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TRASPORTO PERSONALE: TERRA, ACQUA, AEREO
Trasporti del futuro. Trasporto personale
Elenco / Trasporto personale: terra, acqua, aria Gli scienziati che si occupano dei problemi del futuro - i futurologi - stanno già cercando oggi di determinare come sarà il mondo intorno a noi, diciamo, entro la fine del secondo millennio o addirittura tra 100 anni. Allo stesso tempo, alcune cose sono visibili con relativa facilità, mentre altre sono difficili da vedere. Ma possiamo affermare con fermezza che tra 50, 100 o più anni i trasporti esisteranno. E non solo esistono, ma si sviluppano anche costantemente. Gli scrittori di fantascienza a volte esprimono l'idea che in futuro la maggior parte delle informazioni verrà trasmessa principalmente attraverso la comunicazione, dai videotelefoni ai canali laser. Non viene preso in considerazione il ruolo del trasporto come vettore non solo di merci, ma anche di informazioni. Ma questo è tutt’altro che vero. Il vantaggio del trasporto sta proprio nel fatto che garantisce la circolazione non solo di merci, ma anche di persone, i più capienti portatori di informazioni. Il famoso scienziato dei trasporti sovietico, Professor V.N. Ivanov, sottolinea: “Le persone hanno bisogno di una comunicazione diretta, e né il telefono, né la TV, né qualsiasi altra cosa può sostituirla”. Non è un caso che, nonostante i notevoli progressi nelle comunicazioni, i trasporti continuino oggi a migliorare rapidamente. Come si svilupperà in futuro? Fondamentalmente i problemi si possono ridurre a quanto segue: i veicoli da trasporto, o meglio i loro motori, devono diventare rispettosi dell'ambiente, o, come si suol dire, “eco-friendly”. Per allungare il più possibile il consumo di carburante e di risorse energetiche del nostro pianeta, i motori devono diventare quanto più economici possibile, prestando molta attenzione alla sicurezza dei veicoli, così come ai problemi tradizionali come l’ulteriore aumento della velocità, capacità di attraversare il paese e comfort Verranno creati e sviluppati nuovi tipi di trasporto specializzati per l'economia nazionale Ma come sarà il trasporto del futuro, i suoi motori? Ne esistono già dei prototipi, ai nostri giorni? I materiali proposti sono dedicati a tutti questi temi. 1. Termico - "per" e "contro" L’umanità riconoscente accusa. È così che possiamo formulare l'atteggiamento attuale nei confronti del motore più popolare, quello termico, e in particolare del motore a combustione interna (ICE). Ci sono fondamentalmente due articoli di “colpa” dei motori termici davanti all’umanità. Il primo è il consumo barbarico e antieconomico di risorse naturali insostituibili. Il secondo è l’inquinamento ambientale dovuto ai gas di scarico tossici e ad altri rifiuti generati dall’energia, compreso il calore in eccesso, il rumore e gli odori. Ormai si dice parecchio su tutto questo. Così come l'inesorabile conclusione che ne consegue: se i motori termici non vengono migliorati (o abbandonati del tutto), allora il pianeta nel prossimo futuro, misurato in sole decine di anni, sarà minacciato, in primo luogo, dalla carenza di carburante a causa del completo esaurimento delle riserve di combustibile naturale; in secondo luogo, l'avvelenamento di massa dell'umanità da parte dei prodotti della combustione di questo combustibile e il possibile riscaldamento eccessivo (peggiore che nel bagno turco più caldo!) dell'atmosfera. Quindi, miglioramento o completo fallimento. Se ricordiamo che i motori termici sono installati su centinaia di milioni di automobili, motociclette, trattori, mietitrebbie, aeroplani, navi, barche a motore e altre macchine, diventa chiaro che le persone non possono ancora abbandonarli completamente. Tuttavia, è necessario assicurarsi che, pur allungando la loro età, non si riduca significativamente l’età della propria! Come “conciliare” un motore termico e una persona?
