В поисках «энергетической капсулы»

Задача потруднее буридановой

У Буриданова осла было только две кучки сена, и то он не мог сделать выбора. А тут – попробуй выбери подходящую основу для «энергетической капсулы». Ведь существует немало всяких накопителей или аккумуляторов энергии, о которых я, к сожалению, имел тогда довольно смутное представление.

Прежде всего я стал выяснять, каким образом запасают энергию различные аккумуляторы, чтобы определить, какой из них имеет шансы стать «капсулой». Мне казалось, что свежему человеку легче разобраться в этом, чем специалисту, занимавшемуся каким-либо одним аккумулятором.

Когда человек чего-нибудь совершенно не знает и хочет получить хотя бы общую справку, ему советуют заглянуть в энциклопедию. В Малую или в Большую. А если нужно проследить что-то с самого начала, то нет ничего лучше старинного энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона. Открыв золоченый том этой ценнейшей книги 1890 года издания на слове «аккумулятор», я прочел: «Так называются в машиностроительном деле приборы для накопления механической энергии. Изобретены они Армстронгом и основаны на постепенном поднятии на высоту большого груза или на сильном сжатии воздуха».

Энциклопедии последующих выпусков сообщили мне, что аккумулятором вообще называется «устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования» и что аккумуляторы бывают электрические, тепловые, механические, в том числе и изобретенные Армстронгом. После каждой статьи об аккумуляторах были помещены ссылки на книги и другие источники, по которым вопрос можно изучить подробнее.

Все! Конец ниточки был у меня в руках, и, потянув за него, я мог уже размотать весь «аккумуляторный клубок». Однако меня смутило определение понятия «аккумулятор» в энциклопедии. Получалось, что аккумулятор и задуманная мной «энергетическая капсула» – это совсем не одно и то же.

«Устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования»... Я вспомнил школьные опыты с электрической машиной. Мы крутили большой стеклянный диск, трущийся о кожаные подушки, а затем извлекали из заряженных шаров или конденсаторов – так называемых лейденских банок – яркие искры. Вращая диск, мы накапливали энергию, а извлекая искры из шара или лейденской банки, использовали ее. Как будто это устройство подходит под определение «аккумулятор», но что-то подсказывало мне, что электрическая машина – не аккумулятор. Ведь заряжали мы электричеством только шар или лейденскую банку, именно они накапливали энергию. А стеклянный диск, трущийся о подушки, служит для преобразования механической энергии вращения в электроэнергию, он не имеет к аккумулированию никакого отношения. Такие устройства для преобразования энергии в энциклопедии называются «машинами».

Значит, аккумуляторы-накопители здесь – шар или лейденская банка, а все устройство, включающее и диск с подушками, – это не аккумулятор, а машина, электрическая машина.

Школьная электрическая машина - преобразователь механической энергии в электрическую

Выходит, аккумулятор должен выделять энергию в том виде, что и была в него «заложена». Тогда он будет хранилищем энергии, «энергетической капсулой». А если изменяется форма энергии, это уже не аккумулятор, а машина. Если мы кладем на сберкнижку рубли, то рубли с нее и получаем. Действительно, сберкнижка – «аккумулятор» денег. Но допустим, что мы положили туда рубли, а получили, например, бублики на ту же сумму. Тогда это уже не аккумулятор денег – сберкнижка, а самый настоящий магазин. Видимо, доверять можно не всегда и энциклопедиям, их тоже люди пишут. Хорошо, лейденская банка – уж точно аккумулятор энергии. И потомки лейденской банки – конденсаторы, без которых не обходится ни один радиоприемник или телевизор, – тоже.

Порывшись в памяти, я заключил, что наряду с конденсаторами электроэнергию накапливают и катушки-электромагниты. Те самые, которые мы видим и в мощных электромагнитных подъемных кранах, перегружающих металлолом, и в электронных будильниках, не говоря уже о том, что в каждом приемнике или телевизоре их десятки.

Только в конденсаторах энергия накапливается в виде электрического заряда, а в электромагнитах – в виде магнитного поля вокруг катушки.

И уж конечно, к накопителям энергии относится всем нам известный автомобильный электроаккумулятор. Вроде бы больше электроэнергию никакие другие устройства накопить не могут.

Позвольте, а электроутюг и электроплитка, которые включаются в сеть?

Заводная пружина в часах - наиболее распространенный накопитель механической энергии.

Подумав об утюге, я все-таки решил, что накапливает он не электричество, а тепло. Тепло переходит в утюг от раскаленной спирали или другого нагревательного элемента, питаемого электротоком: электроэнергия в спирали – преобразователе энергии – превращается в тепловую энергию, а последняя накапливается в металлической массе утюга. То же самое происходит в электроплитках и любом другом электронагревательном приборе.

Но лучше всего проявляются теплоаккумулирующие свойства в обыкновенном чугунном утюге, который разогревается на газу. Тепло от газового пламени переходит в металл утюга и довольно долго в нем сохраняется.

Стало быть, утюги, грелки и другие устройства, накапливающие тепловую энергию, можно отнести к аккумуляторам тепла.

Какая еще форма энергии осталась «не охваченной» накопителями? Электроэнергия есть, тепловая тоже. Осталась, пожалуй, самая привычная – механическая энергия. Оказывается, поддается накоплению и она, причем каждый из нас является хозяином, по крайней мере, одного накопителя механической энергии – часовой заводной пружины. Конечно, речь идет о тех, кто носит механические, а не электронные часы. В механических часах целых два пружинных аккумулятора – заводная пружина и пружинка балансира. А если эти часы – будильник, то там добавляется еще и пружина боя или звонка. Многие приборы работают на энергии пружин. Заводные игрушки, механические бритвы – тоже питаются этой энергией.

Неплохой накопитель механической энергии – резиномотор, часто применяемый на летающих моделях. Я строил такие модели и даже пытался усовершенствовать их, поставив вместо резиномотора металлическую пружину, но, к моему удивлению, модели сразу же «разучивались» летать. Где-то я читал, что подобные модели с пружинами и воздушными винтами строил еще М.В. Ломоносов, но и у него они не взлетали. И как будто это сильно повредило идее летательного аппарата тяжелее воздуха. Жаль, что в то время Ломоносов не мог построить резиномотора!

На этом же свойстве резины накапливать энергию построены рогатки. В детстве я, как и многие мои сверстники, очень любил мастерить рогатки и метко стрелял из них. Помню, однажды я выиграл спор с товарищем, «расстреляв» из рогатки те подвижные мишени в тире, в которые он не мог попасть из пневматического ружья.

Правда, пневматическое ружье стреляло гораздо дальше моей рогатки, потому что сжатый воздух, который гнал пулю в стволе ружья, был гораздо «сильнее» резиновой ленточки. Отсюда я сделал вывод, что сжатый воздух как накопитель механической энергии очень и очень неплох. Молодец Армстронг, придумавший этот вид аккумулятора!

Я знал, что механическую энергию можно накопить и во вращающихся маховиках. Были у меня инерционные игрушечные автомобили, их надо было сначала поводить по столу, а потом они могли метр-два проехать сами. То есть не сами собой, а за счет энергии, накопленной в небольшом маховике внутри игрушки. Не раз видел я точильные круги, которые после выключения мотора долго еще вертелись за счет накопленной в них кинетической энергии, и на них в это время можно было даже точить ножи.

Признаться, поначалу я не очень верил в аккумулирующие возможности маховиков. Мой игрушечный маховичный автомобильчик проходил гораздо меньшее расстояние, чем заводной. К тому же я однажды стал свидетелем того, каких бед наделал разорвавшийся на ходу точильный круг – его осколки ломали все на своем пути. И я представил себе, что могла бы натворить «энергетическая капсула» с огромным запасом энергии в ней, разорвись она, как этот точильный круг...

Вот, пожалуй, и все формы энергии, за исключением световой. Можно, конечно, как это не покажется странным, накопить и световую энергию. Многие из моих товарищей увлекались такими накопителями, даже не подозревая, что это и есть накопитель. Я имею в виду светящиеся краски, которыми покрывают стрелки и цифры приборов, часов, иногда выключатели. Если их предварительно осветить, то потом они долго выделяют накопленную световую энергию, «горя» различными цветами. Краски эти, называемые кристаллофосфорами, очень интересно приготовить самому. Я тоже их готовил, любовался сказочно красивым сиянием в темноте. Но все-таки сейчас мечтал создать «энергетическую капсулу» не для световой энергии, а для такой, которая сможет двигать автомобили и другие машины.

Многие юные владельцы игрушечных машин нередко являются обладателями сразу трех энергетических накопителей: электрического, пружинного и маховичного.

В итоге я наметил для себя следующие виды накопителей, из которых надлежало выбрать свой, лучший, чтобы работать над ним в дальнейшем: устройства, накапливающие механическую энергию, – поднятый груз, пружины, резина, а также сжатый газ. Сюда же я отнес и маховики, накапливающие при вращении кинетическую энергию; устройства, накапливающие электрическую энергию, – конденсаторы, электромагнитные катушки и электроаккумуляторы типа таких, которые стоят на автомобилях; устройства, накапливающие тепловую энергию, – различные нагретые тела.

Груз и струна

Для того чтобы сравнивать между собой аккумуляторы различных типов, я должен был избрать какую-нибудь мерку, или, как говорят ученые, критерий для их оценки. Можно сравнивать накопители по цене, экономичности, сложности, удобству и по многим другим качествам. Но я хотел, чтобы моя «энергетическая капсула» была установлена прежде всего на автомобилях, а поэтому и сравнивать накопители решил применительно к автомобилю. На автомобилях же источником энергии для движения служит топливо, сгорающее в двигателе. И обычно говорят: «Расход топлива в таком-то автомобиле столько-то литров на 100 километров пробега». Этот способ оценки автомобилей по расходу топлива на 100 километров пути стал узаконенным.

Что ж, зачем искать новую мерку для сравнения накопителей, когда достаточно хороша и старая. От добра, как говорится, добра не ищут. Только очень уж неудобно оценивать накопители энергии в литрах, лучше в килограммах.

В общем, меркой для сравнения я принял массу в килограммах той «энергетической капсулы», которая позволит автомобилю средней величины, например в 1 тонну массой, проехать путь в 100 километров. Дорога при этом должна быть ровной, хорошей, без подъемов и спусков, а автомобиль должен ехать по этой дороге равномерно, с обычной скоростью 60...80 километров в час, без остановок, обгонов, дорожно-транспортных происшествий и прочих приключений. Иначе сравнение будет очень затруднено.

Примеры работы, которую необходимо совершить, чтобы автомобиль массой в 1 т проехал 100 км.

Если подсчитать силу, с которой нужно толкать или тянуть такой автомобиль, чтобы он ехал равномерно, то получится около 250 ньютонов. Эта сила была определена так. Автомобиль массой в 1 тонну привязали буксиром к другому автомобилю, а в буксирное устройство вставили динамометр – измеритель силы, или попросту пружинные весы. При равномерном буксировании со скоростью 60...80 километров в час динамометр показывал 250 ньютонов.

Работа, которую затратит автомобиль, проехав 100 километров, будет равна произведению силы на путь, а именно 25 тысячам ньютоно-километров. Переведя это в обычные для нас единицы работы – джоули (а один джоуль равен одному ньютоно-метру), получим 25 миллионов джоулей, или 25 мегаджоулей (МДж).

Значит, мой эталонный накопитель должен иметь запас энергии 25 мегаджоулей. Какой из аккумуляторов – механический, электрический или тепловой – окажется «чемпионом» по легкости, тот и будет претендентом на «энергетическую капсулу».

И вот еще что. Для перемещения среднего автомобиля на 100 километров, иначе говоря, для совершения работы в 25 мегаджоулей, достаточно всего около 10 килограммов топлива. Это знает любой водитель. Остается прикинуть, что покажут известные мне накопители – больше или меньше 10 килограммов?

Чтобы запасти 25 мегаджоулей аккумулятором Армстронга в виде поднятого груза, надо вознести 2,5 тонны груза на высоту километра либо 2,5 тысячи тонн на высоту метра. Для автомобиля, разумеется, более подходит вторая высота, но куда девать 2,5 тысячи тонн груза? Что и говорить, неудобный аккумулятор! Его и на автомобиле не разместишь, разве что поднять машину на двух с половиной километровую высоту. Тогда она сама станет аккумулятором энергии. Спускаясь с этой «горы», автомобиль сможет пройти без двигателя необходимые 100 километров, используя энергию, накопленную при подъеме. Но на каждые 100 километров пути гор, как говорится, не напасешься. Да и потом, не всегда же спускаться, нужно и подниматься когда-то.

Выходит, поднятый груз из списка претендентов на «капсулу» надо вычеркивать. Пусть он исправно служит, как и раньше, в часах-ходиках.

Следующим накопителем энергии в моем списке была пружина. Прямо скажу: пружины меня очень заинтересовали. Тем более, что, как я слышал, были в свое время пружинные колесницы, на которых коронованные особы совершали свой торжественный выезд. Нельзя ли автомобили приводить в движение энергией заводной пружины?

На глаза мне попались пружинные весы, или безмен. «Что, если попробовать сделать тележку, движущуюся энергией, накопленной в безмене?» – подумал я. И, увлеченный этой идеей, тут же принялся за постройку «безменовоза». На простой платформочке с двумя осями и колесами я укрепил безмен, к крючку которого привязал прочную нить. Другой конец нити привязал к одной из осей и, вращая колеса, стал наматывать нить на ось. Чем больший вес показывала стрелка безмена, тем труднее становилось крутить колеса. Это накопленная в пружине механическая энергия стремилась повернуть их в обратную сторону. Растянув пружину на полную длину (у обычных хозяйственных безменов это соответствует 10 килограммам, или, правильнее, 100 ньютонам), я поставил «безменовоз» на пол. Но перед тем как отпустить колеса, положил на тележку гирю, чтобы та была потяжелей.

Как только колеса были отпущены, началось выделение энергии пружиной безмена. Сжимаясь до прежнего положения, пружина тянула нить, которая сматывалась с оси и вращала колеса «безменовоза». Разогнавшись, он проехал немалое расстояние, прежде чем остановиться.

Однако недолго я забавлялся своим «безменовозом». Спустя некоторое время руки у меня так устали растягивать пружину безмена, что пришлось отложить тележку в сторону. Да и пора было всерьез поразмыслить над пружинами – на что они способны.

Пружина навивается из стальной упругой проволоки. Растягивая пружину, мы как бы скручиваем проволоку. Если мы чрезмерно растянем пружину, она больше не вернется к прежним размерам – вытянется, испортится. А нельзя ли накапливать энергию, растягивая не пружину, а саму проволочку?

Очень даже можно, и мы это часто делаем, когда играем на струнных музыкальных инструментах.

Взять хотя бы упругую струну на гитаре. Пока струна не напряжена, провисает, сила натяга равна нулю. Чем больше мы натягиваем струну специальными натяжными устройствами – колками, тем больше сила, с которой струна сопротивляется растяжению: во сколько раз удлиняется струна, во столько же раз и растет сила. Наконец струна не выдерживает натяга и с печальным звоном лопается.

Печальный звон – это и есть выделение накопленной в струне механической потенциальной энергии. Играя на гитаре, мы, оказывается, только тем и занимаемся, что, натягивая пальцами струны, накапливаем в них потенциальную энергию, а отпуская – даем струнам возможность выделить ее, причем буквально на воздух. Но энергия, накопленная в струнах, не пропадает даром. Переданная воздуху в виде звуковых колебаний, она услаждает наш слух музыкой.

Пружинная тележка - «безменовоз».

Современная высококачественная проволока, из которой делается музыкальная струна, очень прочна. Проволока сечением 1 мм2 может выдержать до 400 килограммов груза. При этом метровая проволока упруго вытянется ни мало ни много – на 2 сантиметра. Запас потенциальной энергии в такой проволоке будет равен произведению средней силы на удлинение, то есть почти 35 джоулям. Объем этой проволоки легко вычислить, он равен всего 1 см3, а масса – около 8 граммов.

