВС занимаются проблемой повышения его экологической безопасности.

В 1999 г. в журнале большое внимание уделяется проблеме качества топлива, применяемого для ДВС, и его воздействия на окружэающую среду. В частности, идет борьба с попаданием в атмосферу высокотоксичных соединений свинца, содержащихся в качестве антидетонационных присадок в этилированном бензине. Около 20 лет назад во всех развитых странах мира началось вытеснение этилированного бензина высокооктановым топливом без соединений свинца. Чтобы наладить его производство, пришлось переоснащать нефтеперерабатывающие предприятия и внедрять на них новые технологии переработки нефтепродуктов. Западная Европа намерена уже в ближайшие 10 лет окончательно избавиться от этилированного бензина. В России введен государственный стандарт Российской Федерации на четыре сорта неэтилированных бензинов: “Нормаль-80”, “Регуляр-91”, “Премиум-95” и “Супер-98”. По детонационным свойствам эти бензины соответствуют прежним А-76, АИ-91, АИ-95 и АИ-98.

С 2000 г. в журнале появляются публикации, посвящённые вопросам поиска альтернативных источников энергии не только для автомобилестроения, но для нужд человечества в целом. Эти публикации рассказывают о разработках, направленных далеко в будущее, потенциально способных осуществить переворот в энергетике.

В частности, в одном из номеров рассматривается новый горючий материал, найденный в океане, - метангидрат.

В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду). Эти числа выведены на основе бурения и сейсмической разведки в ограниченном числе мест, но полученные данные распространены на те области океана, где есть сходные условия.

Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Многие страны уже заинтересовались данным веществом. Соединенные Штаты, согласно перспективным расчетам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разрабтку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны. Намечено, что к 2015 году начнется эксплуатация прибрежных хранилищ метангидрата.

Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония - страна, лишенная нефтяных месторождений, но обладающая обширными запасами метана, спрятанного в океане - во льду и под ним. Сейчас идет поиск промышленной технологии, которая позволила бы чрезвычайно аккуратно добывать газ, не допуская его утечек в атмосферу, чтобы не допустить рост в атмосфере углекислого газа.

В 2001 г. журнал публикует статью, в которой предлагается в качестве горючего использовать песок.

Современная наука мобилизовала себя на борьбу с углекислым газом -- продуктом горения. При этом все как бы смирились с тем, что выработка энергии неизбежно связана с ростом содержания в атмосфере Земли углекислого газа. Однако ученые ищут пути уменьшения количества СО₂ в природном кругообороте веществ. И вот уже появились идеи подлинно революционные: решительно изгнать углерод и кислород из энергетики, построив ее на совершенно других элементах.

Профессора химии Норберт Аунер из Франкфурта-на-Майне выяснил, что кремний способен весьма энергично соединяться с азотом. Стартовая температура для начала реакции -- 500 градусов; второе условие: кремний должен быть очень тонко измельчен. Окисел же меди играет роль катализатора.

Ценность этого случайного открытия не подлежала сомнению. Если кремний так легко горит (а он -- составная часть песка), не станет ли этот элемент главным топливом человечества в будущем? Во-первых, наша планета богата песками, а во-вторых, горение в азоте не сопровождается выделением в атмосферу парниковых газов, прежде всего -- двуокиси углерода. Новое горение оставляет после себя тот же песок, только не на кислородной, а на нитратной основе.

В идеале можно представить себе такую картину: человек отказывается от использования угольных и нефтяных запасов, электростанции получают кремниевую пыль, автомобили этой же пылью заправляются на станциях и там же выгружают мешки с “золой” -- песком.

Конечно, было бы не совсем грамотно провозгласить: “Песок -- нефть будущего”. Ведь песок не горит, горит кремний. В природе кремний в чистом виде не встречается, и чтобы его получить из песка, надо израсходовать энергию, к тому же немалую. Она уходит, главным образом, на то, чтобы отщепить атомы кислорода от атомов кремния. Но эти энергетические затраты будут с лихвой возмещены за счет соединения с азотом.