La risposta è semplice e complessa: è necessario eliminare la tossicità dei gas di scarico dei motori termici e aumentarne l'efficienza. Il danno principale deriva dal monossido di carbonio, dagli ossidi di azoto e dagli idrocarburi (aldeidi) contenuti nei gas di scarico, nonché dalle sostanze cancerogene. Ma ovviamente possono essere catturati? Sì, tali trappole neutralizzanti sono già state create: liquide, al plasma, catalitiche e combinate. Di solito vengono installati all'uscita del gas dietro il tubo di scarico del motore. Tutti questi accorgimenti, però, risolvono solo in parte il problema: anche con essi, il motore stesso resta lo stesso vorace mostro meccanico. Per secoli, il sogno degli specialisti di motori è stato quello di costruirne uno in cui il pistone non eseguisse movimenti alternativi, ma solo ruotasse. Ciò prometteva una significativa riduzione delle dimensioni e del peso del motore, riducendo il consumo di carburante e l'emissione di prodotti di combustione tossici. Il professor F. Wankel si è avvicinato più di chiunque altro alla soluzione di questo problema. Molti esperti ritengono che il motore rotativo da lui creato potrebbe diventare il principale motore a combustione interna dell'automobile. Ricordiamo come è progettato e funziona un Wankel. Nel suo corpo è presente una cavità di configurazione complessa, in cui ruota un rotore-pistone di forma triangolare, collegato all'albero tramite ingranaggi. Si trova liberamente sull'albero eccentrico, il cui centro coincide con il centro dell'ingranaggio stazionario. Percorrendolo lungo una curva complessa, il pistone rotore tocca costantemente le pareti interne dell'alloggiamento con le sue parti superiori. Per la compattazione, ai vertici vengono installate piastre mobili, in questo caso i volumi delle camere formate dalle superfici del rotore-pistone e dalle pareti dell'alloggiamento cambiano in sequenza. È qui che avvengono i processi di aspirazione, compressione e accensione del carburante, espansione e gas di scarico. L'apertura e la chiusura dei canali di aspirazione e scarico è effettuata dallo stesso rotore-pistone. Pertanto, in un giro completo, tutti i processi di un motore a quattro tempi convenzionale si svolgono in un motore Wankel e contemporaneamente in diverse camere di lavoro: con lampi di carburante accesi da una candela, tre tempi di lavoro, tre gas di scarico, tre apporti di miscela fresca. Il motore Wankel si è rivelato non solo il più compatto e leggero (uno dei suoi primi prototipi con una potenza di circa 30 CV pesava solo 10 kg), ma anche con la velocità più elevata. A ciò si aggiunge il fatto che può funzionare con carburante diesel economico. Sembrerebbe che questa sia la soluzione al problema. Ma... per quanto "saggi" siano stati i progettisti, non è ancora stato possibile ottenere l'affidabilità delle guarnizioni del rotore rotante. Questo difetto, che impedisce soprattutto un ulteriore miglioramento del motore, è la vera piaga dei motori di questo tipo. Un'altra direzione di ricerca è lo sviluppo dei motori attualmente utilizzati nell'aviazione: motori a turbina a gas (GTE). Sono molto più piccoli dei motori a combustione interna della stessa potenza, più semplici e affidabili nel funzionamento. Nonostante il consumo di carburante leggermente aumentato, emettono prodotti meno tossici, in particolare biossido di azoto. Ciò è spiegato dal fatto che nei motori a turbina a gas la combustione del carburante avviene continuamente, a pressioni e temperature inferiori rispetto ai motori a pistoni. Un motore a turbina a gas è anche un motore a combustione interna. Solo in esso la compressione della miscela combustibile viene effettuata da un compressore (solitamente centrifugo). L'aria esterna, entrando nel compressore, ruota insieme alle sue pale, viene compressa sotto l'azione della forza centrifuga, quindi riscaldata nello scambiatore di calore ed entra nella camera di combustione. Come risultato della combustione della miscela, i gas caldi premono sulle pale della turbina, sull'asse della quale si trova il compressore. Una volta saliti sulle pale della girante della turbina, spendono la maggior parte della loro energia svolgendo un lavoro utile. Questo è lo schema di principio del funzionamento della cosiddetta turbina a gas a due alberi. Differisce in quanto entrambe le turbine, alta (compressore) e bassa pressione (esercizio), sono cinematicamente completamente indipendenti. Per i veicoli vengono sviluppate turbine monoalbero e a tre alberi. Resta da vedere quale di questi progetti sarà il più promettente. Molto probabilmente, a seconda della potenza e della specializzazione richieste dell'auto, ognuno di essi avrà diritto a un ulteriore sviluppo. In tutti i motori sopra discussi, il carburante viene bruciato nella camera di combustione, all'interno della cavità in cui si trova il rotore, il pistone o la turbina. È molto difficile controllare la combustione lì, quindi spesso il carburante non viene completamente bruciato e vengono rilasciati molti prodotti tossici. Successivamente considereremo i motori in cui il carburante viene ossidato all'esterno