Если мы поделим энергию на массу, то получим весьма важный показатель для оценки аккумуляторов – удельную энергоемкость, или плотность энергии. Этот показатель характеризует, сколько энергии сможет накопить каждый килограмм массы аккумулятора. Я постарался как следует запомнить его, так как понимал, что он очень пригодится мне в дальнейшем. А пока выяснил, что для музыкальной струны он будет около 4 тысяч джоулей на килограмм, или 4 килоджоуля на килограмм.

Крупный концертный рояль, например, накапливает в своих струнах столько энергии, что ее хватило бы для передвижения его на несколько десятков метров! Правда, рояль пришлось бы поставить на велосипедные колеса, чтобы облегчить «ход». А чемпионом в такой поездке на энергии натянутых струн была бы, пожалуй, арфа. Струн у нее почти столько, сколько у рояля, но во сколько раз меньше вес!

Конечно, музыкальная струна – это уникальный, дорогой материал. Для обычных стальных пружинных материалов плотность энергии снизится более чем вдвое. Учитывая, что материал пружин напряжен неравномерно, а также сделав поправку на необходимый в любом случае коэффициент запаса прочности, я подсчитал, что каждый килограмм пружины накопит не более 0,5 килоджоуля энергии. Значит, автомобиль массой в 1 тонну для прохождения 100 километров пути должен иметь пружинный аккумулятор массой... 50 тонн!

А как же все-таки передвигались старинные королевские пружинные экипажи? Впоследствии в одной из книг я прочитал, что их в поте лица своего постоянно «подзаводили» сильные работники, хорошо спрятанные среди золоченой мишуры колесниц. Иначе бы не пройти им и десятка метров. Вот и весь секрет!

Итак, пружины тоже пришлось вычеркнуть. Претендентов на «капсулу» все меньше и меньше.

Резина побеждает сталь

Жаль было расставаться с пружинами, но моих надежд они явно не оправдали. Я должен был это предвидеть, из пружины даже рогатки толковой не изготовишь. Когда-то я пытался заменить резиновые жгуты в рогатке на тонкие пружины, намереваясь построить «сверхрогатку», но получился конфуз. Под смех товарищей моя «сверхрогатка» выплюнула камень мне в ноги. Выходит, не так уж плоха резина и для рогаток и для резиномоторов. И ведь используется здесь именно свойство резины накапливать энергию.

На первый взгляд кажется: ну что за материал резина по сравнению с прочнейшей проволокой? Но это только на первый взгляд. Проверим все в цифрах. Чтобы вытянуть резиновый жгут сечением сантиметр на сантиметр вдвое, нужно приложить силу около 200 ньютонов. Я вычислил это, подвешивая к жгуту различные грузы. А до разрыва хорошая резина из натурального каучука растянется раза в четыре, не меньше.

Метровый резиновый жгут такого сечения имеет массу чуть больше ста граммов, а накопит при полном растяжении около 3 килоджоулей энергии. Стало быть, плотность энергии резины как аккумулятора, достигающая 30 килоджоулей на килограмм, превышает почти в сто раз этот показатель у пружин! Вот, оказывается, почему модели с резиномоторами летают, а с пружинным мотором еще ни одна модель не взлетела в воздух. Этим объясняется и мой конфуз с пружинной «сверхрогаткой».

Какова же будет масса резинового аккумулятора, пригодного для автомобиля? Необходимые 25 мегаджоулей энергии наберут всего около 900 килограммов резины. Это уже не 50 тонн! Над таким аккумулятором можно и поработать.

Основная трудность, с которой пришлось столкнуться, – это как преобразовать вытяжку резины во вращательное движение вала. Ведь в конечном итоге накопленная энергия должна вращать вал. Если вращения не нужно, то все гораздо проще. Вот в подводном ружье или в той же рогатке резина тоже аккумулирует энергию. Но все обходится ее растяжением, и это очень облегчает задачу. В резиномоторах для моделей жгут из тонких резиновых нитей закручивают. Кто изготовлял такие резиномоторы, знает, как перекручивается жгут при заводке мотора, как трутся петли резины друг о друга. Их даже смазывают касторкой, чтобы уменьшить трение. В результате – много потерь энергии, быстрый износ. Для модели это не так уж важно, а для настоящих машин, где огромное значение имеют коэффициент полезного действия – КПД и долговечность, совершенно неприемлимо.

Итак, резину нужно только растягивать. Первой мыслью, конечно, было привязать к концу резинового жгута веревку и наматывать ее на вал, который должен вращаться.

Я так и сделал. Превратить «безменовоз» в «резиновоз» было делом получаса. Под днищем тележки я закрепил конец резинового жгута, ко второму концу привязал шнурок, а шнурок намотал на ось колеса – и нехитрый привод был готов. Стоило прокрутить колеса тележки в обратную сторону, как резина растягивалась, накапливая энергию, которая затем двигала «резиновоз», когда я ставил его на пол. Я убедился, что как транспортная машина он гораздо лучше «безменовоза»: и проходит большее расстояние, и движется плавнее.

Но для реальной машины это не подходит. Если даже изготовить толстенный резиновый жгут сечением в квадратный дециметр, то для накопления нужной энергии он должен быть длиной не менее 100 метров! Растянется же этот жгут почти на целый километр. Это не то что на автомобиль, на поезд не поместится.

Если перекидывать жгут через блоки, как трос в подъемных кранах, то, хотя мы и сократим его длину, почти всю накопленную энергию «съедят» потери в блоках. Ведь резина – не стальной трос, она сильно растягивается, и при огибании блока жгут будет так тереться об его поверхность, что потери энергии, как и износ резины, неминуемы.

И еще. Сам по себе жгут сечением в квадратный дециметр, растягиваясь, может развивать силу в несколько тонн. Перекинув жгут через блоки, мы как бы складываем его раз в сто (чтобы сократить километровую длину хотя бы до пригодных для автомобиля десяти метров), при этом усилие растяжения достигнет сотен тонн. Этакая сила запросто «сложит» автомобиль, совсем как трубу телескопа. Подобные аварии машин так и называются – «телескопирование».

Да, неразрешимая проблема. Всем хороша резина, но слишком уж неудобна в обращении...

И тут совершенно неожиданно мне в голову пришла удачная мысль: если навить резиновый жгут на очень скользкий цилиндр (представим себе, что мы имеем такой идеально скользкий цилиндр), как на катушку, по спирали, то можно сильно сократить длину устройства. К тому же все усилие растяжения резины «перейдет» во вращение вала, не понадобится никаких дополнительных механизмов и нечего бояться, что автомобиль «телескопирует». Допустим, диаметр цилиндра будет всего полметра, тогда на каждый метр его длины ляжет не менее 30 слоев жгута, который сильно сузится при растяжении. Это уже составит около 50 метров растянутой резины. Километр уляжется на 20 метрах цилиндра, сделав при этом 600 оборотов.

Лучше и предложить трудно, но пока нет гипотетического идеально скользкого цилиндра. А собственно говоря, для чего он нужен? Для того, чтобы каждый слой резины на цилиндре мог повернуться относительно предыдущего без трения... Стоп! Ведь такой же результат мы получим, если разрежем цилиндр, как колбасу, на отдельные слои и насадим их свободно на общую ось! Слои эти можно изготовить из легкой пластмассы, даже из дерева.

«Резиноаккумулятор»: 1 - резиновый жгут, 2 - диски.

Я приглядел дома толстую, добротную скалку, которой бабушка раскатывала тесто, и, воспользовавшись удобным случаем, распилил ее на множество тонких дисков. Выкрасил их сразу же раствором марганцовки, чтобы не узнали в моем «изобретении» бывшей скалки. Затем, проделав центральные отверстия, насадил диски на гладкий стальной стержень, на котором они могли свободно вращаться. Кроме этого, я просверлил диски в разных местах, чтобы максимально облегчить их. В самые крайние диски аккуратно, стараясь не расколоть, вбил короткие толстые гвозди, перекинул через них зигзагами резиновый жгут, концы которого связал между собой. Чтобы диски не терлись торцами, переложил их шайбами.

Теперь, вращая крайние диски в разные стороны, я мог растягивать резиновый жгут, накапливая в нем изрядное количество энергии.

Установил я свой «резиноаккумулятор» на оси колеса детской коляски. Крайние диски закрепил неподвижно – один на оси колеса, другой на раме коляски. Закрутив колесо в обратную движению сторону до полного натяжения резины, оборотов на пятьдесят, я затем опускал его на дорогу. Коляска рвалась вперед, как норовистый конь, и резво выносила меня прямо на середину двора на зависть младшим ребятишкам.

Потом я соединил вместе десять таких «резиноаккумуляторов», расположив их под днищем коляски, с приводом на одно заднее колесо. Второе посадил на ось свободно. Передние колеса я сделал рулевыми и ездил на своем «резиновозе» уже метров по триста, вызывая удивление у прохожих. Еще бы! Детская коляска с длинноногим «малюткой» сама собой катилась по улице, причем довольно быстро и бесшумно – совсем как печка с Емелей из сказки!

Моим «резиноаккумулятором» заинтересовались специалисты, тоже из числа прохожих. Один из них, работавший на заводе, посоветовал мне подать письмо-заявку в Комитет по изобретениям, описав в ней мой «резиноаккумулятор». Он и помог составить эту заявку, так как это оказалось непросто, особенно если делаешь в первый раз.

Какова же была моя радость, когда я получил официальное письмо, где говорилось, что мой «резиноаккумулятор» признан изобретением. А затем, почти через год, мне торжественно вручили государственный документ – авторское свидетельство на изобретение. Это был красивый диплом с красной печатью и зеленой лентой, с номером моего изобретения и чертежом «резиноаккумулятора». Тот, кто получает такое авторское свидетельство, уже считается изобретателем. Я очень гордился этим документом и повесил его на стенку.

Надо сказать, что «резиноаккумулятор» действительно вышел неплохой. Правда, он запасал не 30, как я ожидал, а всего 3 килоджоуля на килограмм своей массы, но и это было в десятки раз больше, чем может накопить пружина.

Конечно, я понимал, что это не совсем тот аккумулятор, о котором мечталось. И энергии не мешало бы накапливать побольше, и потерь ее в резине многовато. Да и материал – резина – недолговечный по сравнению с металлом, например. Что ж, значит, все еще впереди.

Энергия... в воздухе!

«Бесполезно было бы пытаться набрать в резине энергии больше, чем она в состоянии накопить», – успокаивал я себя, когда мой взгляд останавливался на предмете моей гордости – авторском свидетельстве на изобретение «резиноаккумулятора». Мне удавалось растягивать жгут лишь до известных пределов, в конце концов резина не выдерживала и лопалась. При этом вся накопленная энергия «вылетала» из нее, как пробка из бутылки шампанского.

А кстати, почему вылетает пробка из бутылки с шампанским? Потому, почему и пуля из пневматического ружья. Сжатый газ способен совершать работу благодаря накопленной в нем энергии. Той самой потенциальной энергии, что запасалась в устройствах, которые я мастерил раньше. Воздух, вообще всякие газы тоже обладают упругостью. Более того, воздух, например, можно сжимать гораздо сильнее, в большее количество раз, чем растягивать пружину или резину. Хорошо, если пружину удается сжать вдвое; резину иногда растягивают раз в пять-шесть. А воздух сжимай хоть в пятьсот раз – ничего ему не сделается.

То есть в сжатом воздухе, если рассуждать теоретически, можно накопить огромную энергию. Но газ нельзя сжимать сам по себе, нужен сосуд – баллон, в котором этот газ будет находиться. Баллон должен быть очень прочным, иначе его разорвет давление.

А прочные вещи всегда бывают тяжелыми. И поэтому сам баллон, как правило, намного тяжелее, чем газ внутри его. Правда, и газ, сжатый, например, в 500 раз, нелегок – по плотности он уже приближается к жидкости...

Но все-таки сколько энергии сумеет накопить сжатый воздух? Может ли он претендовать на звание «энергетической капсулы»? Я, наверное, первый раз в жизни листал свой школьный учебник физики с таким нетерпением и наконец нашел то, что искал.

Чтобы узнать, сколько энергии накоплено в газе, нужно умножить его давление на объем. Кубометр воздуха весит чуть больше килограмма. Допустим, мы сожмем воздух в 500 раз, его давление будет – 500 атмосфер, или около 50 мегапаскалей (МПа). Тогда весь кубометр уместится в сосуде емкостью два литра. Если предположить, что баллон весит примерно столько же, сколько воздух (а это должен быть очень хороший, крепкий баллон!), значит, на каждый килограмм баллона придется только около литра сжатого воздуха. Но этот литр, одна тысячная кубометра, умноженная на 50 мегапаскалей давления, даст в результате 50 килоджоулей энергии!

Совсем неплохой показатель – 50 килоджоулей на килограмм массы аккумулятора! Плотность энергии почти вдвое выше, чем у лучшей резины. И долговечность такого аккумулятора очень высока – воздух не резина, он не изнашивается. Масса воздушного аккумулятора для автомобиля будет всего 500 килограммов. Его уже вполне можно установить на автомобиле в качестве двигателя.

Окрыленный этим открытием, я поспешил поделиться радостью со своим приятелем. Но тот в ответ лишь ухмыльнулся и сунул мне под нос только что полученный журнал, где говорилось, что не так давно итальянцы построили автомобиль-воздуховоз, проходящий с одной заправки воздухом более ста километров.

Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в прошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 мегапаскалей, при общем объеме 2800 литров, трамваю хватало, чтобы пройти на накопленной в воздухе энергии путь в 10...12 километров.

Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем от воздушной дрели или гайковерта.

Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав... замерз. Да, да, покрылся инеем и остановился!

Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики.

В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а утлекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухой лед», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и было основной причиной остановки пневмодвигателя.

Можно, конечно, нагревать охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же пустить в работу, то он охладился бы всего до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, при расширении, отсюда и «сухой лед».

Как ни горько было мне читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «хорошо» и «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными.

Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.

В помощь воздуху – масло

Прослеживая мысленно все этапы работы аккумулятора, я вдруг понял, что под впечатлением моей неудачи с воздуховозом упустил из виду очень существенный момент. Действительно, решив бороться с расширением и охлаждением газа после выхода его из баллона, я совсем не подумал о том, что почти то же самое происходит в это время и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем остается все меньше и меньше, он все больше расширяется, давление его падает, а соответственно снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с одного литра сжатого газа огромную энергию, то, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а «пшик».

Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, довести давление этак с 50 мегапаскалей до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и перемещать внутри его поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне-цилиндре, просто увеличивая его объем. А это в свою очередь позволило бы использовать не только воздух, но и более подходящий для сжатия газ, поинертнее, скажем азот или гелий. Дело в том, что воздух под большим давлением окисляет смазку, которая присутствует везде и всюду, а азот и гелий – нет.

Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и там и здесь упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина со шнурком разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то догадались помещать в рогатке кусок кожи в месте контакта с камнем – так сказать, рабочим телом. Без этой кожи рогатка стреляла бы гораздо хуже.

Надо бы придумать что-нибудь подобное и для воздушного аккумулятора, решил я. И поиски привели меня к уже давно известному устройству, принцип работы которого заключался в следующем.

Заливаем в баллон со сжатым газом машинное масло и разделяем их поршнем или резиновой диафрагмой. Сжатый газ давит на поршень, тот на масло, а оно уже поступает под давлением в гидромашину, которая очень похожа на пневмодвигатель или даже на паровую машину – те же цилиндры, поршни, золотники. Только вместо газа или пара гидромашину приводит в действие масло. Масло не сжимается, поэтому потерь энергии в такой машине во много раз меньше, чем в воздушной – пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка.

Гидрогазовый аккумулятор: 1 - газовая полость; 2 - жидкость; 3 - эластичная перегородка; 4 - гидромашина; 5 - бак.

Это был тоже аккумулятор – гидрогазовый, то есть состоящий из жидкости – масла – и газа. Но наряду с преимуществами перед чисто воздушным он имел и свои недостатки.