Профессор Аунер предполагает, что фабрики восстановления кремния выгоднее располагать в экваториальных пустынях, где есть все необходимые условия для производства: песок, воздух и солнечная энергия. Она, вырабатывая ток, приведет в действие реакторы, восстанавливающие кремний.

Подобным образом гелиоэнергетические установки могут расщеплять и воду на кислород и водород. Водород -- превосходное топливо: сгорая, он выделяет много тепла, оставляя после реакции лишь воду. В этом тоже есть заинтересованность. Крупнейшие автомобильные фирмы -- “Даймлер-Крайслер” и “Форд” -- рассматривают водород в качестве заменителя бензина. Правда, водород перед транспортировкой надо превратить в жидкость, а для этого его приходится охлаждать до минус 253 градусов, так что техника снабжения топливом получится очень дорогой. Кроме того, смесь водорода с кислородом -- взрывчатый газ огромной силы, а следовательно, обращение с ним связано с немалыми трудностями.

От всех такого рода проблем свободна работа с кремнием -- блоки этого топлива могут путешествовать на любом виде транспорта, им не страшны открытые источники тепла, даже такие, как сварочные горелки. Пока блок не измельчен в пыль, он не горюч. Но в пылевидном состоянии он так же опасен, как водород.

Сегодня говорить о практическом воплощении замыслов профессора Аунера еще рано. Производство чистого кремния дорого, и на рынке его мало. Главным потребителем кремния выступает промышленность, изготовляющая компьютеры и другую электронику. Остальным достаются крохи. Правда, гелиоэнергетическое оборудование тоже требует для своих батарей немного кремния. Мировое потребление его для солнечных панелей не достигает и тысячи тонн, но и эти тонны гелиотехники получают с трудом.

Но как бы там ни было, впервые высказана идея новой энергетики! В Периодической системе элементов Менделеева углерод и кремний стоят рядом, по химическим особенностям они во многом схожи. Если найти способ убрать «минусы», то данный проект может стать началом энергетики будущего.

Практическую ноту в вопросе о новых источниках топлива внесла статья об успешных экспериментах КБ «Туполев» по применению криогенного топлива в авиации. В середине 1980-х годов у специалистов ОАО "Туполев" появилась возможность создать самолет, работающий на сжиженном газовом топливе. Его еще называют криогенным (kryos - холод, genes - рожденный). На базе пассажирского лайнера Ту-154 они построили летающую лабораторию Ту-155. В качестве авиационного топлива был использован жидкий водород. Это почти идеальное экологически чистое топливо выделяет при сгорании в основном воду и незначительное количество окислов азота. По теплотворной способности водород втрое превосходит традиционный авиационный керосин. Но довольно скоро работа над силовой установкой на жидком водороде была остановле на. Разработчики переключились на более удобный в эксплуатации сжиженный природный газ (СПГ) - самое чистое и дешевое ископаемое топливо. Как и водород, СПГ значительно меньше загрязняет окружающую среду, его теплотворная способность на 15 процентов выше, чем у авиационного керосина. Да и хранить СПГ в жидком виде гораздо проще (температура может быть около минус 160^оС, что почти на 100 градусов выше, чем при хранении водорода).

Экспериментальные полеты Ту-155 дали бесценный опыт для дальнейшего усовершенствования авиационных криогенных топливных систем. Сейчас создается новый самолет на криогенном топливе - Ту-156, предназначенный не для испытаний, а для коммерческой эксплуатации. У этой машины уже появился потенциальный заказчик. Его собирается использовать на региональных авиалиниях Газпром.

Более революционному, чем криогенное топливо, и менее фантастичному, чем песок, источнику энергии посвящена публикация «Термояд: сквозь тернии к звёздам».