della cavità di lavoro (cilindri). Per analogia con i motori a combustione interna, possono essere chiamati motori a combustione esterna. I principali sono i motori a vapore e i motori Stirling. La seconda era dei motori a vapore è iniziata solo pochi anni fa, quando i più grandi centri di ricerca hanno iniziato a progettarli su basi moderne. Questi motori hanno molte caratteristiche interessanti: coppia iniziale elevata, assenza di un cambio complesso ed emissioni di scarico complete. E il dinamismo di un motore a vapore è uno dei vantaggi importanti. Migliorando i vecchi schemi, è stato possibile superare i problemi della classica macchina a vapore come il pericolo di esplosione della caldaia, il peso proibitivo, la difficoltà di avviamento e la difficoltà di utilizzare l'acqua come liquido per la formazione di vapore in inverno. Le caldaie per acqua calda ingombranti e pericolose sono state sostituite da generatori di vapore tubolari compatti. È stato possibile adattare con successo tutte le unità alle dimensioni di un'autovettura. Un altro promettente ramo di ricerca è legato al motore inventato nel lontano 1816 dallo scozzese R. Stirling. Questo motore a combustione esterna era un tubo, tappato ad entrambe le estremità, in cui scorreva un pistone. La cavità su un lato del pistone veniva continuamente riscaldata e dall'altro veniva raffreddata. Il gas freddo veniva liquefatto e pompato nella cavità calda. Qui, con il pistone fermo, la sua temperatura e pressione aumentavano a causa del riscaldamento. Dopo che il gas ha raggiunto i suoi parametri massimi, il pistone ha iniziato a muoversi, effettuando una corsa di lavoro. Il gas espanso veniva poi pompato in una cavità fredda, dove, raffreddato continuamente, veniva compresso da un pistone in movimento. Il ciclo si è ripetuto.
Poiché per comprimere un gas freddo viene impiegato meno lavoro meccanico di quello rilasciato durante l'espansione di un gas caldo, il motore Stirling generava energia meccanica in eccesso. È chiaro che tale funzionamento del motore non potrebbe essere particolarmente economico. Tuttavia, se il gas freddo compresso, prima di essere immesso nella cavità calda, viene riscaldato con il calore rimosso durante il raffreddamento del gas caldo, lo Stirling può diventare un motore molto economico, superando in efficienza sia i motori a carburatore che quelli diesel. Un dispositivo per il riscaldamento del gas - un contenitore chiamato rigeneratore - fu proposto una volta dallo stesso autore dell'invenzione. Al giorno d'oggi, l'efficienza di tale riscaldatore è stata aumentata al 98%. E le cavità del motore iniziarono a riempirsi di idrogeno o elio compresso a 100-200 atm. Anche l'azionamento dei pistoni Stirling è stato migliorato, rendendolo simile all'azionamento di una pompa a pistoni assiali - con una rondella obliqua. Di conseguenza, lo Stirling modernizzato è adatto alla maggior parte delle macchine che utilizzano motori termici. La sua tossicità è centinaia di volte inferiore a quella di un carburatore e funziona quasi silenziosamente. Ma per ora gli Stirling sono complessi, costosi e più pesanti di quelli a carburatore. Eppure, i motori discussi sopra sono consumatori prevalentemente attivi di carburante naturale. E le sue riserve non sono illimitate. Pertanto, i tentativi di utilizzare l’idrogeno prodotto artificialmente come combustibile sono di grande interesse. Può essere estratto dall'acqua, decomponendola con corrente elettrica, luce solare, alta temperatura con catalizzatori. Il vantaggio principale di tale carburante è che la tossicità dei prodotti della combustione è molto inferiore a quella della benzina. Ad esempio, si formano 200 volte meno ossidi di azoto e nei gas di scarico non sono presenti monossido di carbonio o idrocarburi. Tuttavia, sorgono altri problemi, ad esempio lo stoccaggio del gas nelle bombole. Tuttavia, gli scienziati propongono di saturare gli idruri di alcuni metalli con idrogeno, che lo assorbe come una spugna. È interessante notare che i serbatoi pieni di idruro contengono 40 volte più idrogeno di quelli vuoti. Vengono inoltre creati motori che utilizzano i fattori naturali più inaspettati: radiazione solare, evaporazione, osmosi. Non è un caso che vengano definiti esotici: finora hanno una distribuzione molto ridotta. Ma il crescente interesse per le fonti energetiche rispettose dell’ambiente porterà sicuramente ad un aumento del loro ruolo. Saranno utili anche nel trasporto spaziale: rover planetari, sistemi di manutenzione per stazioni orbitali. Un esempio di motori esotici è il cosiddetto motore ad assorbimento di luce. Il cilindro funzionante al suo interno ha una finestra trasparente attraverso la quale passa la luce solare o un raggio laser, riscaldando il gas nel cilindro. Grazie a questo riscaldamento la corsa di lavoro viene completata. Un campione sperimentale di un motore laser produce fino a 600 giri al minuto con una potenza del dispositivo di 30 W. L'efficienza di questo motore, tuttavia, non superava il 2%. Sono noti motori alimentati dalla radiazione solare. Viene convertito utilizzando le fotocellule in corrente elettrica.