Главный недостаток – требовалось много масла. Чем более емкий аккумулятор мы захотим сделать, тем больше в нем должно быть сжатого воздуха. Масла, естественно, понадобится столько же, сколько и воздуха, не меньше. И еще – пройдя через гидромашину, масло свободно стекает в бак, тяжелый, громоздкий, тем большего размера, чем больше масла. Если учесть, что здесь используется не один, а сразу несколько баллонов со сжатым воздухом и маслом, то можно себе представить, как это все увеличит размеры и массу аккумулятора!

Нет, размышлял я, так дело не пойдет. Куда мне такая громадина? Один только бак чего стоит... А нельзя ли обойтись совсем без него?

Половину баллона сначала занимает сжатый газ, вторую половину – масло. Попробуем сузить баллон посередине, между жидкостью и газом, и поставить там запорный клапан. Таким образом изменим все баллоны аккумулятора. Теперь сделаем вот что. Пусть масло находится в нижней половине первого баллона, в верхней – сжатый газ. В остальных баллонах оставим только сжатый газ в верхних половинах – нижние пусты, и запорные клапаны перекрыты.

Итак, весь газ сжат, энергия в нем накоплена – все готово к совершению работы. Сможет ли аккумулятор работать без бака?

Открываем запорный клапан первого баллона и выпускаем масло под давлением в гидромашину. Но после гидромашины направляем масло уже не в бак, его ведь нет, а в пустую нижнюю половину следующего баллона. Когда он заполнится, открываем запорный клапан этого баллона, и масло, отработав в гидромашине, поступает в третий баллон. И так далее, при любом количестве баллонов, при любой емкости аккумулятора. Все в порядке, энергия выделяется!

Зарядка аккумулятора должна происходить в обратной последовательности. Мы крутим гидромашину, и масло своим давлением сжимает газ поочередно в баллонах, переходя из одного в другой, используя предыдущий баллон в качестве бака. Аккумулятор заряжен!

Это была уже действительно победа! Использовать в аккумуляторе огромной емкости постоянный небольшой объем масла и обойтись совсем без бака – раньше это казалось мне просто фантастичным.

Чтобы проверить правильность своих расчетов, я обратился к специалистам-гидравликам. И тут я по-настоящему оценил народную поговорку «ум хорошо, а два лучше». Специалисты многое поправили в моей схеме, нашли такие «тонкости», о которых я и не подозревал. Разработанные нами впоследствии устройства были признаны изобретениями.

И все же полного удовлетворения у меня не было. Изучая пристально воздушный аккумулятор, я убедился, что при сильном сжатии многие газы просто-напросто сжижаются и дальнейшее сжатие, если оно даже возможно, уже не дает ожидаемого эффекта.

Оказалось также, что нельзя держать сжатый до очень большого давления газ в одном цельном баллоне – не выдержит, разрушится стенка баллона, даже если ее сделать очень толстой. Надо помещать один в другой несколько баллонов, постепенно повышая давление от внешних к внутренним. Однако полноценным аккумулятором станет только внутренний, самый малый баллон, где наиболее высокое давление. Остальные будут практически балластом.

Значит, повышать давление более 400...500 атмосфер для аккумулирования энергии в сжатом газе невыгодно. То есть энергетический «потолок» здесь невысок. И хотя такие аккумуляторы, в общем-то, нужны и полезны, моей «капсулы» тут не найти.

Время шло, а «энергетическая капсула» продолжала пока быть мечтой.

Тепловой «банк»

Несмотря на то, что с газовыми аккумуляторами и было решено покончить, забыть я их никак не мог. Не давало покоя тепло – энергия, пропадающая при остывании горячего после закачки воздуха баллона. Вернее, не пропадающая, а переходящая в окружающий воздух, но от этого не легче.

Хорошо, размышлял я, пусть газ при сжатии сильно нагревается, однако неужели нельзя спасти это тепло, не дать ему рассеяться? Тогда энергию сжатого газа можно было бы использовать не тотчас же после сжатия, а когда угодно после.

Есть, конечно, целый ряд способов, как уберечь тепло от рассеивания. Еще наши предки, когда хотели, чтобы заварочный чайник на самоваре подольше оставался горячим, накрывали его ватной «бабой». Кастрюлю с кашей с той же целью клали под подушку. Да и мало ли мы знаем примеров «укутывания» для сохранения тепла?

Но лучший способ сберечь тепло – это воспользоваться термосом. Я всегда удивлялся способности этого прибора долго, целый день, удерживать чай почти кипящим. Пробовал разобраться, как устроен термос, что у него внутри.

Однажды, сняв крышку, я вынул из корпуса сверкающую зеркальную бутылочку с торчащим хвостиком внизу. Так как больше ничего особенного я не обнаружил и загадка термоса не была разгадана, я с замиранием сердца обломил кончик хвостика, надеясь заглянуть внутрь, под зеркальный слой. Послышался резкий свист воздуха, и все стихло. Посмотрев в крошечное отверстие в бутылочке, я понял, что обманулся – ничего там не было.

Я поспешно вставил испорченный сосуд обратно в корпус и завинтил крышку. Внешне термос остался тем же, а тепла, увы, уже не удерживал. Кипяток в нем, правда, остывал не так скоро, как, например, в чайнике, но и не так медленно, как раньше. Термос посчитали негодным и выбросили.

А я, заглянув в энциклопедию, нашел там статью про термос и выяснил его устройство. Оказывается, зеркальная бутылочка была не цельная, а состояла из двух стеклянных колб, вставленных одна в другую и позеркаленных особым способом. Вставив колбы друг в друга, в пространство между ними заливают специальный раствор, содержащий соли серебра, и колбы нагревают. Стенки колб при этом покрываются тончайшей серебряной пленкой. Затем раствор выливают, воздух из этого пространства выкачивают и отверстие запаивают. Вот и остается после него тоненький стеклянный хвостик, который я обломил...

Для чего же все это делается? Если мы нальем в термос горячую жидкость и заткнем его пробкой, то куда денется тепло? Окружающий воздух не нагреется – тепло не пройдет через безвоздушную прослойку между колбами. Излучиться в пространство, как излучается оно Солнцем или раскаленным металлом, тепло тоже не может – зеркальный слой отражает тепловые лучи, как свет, снова внутрь колбы. А внешняя колба позеркалена для того, чтобы тепловые и солнечные лучи снаружи не попали внутрь и не нагрели содержимого, на случай, если в термосе находится холодная вода или мороженое. Поэтому термос одинаково хорошо сохраняет первоначальную температуру как холодных, так и горячих тел. Говорят, что он теплоизолирует их от окружающей среды. Тепло может «утечь» или «притечь» только через тоненькую «шейку», соединяющую обе колбы, или через пробку. А пробка очень плохо передает тепло.

Изобрел этот хитрый сосуд в самом конце прошлого века английский ученый Джеймс Дьюар, и в честь него термос называют еще сосудом Дьюара.

Термос - разновидность сосуда Дьюара: 1 - внешний стеклянный сосуд, позеркаленный изнутри; 2 - внутренний стеклянный сосуд, позеркаленный снаружи; 3 - вакуум; 4 - корпус; 5 - пробка; 6 - крышка.

Вот куда надо бы помещать сжатый газ, чтобы он не охлаждался, сохранял свое тепло подольше. Но сосуд Дьюара, рассчитанный на огромные давления аккумулятора, станет очень сложным и дорогим; как говорится, игра здесь просто не будет стоить свеч.

Зачем же вообще помещать туда газ, да еще сжатый? Ведь значительно большее количество энергии можно накопить в заранее нагретых телах помассивнее, чем газ, например в жидкостях, их и сжимать для этого не надо. Тогда давление нам уже не помешает, и сосуд Дьюара будет иметь свой обычный вид.

Килограмм сжатого до 500 атмосфер газа, как я подсчитал раньше, может накопить 50 килоджоулей энергии. А литр воды, имеющий массу тоже килограмм, как известно, при нагревании всего на один градус накопит 1 большую калорию тепла, что соответствует механической энергии в 4,2 килоджоуля. Если же нагреть литр воды с 0 до 100 градусов, то в воде накопится энергии в 8 раз больше, чем при сжатии килограмма газа в 500 раз!

Все это показали несложные расчеты, которые я в свое время на уроках в школе делал, откровенно говоря, довольно неохотно. Но теперь результат буквально ошеломил меня. Вот где надо искать настоящую «энергетическую капсулу»! Даже обыкновенная вода, нагреваемая до столь невысокой температуры, запасает огромное количество энергии. А что могут дать другие, новые материалы, которые, возможно, гораздо лучше воды накапливают тепло?

Мысли о новых теплоемких материалах отныне не покидали меня ни на минуту. Я жил в предвкушении сенсационных открытий.

Секреты плавления

В мечтах уже виделся сияющий кусочек неведомого пока материала, нагретый до чудовищной – в миллионы градусов – температуры. Этот кусочек, вобравший в себя гигантское количество тепловой энергии, помещен в жароупорный «термос». Чтобы не расплавились стенки сосуда, кусочек «подвешен» в магнитном поле внутри «термоса»...

Эту фантастическую картину я рисовал моему школьному товарищу, когда мы до глубокой ночи провожали друг друга по домам. А он жестоко и методично разбивал мои мечты одну за другой.

Во-первых, говорил он, при температуре свыше трех-четырех тысяч градусов почти все вещества превращаются в пар. Пара же в термосе много не уместишь. Во-вторых, столь высокую температуру не выдержит не только сосуд Дьюара, но и любой другой сосуд – он расплавится или сгорит.

Твердые или жидкие тела останутся в прежнем состоянии, если их нагревать до одной – полутора тысяч градусов, не более. Но при такой температуре они уже не подчиняются магниту, в магнитном поле их не «подвесишь». Можно, конечно, «подвешивать» небольшие количества расплавленного металла в высокочастотном электромагнитном поле, где металл поддерживается в расплавленном виде энергией поля. Однако потери электроэнергии на «подвешивание» здесь очень велики, для «энергетической капсулы» это не подходит.

Напомнил мне друг и о том, как мучаются физики-ядерщики, пытаясь хоть на краткий миг «запереть» сверхгорячую материю в магнитном поле, и что из этого пока мало что получается. А у меня, дескать, и подавно ничего не выйдет. Большее, на что я могу рассчитывать, это накалить докрасна камни, как в русской бане, а затем «извлекать» из них энергию, поливая водой. Пар же можно направить и в паровую машину и...

Меня злили доводы друга, хотя я понимал, что он прав. Но где же выход? Мечты об «энергетической капсуле» рассеивались как дым. Я лег спать в раздумьях, и мне снилась русская баня...

А утром произошло следующее. Выйдя на кухню, я увидел в кастрюле на газу плавающие в кипятке какие-то странные предметы – зеленые и все в шипах. Оказалось, это термобигуди, которыми пользуются для укладки волос. Нагретые в кипятке, такие бигуди долго-долго остаются горячими. Да это же почти то, что нужно, – накопитель тепла!

Я выпросил одну «бигудину» и бросил в кипяток вместе с равными ей по массе кусочками дерева, пластмассы и металла. Затем одновременно вынул их и оставил стынуть. Поразительно, но «бигудина» сохраняла тепло в несколько раз дольше своих соседей. Не доверяя пальцам, я проверил это даже небольшим электротермометром, который взял в школьном физическом кабинете.

Проделывая опыт многократно, я заметил, что «бигудина» в отличие от других образцов, остывала весьма необычно. Сначала температура ее падала довольно резко. Потом, дойдя до 50...60 градусов, держалась так очень долго. Затем «бигудина» опять резко остывала до комнатной температуры.

Тут я не удержался и вскрыл «бигудину», чтобы посмотреть, что за механизм у нее внутри. Но там, кроме какой-то пастообразной массы, ничего не оказалось. Это был парафин или стеарин, из которых делают обыкновенные осветительные свечи. Чудеса!

Я купил килограмм парафина, расплавил его и залил в термос. В другой такой же термос я поместил воду, одинаково с парафином нагретую. Результат был прежний. Когда вода уже остыла, парафин в термосе все оставался горячим и жидким. Наконец он затвердел, а после этого остыл быстро, почти как вода. Вода простояла горячей около дня, а парафин – несколько дней.

И вдруг меня осенило. Конечно же, при отвердевании жидкости выделяется «скрытая» энергия, которая была затрачена при плавлении! Когда жидкость остывает, тепло постоянно отбирается от нее, но пока вся она не затвердеет, пока останется хоть капля жидкости, температура ее будет держаться на точке плавления. Для парафина это – 54 градуса.

И наоборот, температура плавящегося тела, например льда, не поднимается ни на градус, пока последний его кусочек не расплавится, не превратится в жидкость. Все это я проходил в школе, обо всем этом написано в учебниках.

Оказывается, чтобы расплавить килограмм льда, нужно затратить 80 килокалорий, алюминия – 92,4, железа – 66, свинца – 6,3, ртути – 2,8 килокалории. А есть материалы – к примеру, гидрид легкого металла лития, – которые требуют для плавления гораздо большего тепла. Так, чтобы килограмм твердого гидрида лития перешел в жидкость при температуре его плавления – 650 градусов, потребуется 650 килокалорий.

Посмотрим теперь с точки зрения аккумулирования тепла. Предположим, что нам нужна температура в аккумуляторе между 700 и 600 градусами, например, чтобы получить из воды пар для питания парового автомобиля. Воспользуемся для этой цели куском металла, железом или медью. При остывании с 700 до 600 градусов каждый килограмм железа или меди выделит около 10 килокалорий. Если то же проделать с гидридом лития, то только при затвердевании на точке 650 градусов он выделит 650 килокалорий. А дополнительно, остывая с 700 до 600 градусов, – еще 30 килокалорий. Итого – 680 килокалорий, или в 68 раз больше, чем может дать неплавящийся металл! Это ли не «капсула»?

Действительно, если подсчитать, какой механической работе это соответствует, мы получим гигантскую цифру – 2,85 мегаджоуля на килограмм массы рабочего вещества. Ведь каждая килокалория – 4,2 килоджоуля энергии. Стало быть, менее десяти килограммов теплового аккумулятора хватило бы для прохождения 100 километров пути! Это равно количеству бензина, необходимого автомобилю для подобной поездки.

Не один гидрид лития обладает таким «магическим» свойством. Для получения рабочих температур теплового аккумулятора около 100 градусов подходят кристаллы фосфорнокислого натрия. Если же нужна температура выше 1000 градусов, то можно взять окислы бериллия, магния, алюминия, кремния, их соединения, а также силициды и бориды некоторых металлов.

Мне уже думалось, что поиск «энергетической капсулы» близок к завершению, – энергетическая, вернее, тепловая «капсула» обещала быть не более бензобака автомобиля! И я стал искать в литературе все, что было написано про тепловые аккумуляторы, чтобы подробнее их изучить.

Что может тепловая «капсула»

Проведя несколько дней в библиотеке, я понял, что все мои мысли и проекты давно известны.

Американские инженеры уже испытали парафиновые накопители тепла, которые действительно оказались гораздо лучше водяных. Мне можно было не пачкать термос парафином...

Японские энергетики строят накопители тепла, состоящие из множества шариков, сделанных из окиси алюминия. Шарики сначала обдувают горячим воздухом, а потом они сами нагревают холодный воздух, который затем идет на цели отопления.

Немецкие ученые построили накопитель тепла в виде вращающегося котла с глауберовой солью. Когда котел подогревают, соль плавится, поглощая большое количество энергии. Накопленное тепло используют для разных целей, в частности – для обогрева жилищ. Глауберова соль запасает тепла в 7 раз больше, чем нагретая вода, и в 12 раз больше, чем нагретые камни. Объем такого котла – около 3 кубометров.

Однако немецкие ученые на этом не остановились и предложили проект поистине гигантского теплового накопителя. Озеро площадью до 500 гектаров предполагается покрыть «одеялом» из пенопласта толщиной 10 сантиметров. После этого воду в озере нагреют до 75 градусов. Благодаря «одеялу» тепло в озере будет держаться очень долго, многие месяцы, и его можно постепенно использовать.

Горячее озеро, покрытое пенопластовым «одеялом».