Одно из главных достоинств атомной, или, лучше сказать, ядерной, энергетики - каждый участвующий в деле атом выдает в миллионы раз больше энергии, чем при химических реакциях. Второе достоинстово - запасы ядерного топлива достаточно велики, а для ядерного синтеза, где энергию получают в основном из ядер водорода и топливом может служить обычная вода, - практически безграничны.

Существуют два поставщика ядерной энергии - деление, распад атомных ядер и создание, синтез нового ядра из двух слившихся более простых ядер. Реакции деления, в частности деление атомных ядер урана, используется в современных, так сказать, традиционных атомных электростанциях. Их в мире уже работает больше четырехсот общей мощностью почти 350 гигаватт (1 ГВт = 10⁹ Вт), что составляет более 4 процентов мировой энергетики. А в некоторых странах они производят весьма заметную часть электроэнергии - во Франции, например, 75 процентов, в Бельгии - 58, в Японии - 35, в США - 20, в России - 14.

Что же касается синтеза, то здесь реально речь идет об одном виде таких ядерных реакций - о слиянии двух ядер водорода, точнее его изотопов, в одно ядро, в ядро гелия. Каждое такое слияние двух водородных ядер в расчете на единицу массы дает во много раз больше энергии, чем деление уранового ядра, и при этом не сопровождается появлением радиоактивных отходов. Наконец, еще одно достоинство - водорода чрезвычайно много и на Земле, и во Вселенной. Не случайно при сотворении мира Природа выбрала именно водородный синтез для своих энергетических агрегатов - для звезд. Так, в частности, вся гигантская энергия, которую выдает наше Солнце, в том числе тепло и свет, попадающий на Землю (0,0000001 процента общей солнечной мощности), рождается из ряда ядерных реакций синтеза. Поняв это, вполне естественно было подумать о том, чтобы воспроизвести водородный синтез в земных условиях - заставить маленькое прирученное Солнце щедро кормить нас энергией. Тогда уже не нужно будет опасаться энергетического голода - водород можно брать из воды, а ее у нас немерено. К тому же ядерные реакции - это вам не слабосильное горение, водородный синтез позволит из стакана обычной воды, в которой есть и молекулы D₂О, получить столько энергии, сколько дает сжигание целой бочки бензина.

Получать энергию от ядерного синтеза научились почти полвека назад, но лишь в виде неуправляемой лавины - в водородной бомбе. А энергетике нужен не взрыв, а ровное "горение", непрерывное выделение энергии. Иначе говоря, энергетике нужен управляемый термоядерный синтез, сокращенно УТС. Именно над этой проблемой, уже не только теоретически, но и практически, работают ядерщики всего мира. В 2001 г. после более чем девяти лет совместной работы многих крупных исследовательских и промышленных центров создан технический проект первого в мире экспериментального термоядерного реактора. Проектирование осуществляется в рамках международной программы "Технический проект ИТЭР". ITER (International Termonuclear Experimental Reactor - Международный Экспериментальный Термоядерный Реактор, а само слово iter в переводе с латыни означает шаг, шаг на пути к звездной энергии)

В этом же 2001г. публикуются статьи об использовании солнечной энергии как источника тока для двигателей. В частности, интересна статья, посвящённая использованию солнечных батарей для яхт.

В настоящее время достаточно широко изучаются возможности применения солнечной энергии в автомобилестроении. Конструирование солнцемобилей и испытание их в гонках постепенно оформились в новый технический вид спорта - "брейнспорт". По сути дела - это состязания интеллектов создателей солнцемобилей. На них отрабатываются параметры транспортных средств будущего. Чтобы солнцемобиль с максимальной мощностью солнечных батарей и электромотора всего 1,5-2 кВт мог соперничать с автомобилем, необходимо использовать самые легкие и прочные конструкционные материалы, высокоэффективные системы электропривода, последние достижения аэродинамики, гелио- и электротехники, электроники и других наук. Автор предлагает использовать солнечные батареи на судах, опираясь на опыт экологического проекта Экотур "Финляндия-2000"

