Идеальный источник энергии. Поиски вечного двигателя

Привет.

Думаю, анекдот про то, как спорили о собственной важности Google, Facebook* и Интернет (участники от версии к версии могут отличаться) никому пересказывать не нужно. В дискуссию вклинилось Электричество и в грубой уничижительной форме расставило все на свои места. И несмотря на то, что сегодня большинство сервисов построено на работе из облака, потеря сигнала трагедией не станет. Умудренные опытом пользователи давно наловчились заблаговременно загружать музыку, сериалы и книги для комфортного ознакомления в режиме офлайн. А вот разрядка батареи устройства вполне может повергнуть в депрессию. Особенно если и внешний аккумулятор уже разряжен.

Однако сегодня рассуждать о том, какой емкости должен быть аккумулятор в смартфоне и какой оптимизации операционных систем и оболочек следует придерживаться производителям, я не буду. Сегодня хочется поговорить об энергии вообще.

Чтобы не повторяться, сразу отправляю вас к статьям Павла Михайлова про энергетику. Водородная, ветряная, солнечная. Найдется вариант на самого «зеленого» поклонника:

Павел очень заинтриговал концепцией вечного двигателя. Не то чтобы я не был с ней знаком, но мои познания ограничиваются исключающими его существование формулировками первого закона термодинамики и хранящейся где-то в чертогах разума иллюстрацией схемы водяной мельницы Фладда из детской энциклопедии «История открытий»:

Как-то в комментариях упомянул о постоянно пополняющейся копилке утверждений, вынуждающих расширять людские границы «одаренности». Эта картинка — один из «провокаторов» подобных утверждений. Наши читатели, разумеется, на такое не купятся, но попробуйте попросить людей из своего окружения, чтобы они, не вдаваясь в научные дебри, объяснили вам, почему это устройство не будет работать. Вполне возможно, найдутся те, кто скажет, что оно работоспособно. Отвлеклись.

В вопросах энергетики одним из ключевых элементов является топливо. Ведь каким бы сложным ни был V12 условного суперкара, при падении добычи и сбое в поставках нефти на нефтеперерабатывающий завод и, как следствие, бензина на заправочные станции ваш четырехколесный монстр будет стоять в гараже. То же самое и с электромобилями. Нет ископаемого топлива, которое необходимо сжечь для того, чтобы на ЭЛЕКТРОзаправках был заряд — нет жизни и в вашей Tesla. Для зеленой же энергетики сбои — это фактически часть природных процессов на Земле. Непостоянство ветряных потоков и солнечного света может очень сильно скорректировать планы. А если добавить сюда форс-мажорные ситуации типа аварий, то картина становится и вовсе печальной. Павел, например, показывал иллюстрации воспламенившегося и обледенелого ветряков. В одном случае требуется вертолет для тушения, а в другом — для очистки, чтобы избежать разного веса лопастей (разбалансировка при вращении — это очень опасно). И если говорить об идеальной «зеленой» энергосистеме, то вертолет также должен быть аккумуляторным и заряжаться исключительно от неисчерпаемых источников энергии. И хорошо, если на случай аварии предусмотрен запас. Хотя на деле, скорее всего, придется подзаряжать вертолет как-то вот так:

То есть, несмотря на популяризацию и стремительное распространение возобновляемых источников энергии вообще и электромобилей в частности, традиционные варианты никуда не уходят даже под давлением правительств и запретов. Просто происходит миграция технологий в Азиатский регион. Только взгляните, сколько китайских производителей сегодня представляют свои новинки с ДВС на отечественном рынке, в то время как производители, входящие в крупнейшие европейские концерны, объявляют о скорой отмене производства таковых вообще. Но не станем политизировать этот вопрос. История рассудит. Обратимся к слабым сторонам двух основных концепций.

Итак, у нас есть ископаемые и возобновляемые источники энергии. Минус первых в том, что они конечны. Да, есть множество адептов того, что из-за сжигания углеводородов нагревается и загрязняется атмосфера нашей планеты, но даже если принять, что влияние производств на самом деле настолько пагубно, мы скорее предпочтем ходить в противогазах и забыть о редких видах животных, находящихся сегодня на грани исчезновения, чем откажемся от привычных благ. Но повторюсь, главный страх в том, что нефти и газа просто не станет.