E piuttosto insoliti sono i modelli di motori che funzionano grazie alla “memoria” scoperta nella lega di nitinol. Saldato in nichel e titanio, ha l'insolita proprietà di ricordare la forma che gli viene data quando riscaldato. Puoi, ad esempio, torcere una striscia di questa lega in una spirale: riscaldata e raffreddata alternativamente, diventerà di nuovo una striscia, quindi girerà indietro e così via innumerevoli volte. Gli ingegneri americani sono riusciti a utilizzare questa proprietà per costruire un motore. La sua base è una ruota con raggi curvi, che a caldo erano dritti. Quando un tale raggio viene immerso in un bagno di acqua calda, si raddrizza e spinge la ruota. Immediatamente il ferro da maglia cade nell'acqua fredda e si piega, e un nuovo ferro piegato prende il suo posto nel bagno caldo. Per il funzionamento del motore è sufficiente una differenza di temperatura di soli 23°. Gli inventori ritengono che questo strano motore aiuterà, ad esempio, a sfruttare il calore portato via dall'acqua di raffreddamento delle centrali nucleari. Sono possibili anche motori in cui viene utilizzato il calore solare (o qualsiasi altro) per modificare le proprietà magnetiche dei metalli. Grazie a ciò si possono ottenere anche lavori meccanici. Un esempio di ciò è il motore proposto dall'inventore e giornalista A.G. Presnyakov. È estremamente semplice, costituito da un cerchio con raggi e niente di più. Il cerchio è realizzato in una lega ferromagnetica, che perde le sue proprietà magnetiche a +65 °C. (Oggi sono già note leghe in cui questa perdita avviene a temperature più basse.) Installare un potente magnete permanente abbastanza vicino al cerchio e non scaldarlo nemmeno, ma illuminare solo qualsiasi sezione del cerchio finché non perde le sue proprietà magnetiche, poiché il magnete inizia per attirare le sezioni vicine del cerchione, facendolo girare. Non dovresti pensare che un motore del genere sia molto debole. L'ascensore solare, costruito da Presnyakov, pompava fino a 800 litri d'acqua all'ora nel deserto. Presnyakov ha anche realizzato un carro che rotola alla luce di una potente lampada elettrica. In linea di principio, qualsiasi giovane designer può costruire un modello del genere.
Alcuni inventori stanno cercando di sfruttare il fenomeno dell'osmosi per produrre lavoro meccanico. Come è noto, consiste nella diffusione di una sostanza attraverso una parete semipermeabile, a causa della quale si crea un eccesso di pressione osmotica. Nel Regno Unito è stato rilasciato il brevetto n. , secondo gli inventori, per l'uso nelle automobili. L'ingegnere sovietico P. Rogovik di Makeevka propone un motore osmotico a bassa velocità molto semplice e di bassa potenza, basato sul rigonfiamento dei materiali quando sono inumiditi. Ecco come si gonfia la gelatina, per esempio. L'inventore ha inserito un anello di questo materiale tra due rulli immersi nell'acqua fino al livello degli assi. Le parti dell'anello poste al di sotto del livello si dilatano per rigonfiamento ed esercitano pressione sui rulli facendoli ruotare. Insieme ai rulli anche l'anello ruota lentamente. Le sue parti rigonfie si sollevano gradualmente, mentre le parti secche scendono, assorbono acqua, si gonfiano e fanno pressione sui rulli, continuando a farli ruotare. Le parti dell'anello che escono dall'acqua si asciugano e il ciclo continua. I giovani designer possono realizzare un altro modello di motore esotico. Funziona grazie all'energia luminosa proveniente da una lampada elettrica o dal sole, focalizzata attraverso una lente. Per costruirlo avrete bisogno di diverse piastre bimetalliche, come quelle utilizzate in vari relè termici. È noto che una piastra bimetallica, assemblata da due strisce