Превратить в "солнечный" транспорт водное судно гораздо проще, чем машину: на палубе катера или лодки намного больше места для размещения солнечных батарей, чем в кузове автомобиля. Есть и другие плюсы. На открытых водоемах фотоэлектрические преобразователи не затеняются ни деревьями, ни домами, ни машинами и поэтому отдают больше энергии. Водному транспорту не приходится преодолевать затяжные подъемы и спуски, стремительно разгоняться и тормозить на светофорах, а значит, им нужно меньше энергии.

В отличие от ДВС современные лодочные электромоторы практически не требуют ухода. Не нужно держать на судне емкости для топлива и смазочных масел и менять масло в двигателе.

У "солнечного" судна есть немало преимуществ перед парусным: плавание на нем гораздо меньше зависит от капризов погоды, удобно и то, что можно пользоваться электрическими средствами связи и бытовыми приборами. Экотур "Финляндия-2000" убедил всех, что "солнечные" лодки, катера и яхты пригодны для плавания даже в такой северной стране, как Финляндия, - летом там солнечных дней не намного меньше чем на юге. Они могут быть совершенно автономными даже в длительном плавании и подходят как для малых рек и озер, так и для открытых морей. Фотоэлектрические преобразователи энергии, химические источники тока и системы электропривода, используемые на "солнечных" судах, становятся все более эффективными. Они занимают совсем немного места, поэтому даже на небольших "семейных" яхтах можно разместить разнообразное дополнительное оборудование - от биотуалета до малогабаритной сауны. Это особенно привлекает привыкших к благам цивилизации путешественников. "Солнечные" суда почти бесшумны. На них разговаривают, не повышая голоса, слушают пение птиц, плеск волн и шум ветра, дышат свежим воздухом. Воспользоваться таким транспортом захочет каждый, кто любит совершать водные путешествия.

В 2002 г. в журнале публикуется статья, описывающая концепцию Эсолнечного Дома». Перспективы солнечной энергетики здесь описываются в масштабах всего человечества, не ограничиваясь рамками автомобилестроения.

Проведя анализ используемых в настоящее время источников энергии, автор говорит, что из возможных "преемников", которые могут подхватить эстафету у традиционной энергетики, наиболее привлекательно среди альтернативных источников выглядит энергия Солнца, экологически чистая уже потому, что миллиарды лет поступает на Землю и все земные процессы с ней свыклись. Поток солнечной энергии люди просто обязаны взять под свой контроль и максимально использовать, сохраняя тем самым неизмененным уникальный земной климат.

За год на Землю приходит 10¹⁸ кВт^.ч солнечной энергии, всего 2% которой эквивалентны энергии, получаемой от сжигания 2^.10¹² т условного топлива. Эта величина сопоставима с мировыми топливными ресурсами - 6^.10¹² т условного топлива, так что в перспективе солнечная энергия вполне может стать основным источником света и тепла на Земле.

Причина медленного развития солнечной энергетики проста: средний поток радиации, поступающий на поверхность Земли от нашего светила, очень слаб, например, на широте 40° он составляет всего 0,3 кВт/м² - почти в пять раз меньше того потока, который приходит на границу атмосферы (1,4 кВт/м²). К тому же он зависит от времени суток, сезона года и погоды. Чтобы усилить поток солнечной энергии, надо собирать ее с большой площади с помощью концентраторов и запасать впрок в аккумуляторах. Пока это удается сделать в так называемой малой энергетике, предназначенной для снабжения светом и теплом жилых домов и небольших предприятий.

Наша страна не богата теплом. Ее не защищают от холодных арктических ветров высокие горы, не обогревают теплые океанские течения. Но у России огромная и богатая природными ресурсами территория. Солнце, хотя и не так щедро, как другим странам, дарит ей свет и тепло. Надо только научиться по-хозяйски использовать этот экологически чистый и неиссякаемый источник энергии.

