Революции в производстве электроэнергии
Идеи звучат фантастически и могут никогда не быть реализованы. Если они это сделают, эти экзотические процессы могут сделать наше энергоснабжение более безопасным и качественным. В серии из двух частей мы представляем семь выдающихся исследовательских проектов.
Ударно-волновой двигатель
Автомобили с газовыми турбинами имеют запас хода в пять раз больше, чем гибридные автомобили с поршневыми двигателями (от Steven Ashley)
Уже более века поршневые двигатели используются практически во всех автомобилях. Даже в современных гибридных автомобилях и новых расширителях диапазона, таких как Chevrolet Volt, используются небольшие поршневые двигатели для повышения производительности и эффективной зарядки аккумуляторов. Однако исследователи из Мичиганского государственного университета разрабатывают привод совершенно другого типа, известный как волновой диск или ударно-волновой двигатель, для которого не требуется поршень. Если проект будет успешным, будущие гибридные автомобили смогут проехать в пять раз больше на том же количестве топлива.
Этот компактный двигатель размером с кастрюлю требует значительно меньшего количества оборудования, чем поршневой двигатель, объясняет соавтор изобретения Норберт Мюллер, профессор машиностроения Мичиганского государственного университета. Никаких поршней, шатунов или блока цилиндров не требуется. Смотрите часть 1 этой серии, чтобы узнать больше о революционных идеях по энергоснабжению завтрашнего дня, здесь. Уменьшенная масса и более высокая топливная экономичность могут сделать «гибридный автомобиль». с системой рекуперативного торможения проезжайте в пять раз больше при том же количестве топлива и, таким образом, соответственно сокращайте выбросы углекислого газа», - продолжает Мюллер. Такая система также позволит снизить производственные затраты на 30 процентов.
Мюллер и его команда в настоящее время тестируют прототип генератора волновой шайбы в лаборатории в Восточном Лансинге. Их цель - продемонстрировать функциональность 25-киловаттного мотора (соответствует 33 л.с.). Мюллер ожидает, что КПД его первой машины составит 30 процентов, что значительно ниже 45 процентов, достигаемых в настоящее время лучшими дизельными двигателями. Но он надеется, что дальнейшие улучшения повысят эффективность до 65 процентов, В обычном двигателе с искровым зажиганием свеча зажигания воспламеняет смесь топлива и воздуха в камере, которая приводит в движение поршень, который, в свою очередь, вращает коленчатый вал, который в конечном итоге вращает колеса автомобиля. В дизельном двигателе поршень сжимает топливно-воздушную смесь перед воспламенением. Газы сгорания расширяются и толкают поршень назад, заставляя коленчатый вал вращаться. С другой стороны, в волновом двигателе приводная энергия генерируется во вращающейся турбине: двигатель напоминает небольшой горизонтально расположенный вентилятор с волнообразными лопастями ротора, заключенный в закрытый корпус.
Горячий сжатый воздух и топливо поступают в зазоры между лопатками несущего винта от центральной оси. При воспламенении смеси высокого давления газы сгорания в замкнутом объеме расширяются, тем самым создавая ударную волну, сжимающую воздух в оставшемся объеме. Отражения ударной волны на внешней стенке сжимают и дополнительно нагревают воздух, который затем в нужный момент выбрасывается из корпуса. Сила, действующая сжатым газом на изогнутые лопасти ротора, и сила выходящего газа приводит в движение ротор, который, в свою очередь, приводит в движение коленчатый вал.
Еще в 1906 году инженеры предприняли первые попытки создания машин с волновым ротором, по словам второго изобретателя волновой мойки, Януша Печны, преподавателя Варшавского политехнического университета. Они уже используются в качестве компрессоров в некоторых спортивных автомобилях. Трудная проблема с этими двигателями заключается в управлении нестационарными потоками газа, потому что очень сложное, нелинейное поведение этих пульсирующих потоков требует подробных численных расчетов. По словам Мюллера, до недавнего времени такие расчеты занимали слишком много времени или были слишком неточными. Чрезвычайно точное моделирование, проведенное в Мичиганском государственном университете и других исследовательских учреждениях, теперь является основой для точной формы лопастей ротора и времени сгорания в доли секунды для достижения оптимальной производительности.
