Будущее водородных двигателей
Наши опыты мы проводим вот за этими стальными дверями. Там стоят приборы, при помощи которых мы можем проводить эксперименты, можно сказать, в любых условиях – при самой различной температуре и давлении,
Лаборатория, у входа в которую стоит Михаэль Фельдерхофф, сотрудник Научно-исследовательского института имени Макса Планка, напоминает бункер. Внутри - площадка около пяти квадратных метров, окруженная высокими и массивными железобетонными стенами. На фоне белых, почти светящихся плоскостей в глаза бросается баллон яркокрасного цвета. В нем водород – энергоноситель будущего. По мнению ученых, именно он станет тем самым чудодейственным средством, которое поможет человечеству избавиться от нефтяной "энергозависимости". Ведь теплота сгорания единицы массы водорода почти в два с лишним раза превосходит бензин, а параметры горения позволяют в полтора раза повысить КПД двигателя внутреннего сгорания. Топливо это абсолютно экологичное.
Оно может использоваться не только как основное топливо, но и в качестве добавки к традиционным углеводородам, повышающей экономичность и снижающей токсичность выбросов. Но, по мнению экспертов, самое эффективное применение водорода — это создание электродвигателя с водородным топливным элементом и электроприводом. Попытки использования водорода как топлива начались ещё полтора столетия назад. Первый патент на двигатель, работающий на смеси водорода и кислорода, был выдан в Англии в 1841году. В 20-е годы прошлого столетия началось использование водородных двигателей на дирижаблях фирмы «Цеппелин». Для них в качестве топлива использовался водород, наполнявший дирижабль. Первые энергетические кризисы 70-х годов, а также резкое ухудшение экологической ситуации резко повысили интерес к этому альтернативному виду топлива. К началу 80-х почти во всех ведущих индустриальных странах были созданы экспериментальные водородные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на водороде, бензоводородных смесях и смесях водорода с природным газом. Но до победного шествия водородной энергетики по-прежнему далеко. Учеными предстоит ещё преодолеть немало трудностей. К примеру, дать ответ на вопрос: Как хранить водород? В свободном состоянии — это бесцветный газ с очень малой плотностью, составляющей около 7 процентов плотности воздуха. Поэтому для его хранения и перевозки необходимо поддерживать очень высокое давление или же иметь в распоряжении резервуары гигантского размера. И то и другое неприемлемо для автомобильных двигателей. В настоящий момент исследователи работают над созданием водородного автомобиля, пробег которого без дозаправки достиг бы 500 километров. К сожалению, и жидкий водород для этих целей не подходит, несмотря на то, что занимает в 700 раз меньше места. Для того, что бы довести газ до жидкого состояния необходимо поддерживать температуру минус 253 градуса по Цельсию. Поэтому ученые института имени Макса Планка в немецком городе Мюльгейм-на-Руре сосредоточили внимание на ещё одном - третьем и наиболее перспективном способе хранения водорода - при помощи металлогидридов:
Металлогидриды – это соединения из металла и водорода. На единицу объёма некоторых металлогидридов приходится больше связанного водорода, чем в низкотемпературном контейнере для жидкого водорода той же емкости.
Принцип этот известен уже давно. Несколько лет назад в германские военно-морские силы поступила на вооружение подводная лодка U-31, основной особенностью которой является её уникальная силовая установка. Помимо дизельного двигателя и аккумуляторов, в ее состав входят модули топливных батарей. Горючим для них служит водород, который хранится не в газообразной или сжиженной форме, а в виде металлогидридов. Однако гидриды хранят водород с небольшой плотностью энергии на единицу веса, поэтому топливные модули очень тяжелые:
На субмарине вес блоков, хранящих водород, особого значения не имеет. И, наоборот, вес играет решающую роль, когда речь идет о применении сплавов в других, так сказать, мобильных сферах – автомобилях, а также ноутбуках, бытовой и развлекательной электронике.