Солнечная энергетика еще в самом начале пути. Ее вклад в общее мировое энергопотребление не превышает 0,1%, а среди возобновляемых источников ей принадлежит около 1%. Но технический прогресс, достигнутый в этой области за последнее десятилетие, так велик, что специалисты дают весьма оптимистические прогнозы: уже к середине XXI века солнечная энергетика наряду с другими возобновляемыми источниками (геотермальные и приливные станции, ветровые турбины и др.) может занять ведущее положение в мире.

В публикациях 2003 г. рассматриваются такие способы получения энергии как ветроустановки. Ветроэнергетика считается довольно перспективным направлением энергетики. Первое место в мире по использованию энергии ветра прочно занимает Германия. В начале 2003 года на ее просторах работало около 14 тысяч ветроэнергетических установок (ВЭУ). В России же ветроэнергетика развивается крайне медленно. Связано это с тем, что производимые у нас установки никак не могут избавиться от двух серьезных недостатков: высокой стоимости (впрочем, цена зарубежных моделей тоже высока, но они обладают большей энергетической эффективностью и другими достоинствами) и наносимого ими экологического вреда. Работа ВЭУ сопровождается шумом, вибрациями, таит в себе опасность для птиц, которые гибнут, попадая под лопасти ветроколеса. И все же привлекательные стороны ветроэнергетики - ее неистощимость, безотходность, возможность быстрого развертывания ветроэлектростанций практически в любых, даже удаленных и труднодоступных местах - заставляют проектировщиков биться над усовершенствованием конструкций ВЭУ.

В настоящее время разработана модульная ветроэнергетическая установка оригинальной конструкции, в которой недостатки ВЭУ сведены к минимуму. Этого удалось добиться путем усовершенствования традиционной схемы пропеллерной ВЭУ с горизонтальной осью и использования новых компоновочных решений.

Модульные ветроэнергетические установки не только дешевле, экологичнее и экономичнее пропеллерных ВЭУ, но и удобнее в эксплуатации. Подбором количества модулей мощность МВЭУ можно изменять в несколько раз. Привлекательно и то, что неисправные модули отключаются и ремонтируются без остановки остальных.

В этом же году журнал возвращается к проблеме альтернативного топлива конкретно для автомобильной промышленности. Основная идея остаётся прежней: экологически безопасный автомобиль - это электромобиль. Проблема заключается в поиске источника тока.

200 лет назад был изобретен генератор, в котором водород, соединяясь с кислородом, производит воду, а "побочным" продуктом реакции становится электричество. Принцип его работы, грубо говоря, таков: имеется некая пластина, обладающая свойством пропускать протоны и не пропускать электроны. С каждой ее стороны - два электрода - положительный (анод) и отрицательный (катод), связанные между собой в электрическую цепь. С одной стороны пластины подается водород, с другой - кислород. Катализатор, нанесенный на пластину, активирует реакцию расщепления водорода на протон и электрон. Протон проходит через пластину и, соединяясь с кислородом, дает воду. А электрон уходит в подсоединенную электрическую цепь.

Водородно-кислородные топливные элементы были применены на американских и российских лунниках, на "Шаттле" и "Буране". Как часто случается, космические технологии нашли применение и на земле, в автомобильной промышленности.

Топливный элемент, призванный заменить двигатель внутреннего сгорания, состоит из множества ячеек (маленьких генераторов). Напряжение каждой ячейки - от 0,6 до 1,0 В. Соединив ячейки последовательно, можно получить необходимое напряжение. Сегодня мы располагаем технологиями, позволяющими делать ячейки толщиной в полтора миллиметра. Значит, можно добиться того, что масса и габариты новой топливной установки останутся теми же, что и у двигателя внутреннего сгорания равной мощности.