Но до сих пор неясно, приведут ли такие компьютерные модели к практическим двигателям для дорожного движения. «Техника вал-ротор может быть довольно сложной для реализации», - говорит Дэн Паксон, который разрабатывает модели потока в Исследовательском центре Гленна НАСА в Кливленде. Проект Мичиганского государственного университета «определенно расширяет границы возможного», отмечает он со смесью прагматичного скептицизма и восхищения.«Какими бы ни были результаты, я уверен, вы многому научитесь».
Мюллер, кажется, почти не сомневается, что, если его команда создаст его правильно, волновой омывающий генератор найдет применение в более экологичных гибридных транспортных средствах - от скутеров до семейных седанов и фургонов: «Вопрос лишь в том, сколько времени, усилий и воображение - и, конечно же, деньги."
Читайте на следующей странице, на что способны «магнитные кондиционеры». Магнитные кондиционеры
Необычные сплавы сохраняют прохладу в комнатах и еде (Charles Q. Choi)
Кондиционеры, холодильники и морозильники помогают поддерживать прохладу в комнатах и продуктах, но они потребляют энергию: на эти устройства приходится около трети потребностей в электроэнергии американских домохозяйств. Совершенно иная техника, основанная на магнитах, могла бы это изменить.
Большинство коммерческого холодильного оборудования сжимает и разжимает газообразный хладагент в системе кровообращения. Хладагент извлекает тепло из помещения или прибора при каждом цикле. Однако компрессоры являются пожирателями энергии. И газы, чаще всего используемые для этого, молекула за молекулой нагревают атмосферу в тысячу раз больше, чем углекислый газ, когда они выделяются.
Исследователи из Американской астронавтической корпорации в Милуоки разрабатывают охлаждающее устройство, которое работает с магнитами вместо компрессора. Это связано с тем, что магнитные материалы до определенной степени нагреваются под воздействием магнитного поля и снова остывают, когда поле исчезает - явление, которое физики называют «магнитокалорическим эффектом»: атомы накапливают тепло в виде колебаний; когда магнитное поле выравнивает электроны в металле и ограничивает их свободное движение, атомы металла должны больше вибрировать, чтобы компенсировать это - металл нагревается. Если поле исчезает, металл снова остывает. Это явление было открыто еще в 1881 году, но казалось непригодным для коммерческого применения. Потому что теория предсказывает, что для максимизации эффекта необходимы чрезвычайно низкотемпературные сверхпроводящие магниты.
Но в 1997 году материаловеды из лаборатории Эймса в Айове, входящей в состав Министерства энергетики США, в сотрудничестве с корпорацией Astronautics, наткнулись на сплавы из гадолиния, кремния и германия, которые уже показывают мощную магнитокалорический эффект при комнатной температуре. С тех пор компания нашла и другие подобные сплавы.
Astronautics Corporation в настоящее время разрабатывает кондиционер для квартиры или дома площадью около 100 квадратных метров. Небольшой плоский диск содержит пористые клинья одного из этих сплавов, а диск окружает неподвижный кольцеобразный постоянный магнит с небольшим зазором на одной стороне, где сосредоточено магнитное поле. Более революционные идеи для завтрашнего энергоснабжения смотрите в первой части серии здесь. По мере вращения диска каждый из магнитокалорических клиньев проходит через зазор и нагревается там; потом снова остывает. Клинья нагревают и охлаждают жидкость, циркулирующую в системе, которая, в свою очередь, отбирает тепло из помещения. Форма магнита выбрана таким образом, чтобы поле не выходило за пределы охлаждающего устройства и, следовательно, не могло мешать работе электронных устройств или кардиостимуляторов.