Но если уж и говорить о гигантских тепловых накопителях, то проект советских ученых не имеет себе равных. В нем предлагается использовать солнечную энергию с помощью теплового накопителя массой... 400 миллионов тонн! Этот накопитель можно представить себе в виде кольца шириной 10 метров и толщиной в полметра, опоясывающего Землю по экватору. Днем участки кольца, которые освещаются солнцем, нагреваются, и заполнитель плавится. Ночью расплавленные участки гигантского накопителя выделяют тепло, снабжая энергией население всего земного шара.

Узнал я и о том, что тепловые накопители применяли на транспорте, причем более ста лет назад. Как я уже говорил, во Франции в городе Нанте в конце прошлого века ходил трамвай, движимый сжатым воздухом. Так вот, этот трамвай на конечных станциях заправляли не только сжатым воздухом, но и... кипятком.

Кипяток, играя роль накопителя тепла, согревал воздух после выхода его из баллона, когда первый сильно охлаждался. Нагревание повышало давление воздуха, и он совершал гораздо большую работу, чем без нагрева. Так можно было получить от газового или воздушного аккумулятора энергию, даже превосходящую ту, что была затрачена при зарядке баллона.

Разумеется, я не мог отказать себе в удовольствии проверить такой «гибридный» накопитель в действии и сделал небольшую тележку – микромобиль. Основой послужил детский педальный автомобильчик – карт, какие продаются в «Детском мире». На тележке я установил баллон углекислотного огнетушителя и соединил его прочным резиновым шлангом с пневматическим гайковертом, приобретенным в магазине инструментов. Гайковерт состоит из пневмодвигателя, работающего от сжатого воздуха, и редуктора, понижающего скорость вращения патрона. С этим патроном я связал цепной передачей одно из задних колес тележки, а второе посадил на ось свободно, на подшипниках.

Микромобиль с гибридным тепло-газовым накопителем энергии: 1 - баллон с жидкой углекислотой; 2 - накопитель тепла со змеевиком; 3 - пневматический гайковерт; 4 - цепная передача.

Раскрывая вентиль баллона, я подавал углекислоту в гайковерт, он вращал колесо, и микромобиль катился. Но теперь пневмодвигатель не замерзал, как в моем недавнем опыте с воздуховозом. Я поставил на пути газа из баллона в пневмодвигатель накопитель тепла, изготовленный из кастрюли, и внутри его поместил змеевик из металлической трубки (он был взят из выброшенного холодильника). В кастрюлю заливалась кипящая вода, а впоследствии расплавленный парафин и даже глауберова соль. Углекислый газ, проходя через змеевик, сильно нагревался и отдавал микромобилю значительно больше энергии.

Если правильно подобрать передаточное число цепной передачи от патрона гайковерта к колесу, на таком микромобиле можно проехать около километра. Позднее я додумался применить здесь цепную «коробку скоростей» от гоночного велосипеда и несколько баллонов с углекислотой, вследствие чего длина пробега микромобиля еще более увеличилась. Баллоны с углекислотой нужно было периодически заряжать там, где их заряжают водители. Или покупать уже заряженные баллоны в автомагазинах. Что и говорить, дороговатое катание получалось, но зато было интересно.

Мой микромобиль всем очень нравился, сверстники любили на нем кататься. Каждый приходил со своим огнетушителем, а в автомагазине были рады, что залежалые баллоны хорошо распродаются. Продавцов удивляло только, что спрашивают именно углекислотные, а не другие типы огнетушителей.

Я уже умел составлять заявку на изобретение и вскоре подал ее на свой микромобиль. В ответ пришло письмо, уведомляющее, что мне выдадут авторское свидетельство. Еще одно изобретение, а настоящей «капсулы» все нет...

Чтобы избавиться от дорогих баллонов с углекислотой, я решил поставить на микромобиль вместо пневмодвигателя паровую машину, которую мне обещали дать из школьного физического кабинета, а огнетушитель заменить обыкновенным паровым котлом. Правда, расчеты показали, что ни парафин, ни глауберова соль мне здесь не помогут – слишком низка их температура плавления. Тут вполне подошел бы гидрид лития с его 650 градусами. Однако все мои попытки достать гидрид или сходный с ним фторид лития не увенчались успехом. В хозяйственных магазинах его не было, в магазинах химреактивов мне постоянно советовали обратиться в конце месяца.

А пока я ждал очередного конца месяца, мне попалась на глаза – кажется, в журнале «Техника – молодежи» – информация как раз об использовании тепловых накопителей на транспорте. В маленькой заметке сообщалось, что в тепловой накопитель, установленный на мотороллере с так называемым двигателем Стирлинга мощностью в 3 лошадиные силы (2,2 квт), заливали ведро расплавленного фторида или гидрида лития и двигатель работал 5 часов, используя накопленное тепло.

Значит, мне уже не нужно тратить время на поиски гидрида лития, тепловой накопитель с ним уже есть. Вот только что это за двигатель Стирлинга?

Так и не вспомнив, где мне попадалось это название, я обратился к энциклопедии и узнал, что принцип действия двигателя, изобретенного в 1816 году Робертом Стирлингом, основан на нагревании одной его части и охлаждении другой – как будто специально для применения теплового накопителя; в самом двигателе находится газ – водород или гелий – под большим давлением. Двигатель Стирлинга сейчас считают одним из самых перспективных тепловых двигателей, он работает даже от тепла человеческих рук.

Я еще раз внимательно прочитал заметку из журнала и прикинул, сколько потребовалось бы горючего для совершения той же работы. Сравнение оказалось не в пользу теплового накопителя – горючего понадобится всего около трех килограммов, или чуть больше трех литров!

В чем дело? Почему столь энергоемкий накопитель, как тепловой, менее эффективен, чем бак с горючим?

Когда же я попытался вычислить массу всего силового агрегата, необходимого для автомобиля, то есть двигателя Стирлинга вместе с тепловым накопителем, то пришел к совершенно неутешительным выводам. Масса агрегата становится настолько большой, что раз в триста превышает тот же показатель для чисто теплового накопителя.

Это происходит прежде всего потому, что двигатель Стирлинга и тем более паровая машина очень тяжелы сами по себе. Кроме того, в механическую энергию, как выяснилось, можно перевести с помощью этих машин только около трети энергии накопителя. Две трети энергии, а следовательно, и массы накопителя для нас теряются.

Так или иначе, но для прохождения ста километров пути автомобилю понадобился бы силовой агрегат массой около трех тонн, или в три раза больше, чем весит сам автомобиль! Ни о какой «капсуле» здесь говорить, естественно, не приходится...

Кое-что об энергии и работе

Как же так: механическая энергия вся без остатка переходит в тепловую, а тепло «не хочет» полностью переходить обратно в механическую энергию? Разве эти процессы не обратимы? Ответы на свои вопросы я нашел в том же учебнике физики.

Для преобразования тепла в механическую работу создан целый класс машин, называемых тепловыми двигателями. Они могут быть внутреннего сгорания, какие мы привыкли видеть на автомобилях, паровыми, Стирлинга, которые еще называются «внешнего сгорания», и мало ли еще какими, их очень много. Во всех этих двигателях, независимо от их типа, присутствуют рабочее тело (в паровых машинах – пар, в двигателях Стирлинга и внутреннего сгорания – газ; рабочее тело бывает и жидким), нагреватель и холодильник. Поэтому распознать тепловой двигатель нетрудно. В нагревателе (топке, цилиндре и пр.) рабочее тело греют, затем «высокотемпературная» тепловая энергия переходит в «низкотемпературную», или, как говорят, «деградирует», совершая механическую работу. Деградированная часть тепловой энергии уже не может эффективно совершать работу в данных условиях, она поглощается холодильников, «выбрасывается» в окружающую среду. Такого рода потери энергии присущи любому тепловому двигателю.

Однако это еще не все. Внутренняя энергия газа или пара вообще всегда превращается в энергию движения механизмов лишь частично. Чтобы было понятнее, вспомним, как механическая энергия движущихся тел превращается в тепловую энергию. Попала, например, летящая пуля в доску, застряла в ней, при ударе вся ее кинетическая энергия перешла в тепло – энергию атомов и молекул. По-другому обстоит дело, когда внутренняя энергия газа или пара превращается в механическую энергию.

Внутренняя энергия тел складывается из механической энергии атомов и молекул, находящихся в состоянии хаотического, неупорядоченного движения. Для того чтобы тепло полностью превратилось в кинетическую энергию движения поршня тепловой машины, многие миллиарды хаотично мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и, ударившись об него, передать ему всю свою кинетическую энергию. И то всю механическую энергию они не передали бы, останется еще потенциальная энергия взаимодействия молекул.

Вот поэтому-то КПД тепловых двигателей столь невелик. Французский ученый Никола Карно в 1824 году установил, что коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать величины, равной частному от деления разности абсолютных температур (это по Кельвину, чтобы получить то же по Цельсию, нужно прибавить 273 градуса) нагревателя и холодильника на абсолютную температуру нагревателя.

Например, если пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200° по Цельсию, то есть 473° по Кельвину, а уходит при температуре 100°C, то есть 373°К, то КПД такой машины теоретически не может быть выше 100/373, или 21%. А реально КПД поршневых паровых машин не более 10...15%.

Отсюда ясно, почему накопители тепла надо использовать именно для получения тепла, и не пытаться получать от них механической работы. Все равно применение для накопителей тепла в будущем найдется. Хотя бы обогрев салона тех же автомобилей, работающих на энергии до сих пор еще не найденной «капсулы».

Тепловая смерть и «демон Максвелла»

Честно говоря, на невеселые мысли навели меня рассуждения о переходе механической, да и других видов энергии (электрической, химической, высокотемпературной тепловой) в тепло, к тому же тепло малоценное, низкотемпературное, из которого уже не извлечешь ничего путного.

Что же получается? Работают сотни миллионов двигателей, электростанции, сгорает уголь, нефть, газ, вырабатывается внутриатомная энергия, и вся эта энергия в конце концов рассеивается в окружающей среде, поднимая ее температуру!

Но если повышается температура окружающей среды – естественного «холодильника» тепловых машин, одновременно понижается их КПД, причем всех тепловых машин в мире сразу. Это доказал в прошлом веке тот же ученый Карно. Постепенно температуры окружающей среды и нагревателей выровняются, КПД всех тепловых машин окажется равным нулю, и получить работу будет уже нельзя... Существование человечества станет невозможным!

Поскольку вопрос возник «сверхсерьезный», я решил разобраться в нем подробнее. И здесь мне пришлось столкнуться с понятием энтропии, которое было предложено немецким ученым Рудольфом Клаузиусом в середине прошлого века и без которого в этом вопросе никак не обойтись. Насколько я уяснил для себя, энтропия есть некая величина, увеличение которой в необратимых процессах (например, при превращении механической энергии в тепло и обратно) характеризует ту часть энергии тел, которая уже не может совершать полезную работу и рассеивается в окружающей среде в виде тепла.

Так вот, доказав, что работа совершается только при переходе тепла от горячего тела к холодному (иначе тепло и не переходит!), и распространяя свои выводы на всю Вселенную, Клаузиус заявил о неминуемой «тепловой смерти» Вселенной.

Конечно, понятие энтропии сложно, оно с трудом воспринимается неподготовленным человеком, но мне помог прекрасный эмоциональный образ энтропии, энергии и их «отношений» в этом мире, найденный мною в одной старой книге: «Над всем, что совершается в беспредельном пространстве, в потоке преходящего времени властвует Энергия, как царица или богиня, озирая своим светом и былинку в поле, и гениального человека, здесь даря, там отнимая, но сохраняясь в целом количественно неизменной... Но где свет, там и тень, имя которой – Энтропия. Глядя на нее, нельзя подавить в себе смутного страха – она, как злой демон, старается умалить или совсем уничтожить все то прекрасное, что создает светлый демон – Энергия. Все мы находимся под защитой Энергии, и все отданы в жертву скрытому яду Энтропии... Количество Энергии постоянно, количество же Энтропии растет, обесценивая Энергию количественно. Солнце светит, но тени становятся все длиннее. Всюду рассеяние, выравнивание, обесценивание...».

Этот отрывок весьма живо рисует ужасную картину приближения «тепловой смерти». И оказывается, до сих пор не найден процесс, защищающий Вселенную от предсказанной Клаузиусом гибели. Но, несомненно, он должен существовать. Во всяком случае, мне показалось достаточно убедительным высказывание Н.Г. Чернышевского по этому поводу: «Формула, предвещающая конец движения во Вселенной, противоречит факту существования движения в наше время. Эта формула фальшивая... Из того факта, что конец еще не настал, очевидно, что ход процесса прерывался бесчисленное множество раз действием процесса, имеющего обратное направление, превращающего теплоту в движение...».

Последняя фраза Чернышевского как будто прямо призывает искать такие процессы, которые полностью превращали бы тепло в движение, иначе говоря, позволяли бы теплу переходить от менее нагретых тел к более нагретым. Что это обеспечило бы миру, ясно без слов. Мы имели бы неограниченное количество энергии, причем не боялись бы при этом нагревания, «теплового загрязнения» окружающей среды.

Эту идею поддерживал и К.Э. Циолковский, он сам работал над полным превращением тепла в работу. Циолковский считал, что в природе существуют процессы концентрирования энергии, обратные процессам ее рассеяния. Поэтому «получается вечный круговорот материи», вечно возникающая юность Вселенной. Отыскать механизмы, концентрирующие энергию, освоить их, использовать для утоления энергетического голода – вот задача, которую ставил Циолковский.

Решить такую задачу, правда по-своему, попытался еще в 1871 году английский ученый Джеймс Максвелл. Он приписал функции подобного механизма некоему фантастическому существу, названному позже «демоном Максвелла». Это существо, утверждал ученый, обладает столь изощренными способностями, что может следить за каждой отдельной молекулой в ее движениях и знать ее скорость. Если взять сосуд, разделенный перегородкой на две части, и посадить «демона» у дверцы в перегородке, мы можем заставить его открывать дверцу только перед быстрыми или только перед медленными молекулами. «Демон» будет пропускать быстрые молекулы в одну часть сосуда, а медленные – в другую, тогда в одной части сосуда и температура и давление окажутся выше, чем в другой, то есть мы без затраты работы получим запас энергии.

«Демон Максвелла», придуманный более 100 лет назад, и ныне будоражит умы. Много раз ученые убедительно доказывали, что это лишь шутка великого физика, не имеющая никакой реальной основы игра воображения. Действительно, если бы в сосуде были всего две молекулы, то и без «демона» они в половине случаев могли бы оказаться в какой-либо одной части сосуда. Если же молекул много, то вероятность подобного случая чрезвычайно мала. Академик А.Ф. Иоффе оценил возможность существования процессов концентрации энергии дробью, в которой после запятой идут еще восемьдесят четыре нуля. Это гораздо меньше вероятности получения в столкновении «Москвича» и «Запорожца» совершенно новой «Волги».

Однако страсти вокруг «демона» не унимаются, его приверженцы стараются найти все новые аргументы в его защиту. В одном из научных журналов, в статье, посвященной проблеме «демона Максвелла», всерьез говорится о том, что роль «демона» в разделении молекул с разной энергией взял на себя квантовый генератор – лазер, который отделяет возбужденные молекулы с большой энергией от невозбужденных.

Утверждают, что разделение молекул по скоростям в потоке молекул газа якобы происходит в вакуумной камере под воздействием гравитационного поля Земли: дескать, в этих условиях медленные молекулы больше отклоняются от первоначальной траектории, чем быстрые.

Кроме того, заявляют, будто измерения температуры кипения жидкости в различных ее частях показали отклонения, достигающие десятков градусов. Как, если не с помощью «демона Максвелла», они могли возникнуть?

Последнее меня заинтересовало, и я задумал сам провести опыт, который должен был подтвердить или опровергнуть существование злополучного «демона».

Прежде всего мне нужно было найти какой-нибудь стеклянный сферический сосуд и позеркалить его снаружи.

Подходящий сосуд я раздобыл довольно быстро – взял большой яркий шар из елочных украшений. Чтобы удалить внутренний зеркальный слой, промыл шар изнутри азотной кислотой.