Большая проблема - цена топливной установки (сегодня она примерно в 100 раз дороже двигателя внутреннего сгорания), потому что в ее изготовлении используются дорогие материалы и очень деликатные технологии. Без кропотливой работы по материалам и конструкции, а главное - по созданию технологии массового производства задачу не решить.

Чтобы топливная установка заработала, нужно разместить на борту автомобиля баллоны с газообразным водородом и кислородом. Отсюда - сложности. Во-первых, баллоны с газом занимают много места, а во-вторых, возить их в непосредственной близости друг от друга небезопасно. Поразмыслив, ученые решили, достаточно возить с собой только баллон с водородом, а кислород можно взять из воздуха.

На Волжском автомобильном заводе работы по автомобилям на топливных элементах были начаты в 2000 году, а в 2001 году собран первый автомобиль на топливных элементах - "Антэл-1". Скорее это был не автомобиль, а макет или лаборатория на колесах. Собран он из агрегатов, разработанных ранее для "Бурана", электромобилей и автомобилей ВАЗ и адаптированных для совместной работы на автомобиле.

Недостатки "Антэл-1" были очевидны: максимальная скорость 85 км/ч. ,масса автомобиля увеличилась на 250 кг. , на достаточно быстрый разгон первому автомобилю на топливных элементах не хватает мощности.

Провели ряд необходимых усовершенствований, и появился "Антэл-2".

Остается отметить, что "Антэл-2" представляет собой пятиместный "Универсал" с полноразмерным багажником (базовой моделью послужила ЛАДА 111). А все узлы и системы энергоустановки разместились под полом и в подкапотном пространстве.

Работа над следующим автомобилем на топливных элементах уже идет. В первую очередь вместо газобаллонного хранения водорода на новом автомобиле будет установлен топливный процессор для получения водорода из бензина на борту автомобиля. Это позволит увеличить пробег на одной заправке до 900-950 км. Испытания "Антэл-2" покажут и другие направления, в которых следует работать.

В более широком масштабе тему водородно-кислородных топливных элементов продолжают публикации следующих лет.

В статьях рассматриваются способы получения водорода не из природного газа, как принято во всём мире, а из воды и биомассы.

Вода является неиссякаемым источником водорода. Электролиз воды технически осуществить довольно просто, но этот процесс требует значительных энергозатрат. Технология будет экономически выгодной только в том случае, если использовать дешевую электроэнергию, получаемую желательно из возобновляемых источников, -- за счет энергии воды, ветра, солнца.

В последнее время появился интерес к технологиям получения водорода из биомассы, остающейся после переработки сельскохозяйственного сырья. Здесь есть несколько возможностей: конверсия спресованной биомассы, ферментация либо использование бактерий, способных продуцировать водород.

Каким бы методом ни получали водород, его надо как-то хранить. Наиболее известный способ -- в баллонах, в сжатом виде. Сейчас уже существуют сверхлегкие баллоны, рассчитанные на давление до 450 атм. Можно ли сжать водород сильнее? Атом водорода настолько мал, что при очень высоких давлениях способен просто “просочиться” сквозь стенки баллона. Ученым из Института физики твердого тела РАН удалось преодолеть эту трудность: они разработали пионерскую методику, которая позволяет сжимать водород до огромных давлений.

При обычных условиях водород -- это газ, но при низких температурах он превращается в жидкость, и тогда его можно хранить и транспортировать в теплоизолированных сосудах-криостатах. Уже испытаны криогенные баки для автомобилей с экранно-вакуумной изоляцией, которые продлевают срок автономного хранения водорода до двух с лишним недель (и это при разности температур между жидким водородом и окружающей средой более 250°С).