di metallo con diversi coefficienti di dilatazione termica, si piega abbastanza fortemente quando riscaldata. Il cilindro di lavoro, realizzato, ad esempio, in plastica, è “rivestito” attorno al perimetro con piastre bimetalliche fissate al cilindro ad un'estremità. Dall'altra parte ci sono i pesi. Il cilindro è montato su un raggio montato su due boccole sui bordi di un recipiente. Nello stato normale, le piastre sono curvate attorno alla circonferenza del cilindro. Quando viene riscaldata, la piastra si raddrizza e si allontana dalla parete, l'equilibrio delle forze dei pesi viene interrotto e il cilindro ruota. Il posto di questo record è preso da uno nuovo, La E raddrizzata viene raffreddata e nuovamente premuta contro la parete del cilindro. Per accelerare il raffreddamento, puoi versare acqua fredda nella nave. 2. Banca di potenza Abbiamo parlato del fatto che i motori termici vengono costantemente migliorati: il consumo di carburante e la tossicità dei gas di scarico sono ridotti. Ma sorge una domanda giusta: è possibile fare a meno di queste qualità negative? A questa domanda si può rispondere positivamente: è possibile ottenere energia per veicoli che non necessitano di combustione di carburante, e poi “affidare” questa energia al consumatore, accumulandola nelle batterie. Al giorno d’oggi, la maggior parte dell’energia nel mondo è generata da centrali termoelettriche – TPP. Se li immaginiamo sotto forma di motori speciali di dimensioni colossali, vedremo che sono il più economici possibile e l'atmosfera ne soffre meno; su dispositivi fissi di potenza maggiore è molto più facile regolare la corretta combustione del carburante che su migliaia di piccoli motori, le cui condizioni operative cambiano ogni minuto. Ma... I TPP non superano il test di compatibilità ambientale, cioè l'assenza di effetti dannosi sui processi naturali che si verificano nell'area di applicazione di questa o quella tecnologia. L’umanità, però, utilizza anche fonti energetiche rispettose dell’ambiente, e le fonti sono praticamente inesauribili. Questa è l'energia del sole, dei fiumi, delle maree, del vento, del calore interno della terra, del calore dell'oceano e delle correnti. Le centrali nucleari (in futuro anche termonucleari) sono relativamente innocue. L'energia ottenuta da queste fonti può essere consegnata al consumatore in vari modi. Se quest'ultimo è fermo o legato ad un percorso specifico (treno, tram, filobus), lasciare funzionare i cavi elettrici. Se il consumatore è mobile, l'energia dovrà essere precedentemente accumulata per poter utilizzare in questo modo la "energia in scatola" nera durante gli spostamenti. A proposito, tale energia è stata utilizzata fin dai tempi antichi. Le prime batterie erano, ovviamente, i dispositivi meccanici più semplici in cui una persona immagazzinava energia potenziale. Pesi sollevati, scoreggia allungata, catapulta: questi tipi di batterie vengono utilizzati da tempo immemorabile. Oggi esistono batterie simili. Sono ampiamente utilizzati sotto forma di molle di avvolgimento: negli orologi, negli strumenti e nei giocattoli per bambini. In precedenza, trovavano applicazione anche nei veicoli: ad esempio, venivano costruiti enormi carri a molla, sui quali gli imperatori facevano viaggi cerimoniali. Le molle venivano costantemente caricate dagli schiavi nascosti all'interno del carro. Tuttavia, le batterie a molla hanno una bassa densità di energia, cioè la quantità di energia contenuta in un'unità di massa. È molto maggiore nelle batterie elastiche in gomma. Ogni modellista sa che i motori realizzati con corde elastiche sollevano in aria modellini di aeroplani ed elicotteri. Naturalmente ci sono degli svantaggi qui: CPC basso, fragilità.
