Как отобрать энергию?

Во весь рост встает проблема отбора энергии у супермаховика – одна из важнейших для «энергетической капсулы»…

Трудности «жизни» в вакууме

Со временем в каждом килограмме моего самодельного супермаховика уже накапливалось все больше энергии по сравнению с другими аккумуляторами. И вот однажды я задумался: несомненно, что будущие супермаховики смогут накапливать столько энергии, сколько ее, например, в летящем с космической скоростью метеорите, однако сможем ли мы «отбирать» эту энергию? Какие трудности здесь встретятся?

Первая же мысль была о подшипниках. Выдержат ли они столь высокие скорости вращения супермаховика? Существуют ли вообще подшипники, способные работать при таких скоростях?

Прежде всего я решил подсчитать скорости, которые могут быть у супермаховика на автомобиле. Для простоты взял супермаховик диаметром в метр, что вполне годится и для автомобиля, и для автобуса, и для многих других машин.

Каждый материал для супермаховика способен выдержать лишь определенную окружную скорость (скорость на самой отдаленной от центра точке обода). При этом, оказывается, никакого значения не имеет диаметр супермаховика – так распорядилась природа. А прочность материала следует повышать пропорционально квадрату скорости; в том же соотношении будет возрастать и энергия.

Например, стальная лента выдерживала во время испытаний скорость 500 м/с, а кевлар – 1000 м/с. Отсюда и энергии в кевларовом супермаховике накапливалось в четыре раза больше, чем в таком же по массе ленточном. Если бы кевлар имел ту же плотность, что и сталь, то при скорости 1000 м/с напряжения в нем были бы в четыре раза больше, чем в ленте, и супермаховик мог разрушиться. Но в действительности с ним ничего не происходит. Ведь кевлар почти в пять раз легче стали, и удельная прочность у него значительно выше.

Итак, какие же обороты будут у стального и кевларового маховиков? Если поделить окружную скорость на радиус супермаховика, мы получим его угловую скорость, а по ней уже просто рассчитать число оборотов, как в секунду, так и в минуту. Ленточный супермаховик будет вращаться со скоростью 1000 рад/с (радиан в секунду), что соответствует 160 оборотам в секунду, или 9 559 оборотам в минуту. Вращение кевларового супермаховика будет вдвое быстрее – около 19 тыс. оборотов в минуту.

Но ведь такую угловую скорость развивает двигатель даже обычного бытового пылесоса, с чем его подшипники прекрасно справляются. Скорость вращения мощных газовых турбин обычно превышает 30 тыс. оборотов в минуту, а там есть подшипники, работающие в худших условиях, чем в супермаховике. В турбинах на подшипники действуют нагрев, сильные вибрации и другие отрицательные факторы, которые в супермаховике отсутствуют.

Сейчас есть подшипники, выдерживающие 100—150 тыс. оборотов в минуту и более; этого вполне хватило бы и для супермаховика из алмазного волокна. Если к тому же один подшипник вставить в другой, то можно добиться вдвое большей скорости вращения, так как на каждый из них придется только половина общей скорости.

Хорошо бы, конечно, обойтись совсем без подшипников, ведь на их вращение с нагрузкой, тяжелым супермаховиком, тоже идет энергия, а она нам так дорога…

А что если закрепить над супермаховиком кольцеобразный магнит, который будет воспринимать его силу тяжести? Правда, в этом случае супермаховик должен быть стальной. Чтобы получить тот же эффект с кевларовым, стеклянным и графитовым маховиками, надо вмонтировать в них второй магнит, взаимодействующий с первым. И лучше это сделать так, чтобы магниты работали не на притяжение, а на отталкивание, тогда супермаховик сам «вывесится» на определенной высоте и в таком положении будет вращаться.

В этом нетрудно убедиться, если взять два кольцевых магнита, например от старых динамиков из репродуктора, и надеть их на деревянную или любую другую немагнитную палочку одноименными полюсами друг к другу. Верхний магнит повиснет над нижним, и потребуется большая сила, чтобы приблизить их друг к другу.

Но все-таки и в такой магнитной подвеске нужны подшипники. Во-первых, супермаховик при тряске и толчках может «продавить» магнитную подвеску, достаточно мягкую. Во-вторых, постоянными магнитами нельзя полностью вывесить какое-нибудь тело: супермаховик здесь разгружен только от силы тяжести, а не от боковых сил. Подшипники будут лишь фиксировать подвеску без нагрузки – ее ведь «нейтрализуют» магниты, и энергии на их вращение потребуется немного.

Магнитная подвеска маховика в виде «батареи» магнитов

Мои магнитные подвески были признаны изобретениями, и на них мне выдали авторские свидетельства.