В связи с этим Михаэль Фельдерхофф и его коллеги делают ставку на легкие металлы, такие как натрий или алюминий. Смесь водорода с ними – специальный водородный порошок под названием натриумаланат - может хранить до пяти процентов водорода. Это означает, что в 100 килограммовом автомобильном баке можно перевозить до пяти килограммов водорода. На 500 киломеров пробега этого должно хватить. Но не только вес беспокоит мюльгеймских ученых. На то, чтобы зарядить водородом хотя бы 80 процентов такого бака с натриумаланатом, потребуется целый час. Для ускорения процесса в порошок добавляют катализаторы - мельчайшие частицы титана, церия или скандия. Тогда заправка длится не более восьми минут. И всё же до практического применения этой технологии ещё далеко:
Взаимодействие металла с водородом порождает химическую реакцию. В результате при получении металлогидрида выделяется много тепловой энергии. А это в свою очередь означает, что здесь нам нужен хороший теплообменный аппарат, который мог бы отводить тепло за кратчайшие сроки. Это основная проблема, над которой сейчас работают инженеры. Её решение потребует больших усилий.
Итак, заправка позади. Осталось только тронуться с места. Теперь из порошка необходимо выделить водород. Для этого нужно разогреть его до ста градусов. Тепловая энергия при этом должна поступать извне. В идеале можно было бы использовать то самое тепло, которое выделилось во время реакции при образовании металлогидрида.
Михаэль Фельдерхофф уверен, что первые серийные водородные автомобили всё ещё будут оснащены газовыми баллонами. Но когда гидриды легких металлов пройдут боевое крещение в ноутбуках и переносной электронике, настанет черед и автомобиля. В случае же если проблемы с теплообменом, давлением и скоростью позарядки решить так и не удастся, вполне возможно будут применяться съемные топливные баки-контейнеры. На заправке можно будет экономить время, попросту меняя пустые баки на уже заполненные.
В нашей исторической рубрике сегодня мы поговорим о покрышках, камерах и протекторах. Думаю, большинству наших слушателей не нужно объяснять, что всё это – составляющие элементы пневматической шины, изобретенной по сравнению с историей колеса не так уж и давно – всего 160 лет назад. Колесо же в виде деревянного диска появилось более пяти тысяч лет назад. На протяженнии целых тысячелетий оно почти не менялось, разве что в нем появились спицы и само колесо стало металлическим. Поэтому по сравнению с эволюцией колеса развитие шины было процессом бурным и скоротечным. Многие века роль шины для колеса выполнял металлический обруч, который насаживался на обод. Ударяясь о камни и попадая в колдобины, он издавал страшный грохот, но тем не менее со своей задачей справлялся: повышал живучесть или, как принято говорить, «ходимость» колеса. Только в XVIII веке на смену обручам пришли резиновые монолиты из каучука. Появлению пневматической шины способствовало и изобретение Чарльза Макинтоша, который в 1823 году пропитал жидким каучуком льняную ткань, придав ей тем самым водо- и воздухонепроницаемые свойства. Первым же, кто запатентовал пневматическую шину был Роберт Томпсон шотландский инженер железнодорожного транспорта. Жил он в Лондоне, и оживленное столичное движение по булыжным мостовым производило такой невыносимый шум, что выросший в деревенской тиши Томпсон решил всерьез заняться созданием «умягчителя» для колеса. В результате 10 декабря 1845 года Томпсон официально зарегистрировал свое изобретение, а затем и запатентовал пневматическую шину. В приложении была подробно изложена конструкция, а также названы материалы для изготовления шин. Вот что написал сам Томпсон:
Суть моего изобретения состоит в изменении эластичных опорных поверхностей вокруг ободьев колес экипажей с целью облегчения движения и уменьшения шума, который они создают при движении.