В обычных холодильниках большую часть работы выполняет компрессор. С другой стороны, в магнитных холодильниках большую часть работы выполняет двигатель диска. И двигатели, как правило, намного эффективнее, чем компрессоры. Корпорация Astronautics утверждает, что уже в 2013 году сможет представить прототип, который снижает потребление энергии на треть при той же мощности охлаждения. И есть еще один большой бонус: устройство использует только воду для передачи тепла: «Это не может быть более экологичным, чем это», - говорит Стивен Джейкобс, менеджер инженерного центра Astronautics Corporation.
Дизайн также может быть адаптирован для холодильников и морозильных камер. Тем не менее, чтобы построить даже успешный прототип, нужно преодолеть некоторые сложные проблемы, поскольку контролировать поток воды через пористые клинья сложно: диск вращается от 360 до 600 раз в минуту. Кроме того, магнит сделан из дорогого сплава неодим-железо-бор. Поэтому для коммерческого применения необходимо сделать эти магниты как можно меньше и при этом добиться достаточно сильного магнитного поля. «Это метод, требующий больших усилий», - признает инженер-механик Эндрю Роу из Университета Виктории в Британской Колумбии, Канада. «Но у нее огромный потенциал. И потенциал, к которому она стремится, вполне разумен».
Прочитайте на следующей странице, как инженеры хотят очистить уголь(эр). Чистый(er) Уголь
Соль высасывает углекислый газ из дымоходов (Майкл Лемоник)
Уголь является самым дешевым и наиболее распространенным энергетическим ресурсом в Соединенных Штатах, а также самым углеродосодержащим источником энергии, который способствует глобальному потеплению. Поэтому инженеры разработали различные методы удаления углекислого газа из выхлопных газов угольных электростанций до того, как он попадет в атмосферу. Но эти процессы потребляют до 30 процентов энергии, вырабатываемой на электростанциях, что может удвоить стоимость производства электроэнергии, что затрудняет инвестирование в экологически чистое сжигание угля. Тем не менее, идея настолько привлекательна, что существует множество способов снизить этот высокий процент.
Одна особенно интересная разработка Энергетического центра Университета Нотр-Дам основана на так называемых ионных твердых веществах: определенных солях, которые могут поглощать в два раза больше углекислого газа, чем обычные углеродные поглотители. Кроме того, соль претерпевает фазовый переход из твердого состояния в жидкое, высвобождая тепло, которое можно рассеять и использовать для извлечения углерода из соли, чтобы затем его можно было безопасно утилизировать.«Наши модели показывают, что мы должны быть в состоянии снизить потери энергии до 22 или 23 процентов», - говорит Джоан Бреннеке, инженер-химик и директор Энергетического центра. «Мы надеемся, что в конечном итоге дойдем до 15 процентов». В настоящее время ее команда создает лабораторный прототип для демонстрации процесса.
Пока эта идея существует только на бумаге. «Это радикальная идея, - признает Бреннеке, - потому что эти материалы совершенно новые и были обнаружены всего два года назад». Рабочая группа Бреннеке только начала исследовать эти инновационные вещества, поэтому в любой момент могут возникнуть неожиданные проблемы. И даже если процесс работает в лаборатории, его масштабирование до электростанции может оказаться невозможным.
И даже если процесс работает, углерод впоследствии должен быть сохранен - в настоящее время ученые отдают предпочтение технологии, которая впрыскивает углекислый газ в пористую породу глубоко под землей. Эта так называемая секвестрация уже была испытана в реальных условиях, но еще не имела место в больших масштабах. Идея, в которой углекислый газ смешивается с силикатами, все еще находится в экспериментальной стадии. При этом техники хотят имитировать естественный процесс связывания углекислого газа в карбонаты.
Необходимо также принимать во внимание вред для здоровья и экологию, связанный с добычей угля и утилизацией токсичных остатков сгорания. Учитывая множество проблем, экологи видят красный свет, когда слышат фразу «чистый уголь». Однако, поскольку запасы угля настолько велики, а уголь дешев, его использование, вероятно, будет играть важную роль в будущем. Поэтому эти соображения Бреннеке и Ко вскоре могут сыграть важную роль в борьбе с изменением климата. © Scientific American
Scientific American - один из старейших научно-популярных журналов.