Per i veicoli da trasporto è più adatta un'altra batteria, che può accumulare così tanta energia da poter percorrere decine e addirittura centinaia di chilometri. Questo è gas compresso. L'accumulo di energia avviene quando il gas viene pompato in una bombola sotto pressione; rilascio - quando il gas viene rilasciato da una bombola. Ciò che funziona qui è un motore pneumatico, simile a quelli utilizzati, ad esempio, negli utensili manuali pneumatici: avvitatori a percussione, trapani. Nel 1876 nella città francese di Nantes fu costruito un tram ad aria compressa. Ha percorso un percorso di sei chilometri con una stazione di servizio. Compresso a 30 atm. Dieci cilindri con un volume totale di 2800 litri erano riempiti d'aria. Il consumo è stato di 8 kg di aria per chilometro di viaggio. La riserva totale era sufficiente per 10-12 km. Questa idea non è stata dimenticata oggi. Gli accumulatori pneumatici sono comparsi sulle auto che operano in ambienti urbani: l'azienda Sorgato in Italia sta sperimentando una macchina dotata di nove bombole d'acciaio di aria compressa. È sufficiente percorrere circa 100 km ad una velocità di 50 km/h. Il peso del “veicolo pneumatico” è di circa mezza tonnellata. L'accumulatore pneumatico viene anche “caricato” con altri gas, molto spesso azoto liquido, di cui 50 litri sono sufficienti per un chilometraggio del veicolo di 230 km. Ma la batteria a gas presenta anche degli svantaggi, e significativi. Pertanto, quando il gas viene pompato, si riscalda e quando viene rilasciato si raffredda. E questa è una perdita improduttiva di energia termica. Un altro accumulatore di energia è più promettente: il volano. Durante la rotazione accumula energia meccanica sotto forma di energia cinetica ed è presente nel volano finché gira. Uno dei volani più antichi, vecchio di oltre 55mila anni, è stato scoperto dall'archeologo Leonard Woolley durante gli scavi in Iraq: un'enorme ruota che serviva a un antico maestro come tornio da vasaio. Nel corso del tempo, il volano ha subito modifiche significative e si è trasformato in un disco d'acciaio, la cui forma è dettata dal requisito di “uguale forza”: dopotutto, sono aumentate anche le velocità di rotazione. Oggi viene posto in una camera a vuoto per ridurre perdite molto significative dovute all'attrito con l'aria. Allo stesso scopo, al posto dei cuscinetti, vengono utilizzati supporti magnetici; le perdite per attrito contro di essi sono praticamente eliminate. Gli scettici hanno mantenuto la loro posizione per molto tempo, sottolineando lo svantaggio principale del volano come batteria: la bassa densità di energia. A cosa era collegato questo? Sembrerebbe che tutto sia semplice: aumentando la velocità di rotazione, diciamo della metà, noi, come è noto dalla fisica, aumentiamo di quattro volte l'energia cinetica del volano. Ma allo stesso tempo, anche i carichi meccanici sul corpo del volano aumentano di quattro volte, portando alla sua rottura con la formazione di frammenti che rappresentano un grande pericolo per gli altri. E poi la ricerca di scienziati e designer ha portato alla creazione dei cosiddetti supervolani, realizzati con fibre sottili o nastri mediante avvolgimento. Il fatto è che i moderni materiali simili a fili e nastri hanno una forza enorme, molte volte più forte di un monolite realizzato con lo stesso materiale. Anche la rottura del supervolano è più sicura: fibre o nastri sottili non formano frammenti che possono causare gravi distruzioni. L’autore di queste righe ha dovuto testare la rottura di un volano a super cinghia: non riusciva a sfondare nemmeno un involucro spesso due millimetri, mentre i volani monolitici non reggevano pareti alte un metro. La cosa principale è che la densità energetica di un super volano è molto maggiore di quella di quelli monolitici. Teoricamente, è anche significativamente superiore a quello delle batterie elettriche, ma praticamente non è inferiore a loro. Le batterie però si caratterizzano non solo per la densità di energia, ma anche per la densità di potenza: cioè la potenza che sviluppa ogni chilogrammo di massa. E in questo indicatore il volano non ha eguali. Il supervolano è quindi una promettente batteria (e motore) per i trasporti del futuro. Fornisce un'accelerazione rapida dell'auto e una frenata altrettanto efficace, ha una maggiore durata - in una parola, tutte quelle qualità che sono necessarie per un'auto a batteria e di cui ora manca così tanto. Il super volano è particolarmente promettente per la guida di autobus, treni della metropolitana, taxi e altri mezzi di trasporto urbano che operano secondo un programma ciclico e intenso, con frequenti accelerazioni e frenate. I moderni