Потом я купил в аптеке несколько ляписных карандашей. Ляпис содержит в себе соли серебра, которые и создают блестящую амальгаму на задней стороне зеркала. Растворив ляпис в чистой воде, я добавил туда немного каустика и обыкновенного сахара. Все в той пропорции, которая описана во многих книгах для юных техников. Затем вылил раствор в эмалированную кастрюлю и опустил в него стеклянный шар, наполненный горячей, почти кипящей водой. Тут же на внешней поверхности шара стал оседать слой серебра, и игрушка оказалась позеркаленной снаружи.

Я вынул шар из раствора, высушил его и для прочности зеркального слоя покрыл снаружи слоем лака, воспользовавшись баллончиком аэрозоля для закрепления прически. Потом залил в шар горячую воду и закрыл пробкой с термометром. Термометр мог перемещаться, скользить в пробке, причем чувствительный шарик его проходил через центр сосуда.

Рассуждения мои были таковы. Все тепловые лучи, идущие от горячей воды (а они такие же, как и световые, но невидимые), отражаясь в сферическом зеркале, должны пересечься в центре. Вода прозрачна и не помешает ходу лучей. Если поместив шарик термометра в точке их пересечения, я получу наибольшую температуру, это будет означать концентрацию тепла! Из центра сосуда горячую воду можно удалить насосом через прозрачную трубку, чтобы дать возможность теплой воде нагревать себя в этой центральной части и дальше.

Сказано – сделано. Но только как я ни перемещал термометр, он везде показывал одну и ту же температуру. То ли термометр был недостаточно точен, то ли была ошибка в моих рассуждениях, то ли «демона Максвелла» действительно быть не может, я так и не понял. Мне трудно было разобраться во всем этом, да и не своим делом заниматься не хотелось. Я ведь искал «энергетическую капсулу», а не «демона Максвелла».

С помощью такого позеркаленного снаружи стеклянного шара, наполненного горячей водой, и помещенного в него термометра я безуспешно пытался поймать «демона Максвелла».

Признаться, мне казалось, что тепловую энергию можно каким-то образом получить и без помощи «демона Максвелла». Например, достаточно облить водой негашеную известь – и она разогреется до температуры выше ста градусов. Или, скажем, налить в стакан с водой серную кислоту – раствор сразу же нагреется так, что стакан в руках не удержишь. Подспудно я понимал, что выделяющееся тепло «заложено» и в известь и в кислоту при их производстве. Просто это химическая энергия переходит в тепло, как при сжигании дров. Но был опыт, который совершенно сбивал меня с толку.

Как-то я испытывал в качестве аккумулятора плавления обыкновенный фотографический фиксаж, или гипосульфит. Он легко плавился и долго не застывал, оставаясь жидким. Я заметил, что он сохраняет жидкое состояние и при температурах ниже точки затвердевания, буквально при комнатной температуре. Уже это показалось мне странным. И совсем обескуражило меня то, что, бросив в этот переохлажденный расплав крошечный кусочек того же гипосульфита, я вызвал почти мгновенное его затвердевание. Но, главное, – по мере затвердевания гипосульфит... нагревался. Да-да, нагревался без всяких видимых причин!

Если бы я не был уверен в том, что энергию получить из ничего нельзя, то обязательно занялся бы этим явлением. Но, во-первых, в правильности законов физики я не сомневался, а во-вторых, моей основной целью был все же энергетический накопитель. Так что снова на поиски «капсулы»!

Как накопить электроны?

Да, тепловые накопители если и не завели меня в дебри, то ощутимо отклонили путь моих поисков. Чуть было даже не забрел в гости к «демону Максвелла», а уйти от него, говорят, гораздо труднее, чем познакомиться с ним. Но с этим уже все. Торжественно пообещав себе больше не увлекаться, я принялся за изучение других накопителей из моего списка. Теперь очередь дошла до устройств, накапливающих электрическую энергию. И в начале перечня таких устройств у меня значился конденсатор.

Я уже говорил раньше, что электрическая машина преобразует механическую энергию в энергию электрического заряда, а он накапливается в конденсаторе – лейденской банке. Это один из самых первых типов конденсаторов, получивший свое название от голландского города Лейдена, где в середине XVIII века он был построен.

Лейденскую банку можно увидеть в любом школьном физическом кабинете. Она представляет собой обыкновенный тонкостенный стеклянный цилиндр, оклеенный изнутри и снаружи фольгой. Внутренняя обкладка соединена с металлическим стержнем, оканчивающимся шариком. Если при зарядке лейденской банки мы подключим шарик к отрицательному полюсу электрической машины, на внутреннюю обкладку добавится некоторое количество избыточных электронов; тогда с наружной обкладки, подключенной к положительному полюсу машины или к «земле», соответствующее количество электронов будет удалено. Таким образом на обкладках конденсатора окажутся равные по величине, но противоположные по знаку заряды – прибор заряжен.

Разряжать лейденскую банку можно только с помощью специального разрядника, изолированного от рукоятки, за которую его держат. Попытки разрядить лейденскую банку руками нередко заканчивались гибелью экспериментатора. Правда, это бывало давно, когда люди еще не знали об опасности этого опыта.

Но если лейденская банка столь опасна, значит, в ней заключено много энергии! Не та ли это «капсула», что я ищу?

Поскольку лейденской банки под рукой не оказалось, я взял первый попавшийся конденсатор, из тех, которые остались после ремонта телевизора, и сунул его выводы в штепсель. Пробежала искра. Я отнял прибор от штепселя, но тут вдруг припомнил чьи-то слова: «Переменным током конденсатора не зарядишь». Разочарованный, я прикоснулся пальцами к выводам конденсатора, дабы убедиться в справедливости этих слов, и... По искрам, которые посыпались у меня из глаз, я понял, что мои конденсатор далеко от лейденской банки не ушел. Стал вспоминать, кто же это меня обманул, однако так и не вспомнил. Решил все же не испытывать больше судьбу и сначала почитать что-нибудь о конденсаторах, а уж потом заниматься экспериментами.

Раньше, в XVII...XVIII веках, электричество представляли себе как некую невесомую «электрическую жидкость», которая может «вливаться» в проводник. Отсюда по величине заряда – количеству этой «электрической жидкости» стали определять емкость конденсатора, как какой-нибудь фляги или бутыли. Ученые давно заметили, что чем обширнее площадь обкладок и чем меньше расстояние, зазор между ними, тем больше емкость конденсатора. Однако делать зазор слишком малым нельзя – при высоком напряжении, приложенном к конденсатору, может наступить «пробой» зазора искрой. В лучшем случае конденсатор потеряет свой заряд, а в худшем – разрушится, причем не исключено, что со взрывом. Сантиметровый слой воздуха, например, пробивается при напряжении 30 000 вольт. Понижать же напряжение невыгодно. Ведь в конечном итоге нас интересует не просто емкость конденсатора, а его энергоемкость, равная произведению заряда на напряжение. Поэтому уменьшение зазора между обкладками – это не путь к повышению энергоемкости. Выход один – увеличивать площадь обкладок.

И еще очень интересное свойство конденсатора открылось ученым. Если помещать между его обкладками различные непроводящие материалы – диэлектрики, емкость конденсатора может резко изменяться. Эту способность диэлектриков изменять емкость конденсатора назвали диэлектрической проницаемостью. Было установлено: чем больше величина диэлектрической проницаемости, тем больше при прочих равных условиях емкость конденсатора, обкладки которого разделены диэлектриком.

Диэлектрическая проницаемость равна в вакууме единице. Очень близка к этому значению диэлектрическая проницаемость воздуха, поэтому воздушные конденсаторы имеют очень малую емкость. Если идти в сторону увеличения диэлектрической проницаемости, то ее значение для парафина – 2, для фарфора, стекла – до 7, а для воды необычно много – 81. То есть с помощью воды можно получить конденсатор, в 81 раз более емкий, чем воздушный.

Однако при подсчете плотности энергии обычных конденсаторов, например, электролитических, которые так широко распространены в радиотехнике, выясняется, что она очень низка, не выше, чем у обычных стальных пружин.

За единицу емкости конденсаторов принята фарада. Это очень крупная единица, такую емкость мог бы иметь, например, шар, диаметр которого равен 18 миллионам километров, то есть в полторы тысячи раз более крупный, нежели наша Земля! Разумеется, емкость существующих конденсаторов значительно меньше, и поэтому ее измеряют в миллионных долях фарады – микрофарадах или в единицах, еще в миллион раз меньших, – пикофарадах.

Геометрическое представление единицы емкости конденсаторов - фарады.

Если взвесить самый заурядный электролитический конденсатор емкостью 10 микрофарад при напряжении 300 вольт, то масса его окажется несколько десятков граммов. А энергии в этом конденсаторе будет менее половины джоуля. Стало быть, плотность энергии составит около 10 джоулей на килограмм массы. Хорошие конденсаторы могут накопить энергии раз в десять больше, но и это очень немного.

Чтобы резко повысить емкость конденсаторов, приходится прибегать ко всяким ухищрениям. И надо сказать, в последнее время ученые здесь преуспели. В Японии, например, несколько лет назад был изготовлен конденсатор из... активного угля!

Известно, что активный уголь, приготовляемый кипячением Древесного угля в воде, имеет огромную поверхность в единице объема. Такую поверхность образуют поры, из которых водой были вымыты соли. Благодаря этому активный уголь отлично поглощает запахи, яды, различные газы. Им заполняют противогазы, его принимают при отравлениях, используют во многих других случаях. Именно поверхность активного угля и заинтересовала японских ученых.

Уголь пропитывают раствором солей щелочных металлов – натрия, калия, лития – в органическом растворителе, и происходит чудо – емкость одного кубического сантиметра такого конденсатора возрастает до десяти и более фарад! Иначе говоря, до емкости шара в пустоте, имеющего диаметр в 15 тысяч раз больше диаметра Земли, больше чем расстояние от Земли до Солнца! Но в отношении энергии это почти ничего не дало – конденсатор из активного угля выдерживает лишь очень низкое напряжение. Плотность энергии этого конденсатора составила примерно 1 килоджоуль на килограмм, что гораздо выше, чем у обычных конденсаторов, но все-таки крайне мало.

Венгерские ученые пошли по другому пути. Они создали особые пластмассы, обладающие необычайно высокими диэлектрической проницаемостью и пробойным напряжением. Кроме того, они выяснили, что самая высокая в природе диэлектрическая проницаемость – 130000 единиц! – у дезоксирибонуклеиновой кислоты, той самой ДНК, которая несет генетическую информацию. Если обычный конденсатор емкостью 10 микрофарад заполнить в качестве электролита ДНК, то при напряжении 300 вольт плотность его энергии будет порядка 20...200 килоджоулей на килограмм. Этот показатель лучше, чем таковой у газовых аккумуляторов.

Тут мне пришло в голову, что если объединить открытия японских и венгерских ученых, то есть пропитать активный уголь дезоксирибонуклеиновой кислотой, удельная энергия конденсатора, судя по всему, выросла бы еще раз в сто. Тогда масса «энергетической капсулы», необходимой автомобилю для прохождения ста километров, могла бы быть не более одного-двух килограммов!

Да, заманчиво, конечно, все это осуществить, но... Где достать столько ДНК? Как пропитать ДНК активный уголь? Насколько дорог будет такой конденсатор, если его все же удастся получить? Какова будет сила взрыва, если произойдет внезапный пробой?

Я затруднялся найти ответ на первые вопросы, однако ответ на последний отчетливо представлял себе. Дело в том, что однажды я был страшно перепуган оглушительным взрывом телевизионного конденсатора, энергия которого была в десятки тысяч раз меньше...

И еще меня огорчало одно обстоятельство. «Перестраховщики» ученые, зная почти все про конденсаторы, определили теоретический предел плотности его энергии в 3,6 килоджоуля на килограмм. А это в тысячи раз ниже плотности энергии, вычисленной мной. Кто-то из нас очень ошибался в своих прогнозах, и я, кажется, догадывался, кто...

«Капсулу» – в жидкий гелий

Нет, не получилось из конденсатора «энергетической капсулы». Ну ничего, ведь электричество можно накопить не только в виде неподвижного, статического заряда – при движении электронов по проводу обмотки электромагнита оно тоже накапливается.

Мне очень хорошо запомнился школьный опыт по физике, где мы подключали к батарее лампочку параллельно с электромагнитом. Лампочка загоралась не сразу, медленно раскалялся ее волосок, но при отключении батареи лампочка, вместо того чтобы погаснуть, вспыхивала еще ярче. Какая же энергия, если не накопленная в электромагните, раскаляла волосок лампочки в то время, как питание от батареи больше не поступало? И накапливалась эта энергия в магнитном поле тогда, когда, несмотря на то, что энергия отбиралась от батареи, лампочка горела тускло. Ей явно не хватало мощности батареи – львиная доля мощности шла на насыщение энергией электромагнита.

Итак, очередной аккумулятор, может быть, даже кандидат на «энергетическую капсулу». Проверим, на что способен электромагнит как накопитель.

Я попробовал «подпитывать» электромагнит током от аккумуляторных батарей, постепенно увеличивая их число. Соответственно повышалось напряжение на клеммах электромагнита, увеличивался ток, а следовательно, росла и подъемная сила электромагнита. В его магнитном поле накапливалась все большая и большая энергия. Так, наверное, продолжалось бы и дальше, но... от электромагнита вдруг пошел дым – он перегрелся от чрезмерного тока. Опыт пришлось прекратить. Вот, значит, где предел энергоемкости электромагнита!

Оказалось, что и со сроком хранения энергии плоховато – держится накопленная энергия в электромагните, или, как говорят, в катушке индуктивности, доли секунды. Из-за сопротивления в проводнике – проволоке, намотанной на сердечник электромагнита, вся накопленная в его магнитном поле энергия быстро переходит в тепло. А нельзя ли устранить это сопротивление?

Мне не хотелось идти в библиотеку, однако я пересилил себя. Зато потом в читальном зале я просидел до самого закрытия и нашел не только ответ на свой вопрос, но и множество других полезных для меня сведений.

Еще в 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что столбик ртути, охлажденный до температуры, превышающей абсолютный нуль на 4,2 градуса, полностью теряет свое электрическое сопротивление. Причем резко, скачком. Так же, как и ртуть, теряли сопротивление свинец, алюминий, олово, цинк и ряд других металлов. Явление это было названо сверхпроводимостью. В кольце из такого сверхпроводника ток мог «крутиться» сколько угодно времени, сохраняя энергию магнитного поля. Беда лишь в том, что даже при небольшом возрастании тока или внешних магнитных полей перечисленные металлы утрачивали свойство сверхпроводимости.

В течение полувека эти сверхпроводники, названные сверхпроводниками первого рода, практического применения не имели. Но в 1961 году советские ученые предсказали возможность создания более совершенных сверхпроводников второго рода, а американские специалисты испытали такой сверхпроводник – проволоку из сплава металла ниобия с оловом, а затем ниобия с титаном. Через проволоку пропускали громадные токи, вокруг нее создавали гигантские магнитные поля, и ничего ей не делалось, свойство сверхпроводимости оставалось.

В кольце из сверхпроводника второго рода можно запасать и хранить без потерь очень большую энергию, примерно в 7 раз больше, чем в такой же по объему конденсаторной батарее. Конечно, кольцо это держат не при комнатной температуре, его помещают в специальный термос для хранения холодных жидкостей – криостат. В криостат заливают жидкий гелий при температурах, близких к абсолютному нулю. Чтобы жидкий гелий испарялся не слишком сильно, его окружают так называемым азотным экраном. Азотный экран – это слой жидкого азота поверх сосуда с жидким гелием. Испаряясь, жидкий азот уменьшает испарение более холодного и дорогого гелия.

Одна из первых моделей такого накопителя была испытана в 1970 году. В сверхпроводящем «электромагните» – соленоиде была накоплена энергия в 10 килоджоулей. Плотность энергии накопителя составила около 40 килоджоулей на килограмм массы.

До какого же предела можно «накачивать» энергию в сверхпроводящий магнит? Оказывается, этот предел диктует не что иное, как... механическая прочность.

Криостат - сосуд Дьюара, предназначенный для хранения холодных жидкостей.