Вторые же источники энергии хороши в своей возобновляемости. Однако устройства, необходимые для их работы, невозможно получить только лишь солнечными панелями или ветряками. И это даже если учесть, что вся возобновляемая энергетика займется только производством и проигнорирует нужды частного сектора. То есть никаких зарядок для транспорта, никакого освещения улиц и огромных рекламных плакатов в фасад небоскреба, никаких американских горок и фонтанов в парках. Весь ресурс будет уходить на бурение и добычу лития, производство аккумулятора на фабрике, а затем на работу двигательной установки гигантского контейнеровоза, который доставит эти аккумуляторы до потребителей по всему миру, чтобы можно было запасти энергию от заранее произведенных по той же схеме ветряков и солнечных панелей.

Возможно, может показаться логичным, что лоббируют зеленую энергетику именно сейчас. Традиционное производство еще не остановлено и есть время раскочегарить его на полную, чтобы произвести максимальное количество устройств, которые потом можно было бы развернуть исключительно для ветра и солнца. Однако нет. Ресурса зеленой энергетики никогда не хватит, например, чтобы по требованию расплавить 100 тонн стали для срочного изготовления чего-либо. Павел в своих статьях привел достаточное количество расчетов, чтобы стало ясно, что по заказу возобновляемая энергетика не работает. Для этого нужны средства хранения энергии. Причем весьма существенные.

Стоило бы еще упомянуть про загрязнение природы отработанными аккумуляторами и их производством, но раз уж мы не стали принимать во внимание загрязнение и разогрев атмосферы выхлопными газами от ДВС, то и здесь не будем брать их в расчет.

В сухом остатке у нас остается две проблемы. Конечность ископаемых ресурсов и недостаточность возобновляемых. Как будем решать проблему?

В комментариях часто обращают внимание на то, что построение идеи в моих материалах идет по принципу «или — или». То есть никакого компромисса и усредненных значений. Это пришло из ТРИЗ. Там компромисс считается слабостью, и потому инженеры всегда ломают голову над тем, чтобы разработать творческое решение, которое включало бы сильные стороны оппонирующих технологий. Минусы, разумеется, неизбежно возникают, но с ними бороться не в пример проще, зная, что уже довел рассуждение до решения, близкого к идеальному. Но прежде чем мы перейдем к разрешению стоящего перед нами противоречия двух энергетик, стоит острее подумать над тем, правильную ли задачу мы будем решать.

Думаю, что все уже привыкли к отсылкам к ситкому «Теория большого взрыва». Поэтому вот вам еще одна:

Это момент из эпизода, где представитель ВВС пришел в лабораторию к главным героям, которые изобрели квантовую систему навигации (кстати, она реальна), и предложил ее уменьшить. И эта аналогия очень подходит к энергетике на ископаемом топливе. Можно сжигать его для отправки энергии по линиям электропередач, можно в карьерном самосвале, легковом автомобиле или даже в машинке на радиоуправлении. Подобный номер с аккумулятором в качестве источника энергии не пройдет. Игрушка, легковушка или самосвал — да. Но не передача энергии на большие расстояния.

И лично мне проблема масштабирования видится одной из главных. Причем как масштабирования буквального, физического, так и количественного. С количеством у аккумуляторов проблем нет, по крайней мере, пока есть редкоземельные металлы, а вот размерами они ограничены. Едва ли кто-то сможет смастерить аккумулятор и наладить его бесперебойную работу в качестве источника энергии для металлургической дуговой печи. И обратная ситуация с ДВС. Да, они распространены в автомобилях всех мастей, генераторах и, как я уже упоминал выше, даже в игрушках, но разместить такой, например, в смартфоне — весьма проблематично. В рекламе Nissan Leaf отлично показана проблема миниатюризации и интеграции ДВС в обыденную жизнь:

Из ДВС мы, пожалуй, возьмем принцип универсальности. Он идентичен как в мелкой, так и в крупной вариации. А от аккумуляторов позаимствуем принцип хранения (не производства) энергии. И, возможно, вы удивитесь, но, оказывается, уже есть технология, которая с некоторыми оговорками может оказаться интересной. Ее популяризатором является Нурбей Гулиа. Называется она Маховичный Накопитель Кинетической Энергии. Технология основана на использовании супермаховика. Суть отлично описывается следующей формулировкой:

В составе Маховичного Накопителя Кинетической Энергии супермаховик работает в паре с мотором-генератором. При подключении в сеть мотор-генератор раскручивает супермаховик, а при подключении нагрузки — тормозит. КПД этого преобразования достигает 98%.