supervolani in una camera di rotazione sotto vuoto trattengono l'energia anche per settimane e campioni speciali di batterie per volani possono mantenerla per anni. In termini di durata di accumulo dell'energia, hanno solo un degno rivale: batterie elettriche o, più correttamente, elettromeccaniche. Sono stati creati relativamente di recente, anche se la data della loro comparsa può essere considerata il 1799, quando Alessandro Volta, posizionando elettrodi di rame e zinco in acido solforico diluito, ricevette la prima cella galvanica. Dopotutto, quasi tutte le celle galvaniche possono, in linea di principio, diventare una batteria se la corrente la attraversa nella direzione opposta, caricandola. Anche le normali batterie a secco utilizzate per torce elettriche e radio a transistor possono essere caricate 8-10 volte come una batteria. Un'altra cosa è che tale "ricarica" non è particolarmente redditizia dal punto di vista economico: l'efficienza è molto bassa. Ma, devi ammetterlo, è ancora molto più alto di quello di una batteria scartata. Le batterie vere, sebbene più costose delle batterie galvaniche convenzionali, possono sopportare non 8-10 cicli di ricarica, ma più di cento volte di più. Pertanto, immagazzinare energia nelle batterie elettriche non è molto costoso. Le batterie al piombo sono le più diffuse tra le batterie elettriche; vengono installati su ogni vettura come batteria di avviamento. Questi sono grandi lavoratori modesti, non brillano con indicatori di energia e potenza, ma sono abbastanza economici: hanno un'elevata efficienza. È vero, non tollerano il gelo, le correnti elevate o le forti scariche. Al contrario, una batteria alcalina è senza pretese, ma ha una bassa efficienza: fino a 0,4-0,5 rispetto a 0,75-0,8 di una batteria al piombo. Non puoi aspettarti molto da queste due batterie. La loro densità di energia e potenza è bassa e un'auto con un tale carico trasporterà principalmente se stessa: sono così pesanti. Gli scienziati oggi ripongono speranze speciali nelle superbatterie: zolfo di sodio, cloro di litio, ecc. Mantengono una temperatura elevata (300 - 600 °), l'elettrolita è fuso. Naturalmente, la distruzione di una batteria del genere in un incidente stradale non promette nulla di buono e la loro efficienza è bassa, soprattutto considerando la necessità di riscaldarne il contenuto. Tuttavia, la densità di energia è molto elevata, dieci volte superiore a quella del piombo-acido, e la densità di potenza è due volte più elevata, fino a 150 W per chilogrammo di massa. Va notato che tali "super accumulatori" non hanno ancora lasciato le mura dei laboratori e resta ancora da lavorare su di essi. Infine, non possiamo non citare le cosiddette celle a combustibile, che permettono di convertire direttamente l'energia del combustibile in corrente elettrica. I più interessanti tra questi sono gli elementi ossigeno-idrogeno, che sfruttano il processo di decomposizione dell'acqua direttamente nell'elemento stesso; Contiene anche contenitori per lo stoccaggio dei gas risultanti. L'idrogeno e l'ossigeno vengono nuovamente combinati in acqua, ad esempio con l'aiuto di catalizzatori, alta temperatura, ecc. In questo caso, l'energia elettrica spesa durante la decomposizione dell'acqua viene rilasciata e l'energia della batteria viene rilasciata in idrogeno e ossigeno. Le celle a combustibile sono molto promettenti per i veicoli elettrici, ma sono ancora molto pesanti e costose.
Gli accumulatori di energia termica si distinguono. Da soli non possono far muovere l'auto, ma in combinazione con un motore termico, ad esempio Stirling, possono fornire buoni risultati. Abbiamo già menzionato uno scooter che funziona per circa cinque ore con un secchio di fluoruro di litio fuso, un accumulatore di calore. Un thermos con acqua calda, una pietra calda al sole, un ferro caldo, in una parola, qualsiasi corpo riscaldato è un accumulatore di energia. Esistono però composti che possono accumularlo decine di volte di più di un semplice corpo riscaldato alla stessa temperatura. È noto dalla fisica che quando una sostanza cristallina si scioglie, la sua temperatura non aumenta di un solo grado finché non viene spesa una certa quantità, di solito piuttosto grande, di calore: il cosiddetto calore latente di fusione. Durante la solidificazione, questo calore viene rilasciato, anche senza modificare la temperatura della sostanza. È su questo fenomeno che vengono costruiti i cosiddetti accumulatori a fusione termica. Se la temperatura richiesta è bassa, inferiore a 100°, come sostanza della batteria vengono utilizzati diversi idrati cristallini. Per temperature di 600-800° sono più adatti i fluoruri di litio e gli ibridi; sopra - siliciuri e boruri di alcuni metalli: Le batterie termiche immagazzinano enormi quantità di energia, più di qualsiasi tipo di batteria più promettente. L'unico problema è che quando si tenta di utilizzare questa energia sotto forma di energia meccanica, elettrica e di altro tipo "qualitativa", la maggior parte dell'energia viene persa, andando a riscaldare l'ambiente. Inoltre, la massa del dispositivo che converte il calore in un tipo di energia di “alta qualità” (ad esempio un motore Stirling, termocoppie, ecc.) riduce significativamente un indicatore come la densità energetica dell'intero dispositivo, portandolo più vicino ai tipi più comuni di accumulatori di energia, tuttavia anche oggi la batteria termica può avere un buon utilizzo, ad esempio, per riscaldare un veicolo da trasporto, alimentato da un'altra batteria di energia: elettrica, papavero. Quando parliamo di batterie, ci riferiamo sempre al loro indicatore principale: la densità di energia. Per le loro varie tipologie, se espresse in kilojoule per chilogrammo di massa risulta essere la seguente: per batterie a energia potenziale: molle in acciaio - 0,32; gomma - 32; gas e idrogas - 28. Accumulatore termico con motore Stirling - 9. Batterie elettrochimiche: piombo-acido - 64; nichel-cadmio (alcalino) - 110; zolfo-sodio - 800; cella a combustibile in diversi tempi di disaccoppiamento - 15-150. Batterie volano: disco in acciaio con foro - 30; disco solido di uguale forza - 120; super volano in nastro - 150; super volano in fibra speciale - 650 (modello). Tuttavia, non dobbiamo dimenticare che le batterie al volano hanno riserve di accumulo di energia molto grandi. Ad esempio, se realizzi un supervolano in fibra di quarzo, che finora esiste solo nei laboratori, sarai in grado di aumentare la densità di energia fino a 5000 kilojoule per chilogrammo. E se usiamo la fibra di carbonio “super-rara” con struttura a diamante, otteniamo una cifra assolutamente fantastica: 15 kJ/kg! Gli scienziati giapponesi sono recentemente giunti a queste conclusioni. In conclusione vorrei proporre la costruzione di un interessante modello di motore “perpetuo”, alimentato dall'energia accumulata ottenuta da un semplice accumulatore termico. Per fare questo, realizzeremo un cappuccio cilindrico incollandolo con cera o altra carta sottile e resistente con una parte superiore in carta Whatman o foglio di alluminio rigido. Questa copertura avrà l'aspetto di una turbina formata da ritagli con bordi piegati; l'angolo di piegatura ottimale può essere determinato sperimentalmente. Al centro della turbina è attaccata alla colla una presa di metallo leggero: una spora con un incavo conico in cui è inserita la punta dell'ago. L'estremità smussata dell'ago entra nel tappo, montato su un pesante supporto ignifugo utilizzando un treppiede di filo spesso. Il cappuccio non si deforma sull'ago e ruota facilmente con una leggera spinta o colpo dal basso. Per mettere in moto un simile “perpetuummobile” è necessario posizionare un blocco di metallo riscaldato a 300-400° su un supporto e coprirlo con un cappuccio. Il pannello dell'accumulatore di calore provocherà un movimento d'aria all'interno della cappa dal basso verso l'alto. Passando attraverso la turbina, l'aria la farà ruotare tanto più velocemente quanto più l'accumulatore di calore verrà riscaldato. Si possono ottenere risultati ancora migliori se il pezzo grezzo viene sostituito con un barattolo di piombo o zinco fuso. Quindi otterremo una vera batteria che si scioglie. È meglio, ovviamente, usare fluoruro di litio o idruro di litio. Qui devi stare molto attento a non scottarti o appiccare un incendio e l'esperimento dovrebbe essere condotto in un laboratorio fisico o in un'officina appositamente attrezzati. Qualcuno potrebbe dire che con questo tappo è più semplice coprire una lampada elettrica. Successivamente la calotta-paralume (che può essere verniciata) ruoterà finché la lampada sarà accesa. Ma allo stesso tempo faremo funzionare un motore termico convenzionale senza accumulo di energia. Abbiamo parlato solo di alcune tipologie di motori termici in fase di sviluppo per le auto del futuro. Naturalmente questi non sono nemmeno tutti i principali tipi di motori di domani. Naturalmente, i giovani designer e modellisti possono cimentarsi nel loro sviluppo. Tuttavia, dobbiamo ricordare che la creazione di nuovi motori è un compito complesso e laborioso, che richiede conoscenze serie e speciali; Non puoi ottenere molto con la sola “invenzione”. E il primo test della performance della tua idea può essere un modello funzionante che hai costruito tu stesso. Autore: N. Giulia
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