Колесо, хранящее энергию - механический аккумулятор на основе маховика



Тридцать лет назад мы писали об этой идее как о фантастике, которая, несмотря ни на что, может претвориться в жизнь. И вот прошли годы, идея становится явью.

"Взгляните на все эти современные автомобили, - говорит Джек Биттерли с иронической усмешкой. - Они сконструированы так, как будто собираются ехать задом наперед. Оптимальная форма для любого движения - самолетное крыло с закругленной передней частью и более тонкой задней. Все, что ездит по нашим улицам, - это ужасно". Аэродинамика - одновременно и профессия, и хобби Джека Биттерли.

В свои восемьдесят лет Джек выглядит как типичный пожилой американец - энергичный, подтянутый, хорошо одетый. Почти полвека назад он начал работать экспертом аэродинамики в известной компании "Локхид" и разработал немало удачных самолетов. И сейчас он никак не может уйти на покой: до сих пор это бурлящий вулкан, радикал, ниспровергатель основ, работающий по пятьдесят часов в неделю над своим новым проектом "Летающее колесо". Он решил совершить революцию в одной из наиболее традиционных областей - отрасли хранения энергии. Примерно то же самое, что изобрести велосипед.

Тема хранения энергии на первый взгляд не слишком увлекательна. Но задумываться о ней пора, поскольку она переходит из старой экономики в новую, при этом острота ее возрастает. Полупроводниковые приборы очень плохо переносят даже незначительное колебание в напряжении питания, поэтому используются запасные источники питания, что дорого. Автомобилестроители уже не один десяток лет разрабатывают электромобиль и никак не добьются успеха, потому что электрические батареи не могут запасать энергию, достаточную для перемещения на большие расстояния, да и заряжать их долго.

Новую экономику иногда называют "экономика всегда online", и она зависит от постоянного энергоснабжения. Неудивительно, что источники бесперебойного питания превращаются из экзотического сопровождения для супердорогих компьютеров в стандартное оборудование любого офиса, а особенно - активно работающего с Интернетом.

Типичный современный источник бесперебойного питания состоит из большого количества кислотно-свинцовых батарей, устройств, которые Томас Альва Эдисон мгновенно узнал бы, если бы перенесся к нам из прошлого века. Эти "пережитки прошлого" выходят из строя в течение нескольких лет, они очень ненадежны, поскольку плохо переносят слишком высокие или слишком низкие температуры. Они ломаются совершенно неожиданно, а после выхода из строя становятся кошмаром для защитников окружающей среды, поскольку содержат и кислоты, и свинец. Тем не менее ожидается, что рынок таких батарей, который сегодня составляет около миллиарда долларов в год, в ближайшие два-три года будет ежегодно увеличиваться на 10 процентов в год.

Фотография одной из таких батарей висит на стене Джека Биттерли. Он объясняет, что весит она более двухсот килограммов, а работает не более пяти лет. В некоторых энергетических компаниях, не включенных в единые энергосистемы стран, приходится держать по пять - десять тысяч таких батарей.

"И это считается торжеством технической мысли" - закатывая глаза, говорит Биттерли.

Он показывает блестящий черный диск толщиной в 7-8 и диаметром в 25 сантиметров с дырой в центре. Диск весит 10 килограммов. Бросается в глаза его тщательная обработка и очень правильная форма. Изготавливаются такие диски в компании Биттерли, и именно их он считает инструментом революции в накопителях энергии. Еще раз революция колеса. По мнению создателя, именно такие колеса станут источниками бесперебойного энергоснабжения.

Странно звучит: после эры высокотехнологичной электроники опять возвращается механическое колесо. Но это так. Биттерли не одинок в своих разработках, аналогичные колеса появляются по обеим сторонам океана и одновременно идет формирование рынка. Идея предельно проста: вначале электромотор раскручивает колесо до высокой скорости, и оно крутится в специальной подвеске в вакууме, практически не теряя скорости. Когда надо извлечь из него энергию, к нему подключают электромотор в режиме генератора, и колесо отдает все, что было накоплено. У колеса есть несколько преимуществ перед батареей: возможность запасти в десять раз больше энергии (при одинаковом весе), полная независимость от температуры, возможность быстрой разрядки.

Естественно, чем больше удастся запасти в колесе энергии, тем привлекательней оно будет. Для этого колеса надо делать более тяжелыми и заставлять их вращаться быстрее, поскольку энергия пропорциональна массе и квадрату скорости вращения. Наращивать скорость выгодней, но с ростом скорости нарастают и проблемы: с такой же скоростью нарастают и центробежные силы, разрывающие колесо.

Это действительно сложная проблема. В каждом автомобиле есть подобное колесо, но оно крутится со скоростью всего 5 тысяч оборотов в минуту. Биттерли хочет раскручивать свои колеса в двадцать раз быстрее, что порождает в четыреста раз более мощные центробежные силы. Колесо может начать разрушаться, разбрасывая осколки со скоростью в тысячи километров в час. Пока тестовые образцы Биттерли крутятся со скоростью 60 тысяч оборотов в минуту.