Надо сказать, эти подвески производили огромное впечатление на наблюдателей. Одна из таких подвесок поддерживала супермаховик массой 7 кг и диаметром около полуметра. В ней были использованы 10 магнитов, каждый массой около 30 г и диаметром 3 см, и миниатюрные фиксирующие подшипники, размером не больше таблетки. Показывая своим гостям устройство подвески, я как бы нечаянно подталкивал супермаховик, и он начинал медленно, со скоростью диска электропроигрывателя вращаться. Но если после выключения проигрывателя его диск через считанные секунды останавливался, мой супермаховик продолжал крутиться в течение всего разговора, и, казалось, скорость его не уменьшалась. Гости уже из принципа ждали час, другой, но супермаховик и не думал останавливаться. «Неужели это вечный двигатель?» – в изумлении спрашивали меня. «Подождите до утра, – отвечал я, – может, и остановится».

Автор монтирует свою магнитную подвеску крупного маховика в университете города Циттау (Германия)

Судя по расчетам, такой супермаховик, раскрученный до скорости 30 тыс. оборотов в минуту, крутился бы до остановки многие месяцы! Да и этот срок можно было увеличить, если бы не фиксирующие подшипники, которые, несмотря на малый размер и ничтожные потери энергии, все же «подтормаживали» супермаховик. Замечу, что совсем недавно, в 2003 году, по моему изобретению в Москве изготовили магнитную подвеску для полуторатонного маховика, которую затем перевезли в Германию и успешно испытали там для применения в накопителе, предназначенном для рекуперации энергии, о чем еще пойдет речь в дальнейшем.

А как вывесить супермаховик совсем без механического контакта в подшипниках? Надо проверить и такую возможность. Для этого подойдут большие кольца из диамагнетиков – то есть из материалов, отталкивающихся от магнитов, например из графита, – которые не дадут супермаховику «сваливаться» набок. Кольца эти будут выполнять роль фиксирующих подшипников. Правда, они займут много места. Но если сам супермаховик изготовлен из графита?… Над этим стоит подумать! Только потом я узнал, что подобные «бесконтактные» подвески уже давно созданы, причем наиболее совершенные из них разработаны немецким ученым Е. Штейнгровером.

Бесконтактная подвеска Е. Штейнгровера

Чтобы «помочь» постоянным магнитам, можно установить еще и электромагниты. Как только супермаховик задумает «свалиться» набок, это уловит специальный датчик и включит соответствующий электромагнит, который выправит положение. Такая система называется «следящей». С ее помощью ученые добились скорости вращения полностью вывешенного шарика в 800 тыс. оборотов в секунду, или почти 50 млн оборотов в минуту!

Подвесив маховик со значительной массой подобным образом, можно получить столь малое сопротивление, что разогнанный маховик будет вращаться до остановки десятки лет! Однако для этого в камере, где вращается маховик, необходимо создать высокий вакуум, иначе так называемые вентиляционные потери – потери из-за трения маховика о воздух – «съедят» весь запас энергии за считанные часы.

Интересно, что при вращении маховика в вакууме можно вообще практически избавиться от трения в опорах. Для этого нужно подшипники маховика, изготовленные из вполне обычных материалов – графита, полиэтилена или на молибденовой основе, облучить потоком электронов. Это явление обнаружили российские ученые, которые назвали его «эффектом аномально низкого трения», сокращенно АНТ. Для облучения подшипников супермаховика достаточно миниатюрной «электронной пушки», наподобие электронно-лучевой трубки (кинескопа) телевизора, только в сотни раз менее сложной, крупной и мощной, чем этот кинескоп.

Супермаховик с использованием эффекта АНТ

Тут возникает вопрос: а как же отбирать накопленную энергию через герметичную стенку вакуумной камеры? Ведь вал сквозь нее не пропустишь – никакие сальники и манжеты, как бы плотно они ни обхватывали вал, не смогут помешать доступу воздуха в камеру.

И все-таки есть способ вывести вал маховика наружу. Но для этого придется использовать не обычные уплотняющие устройства в виде сальников или резиновых манжет, а специальные, изготовленные из магнитной жидкости.

Магнитная жидкость – это коллоидный раствор тончайшего порошка феррита в керосине, масле, воде или в некоторых других жидкостях.

Частицы феррита в магнитной жидкости настолько малы, что, выложив их цепочкой, мы на одном миллиметре длины уместили бы 100 тыс. таких частиц!

Иначе и нельзя: если частички будут больше, раствор быстро осядет. Так, например, ведет себя крупномолотый кофе, размешанный в воде. Растворимый же кофе имеет очень тонкий помол и в воде превращается в стойкий коллоидный раствор. Поэтому и частицы феррита в магнитной жидкости, как правило, не крупнее частиц растворимого кофе. Если такую магнитную жидкость налить в стакан и снизу поднести магнит, то она вспучится горбом, и как только мы начнем передвигать магнит в ту или иную сторону, частицы «поползут» вслед за ним.

Магнитные уплотнения с магнитной жидкостью стального вала (а) и немагнитного вала (б)

Для того чтобы надежно уплотнить стальной вал, нужно надеть на него кольцеобразный магнит, а зазор между магнитом и валом заполнить магнитной жидкостью. Теперь выведенный через стенку вакуумной камеры вал будет вращаться, не нарушая ее герметичности.