Вот уж чего я не ожидал! Коварство сверхпроводящего кольца с током заключается в том, что магнитное поле, развиваемое им, воздействует прежде всего на само кольцо. Как в электромоторе магнитное поле, действуя на обмотки, вращает вал, так и в сверхпроводящем кольце магнитные силы пытаются разорвать его. А поскольку магнитные поля и токи здесь громадны, то силы, разрывающие кольцо, очень велики. Сплавы же ниобия, из которых изготовлена проволока для кольца, увы, совсем не прочны. Куда им до стальных или синтетических материалов! Эта недостаточная механическая прочность и является досадной причиной, сдерживающей «накачку» сверхпроводника током, а значит, и получение высокой плотности энергии.

Ученые в своих проектах отдают предпочтение гигантским сверхпроводящим накопителям. И у них есть на то веские основания. Известно, что площадь тела пропорциональна квадрату его размеров, объем – кубу. С увеличением размеров увеличивается отношение объема к площади поверхности. Для сверхпроводящих накопителей это имеет немаловажное значение. От объема криостата зависит величина обмотки накопителя и, следовательно, количество запасаемой энергии, а от площади – интенсивность испарения содержащихся в нем жидких холодных газов – гелия, азота. Чем больше объем и меньше поверхность криостата, тем экономичнее накопитель.

Сверхпроводящий накопитель требует значительного числа вспомогательных устройств, обслуживающих его во время работы. Это и холодильные установки, и системы обеспечения энергией для управления, выпрямительные станции, преобразователи и многое, многое другое. Конечно, все это окупается лишь в очень крупном накопителе.

Японские ученые подсчитали, например, что сверхпроводящие накопители становятся выгодными при запасе энергии в них свыше миллиона мегаджоулей. Масса такого накопителя достигла бы десятков тысяч тонн. А пока самые крупные сверхпроводящие накопители в СССР способны запасти только сотни мегаджоулей, причем обмотки у них весят сотни тонн. Чуть больше подобные накопители за рубежом.

Какими же видятся ученым сверхпроводящие накопители будущего?

В одном из проектов французских специалистов это гигантский криостат-бублик диаметром 136 метров и высотой свыше 20 метров. Сечение обмотки диаметром 17 метров. Криостат заполнен жидким гелием, предусмотрен и азотный экран. Кольцо из сверхпроводника заключено в медные или алюминиевые оболочки и усилено прочными бандажами. В обмотке течет ток в 140 килоампер, а плотность тока достигает огромной величины – 3 килоампера на квадратный миллиметр сечения обмотки! В таком гиганте может аккумулироваться до 10 миллионов мегаджоулей энергии.

Чтобы было ясно, насколько это много, напомню, что всего 25 мегаджоулей нужно автомобилю для прохождения пути в 100 километров. Если даже пробег автомобиля увеличить до 400 километров, что примерно равно дневному пробегу такси, то энергии накопителя хватит для питания ста тысяч такси в день! Эта энергия, накопленная ночью, позволила бы устранить дневные перегрузки всех электростанций такой большой страны, как Франция.

Немецкие ученые спроектировали накопитель диаметром 250 метров и высотой 50...70 метров. Криостат с жидким гелием и помещенной в него обмоткой из титан-ниобиевого сплава намечено упрятать под землю. Под стать размерам и предполагаемая энергия накопителя. В своем проекте немецкие ученые применили интересное новшество – огромные нагрузки, действующие на обмотку, они попытались частично «переложить» на грунт, в который зарыт накопитель. Специальные распорки должны будут «упираться» в корпус криостата, а он в свою очередь в породы, окружающие его.

Сверхпроводящий накопитель для крупной электростанции в разрезе: 1 - экранирующий магнит; 2 - выпрямительная станция; 3 - холодильник для жидкого гелия; 4 - шахта; 5 - тороидальные тоннели со сверхпроводящими кольцами.

Проекты эти, конечно, впечатляют, кажутся чуть ли не фантастикой. И если вдуматься, они не так далеки от нее. Слишком много здесь всяких узких мест.

Взять хотя бы поддержание сверхнизких температур в криостатах, масса которых миллионы тонн, а объем – десятки миллионов кубометров. Где достать столько жидкого гелия? Чем покрыть расход его на непрерывное испарение? Кроме того, очень сложны выводы тока из накопителей – они ведь тоже должны быть сверхпроводниками, то есть находиться при температурах, близких к абсолютному нулю, а это трудно выполнить. Зарядка и разрядка таких накопителей производится только постоянным током, а промышленности нужен ток переменный.

Но это еще ничего, дальше совсем плохо. Чтобы корпус накопителя равномерно упирался в грунт, надо распорки проложить внутри криостата, в жидком гелии. Однако тогда сильно возрастет приток тепла в криостат, что вызовет дополнительное испарение жидкого гелия! Огромные магнитные поля, возникающие вокруг гигантских сверхпроводящих обмоток, могут оказать опасное воздействие на живую природу и человека. Природа «привыкла» к действию весьма слабых полей земного магнетизма и даже на их изменение реагирует чутко. А тут вдруг в жизнь природы «вмешаются» магнитные поля в миллионы раз сильнее!

И наконец, представим, что случится, если сверхпроводник вдруг разорвется или потеряет свойство сверхпроводимости. А это не исключено. Достаточно чуть-чуть подняться температуре жидкого гелия, и вся колоссальная энергия накопителя выделится почти мгновенно. Спасут ли положение специально предусмотренные медные обмотки, по которым должен пойти ток в случае аварии, неизвестно.

Возможно, специалисты найдут решение перечисленных проблем, тогда такие накопители начнут строить к XXI веку. Разумеется, при условии, что не будет создана «энергетическая капсула» получше – простая, емкая, надежная. И которую, конечно, можно будет поставить на автомобиль! Ведь сверхпроводящие гиганты совершенно не пригодны в качестве двигателя автомобиля.

Плюс химия

Теперь мне стало ясно, что конструкторы автомобилей были тысячу раз правы, используя на них обычные электроаккумуляторы, а не конденсаторы или сверхпроводящие магниты.

Действительно, автомобильные аккумуляторы могут месяцами хранить энергию, причем в достаточно большом количестве. Я сам видел, как иногда автомобили «гоняют на стартере»: включают стартер, питаемый от аккумуляторов, вроде бы для заводки двигателя, но привода на колеса при этом не отключают, как положено по инструкции, – и машина катит по улице. А ведь энергия аккумулятора здесь расходуется не только на движение автомобиля, но и на прокрутку двигателя. Не будь этой прокрутки, автомобиль смог бы пройти «на стартере» больше километра – настолько велика емкость аккумуляторов. Похоже, известные всем нам автомобильные электроаккумуляторы пока ближе всего к «энергетической капсуле».

Позвольте, но так ли уж они известны? Однажды ко мне пришел знакомый мальчик лет шести и в разговоре сказал, что знает, как устроен телевизор. На мой вопрос, может ли он нарисовать его схему, мальчик ответил утвердительно. Однако удивление мое быстро прошло, когда вместо схемы он изобразил переднюю панель телевизора. «Это экран, это ручка громкости, это яркость...» – перечислял он.

Вот так же и я представлял себе электроаккумулятор – пластмассовый ящик с клеммами, внутри которого находятся пластины и кислота, часто называемая «аккумуляторной». Что происходит внутри аккумулятора, каким образом он накапливает энергию, – все это было мне невдомек.

Оказалось, что я не одинок в своем неведении. Никто из водителей, которых я расспрашивал о принципе работы аккумулятора, не дал вразумительного ответа. Мне говорили: он накапливает энергию потому, что к клеммам подсоединяется генератор или выпрямитель, которые и подают в аккумулятор ток. После этого уже сам аккумулятор становится источником тока до тех пор, пока не разрядится. Вроде бы понятно. А почему таким свойством обладает именно аккумулятор, а не кирпич, например? Да потому, дескать, что он так устроен.

Этих сведений мне было явно недостаточно. Пришлось в который раз засесть за книги.

История электроаккумуляторов берет начало со знаменитого опыта, проделанного итальянским физиком Алессандро Вольтой в 1799 году. Ученый опустил медный и цинковый электроды в разбавленную серную кислоту и обнаружил, что между электродами возникла разность потенциалов. Соединив электроды проводником – проволочкой, Вольта получил в ней электрический ток. Тем самым он доказал, что различные металлы, помещенные в растворы кислот, образуют источник тока.

Это был первый в мире гальванический элемент, названный так потом в честь итальянского физика и врача Луиджи Гальвани, который еще до Вольты заметил появление тока при взаимодействии двух разных металлов в проводящей жидкости – электролите.

Правда, есть сведения, что гальванические элементы существовали и в древности. Во время археологических раскопок были найдены глиняные кувшины с напоминающими электроды цилиндрами из разных металлов, причем некоторые ученые считают, что электролитом тогда служили вино или уксус. И будто бы с помощью этих элементов древние мастера умели делать гальванические покрытия: например, наносили тончайшую пленку золота на украшения.

Так или иначе, огромная заслуга Вольты в том, что он не только построил гальванический элемент, но и объяснил его действие, чего по вполне понятным причинам не могли сделать древние.

Элемент Вольты давал очень маленькое напряжение. Чтобы повысить его, стали изготавливать батареи из медных и цинковых пластин, переложенных прокладками, смоченными серной кислотой. Батареи эти, названные вольтовыми столбами, обеспечивали уже достаточно большое напряжение. После Вольты немало ученых – Лекланше, Грене, Даниэль, Грове и другие – разрабатывали свои, все более и более совершенные гальванические элементы. Элемент Лекланше, например, послужил прообразом современных «сухих» батарей, используемых для питания карманных фонариков, радиоприемников, электрифицированных игрушек и прочих устройств. Электроды таких батарей, как когда-то у Лекланше, твердые – цинковый стаканчик и графитовый стержень. А вот электролит уже не жидкий. Ведь жидкость может в любой момент пролиться, а делать элемент герметичным дорого и сложно. Вот и заменили жидкость желеобразным электролитом. Получился удобный и практичный источник электричества.

Сухой элемент Лекланше: 1 - положительный электрод; 2 - отрицательный электрод; 3 - прокладка; 4 - угольный токоотвод; 5 - шайба; 6 - изолирующий слой; 7 - пастообразный электролит; 8 - оплетка.

Если через разряженную сухую батарею особыми импульсами пропустить ток, ее можно вновь «оживить». Эту операцию порой проделывают по несколько раз. Однако уча ненадолго восстанавливает элемент.

Постойте, постойте... Как бы там ни было, получается, что гальванический элемент – тот же аккумулятор! Заряжая его электрическим током, восстанавливая, мы накапливаем в нем электроэнергию, которую затем расходуем. Так ли это?

Оказывается, и так и нет. Прежде всего, не каждый гальванический элемент можно подзарядить. Нельзя это сделать, например, с элементом, в котором присутствуют два электролита. Таков элемент Даниэля, где две разные жидкости разделены пористым стаканчиком. Постепенно просачиваясь через стаканчик, электролиты смешиваются, реагируют друг с другом и выделяют ток. Этот элемент, если он уже отработал свой срок, не восстановишь.

Другие элементы с твердыми электродами в принципе подзаряжаются, накапливают энергию. Но процесс накопления так неэкономичен и неэффективен, что многие считают его излишним. Накапливается только ничтожная часть поданной на элемент электроэнергии, а сам элемент после нескольких таких зарядок разрушается. Чтобы стать хорошим накопителем, гальванический элемент должен достаточно хорошо «переносить» процесс зарядки. И этого наконец удалось добиться в середине прошлого века.

В 1859 году французский ученый и инженер Гастон Плантэ провел любопытный опыт, внешне очень похожий на опыт Вольты. Как и Вольта, Плантэ построил гальванический элемент, однако в качестве электродов он взял две свинцовые пластины, в обычных условиях покрытые пленкой окиси свинца. Электролит был все тот же – разбавленная серная кислота. Плантэ подключил к электродам источник постоянного тока и некоторое время пропускал ток через свой элемент, совсем как при подзарядке сухих элементов. Потом он отключил ток и подключил к электродам гальванометр. Прибор показал, что элемент Плантэ стал сам вырабатывать электроток и при этом выделяет почти всю энергию, затраченную на зарядку. Зарядку можно было повторять большое число раз – элемент неизменно работал исправно, не разрушался, подобно сухим батареям.

Этот гальванический элемент назвали элементом второго рода, или аккумулятором.

Как же происходит накопление энергии в аккумуляторе Плантэ? При пропускании тока через электролит из серной кислоты на свинцовой пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока – катодом, выделяется водород, который восстанавливает окись свинца в чистый свинец. На электроде, соединенном с положительным полюсом – анодом, выделяется кислород, который окисляет окись свинца до перекиси. Аккумулятор зарядится, когда катод целиком станет чистым свинцом, а анод – перекисью свинца. Тогда между электродами окажется наибольшее напряжение.

Соединяя пластины-электроды проводником с потребителем, расходуя энергию, мы разряжаем аккумулятор. Направление тока при разрядке противоположно тому, что было при зарядке. Положительно заряженная пластина будет восстанавливаться водородом, а отрицательная – окисляться кислородом. Как только пластины станут одинаковыми, аккумулятор прекратит давать ток. Надо повторить зарядку.

Ясно, что энергия в этом аккумуляторе накапливается не в виде электрического или магнитного поля, как в предыдущих накопителях электрической энергии, а в виде вполне осязаемого вещества – свинца, переходящего с выделением энергии в перекись свинца. Сам процесс накопления и выделения энергии здесь происходит иначе, чем в чисто электрических аккумуляторах – конденсаторах и электромагнитах. Поэтому такой аккумулятор принято называть электрохимическим.

Этот автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор запасает в десятки раз меньше энергии, чем ее содержится в бензине, налитом в мензурку.

В конструкциях автомобильных свинцово-кислотных аккумуляторов ученые постарались как можно больше увеличить поверхность электродов, не нарушая при этом их прочности. Ведь именно от величины поверхности зависит энергоемкость аккумулятора. Сейчас пластины аккумулятора изготовляются в форме свинцовых решеток, покрытых перекисью свинца (положительный электрод) и губчатым свинцом (отрицательный электрод). Электролитом служит 25...35-процентный водный раствор серной кислоты. Заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение на клеммах 2...2,2 вольта. При разрядке это напряжение падает, и когда оно достигает 1,8 вольта, разрядку обычно прекращают, иначе решетка из свинца может слишком истончиться в ходе реакции и пластины, потеряв прочность, рассыплются.

Мне очень хотелось узнать, что будет с аккумулятором, если попробовать хотя бы кратковременно получить от него ток большой мощности. Однажды я упросил одного знакомого водителя включить стартер, питаемый, как известно, от аккумулятора, при не включенном двигателе. Двигатель, естественно, не завелся, а секунд через 15...20 стартер начал сбавлять обороты. Еще через некоторое время он вообще остановился. Было полное впечатление, что аккумулятор разрядился и больше из него «выжать» ничего нельзя. Я думал, водитель рассердится, скажет, мол, видишь, к чему привели твои опыты. Но он неторопливо выключил стартер, а потом, спустя 2...3 минуты, снова включил его. Стартер заработал! Откуда взялись «силы» у аккумулятора? Не мог же он, как живое существо, «отдохнуть»?

В самом деле, поведение аккумулятора и живого организма здесь поразительно похоже. При усталости мышц от интенсивной работы их сила резко снижается, и нужно время, чтобы она восстановилась. Человек сделает гораздо больше, если он будет работать поравномернее, с постоянной, но небольшой по мощности нагрузкой. Например, если попытаться бегом взбежать на 20-й этаж дома, с одного раза это вряд ли получится, потребуется отдых. Да и усталость после этого будет ощущаться немалая. А если идти спокойно, то 20 этажей можно преодолеть без особой усталости.

Так и в аккумуляторе: при включении его на большую мощность серная кислота, которая была в порах пластин, быстро израсходуется, в результате реакции она превратится в воду, и выделение тока прекратится. Только через некоторое время, когда серная кислота постепенно вновь заполнит поры, можно опять разряжать аккумулятор.