Но все-таки наиболее перспективны способы хранения водорода с помощью твердых носителей, например в виде гидридов металлов. Молекула водорода так мала, что она легко “вписывается” в пустоты кристаллической решетки многих металлов. Некоторые металлы и сплавы “впитывают” водород, подобно тому, как губка -- воду. Например, кусок палладия определенного объема способен поглотить до 800 таких же объемов водорода! Водород, “застрявший” в кристаллической решетке, образует с атомами металлов химические соединения -- гидриды. При образовании гидридов выделяется тепло. Соответственно, чтобы извлечь водород из металлической “губки”, ее нужно нагреть. Особый интерес представляют интерметаллические сплавы титана, железа, магния, никеля, лантана, ванадия.

Главный недостаток металлогидридов в том, что накопители водорода на их основе слишком много весят. Но для “впитывания” и хранения водорода можно использовать и более легкие вещества -- например, углеродные нанотрубки и стеклянные микросферы. В российских научных институтах есть уникальные достижения в этой области.

Основное условие перехода к водородной энергетике -- создание надежных и экономически выгодных топливных элементов на основе водорода. В таком элементе химическая энергия, высвобождающаяся в реакции водорода с кислородом, превращается непосредственно в электрическую. Коэффициент полезного действия топливного элемента может достигать 90%. Это дает огромную выгоду по сравнению с любой тепловой машиной, где процесс превращения энергии топлива в электрическую включает несколько промежуточных стадий: сначала образование теплоты в результате сгорания, затем переход тепловой энергии в механическую энергию турбины или двигателя и, наконец, выработка электричества с помощью генератора.

В Европейском союзе своеобразным полигоном по освоению водородной энергетики станет Исландия, где для производства водорода можно использовать дешевую энергию геотермальных источников и гидроэлектростанций. Стране выделено 60 млн евро, чтобы она в ближайшие 15--20 лет перешла в основном на водородное топливо. Форсируют развитие водородной энергетики и в США: к 2020 году надеются перевести американскую автомобильную промышленность на водород. На эти цели в ближайшее время будет выделено около 5 млрд долларов.

По фундаментальным научным разработкам российские ученые во многом опережают западных коллег. Но чтобы эти достижения не остались на уровне лабораторных экспериментов, необходим технический рывок. Именно такую задачу и ставит российская водородная программа.

Таким образом, изучая публикации в журнале «Наука и Жизнь» за последние несколько лет, посвящённые проблемам источников энергии как в целом, так в автомобильной промышленности, мы можем сделать следующие выводы:

Сейчас основную часть всей потребляемой энергии дает нам органическое топливо - нефть, уголь, газ. При сжигании органического топлива можно получить немалую энергию. Именно эта химия обеспечивает сегодня почти все наше энергетическое пропитание. На протяжении XX века человечество интенсивно наращивало потребление нефти и газа. Постоянное сжигание природных углеводородов обернулось весьма неприятны ми последствиями для окружающей среды -- от смога над крупными городами до парникового эффекта в масштабах всей планеты. Причиной экологических катастроф нередко становится транспортировка нефтепродуктов. Из-за достаточно частых аварий с танкерами или разрывов трубопроводов нефть попадает в водоемы, просачивается в почву, отравляя все живое вокруг. Да и запасы нефти не безграничны -- по самым оптимистичным прогнозам, при нынешних темпах добычи ее хватит от силы лет на сто. Ясно, что современной экономике нужен другой, альтернативный бензину и мазуту энергоноси тель, и, по всей видимости, эта роль уготована водороду.

Существуют и иные источники энергии. Самый, казалось бы, бесплатный - Солнце, в виде тепла и света отдающее Земле чуть ли ни в миллион раз больше киловатт, чем сегодня потребляет наше индустриальное общество. Однако огромные солнечные панели занимают много места, и на их работу сильно влияют капризы погоды. Поэтому предлагается когда-нибудь запустить на высокую околоземную орбиту спутники с огромными, километровых размеров панелями солнечных батарей и оттуда, с орбиты, гнать энергию на Землю с помощью мощнейшего луча радиоволн, что может негативно повлиять на экологию планеты.