Я даже сделал модель для демонстрации действия магнитного уплотнения. В надутый прозрачный резиновый шар вставил заводную игрушку, ключ от которой через описанное магнитное уплотнение вывел наружу. Сколько я ни заводил игрушку – уплотнение не пропускало воздуха.

Воздушный шарик с магнитным уплотнением

Магнитные уплотнения необходимы в том случае, когда требуется именно механическое вращение вала супермаховика. Если же нужно получить от супермаховика электроэнергию, то дело проще. Устанавливаем внутри камеры вращения вместе с супермаховиком электрическую машину – генератор, а провода выводим наружу через герметичные изоляторы. Подавая ток по проводам в машину, которая в этом случае будет работать в режиме электродвигателя, разгоняем супермаховик. Потом переводим машину в режим генератора, и она начинает выдавать электрический ток, отбирая энергию у супермаховика. Такой способ отбора энергии, пожалуй, наилучший. Ведь ток можно использовать для каких угодно целей – и для освещения, и для питания приборов, и для движения электромобилей. Об этом способе поговорим подробно позже.

Чтобы получить энергию в виде потока жидкости, например масла под давлением для приведения в движение механизмов в шахтах, где электрическая искра способна вызвать пожар, вместо электромашины в камеру вращения нужно поместить гидромашину. Она так же, как и электромашина, может работать в режиме двигателя, разгоняя супермаховик, и в режиме генератора – насосном режиме, качая масло энергией супермаховика. Разумеется, из камеры с супермаховиком будут выходить уже не провода, а трубочки, по которым потечет масло. Энергией потока масла можно приводить в действие гидродвигатели, гидроцилиндры, заряжать гидроаккумуляторы, о которых речь шла в самом начале книги.

В случае использования камеры из немагнитного материала, вращение можно вывести наружу через стенку с помощью магнитной муфты, в которой установлены сильные постоянные магниты. Иногда вращение выводят из герметичного пространства с помощью так называемой «поводковой» муфты. Кроме того, существуют особые «волновые» передачи, получившие в последнее время большое распространение; они тоже могут передавать вращение из герметичного корпуса.

Магнитная муфта
Поводковая муфта
Вращение маховика «выводится» из вакуума путем вращения корпуса

Есть еще способ вывести энергию супермаховика наружу – посредством вращения его корпуса.

Допустим, нам понадобилось про бурить скважину, взять пробу грунта или проделать другую механическую работу на дне океана, на глубине около 5 км, где давление воды огромно. В таких условиях очень трудно воспользоваться традиционными источниками энергии – двигателями и электроаккумуляторами. Действительно, двигателю нужен воздух, который, однако, с поверхности по трубке не подведешь – ее раздавит давлением воды. Электрический кабель тоже не выдержит давления – будет пробой. Маховик же выделяет энергию непосредственно в виде вращения вала, без кабелей и труб. Он-то нас и выручит.

Конечно, помещать вращающийся маховик прямо в воду бессмысленно – его сразу же остановит сопротивление воды. Целесообразнее поступить следующим образом. Заключим маховик или, если нам надо много энергии, супермаховик в герметичную вакуумную камеру, лучше сферическую, чтобы она могла противостоять давлению. При этом закрепим его не в центре камеры, а несколько ниже. Супермаховик массой в сотни килограммов будет висеть подобно маятнику, стремящемуся под действием гравитации сохранить свое наиболее низкое положение. Дальше все просто. Свяжем супермаховик понижающей механической передачей с камерой, и он станет вращать ее, только гораздо медленнее, чем вращается сам. Это очень напоминает бег белки в клетке-колесе. Белка выступает там как бы в роли супермаховика, а колесо – та же вращающаяся камера. Теперь мы можем отбирать энергию не от самого супермаховика, а от вращающейся, правда с меньшей скоростью, камеры.

К этой камере легко приделать любой инструмент: ковш, бур, фрезу – в общем, все, что надо. Когда камера встретит сопротивление (например, порода упрется в твердую породу), супермаховик начнет вращать ее с большим усилием. Но даже если порода и в этом случае не поддастся, никакой поломки или аварии бура не произойдет. Супермаховик просто «заходит» по кругу внутри камеры, пока не уменьшит нагрузку.

Заряжаться – раскручиваться супермаховик сможет от вращения своей же камеры. Достаточно прикрепить прямо к ней, как к валу корабля, гребной винт, и она быстро закрутится во время спуска на дно за счет собственной тяжести и тяжести супермаховика.

Это супермаховичное «беличье колесо» и ряд других систем вывода энергии из вакуумной камеры, придуманных как мной самим, так и вместе с товарищами, были признаны изобретениями. Еще один шаг к «капсуле» сделан!

Чего же удалось достичь? В супермаховике можно накопить огромную энергию, эту энергию несложно надолго «законсервировать», используя вакуумную камеру, магнитные подвески, быстроходные подшипники. Накопленная энергия выводится из вакуумной камеры, причем выводится в любом удобном для нас виде: в виде вращения вала или корпуса, в виде электрического тока, напора жидкости (масла). Но супермаховик, отдавая кинетическую энергию, постепенно останавливается. Отразится ли снижение скорости на работе «энергетической капсулы»?