Нурбей Гулиа - В поисках «энергетической капсулы»

Далеко ли предел!

Действительно, где «потолок» повышения 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 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. 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 стальной, и значительно дешевле его.

Например, плотность энергии маховиков из бамбука почти в десять раз выше, чем у стального, и достигает 0,3 мегаджоуля на килограмм. Приблизительно вдвое хуже, но все-таки очень высокие показатели у маховиков из березы, сосны, ели. Плохо только, что объем их слишком велик – дерево очень легко. 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 3 раза, а бамбуковый в 10 раз легче, чем чугунный. Это подтвердили как расчеты, так и испытания.

Совершенной неожиданностью для меня были 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. И это при втрое меньшей плотности, чем у стали. В результате маховик из плавленого и закаленного кварца способен накопить в килограмме массы до 5 мегаджоулей энергии, или в 150 раз больше, чем стальной маховик! То есть он уже вполне может стать «капсулой». Автомобилю массой в одну тонну для прохождения ста километров 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 монолитные стекло и кварц заменить волокнами, тончайшими нитями? Прочность у стеклянных и кварцевых волокон гораздо выше, чем у монолита. Например, тонкие волоконца из кварца во время испытаний показали прочность в 3...4 раза большую, чем у литого кварца, и в десять раз большую, чем у стальной проволоки. Супермаховик, навитый из такого волокна, даже с запасом прочности обеспечит плотность энергии в 5 мегаджоулей на килограмм.

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, при впятеро меньшей плотности! Маховик, навитый из графитового волокна, в 20...30 раз превзойдет стальной по плотности энергии, а навитый из алмазного волокна приобретет фантастическую энергоемкость – 15 мегаджоулей на килограмм!

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

Профессор А.В. Степанов из Ленинграда предсказал и рассчитал новые «сверхматериалы», как будто специально созданные для супермаховиков. По его мнению, можно так плотно «упаковать» атомы в кристалле углерода – в алмазе, что полученный «сверхалмаз» выдержит небывалую нагрузку – 400 кН/мм2. Но еще больших результатов следует ожидать от «плотноупакованного»... азота. Этот азот будет уже не газом, а металлом, с плотностью большей, чем у платины, – 25 т/м3. Предполагается, что он должен выдерживать нагрузку 2800 кН/мм2. Маховик из «плотноупакованного» азота достигнет плотности энергии, которую даже трудно вообразить, – 60 мегаджоулей на килограмм.

Иначе говоря, небольшой маховичок из «сверхматериала» – диаметром 30 сантиметров и толщиной 6 сантиметров – сможет обеспечить пробег автомобиля на расстояние 30 тысяч километров без подзарядки!

Это даже не «капсула», а «сверхкапсула», такой, пожалуй, пока и не надо. К тому же сверхматериалов, необходимых для ее создания, еще нет, хотя специалисты утверждают, что они появятся в ближайшем будущем. Во всяком случае, меня очень радовало то, что перспектив у супермаховиков стать настоящей «энергетической капсулой» сколько угодно и я не зря связал свои надежды с этим видом накопителя энергии.

Но пора было, что называется, спуститься с небес на землю и посмотреть, на что я со своей идеей «энергетической капсулы» могу рассчитывать сегодня. И вот к каким выводам я в результате пришел.

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 электроаккумуляторов. По другим полезным показателям – плотности мощности, КПД, долговечности, стоимости – супермаховики тоже намного превзойдут эти аккумуляторы.