Кое-где в ощутимых масштабах энергию добывают, используя вторичные эффекты солнечной активности - ветер и круговорот воды, питающий реки. Есть в резерве еще и неостывшие недра планеты - уже на глубине 100-200 километров ее температура измеряется сотнями градусов. Энергию подбрасывает нам заведенное миллиарды лет назад небесное перпетуум-мобиле - Луна. Вращаясь вокруг Земли, она создает на ней приливные волны, от которых только на побережье морей и океанов в принципе можно было бы собрать энергетический урожай, составляющий 10 процентов наших нынешних потребностей. Новую область крупномасштабной химической энергетики мог бы открыть водород, если дешево и безопасно добывать, хранить и сжигать его.

Огромные запасы энергии существуют и в атомных ядрах.

Таким образом, мы видим, что природа обеспечила человечество энергии достаточно щедро. Проблема в том, как извлечь её таким образом, чтобы процесс был дёшев, экологически безвреден и безопасен.

Что же касается проблем автомобилестроения, то из данных публикаций становится явной тенденция к отживанию ДВС и смене его электрическим двигателем. Меры, принимаемые авторазработчиками по уменьшению экологической вредности ДВС, являются временными. Они нужны, чтобы по возможности удержать уровень грязных выбросов ДВС в атмосферу до того момента, когда появиться массовый электромобиль.

Судя по публикациям, будущее именно за электромобилем. Вопрос лишь в том, какие источника тока для автомобильного двигателя окажутся наиболее пригодными по всем параметрам: цене, весу, безопасности, ёмкости. Будут ли это кислородно-водородные батареи, батареи с алюминиевыми анодами или… песок?

Список использованной литературы

1. Андреев В., Солозобов В. Топливо для летательных аппаратов XXI века.// Наука и Жизнь. - 2001. - №3.

2. Глебова Е. Рывок в водородное будущее.// Наука и Жизнь. - 2004. - №2.

3. Дубинский Е. Новые проблемы энергетиков.//Наука и Жизнь. - 1997. - №9.

4. Кулаков Е. Автомобиль заправляется алюминием// Наука и Жизнь. - 1988. - №2.

5. Куров Б. Автомобиль на пороге XXI века// Наука и Жизнь. - 1999. - №1.

6. Лазерный термояд - альтернатива токамаку.// Наука и Жизнь. - 1999. - №11.

7. Лауреаты премии "Глобальная энергия" .// Наука и Жизнь. - 2003. - №6.

8. Лауреаты премии "Глобальная энергия" 2004 года .// Наука и Жизнь. - 2004. - №6.

9. Лучков Б. Солнечный дом - солнечный город.// Наука и Жизнь. - 2002. - №12.

10. Мирзоев Г. Автомобиль на топливных элементах.// Наука и Жизнь. - 2003. - №8.

11. Николаев Г. Будет ли переворот в энергетике?// Наука и Жизнь. - 2000. - №9.

12. Новая энергетика - без углерода и кислорода.// Наука и Жизнь. - 2001. - №2.

13. Пополов А. Индивидуальный электротранспорт XXI века// Наука и Жизнь. - 2000. - №8.

14. Сворень Р. Термояд: сквозхь тернии к звёздам.// Наука и Жизнь. - 2001. - №9.

15. Сворень Р. Термояд: сквозхь тернии к звёздам.// Наука и Жизнь. - 2001. - №8.

16. Сворень Р. Энергетика. Проблемы и планы гиганта.// Наука и Жизнь. - 2002. - №9.

17. Сворень Р. Энергетика. Проблемы и планы гиганта.// Наука и Жизнь. - 2002. - №10.

18. Севрук С., Фармаковская А. Автомобиль будущего и алюминий// Наука и Жизнь. - 1998. - №3.

19. Солоницын А. Второе пришествие ветроэнергетики.// Наука и Жизнь. - 2004. - №3.

20. Хаскин Л. Башня из ветроэнергетических модулей.// Наука и Жизнь. - 2003. - №9.

Размещено на Allbest.ru