Поэтому разряжают и заряжают аккумуляторы – это касается практически всех видов электрохимических аккумуляторов – обычно с достаточно малой нагрузкой, небольшими токами и продолжительное время – несколько часов. Здесь и кроется один из главнейших недостатков электрохимических аккумуляторов – их малая мощность, приходящаяся на килограмм массы аккумулятора, так называемая удельная мощность или плотность мощности.

Свинцово-кислотные аккумуляторы весьма экономичны, однако они и капризны, часто портятся, недолговечны. К тому же свинец – сравнительно редкий и дорогой металл, а кислота – опасна в обращении. Естественно, что ученые стали искать новые материалы и новые принципы работы аккумуляторов. Так возник второй основной тип электрохимических аккумуляторов – щелочные аккумуляторы. Создание их тесно связано с именем знаменитого американского ученого и изобретателя Томаса Эдисона.

В этих аккумуляторах электролитом служит уже не кислота, а щелочь – 20-процентный раствор едкого кали. Пластины изготовлены из стальных решеток с карманами в них. У положительных пластин карманы заполнены смесью, содержащей окись никеля, а у отрицательных – губчатым кадмием. Корпус щелочного аккумулятора стальной, что придает устройству большую прочность.

Щелочной «кнопочный» аккумулятор: 1 - железная пластина; 2 - пористое железо; 3 - пластина, пропитанная едким кали; 4 - окись никеля; 5 - никелевая пластина; 6 - стальной корпус; 7 - изолятор.

Щелочные аккумуляторы дороже кислотных и менее экономичны. Но, несмотря на это, положительные их качества преобладают – они неприхотливы, прочны, долговечны. Поэтому они все больше входят в технику. Например, на троллейбусах применяются именно такие накопители. Их можно видеть в транзисторных приемниках, телефонных и слуховых аппаратах, карманных фонариках и в других устройствах. Во многих радиоприборах присутствуют миниатюрные аккумуляторы, тоже щелочные, под названием «кнопочные», так как они внешне напоминают кнопку. Ценность их в том, что они герметично закрыты, совершенно нечувствительны к перезаряду и переразряду, не требуют ухода. Обычные крупные аккумуляторы этим «похвастать» не могут.

На некоторых спутниках связи и космических станциях применяются очень дорогие, но зато великолепные по своим характеристикам серебряно-цинковые щелочные аккумуляторы. Им нипочем ни большие токи, ни низкие, до минус 60 градусов, температуры. Плотность энергии, накапливаемой в них, в пять раз выше, чем у кислотных аккумуляторов, а плотность мощности – вдвое выше.

Всем хороши серебряно-цинковые аккумуляторы, хоть сейчас ставь их на автомобиль. Масса аккумулятора для прохождения стокилометрового пути не превысит ста килограммов...

Но, увы, стоимость этого аккумулятора будет во много раз выше стоимости самого автомобиля. И надежд на его удешевление никаких – серебра на Земле становится все меньше и меньше, и дорожает оно на мировом рынке все больше и больше. Не лишне сказать, что подобная участь ждет в недалеком будущем многие металлы, в том числе столь необходимый для аккумуляторов свинец. Чтобы аккумулятор мог стать поистине массовым и перспективным, он должен содержать материалы, которых на Земле вдоволь.

Сейчас ученые связывают свои надежды с необычным на первый взгляд аккумулятором, в котором используются гальванические пары «сера – натрий» и «хлор – литий». Металлы – натрий или литий – там расплавлены, их температура достигает нескольких сот градусов. Расплавленный натрий соединяется в аккумуляторе с горячей жидкой серой, а литий взаимодействует с раскаленным газом – хлором. Из-за того, что содержимое таких аккумуляторов при работе нагрето до 300...800 градусов, они получили название горячих.

Мне происходящее внутри горячих аккумуляторов почему-то сразу напомнило мифологический ад, о котором я в детстве немало начитался. Достаточно было представить расплавленную серу, в которой «варится» расплавленный же натрий, тот самый натрий, что и от воды-то загорается и даже взрывается! О хлоре и говорить нечего – это один из наиболее ядовитых газов, чрезвычайно активный даже при комнатной температуре, а что будет при восьмистах градусах! Недаром ученые который уж год бьются над созданием корпуса к этому «адскому» накопителю – мало какой материал выдерживает такую начинку.

Однако к чести горячих аккумуляторов, они при низкой своей стоимости развивают плотность энергии раз в десять большую, чем свинцово-кислотные аккумуляторы, и плотность мощности у них значительно выше. Если свинцово-кислотные аккумуляторы накапливают в килограмме своей массы 64 килоджоуля энергии, а щелочные – 110, то горячие серно-натриевые – 400...700 килоджоулей!

Автомобилю для пробега в 100 километров хватило бы всего 50 килограммов серно-натриевого аккумулятора. 150 килограммов на 300 километров пробега – это неплохие результаты. Но... горячие аккумуляторы перед началом работы надо разогревать, оболочка их не выдерживает долго «адское» содержимое. Да и при аварии машины с этим аккумулятором присутствовать даже зрителем никому не пожелаешь.

Горячие аккумуляторы: А - серно-натриевый аккумулятор: 1 - жидкая сера; 2 - ионообменная керамика; 3 - жидкий натрий; 4 - сосуд; Б - хлорно-литиевый аккумулятор: 1 - сепаратор хлора; 2 - хлористый литий; 3 - литиевый электрод; 4 - хлорный электрод; 5 - вывод газов; 6 - вывод хлора.

Более спокойный «характер» у новых, медно-литиевых аккумуляторов. Они имеют катод из медного сплава и анод из пористого лития. Электролит органический, с высокой электропроводностью. Плотность энергии в опытных образцах этих аккумуляторов в полтора раза выше, чем у серебряно-цинковых, но, что самое важное, у них возможно получение высоких удельных мощностей. Если же вместо меди взять фтористое соединение никеля, то и процесс зарядки аккумулятора можно сильно сократить, всего до нескольких минут, что также очень существенно.

Интересны аккумуляторы на основе цинка и... обыкновенного воздуха. Цинковый анод здесь просто окисляется кислородом воздуха, поэтому весь запас энергии в батарее обусловлен только количеством цинка. Катод изготовлен из пористого никеля и почти не расходуется, а анод по мере износа заменяется новым или восстанавливается пропусканием зарядного тока.

Своеобразие этих батарей заключается в том, что они могут работать как в режиме аккумуляторов, так и в режиме обычных гальванических элементов, попросту «сжигая» цинк в кислороде воздуха. Именно в этом случае цинковые аноды приходится заменять, но плотность энергии элемента при этом получается почти вдвое большей, чем у аккумулятора.

Однако как ни хороши описанные выше аккумуляторы-рекордсмены, специалисты все-таки считают, что проблему создания современного электромобиля с дальностью пробега 120...150 километров должны решить не они, а дешевые и недефицитные никель-цинковые аккумуляторы. По плотности энергии и мощности такие аккумуляторы находятся между обычными и серебряно-цинковыми аккумуляторами. Возникли они в результате замены у серебряно-цинковых элементов дорогого серебра на сравнительно дешевый никель.

Тем не менее будущее, хотя и отдаленное, все же за горячими аккумуляторами, несмотря на все трудности и неудобства, связанные с их постройкой. Их разработкой занимаются сейчас самые солидные фирмы и институты, в том числе и у нас в стране. Успехи же весьма скромны – создать конструкцию такого накопителя для серийного производства ученым до сих пор не удалось. Из лабораторий горячий аккумулятор пока не вышел. Вряд ли мне будет под силу тягаться в этом с целыми научными коллективами.

Особенно смутило меня то обстоятельство, что теоретический предел у электрохимических аккумуляторов уже близок. По расчетам ученых, основной показатель аккумулятора – плотность энергии здесь можно повысить по сравнению с уже достигнутыми результатами максимум раза в 3...4. Безусловно, маловато получается для «капсулы». Кроме того, как я хорошо знал, подойти вплотную к теоретическому пределу невероятно сложно. Вспомнить хотя бы, сколь трудным оказалось подобраться к абсолютному нулю температуры, к полному вакууму, к совершенно чистым материалам. Подобных примеров можно привести множество из самых разных областей человеческой деятельности.

Поэтому, отдавая должное всесилию электричества и бесспорным преимуществам электроаккумуляторов, я все-таки мечтал найти такой накопитель, теоретический предел которого если не бесконечен, то хотя бы отодвинут достаточно далеко. Лишь тогда можно будет всерьез говорить об «энергетической капсуле».

Электромобили

Прежде чем расстаться с электроаккумуляторами, я решил испытать их на электромобиле. Все прочитанное мною про электромобиль было настолько противоречиво, что мне захотелось непременно составить о них собственное мнение.

На электромобили иногда смотрят как на какую-нибудь новинку. А ведь они были созданы задолго до первого автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. Как только в 30-х годах прошлого столетия появился первый электродвигатель, его сразу же поставили на экипаж. Питался этот двигатель от батареи гальванических элементов.

Автором первого в мире электромобиля был англичанин Роберт Дэвидсон. Его машина, построенная в 1837 году, представляла собой четырехколесную коляску длиной 4,8 и шириной 1,8 метра, с метровыми колесами – то есть достаточно крупное сооружение. Большую часть коляски занимали батарея гальванических элементов и пока еще примитивный, внушительных размеров электродвигатель. О ходовых качествах этого электромобиля достоверных сведений не осталось.

В России первый электромобиль сконструировал инженер И. Романов в 1896 году. Машина имела скорость 25 километров в час и запас хода 40 километров. Вскоре тот же Романов построил первые электрические автобусы, на 15 пассажиров каждый. Талантливый инженер мечтал создать в Петербурге широкую сеть электробусных перевозок пассажиров, им был составлен подробный план всех необходимых работ. Однако этому плану не суждено было сбыться.

Электромобиль, используемый на ВДНХ СССР для перевозки небольших грузов.

В самом начале нашего века электромобилей было уже так много, что в американском городе Чикаго, например, их число вдвое превышало число автомобилей! Электромобилисты чувствовали себя тогда весьма уверенно – даже мировые рекорды скорости принадлежали им, а не автомобилистам. Еще в 1898 году этот рекорд был равен 63 километрам в час, а годом позже – 105,9 километра в час. По тем временам это было совсем немало.

Впоследствии, когда стали добывать много дешевого бензина (он поначалу даже считался побочным продуктом перегонки нефти, и его просто сжигали!), автомобили вытеснили своих электрических собратьев. Для подзарядки электромобилей, число которых сильно возросло, уже не хватало мощности электростанций.

Сегодняшний возврат к электромобилям (как и к паромобилям, воздухомобилям и т.п.) вызван отнюдь не тем, что у инженеров появились какие-нибудь принципиально новые идеи, могущие коренным образом улучшить электромобили. Нет, просто стало трудно дышать в крупных городах из-за выхлопных газов двигателей, и к тому же быстро кончаются мировые запасы топлива. Отсюда возникла необходимость спешно найти замену автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. Вот и вспомнили про электромобили.

Как я уже сказал, меня удивляла противоречивость сообщений об электромобилях. Например, в одной из публикаций я прочел, что японские инженеры построили электромобиль с дальностью пробега 500 километров, а скорость и разгон у него – ну прямо как у спортивных автомобилей. Спустя какое-то время после этого сообщения американские специалисты решительно заявили, что электромобили пока способны проходить лишь 50...60 километров с одной зарядки, максимальная скорость у них не выше 80 километров в час, а разгон – из рук вон плохой. В гору такой электромобиль вообще не может быстро двигаться. По своим характеристикам это скорее не электромобиль, а электрокар – аккумуляторная тележка, какие ездят по территории заводов.

Чего только не приходилось читать и про зарядку аккумуляторов. Писали, например, что уже созданы электронные установки для зарядки аккумуляторов за считанные минуты и чуть ли не секунды. Но тем не менее до сих пор аккумуляторы еще заряжают в течение многих часов.

Короче говоря, я задумал построить модель электромобиля, чтобы все проверить самому. Признаться, осуществить задуманное оказалось нелегко. Постоянно вставали вопросы: где раздобыть то? Где найти это? Но раз уж взялся за дело, нужно было доводить его до конца.

В своей конструкции я использовал раму от маленького спортивного автомобиля – карта. Задние колеса взял побольше, от мопеда, а передние – от детского самоката. На раму позади сиденья поставил одну аккумуляторную батарею от автомобиля МАЗ (там две такие батареи), которую выпросил на время у знакомого водителя. Масса этой батареи – около 40 килограммов, батарея была совершенно новая и очень емкая.

В качестве тягового двигателя я применил стартерный двигатель от легкового автомобиля. Правда, пришлось двигатель разобрать и заменить в нем шестерню такого же размера стальным цилиндром с накаткой, как у напильников, для большей шероховатости. Впоследствии я убедился, что можно было и не снимать шестерню, а посадить на зубья стальное кольцо с накаткой, залив пространство между зубьями эпоксидным клеем. Такие цилиндры или кольца, передающие движение трением, в технике называются фрикционами.

Стартерный двигатель я установил у одного из задних колес, на качающемся рычаге. Вместе с фрикционом двигатель прижимался к колесу пружиной. С аккумуляторной батареей он был соединен несколькими толстыми проводами так, чтобы к нему можно было подключать различное напряжение: 6, 8, 10 и 12 вольт. Один провод – общий, а другие подключались к клеммам стартера через соответствующие переключатели. Каждому напряжению соответствовал отдельный переключатель. Получилась своеобразная коробка скоростей.

Управление машиной было несложным – руль и переключатели, которые обеспечивали нужную скорость. Тормоза я взял от мопеда. Задние колеса посадил на ось на подшипниках, привод был только на одно колесо. Это давало возможность автомобилю свободно поворачивать вправо и влево. Такие приводы характерны для микромобилей.

Я немало поездил на своем электромобиле. Выбирал и ровные, и наклонные дороги, развивал на некоторых участках скорость до 40 километров в час. Единовременный пробег в разных дорожных условиях составлял около десяти километров, дальше разряжать аккумулятор было ни к чему – он мог испортиться. Соотношение массы аккумулятора и мощности двигателя (стартера) с массой электромобиля (а он весил со мной вместе до 100 килограммов) оказалось примерно таким же, как и у стандартных зарубежных электромобилей. Поэтому мои выводы могли быть применимы для всех этих машин. А выводы были следующие: электромобиль прекрасно идет по ровным дорогам с постоянной скоростью; дальность пробега электромобиля в этих условиях может быть достаточно большой, в расчете, конечно, на емкие аккумуляторы; разгоняется электромобиль очень вяло, медленно набирает скорость. Он не может вписаться в городское движение. У светофора, например, он будет сдерживать всю колонну автомобилей позади себя; в гору электромобиль либо не едет вообще, либо едет очень медленно и очень недолго; аккумуляторы при этом мгновенно «садятся»; торможения и разгоны катастрофически сокращают дальность пробега электромобиля; десяток торможений и разгонов до предельной скорости поглощают всю энергию аккумулятора; зарядка аккумуляторов удручающе длительна.

Я привел свои выводы лишь потому, что они почти полностью согласовались с мнениями специалистов по электромобилям, которые я прочел гораздо позже. Видимо, к тому же пришли и конструкторы электромобилей в начале века – идея электромобиля за это время не претерпела каких-либо существенных изменений. Вот если бы электромобиль смог по резвости соревноваться с обычным автомобилем, тогда ему, как говорится, цены бы не было!

В чем тут дело? Казалось бы, электродвигатель обладает всеми положительными качествами, необходимыми для автомобиля, – способностью переносить перегрузки, удобством управления, экономичностью. Троллейбус, который приводится в движение электромотором, при разгонах оставляет далеко позади себя автобусы с двигателем внутреннего сгорания, перегоняет их при движении на подъемах. Почему же электромобиль отстает от троллейбуса?

Да потому, что троллейбус получает энергию извне, от электросети, а электромобиль – от собственной батареи. А электроаккумуляторы, даже с большой плотностью энергии, обеспечивающей долгий пробег, имеют очень небольшую плотность мощности. Этот показатель у электроаккумуляторов во много раз ниже, чем у автомобильных двигателей.