А начиналось все лет тридцать назад, когда известный американский физик Ричард Пост написал статью для известного популярного журнала "Сайнтифик Америкэн" о том, что новые материалы и системы управления могут полностью революционизировать идею накопления энергии в крутящихся колесах. Он предложил изготавливать колеса из углеродных волокон, которые прочнее стали, и подвешивать их в магнитных подвесках, чтобы полностью устранить трение. Тогда эти идеи реализовать было нельзя. Джек Биттерли прочел статью в 1973 году, и она оставила след в его душе.

Биттерли всегда отличало то, что, кроме ума эксперта-аэродинамика, у него билась жилка предпринимателя. За свою долгую трудовую жизнь он успел не только поработать в "Локхиде", но и руководил собственной консультационной фирмой в области космической медицины. Прочитав статью Поста, он вместе с приятелем приобрел лицензию на использование идей Поста, которые тот предусмотрительно запатентовал. В 1975 году родилась компания "Летающее колесо".

Сначала он пытался сделать автомобиль на основе своего колеса. Проект окончился неудачей, поскольку не хватило денег на доведение его до ума, да и партнеры Биттерли разочаровались в его идеях. Следующая попытка тоже окончилась неудачей, и Биттерли вернулся к своим основным занятиям.

"Летающее колесо" возродилось лишь в 1993 году при помощи известнейшего американского актера Кэвина Костнера ("Телохранитель", "Танцы с волками"), который серьезно озабочен охраной окружающей среды и активно поддерживает проекты альтернативных источников энергии. "Я как будто вытянул счастливый билет в лотерею" - вспоминает Биттерли.

К этому времени и технология сильно продвинулась вперед: были изготовлены углеродные волокна в четыре раза прочнее стали, способные запасать в шестнадцать раз больше энергии на единицу веса. Мощность компьютеров стала вполне достаточной для абсолютно эффективного управления магнитной подвеской.

Биттерли попытался предложить свои разработки компании "General Motors" для их электромобиля. Проблема была в том, что не было работающего прототипа, и Биттерли пытался получить финансирование исключительно на основе своих расчетов. Не сработало.

Тогда в следующем, 1994 году идея была предложена аэрокосмической промышленности, и ею там заинтересовались, поскольку активно развивался проект международной космической станции. Сегодня в фирме Биттерли трудятся шестнадцать человек, финансирует ее исключительно Кэвин Костнер. Космическое будущее для колес было выбрано их родителем отнюдь не случайно: если колесо сможет успешно, надежно и безопасно работать в сложнейших условиях космической станции, то уж на Земле ему найдется множество применений.

Так вот, на космической станции должно быть несколько тонн никель-водородных батарей со сроком действия не более пяти лет. Биттерли предлагает заменить их на 192 колеса, которые меньше весят, а работают дольше. Он говорит, что таким образом удастся сэкономить 260 миллионов долларов. Пока американское национальное агентство космических исследований НАСА выделило Биттерли 3 миллиона долларов на разработку и создание прототипа колеса. Первые тесты на орбите намечены на 2005 год.

Главная проблема - безопасность колеса, поскольку его поломка на орбите может иметь катастрофические последствия для всей станции. Поэтому сейчас особенно интенсивно обсуждаются и исследуются проблемы поломок. Эксперты говорят, что разрыв углеродного колеса существенно менее опасен, чем стального.

А вот другая компания, занимающаяся летающими колесами, "Beacon Power", пошла иным путем: она стала делать более тяжелые колеса. Размещать их планируется под землей и использовать в качестве резервного питания для телефонных кабелей и беспроводных сетей. И это уже не фантазии: работающие колеса тестируются в компаниях "Bell Atlantic", "Century Communications" и "Telcordia Technologies". Энергокомпания из Сан-Диего уже заказала два колеса, а сто более мелких будут обеспечивать резервное питание для телефонов в пятнадцати тысячах домов в Мексике, поскольку из-за жаркого климата батареи работают там очень плохо.

Колесо "Beacon Power" весит около 60 килограммов, вращается со скоростью 20 тысяч оборотов в минуту и расположено в большом цилиндре, наполненном маслом. Оно может выдавать киловатт-час мощности в течение двух часов и, как обещают создатели, работать не менее двадцати лет. Стоимость - около 15 тысяч долларов.

Первый прототип колеса "Beacon" был поставлен в небольшую компанию кабельного телевидения в Небраске, руководитель которой, Билл Бауэр, является большим поклонником нового метода. По его мнению, в США есть рынок для десяти - двадцати тысяч таких колес, и новый метод хранения энергии может стать самым эффективным в наступившем столетии.