Механические батареи

Чем больше мобильных устройств появляется в мире, чем дешевле становятся электромобили ? тем выше потребность в портативных накопителях энергии. И пока одни инженеры совершенствуют электрохимические батареи, другие считают, что будущее ? за накопителями совершенно иного типа. Механическими.

Быстро вращающийся на оси диск ? маховик ? сохраняет энергию в своем движении. Это, наверное, одно из древнейших устройств, известных человечеству. Во всяком случае, каменный диск гончары использовали уже много тысяч лет назад: при достаточной тяжести он смягчал неравномерность вращения, которое придавали ему ногой. Похожее устройство используется и в современных автомобилях, сглаживая рывки от движения поршней двигателя.

^{Маховик фабричной стационарной паровой машины}

^{©wikimedia/ Витольд Муратов}

Однако даже современные технологии далеко не исчерпывают всех возможностей маховика. Теория предсказывает, что при достаточно быстром вращении он может накапливать очень внушительное количество кинетической энергии, которую легко не только наращивать, но и использовать, превратив маховик в электромеханический аккумулятор.

По расчетам, емкость такой батареи будет исключительно высокой. Классический кислотно-свинцовый аккумулятор способен накапливать до 30-40 Вт*ч на килограмм собственного веса, а электромеханический ? до 100-130 Вт*ч/кг. При этом маховик способен и набирать, и отдавать эту энергию на любой скорости, в том числе ? очень быстро ? не разрушаясь и не повреждаясь. Вдобавок, они почти нечувствительны к экстремальным температурам, а срок их жизни может составлять не годы, а десятки лет.

^{Маховик со старой фабрики}

^{©wikimedia/ Rajesh Dhawan}

Так что вряд ли удивительно, что если широкой публике электромеханические накопители еще не знакомы, и военные, и крупные компании весьма серьезно присматриваются к их возможностям и перспективам. В электросетях они способны сглаживать скачки напряжения, позволят эффективно хранить большие резервы энергии. В технологию вкладывается и NASA: пара противоположно вращающихся маховиков позволит создать уникальное устройство, которое способно не только накапливать, хранить и отдавать энергию, но и будет работать в качестве гироскопа.

Впрочем, самые большие перспективы от использования маховиков ждут в области автомобильного транспорта. Здесь вращающиеся накопители смотрятся совершенно естественно ? и более того, подобные средства передвижения создавались уже десятки лет назад. В Швейцарии и Бельгии в 1950-х годах курсировали автобусы Gyrobus, в которых использовался 3-тонный стальной маховик, связанный с бесшумным электромотором. На заряжающей станции маховик разгонялся до 3000 об./мин, а в поездке работал как ротор генератора электроэнергии для двигателя. «Зарядка» занимала от 30 сек до 3 мин, и до следующей станции Gyrobus мог проехать более 10 км на скорости до 60 км/ч.

^{Gyrobus G3 – единственный в мире сохранившийся гиробус}

^{©wikimedia/ Vitaly Volkov}

К сожалению, эксперимент был признан неудачным: закрепленный на стандартном автобусном шасси мощный маховик быстро разрушал его. Изрядная часть энергии терялась при вибрациях и трении, заставляя водителей заезжать на станции для подзарядки слишком часто. Словом, Gyrobus оказался совершенно неоправдан экономически.

^{Моторное отделение гиробуса. Справа виден трtхфазный двигатель, ниже него – картер маховика}

^{©wikimedia/ Vitaly Volkov}

С тех пор практически все инженерно-технические проблемы, от которых страдал Gyrobus, решены. Например, сегодня имеются подходы, позволяющие в разы снизить вес маховика. Принцип простой: чем больше масса тела ? тем больше энергии в его вращении можно накопить. Но эта емкость растет с массой линейно, зато со скоростью вращения ? пропорционально ее квадрату (в соответствии с известной формулой расчета кинетической энергии). Современные материалы ? прочнее и легче стали ? позволяют разогнать его до нужных скоростей. Маховик из углеволокна может накопить в 20 раз больше энергии, чем стальной той же массы.

Современные маховики вращаются в воздухе, а то и в вакуумной камере, подвешенные системой электромагнитов, что позволяет почти полностью избавиться от потерь энергии на трение. В некоторых лабораторных установках экспериментальные системы после раскручивания сохраняли энергию, вращаясь месяцами и даже годами. Немудрено, что уже в 1990-е стали появляться новые прототипы электромобилей «на механической тяге».

^{Маховик на тракторе Landini VL30}

^{©Sp?th Chr}

Система, предложенная тогда разработчиками US Flywheel Systems, использовала углепластиковый, левитирующий в магнитном поле маховик, вращающийся в вакууме на скорости до 100 тыс. об./мин ? все это весило меньше 50 кг и стабильно выдавало на двигатель 20 л.с. 16 таких батарей инженеры вмонтировали в автомобиль обычных размеров, обеспечив его 800 л.с. и пробегом до 500 км без подзарядки. К сожалению, развернуть проект во что-либо массовое, авторам не удалось.

В самом деле, проекты автомобилей на электромеханической тяге сталкиваются со множеством сложностей и сегодня. Например, до сих пор крайне трудно добиться стабильности вращения подвешенного в вакууме маховика при тряске и в движении. Магнитные «подвески» должны моментально реагировать на каждое сотрясение, торможение или разгон, удерживая маховик в нужном положении.

Другую проблему представляет гироскопический эффект, из-за которого вращающийся ротор сопротивляется изменению ориентации своей оси. Иначе говоря, тяжелый маховик будет довольно успешно мешать автомобилю повернуть даже в положенном месте. Отдельные опасения вызывает безопасность. Автомобиль, подобный тому, что предлагала US Flywheel Systems, несет «на борту» кинетической энергии не меньше мчащегося танка, и при разрушении вся она будет моментально высвобождена. Кстати, уже в процессе разработки электромеханических батарей, несмотря на то, что они так и не дошли до массового пользователя, это стало причиной не одной смерти.

Стоит сказать, что инженеры смотрят в будущее таких систем с оптимизмом. Ни одна из перечисленных проблем не выглядит нерешаемой. Магнитные «подвески» быстро совершенствуются, с гироскопическим эффектом есть способы бороться (например, сочетая пары маховиков с противоположными направлениями вращения), над вопросами безопасности тоже можно поработать. Одним словом, чтобы маховики вошли в нашу жизнь и сделали ее еще немного лучше, нужно то же, что и для любой другой технологии: заинтересованность, финансирование, человеческая изобретательность и какое-то время.

К сожалению, не со всеми этими пунктами у маховиков в порядке. Автомобильные гиганты так и не решились финансировать подобные проекты в полном объеме, и их разработчики ? такие как US Flywheel Systems ? либо свернули деятельность, либо переключились на системы для выполнения задач космонавтики и электроэнергетики. Это переключение, впрочем, наверняка позволит набрать опыта и создать решения, на которые «клюнут» и автогиганты. В конце концов, в современном мире, требующем отхода от углеводородов в качестве основного источника энергии, выбор у них не так велик.