Например, хороший двигатель массой в сто килограммов может развить до 80...100 киловатт мощности. А аккумуляторная батарея той же массы – не более восьми киловатт! И то при этом она достаточно быстро разрядится. Для того чтобы полностью сравняться с автомобилем, электромобиль должен иметь аккумулятор, основные показатели которого – плотность энергии и мощность – в пять – десять раз выше. Что ж, видимо, этим и придется заняться специалистам.

Водородные генераторы

В романе Жюля Верна «Пять недель на воздушном шаре» и в других его произведениях встречается идея получения энергии путем разложения воды электрическим током на водород и кислород, а затем соединения этих элементов снова в воду. Если бы это производилось с помощью не гальванических элементов, а какого-нибудь менее дорогого источника энергии, то метод вполне подошел бы для решения задачи накопления энергии. Во всяком случае, суть «водородного аккумулирования» именно такова.

Представим себе ветроэлектростанцию, которая вырабатывает энергию только тогда, когда есть ветер. Ветер может дуть всю ночь, но в это время электроэнергия практически не нужна, а днем при максимальной потребности в энергии он вдруг стихает. Ветру не прикажешь дуть или не дуть. Заманчиво, конечно, накапливать энергию ночью в электроаккумуляторах, однако их потребуется слишком много, да и долговечность их невелика.

А что, если попробовать при избытке электроэнергии, например ночью, использовать ее для разложения воды на водород и кислород? Газы можно накапливать в специальных емкостях – газгольдерах, а потом, при прекращении ветра, сжигать в двигателях внутреннего сгорания или в паровых двигателях с целью последующей выработки электроэнергии. Достаточно вал двигателя, работающего на водородно-кислородной смеси, соединить с валом электрогенератора.

В таком примерно виде этот метод был разработан полвека назад известным изобретателем А.Г. Уфимцевым. Но, подсчитав все «за» и «против», сам же А.Г. Уфимцев отказался от своей идеи. Дело в том, что КПД газового двигателя внутреннего сгорания не выше 25 процентов. К тому же на чистом водороде и кислороде ни один из существующих двигателей работать не будет – столь опасная смесь просто взорвет его. КПД паровых двигателей еще ниже. И плюс ко всему – нужно крутить электрогенератор, в котором свои потери энергии. Выходит, что работа целого комплекса сложных машин не принесет нам желаемого результата, отдача энергии здесь будет очень мала.

Может быть, сделать иначе? Получая из воды водород и кислород, мы пропускаем через нее ток по электродам. Вода, подкисленная или подсоленная, является здесь проводником тока, электролитом. Нельзя ли, подавая кислород и водород снова к электродам, получить взамен ток? Вернуть ту электроэнергию, которая была затрачена на разложение воды?

Оказывается, ученые работают над этим давно. Еще в прошлом веке было замечено, что если в горячий раствор едкого кали опустить платиновые электроды и к одному из них медленно подавать водород, а к другому кислород, то на электродах появляется разность потенциалов. Платина играла роль катализатора реакции окисления – восстановления водорода и кислорода. Соединив электроды, ученые получали электрический ток. Ток вначале был невелик, и вся последующая работа над прямым преобразованием энергии топлива в электричество заключалась как раз в увеличении мощности этого процесса.

Ныне существует множество типов установок для преобразования энергии, называемых топливными элементами или, если они работают на водороде, водородными генераторами. Есть высокотемпературные (как горячие аккумуляторы) топливные элементы, а есть работающие и при комнатной температуре. Применяются также элементы с промежуточными температурами: 100...200 градусов по Цельсию. Электролитами могут служить и щелочь и кислота, причем в твердом и жидком виде.

Разнообразно и топливо, которым питаются такие элементы. Это газы – водород и кислород; жидкости – спирт, гидразин; твердые вещества – уголь, металлы. В качестве окислителя используют кислород, воздух, перекись водорода. КПД топливных элементов очень высок, он достигает 70 процентов, что, по меньшей мере, вдвое выше, чем у двигателей.

Как же все-таки работает современный топливный элемент?

Водородно-кислородный топливный элемент: 1 - подача водорода; 2 - электроды; 3 - ионообменная мембрана; 4 - подача кислорода; 5 - фитиль; 6 - сепаратор воды; 7 - удаление воды.

В водородно-кислородном элементе водород поступает на поверхность отрицательного электрода, а кислород – на поверхность положительного электрода. Газы эти доставляются к электродам по трубкам. Ионы водорода в процессе реакции окисления – восстановления соединяются с ионами кислорода, образуя обычную воду. Энергия химической реакции передается электродам в виде электрической энергии.

Получаемая в топливном элементе вода удаляется оттуда через особый фитиль. Она настолько чиста, что ее можно использовать для питья и приготовления пищи. Так поступают, например, космонавты в длительном полете – на космических станциях тоже установлены топливные элементы. Это еще одно достоинство прямого преобразования топлива в ток.

Водородно-кислородные топливные элементы, если брать в расчет только массу топлива – водорода и кислорода, имеют громадную плотность энергии – около мегаджоуля на килограмм. Но ведь надо учитывать и массу самого устройства – топливного элемента со вспомогательным оборудованием. А это уже снижает плотность энергии до уровня обычных электроаккумуляторов – топливные элементы очень тяжелы. Лишь после многочасовой работы, когда будет израсходовано значительное количество водорода и кислорода, топливные элементы окажутся легче электрохимических аккумуляторов с тем же запасом накопленной энергии.

Плотность мощности у топливных элементов совсем мала, около 50 ватт на килограмм массы, или втрое меньше, чем у горячих аккумуляторов. Для автомобилей это явно недостаточно.

Накопители энергии, имеющие в основе своей работы принцип водородного аккумулирования, могут появиться в промышленности и на транспорте в лучшем случае к самому концу нашего века.

Очень уж сложна и трудоемка их разработка, слишком дорогими получаются пока составляющие их устройства.

Интересно, что прямое преобразование химической энергии в электроэнергию свойственно и некоторым видам рыб: например, электрическим скатам. Эта рыба, обитающая в теплых морях, переводит энергию, выделяющуюся при переработке пищи, в электроэнергию, совсем как электрохимические генераторы – топливные элементы. Трудно сказать наверняка, но возможно, скат умеет и накапливать ее, как мы, например, отдыхая, накапливаем силы.

Электрические органы ската, расположенные по бокам головы, весят около пуда. По своему строению они поразительно похожи на батарею гальванических элементов. Состоят эти органы из многочисленных пластинок, несущих положительные и отрицательные заряды, причем пластинки расположены столбиками (как бы соединены последовательно), а столбики связаны между собой. Каждый электрический орган покрыт «электроизолирующей» тканью.

Скат способен давать ток силой 8 ампер при напряжении в 300 вольт, то есть развивать мощность почти 2,5 киловатта, что больше трех лошадиных сил. Это завидные показатели для электроаккумуляторов, во всяком случае для тех, которые мы используем при запуске автомобильных двигателей. Подсчитав плотность мощности электрических органов ската, получим свыше 150 ватт на килограмм! Как отмечают многие исследователи, создание аккумулятора с плотностью мощности 100...150 ватт на килограмм открыло бы широкие возможности для применения электрохимических источников тока на транспорте, в частности для привода электромобилей. Сегодняшним аккумуляторным батареям это пока не под силу. Браво, скат!

Но хотя скат и обогнал аккумуляторную технику, не разводить же его специально для накопления энергии. Нет, скат – не «капсула», он и не захочет быть ею, даже если попытаться одомашнить его для целей электроснабжения. Это все, скорее, из области фантастики...

Неразгаданная тайна шаровой молнии

Поиски «энергетической капсулы» заставили меня поближе познакомиться и с таким загадочным 70 явлением природы, как шаровая молния. По правде говоря, никто пока точно не знает, накопитель это или нет. Но я с некоторой долей риска все-таки решил считать шаровую молнию аккумулятором энергии.

Вот кратко те характеристики шаровой молнии, которые составлены на основе большого количества свидетельств очевидцев: энергия, заключенная в молнии, – от 0,1 до 4 кВт·ч; время существования – от нескольких секунд до минут; масса – от 0,5 до 50 г; плотность – от 0,0013 до 0,015 г/см3.

Конечно, у шаровой молнии есть и другие характеристики, например, сила свечения, скорость движения и т.д., но меня прежде всего интересовали ее аккумулирующие возможности.

В общей сложности учеными собрано несколько тысяч описаний шаровой молнии, естественно, отличающихся друг от друга. Однако особенно примечателен так называемый «опыт с бочонком», описанный английским профессором Б. Гудлетом. Никто не планировал этот эксперимент, просто обстоятельства сложились столь удачно, что профессор даже смог достаточно точно подсчитать внутреннюю энергию (энергоемкость) шаровой молнии.

Шаровая молния размером с большой апельсин (10...15 см диаметром) залетела в дом через окно на кухне и оказалась в бочонке с водой. Хозяин дома, присутствовавший при этом и со страхом ожидавший развязки, заметил, что вода в бочонке, недавно принесенная из колодца, кипит. Вскоре вода перестала кипеть, но и 20 минут спустя в нее нельзя было погрузить руку. Шаровая молния, израсходовав свою энергию на кипячение воды, исчезла без взрыва. Похоже, что она в течение нескольких минут находилась под водой, поскольку ее не было видно.

В бочонке помещалось около 16 литров воды, значит, энергия, необходимая для ее кипячения, должна составлять от 1 до 3,5 кВт·ч. В действительности энергия молнии наверняка была еще больше, так как по пути к бочонку молния пережгла телеграфные провода и опалила оконную раму.

Профессор Гудлет определил также плотность энергии молнии. Зная примерный объем шаровой молнии – около 1 литра и взяв средний показатель плотности 0,01 г/см3, он получил массу 10 г. Это типичная для шаровой молнии масса, в пределах 0,5...50 г. Плотность энергии молнии оказалась соответственно 100 кВт·ч, или 360 мегаджоулей на килограмм массы! То есть плотность энергии шаровой молнии в сотни и тысячи раз выше, чем у лучших электрохимических аккумуляторов!

«Опыт с бочонком» не был единичным. Попадание шаровых молний в баки, канистры и ведра с водой во все последующие времена везде вызывало вскипание содержимого. Просто «опыт с бочонком» профессора Б. Гудлета наиболее подробно и достоверно разобран учеными.

Американский исследователь Гарольд У. Льюис высказал мнение, что если бы объем шаровой молнии был заполнен напалмом или желеобразным бензином, то энергия напалмового шара равнялась бы энергии шаровой молнии таких же размеров. Правда, плотность энергии в этом случае будет в несколько раз меньше – около 50 мегаджоулей на килограмм, но, в общем-то, и это чрезвычайно много!

Из множества попыток объяснить природу шаровой молнии пока ни одна не увенчалась успехом. Мне же наиболее любопытными показались две противоположные гипотезы. Согласно первой из них, выдвинутой в прошлом веке знаменитым французским ученым Домиником Араго, шаровая молния – особое соединение азота с кислородом, энергия взаимодействия которых и расходуется на существование шаровой молнии. Этой же точки зрения придерживался французский астроном и физик Матиас, который полагал, что энергия шаровой молнии – «грозовой материи» – вчетверо больше, чем энергия такого же шара, наполненного нитроглицерином.

К сожалению, подобных соединений химикам создать пока не удалось, хотя, как можно судить по некоторым сообщениям, надежд на это они все-таки не теряют. Уверяют, что горение искусственной «грозовой материи» по своему эффекту будет мало чем отличаться от взрыва шаровой молнии.

Известный советский физик Я.И. Френкель, сторонник первой гипотезы, считал шаровую молнию сфероидным вихрем смеси частиц пыли или дыма с химически активными (из-за электрического разряда) газами. Такой шар-вихрь, подчеркивал ученый, способен на длительное независимое существование. Действительно, согласно наблюдениям, шаровая молния появляется в основном при электрическом разряде в запыленном воздухе и оставляет после себя дымку с острым запахом.

Недавно открытое советскими учеными явление хемилюминесценции вновь вызвало интерес к первой гипотезе возникновения шаровой молнии. Ряд исследователей утверждают, что шаровая молния не что иное, как хемилюминесцентное образование – ХЛО, которое тоже наблюдается в запыленном воздухе.

Шаровая молния, залетевшая в крестьянский дом. Старинная гравюра.

Так или иначе, но эта гипотеза, по которой вся энергия шаровой молнии находится внутри ее самой, нравилась мне больше остальных. Может быть, потому, что она позволяет считать шаровую молнию накопителем энергии.

Совершенно противоположную точку зрения на происхождение шаровой молнии высказал академик П.Л. Капица. Прежде всего он считает неприемлемой первую гипотезу, так как она якобы противоречит закону сохранения энергии. «Если в природе, – пишет П.Л. Капица, – не существует источников энергии, еще нам неизвестных, то на основании закона сохранения энергии приходится принять, что во время свечения шаровой молнии непрерывно подводится энергия, и мы вынуждены искать этот источник энергии вне объема шаровой молнии».

При этом П.Л. Капица ссылается на так называемое высвечивание, то есть прекращение сияния шаровой молнии. Время высвечивания сияющего шара прямо пропорционально его диаметру. Экспериментальные ядерные взрывы показали, что огненное облако диаметром в 150 метров высвечивается примерно за 10 секунд. Стало быть, шаровая молния диаметром 10 сантиметров (наиболее вероятный ее размер) высветится всего за 0,01 секунды!

Исходя из этого, П.Л. Капица полагает, что шаровую молнию, существующую в тысячи раз дольше расчетного времени, питают приходящие извне радиоволны, преимущественно длиной от 35 до 70 сантиметров. Взрыв шаровой молнии объясняется внезапным прекращением подвода энергии (например, если резко меняется частота электромагнитных колебаний) и представляет собой простое «схлопывание» разреженного воздуха.

Хотя эта теория нашла горячих приверженцев, многое в ней не соответствует наблюдениям. Во-первых, радиоволны в диапазоне 35...70 сантиметров, появляющиеся в результате атмосферных разрядов, современными радиоустановками не зафиксированы. Во-вторых, эта теория не соответствует «опыту с бочонком», описанному профессором Б. Гудлетом. Дело в том, что вода является практически непреодолимой преградой для радиоволн. Если бы даже их энергия передалась воде мгновенно, это не вызвало бы сколько-нибудь заметного нагрева ее.

Неувязка получается и со взрывом шаровой молнии. Хорошо известно, что этот взрыв способен вызвать большие разрушения. Шаровая молния легко переламывает при соприкосновении толстенные бревна, волочит по земле тяжелые предметы, переворачивает трактора, совершает другие «силовые» трюки. Взрыв молнии, нередко оглушительный, способен разнести в куски прочнейшие предметы. Был даже случай, когда шаровая молния «нырнула» в реку и взорвалась там, подняв огромный фонтан воды. «Схлопывание» же шаровой молнии по своему эффекту напоминало бы скорее лопающийся резиновый воздушный шарик. Что касается высвечивания, которое приводят в качестве основного аргумента критики гипотезы внутренней энергии шаровой молнии, то длительность его вовсе не противоречит закону сохранения энергии при допущении, что энергия переходит в свечение не сразу, а постепенно. Если внутренняя энергия шаровой молнии как аккумулятора выделяется медленно, то свечение может продолжаться достаточно долго. Так например, литр легкого газа ацетилена, медленно сгорая в воздухе, обеспечивает яркое свечение, соизмеримое с силой света шаровой молнии, в течение нескольких десятков секунд. А ведь вещество шаровой молнии может таить энергию и в сотни раз большую.

Я уже почти не сомневался, что шаровая молния несет свою энергию внутри себя. То есть она и есть настоящая «энергетическая капсула», только созданная не человеком, а искусницей природой.

Однако загадка шаровой молнии до сих пор остается неразгаданной, пока не удалось получить шаровую молнию искусственно. Возможно, что, добившись этого, человек будет иметь едва ли не самый емкий аккумулятор энергии! Но в нынешнем виде «грозовая материя» показалась мне слишком опасной, чтобы строить «капсулу» на ее основе.