Затем изобретение Томпсона было благополучно забыто, и о нем не вспоминали на протяжении 42 лет. В 1887 году ветеринар Джон Бойд Данлоп, поливал растения на своей ферме в Шотландии. Его 10-летний сын катался по участку на трехколесном велосипеде. Особенно ему нравилось переезжать через поливочный шланг. Отец обратил внимание на плавную амортизацию шланга, напряженного под давлением воды. Данлоп отрезал кусок шланга по размеру окружности велосипедного колеса, приспособил к нему ниппель, использовав при этом детскую соску, и заварил его с обоих концов в кольцо. Уже в следущем году...
Королева Виктория выдала ему патент на его изобретение. По сути, это и было рождение фирмы Данлоп,
- рассказывает пресс-секретарь немецкого филиала концерна Данлоп Петер Шмидт. Преимущества пневматической шины современники Данлопа оценили достаточно быстро, ведь именно в то время в Европе разразился настоящий велосипедный бум. Уже в 1889 году на стадионе в Белфасте один из гонщиков выступил на велосипеде с «воздушными шинами» и… неожиданно для зрителей и соперников выиграл во всех заездах.
Я не утверждаю, что мне удалось первому открыть принцип «воздушной шины». Какое-то время я действительно в это верил. По одной простой причине: ведь до недавних пор этого простого приспособления в обиходе не было. Я претендую лишь на звание первого успешного изобретателя шин. На счастье всего мобильного мира я как бы вновь изобрел идею Томпсона.
- писал позднее Данлоп. Первые проданные шины он сделал своими руками. Да и позднее на созданной им впоследствии фабрике практически все операции производились вручную:
Условия труда в те времена были просто несравнимо тяжелее, чем сегодня. Но, несмотря на то, что многое подверглось автоматизации, до сих пор в шинном производстве задействовано немало ручного труда.
- говорит Петер Шмидт. Как и все выдающиеся изобретения шина была воспринята с недоверием. К примеру, французам Андре и Эдуарду Мишлену пришлось выложить немало денег на рекламные цели. В 1894 году они бесплатно роздали шины нескольким сотням парижских извозчиков для того, чтобы те удостоверились в преимуществах этого технического новшества. Эта акция обошлась братьям Мишленам в 800 тысяч франков при том, что средняя зарплата французского рабочего тех времен составляла около 200 франков. Кстати, братья Мишлены первыми изобрели съемную шину, а также первыми установили пневматическую шину на автомобильные колеса.
За 160 лет существования пневматическая шина претерпела массу изменений. Конструкция шин постоянно совершенствовалась: камеру отделили от покрышки, стали вставлять в края покрышки проволочные кольца и сажать её на обод. Во время первой мировой войны начались разработки конструкций шин для грузовых автомобилей и автобусов. Пионерами в этой области были США. В первой половине ХХ века возникли крупные фирмы по производству шин, большинство из которых существуют и по сей день, а именно «Данлоп» вАнглии, «Мишлен» во Франции, «Гудьир» и «Файрстоун» в США, «Континенталь» и «Метцелер» в Германии, «Пирелли» в Италии. В середине 50-х годов появилась новая конструкция шин, разработанная фирмой «Мишлен». У неё был жесткий пояс, состоящий из слоев металлокорда. Нити корда располагались радиально от борта до борта. Такие шины получили название радиальных. Результатом испытания новой шины фирмы «Мишлен» явилось увеличение ходимости почти вдвое. В 70-е годы производители шин сосредоточились на повышении безопасности езды и снижении расхода топлива.
За последние годы конструкция шин изменилась мало. Зато химический состав материалов постоянно усовершенствуется. Например, ещё совсем недавно неразрешимой казалась задача улучшить характеристики зимних шин одновременно на мокром дорожном покрытии и на снегу. Применение полимеров и силикагеля помогло решить эту проблему.
Дальнейшее усовершенствование шин направлено также на увеличение срока службы, допускаемых нагрузок, упрощения технологии производства и увеличения безопасности движения транспортных средств. Однако, несмотря на многочисленные изменения и модернизации, которым подверглась пневматическая шина за 160 лет своего существования, основной принцип её устройства остался прежним. Петер Шмидт:
Это была настоящая революция. Иначе и по сей день мы бы тряслись и подпрыгивали на железных ободах.