У данного устройства есть еще одно преимущество. Оно простое. Даже если не брать в расчет описание, конструкция не является откровением и понятна буквально каждому. Я упоминал о требовании доступности для понимания в предыдущем материале:

Послушайте-ка, что из себя представляет сам супермаховик:

Современный супермаховик представляет собой тело вращения, изготовленное путем намотки различных прочных и гибких материалов, например, тонких витков стальной, пластичной ленты, стекловолокна или углеродных композитов, на специальный центр — ступицу. Такая конструкция обеспечивает высокую энергоемкость и безопасность эксплуатации. При разрушении такой супермаховик не разлетается на крупные осколки, как обычный маховик, а разрушается частично; при этом отделившиеся части ленты тормозят супермаховик трением о внутреннюю поверхность корпуса и предотвращают дальнейшее разрушение. Супермаховик из графеновой ленты способен хранить до 1200 Вт·ч на килограмм массы.

В США, кстати, существует компания (BeaconPower), которая не только производит супермаховики, способные запасать энергию в 6 и 25 кВт⋅ч и выдавать мощность в 2 и 200 кВт соответственно, но и строит полноценную электростанцию на супермаховиках мощностью 20 МВт.

Если интересна ситуация с масштабированием, то существовали также варианты транспорта на такой технологии:

Это гиробус. Изготавливался швейцарской фирмой Эрликон в 40-х годах. Технические характеристики звезд с неба не хватают, но делаем скидку на возраст. Сегодня при наличии электромотор-колес от такого накопителя энергии не ждали бы хорошей стыковки с механической трансмиссией. Если заглянуть «под капот» такого гиробуса, то мы увидим следующее:

Здесь виден трехфазный двигатель, под которым располагается кожух маховика. Его вращения хватало ненадолго, о чем свидетельствует наличие трех «антенн» на крыше, которые поднимались на каждой остановке для докручивания маховика до нужных оборотов.

В смартфоны такая штука не влезет. Неудобно и, самое главное, громоздко. Еще хуже, чем впихнуть в смартфон ДВС (вспоминаем видео выше). Однако одна деталь меня зацепила. Давайте взглянем на отдельный маховик-модуль от Beacon Power:

Размерами конструкция плюс-минус с два железобетонных кольца для колодца на даче. Что, если подобную схему реализовать в качестве системы электроснабжения загородного дома? Только ту часть технологии, где супермаховик для раскрутки необходимо подключать к сети, отдать на откуп мускульной силе. С помощью велостанка, например. Или посредством бегового полотна?

Я решил поделиться данной мыслью, поскольку считаю, что человечество, уповая на новые источники энергии и высокоэффективные технологии аккумуляторных батарей, как-то забывает о том, что мы и сами природой механически довольно продуманно спроектированы как для перемещений, так и для выработки энергии.

Представьте себе схему, при которой человек, часа полтора покрутив педали или побегав, аки Том Круз в «Обливионе», обеспечит себе сутки существования.

Можно обеспечить работу холодильника, телевизора, компьютера, осветительных приборов и т.п. Сколько проблем с подвижностью и нехваткой тренировочных минут закроется? А если этот вопрос масштабировать? Вернитесь к изображению электростанции Beacon Power и представьте, что подобные модули раскручиваются не от условного ветряка, а от велостанка, на который люди приходят покрутить педали, как на работу. Идея из «Черного зеркала», кстати:

Таким образом, люди, которые не испытывают желания крутить педали, отдали бы свои средства в адрес менее успешных, но более приспособленных к физическим нагрузкам. Зарядные станции для мобильных устройств в аэропорту, кстати, уже делают с педалями. Может, и в быту можно попробовать?

Как думаете, может это помочь в вопросе бережливости? Ведь все мы знаем, что пока проблема не коснется непосредственно каждого из нас, никаких подвижек не случится. Поделитесь своим мнением в комментариях. Обсудим ваши идеи.

Смелых идей, отличных изобретений и успешных продуктов. Удачи!

P.S. Если идея супермаховика зацепила, то подробнее можно прочитать в книге автора. Называется «В поисках энергетической капсулы».

*Компания Meta Platforms, в которую входят социальные сети Facebook и Instagram, признана экстремистской организацией и запрещена в РФ.