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PERSÖNLICHER TRANSPORT: BODEN, WASSER, LUFT
Transport der Zukunft. Persönlicher Transport
Verzeichnis / Personenverkehr: Land, Wasser, Luft Wissenschaftler, die sich mit den Problemen der Zukunft befassen – Zukunftsforscher –, versuchen bereits heute zu bestimmen, wie die Welt um uns herum beispielsweise am Ende des zweiten Jahrtausends oder sogar in 100 Jahren aussehen wird. Gleichzeitig ist etwas relativ einfach zu betrachten, etwas schwieriger. Aber wir können mit Sicherheit sagen, dass es in 50, 100 und noch mehr Jahren einen Transport geben wird. Und nicht nur zu existieren, sondern sich auch stetig weiterzuentwickeln. Science-Fiction-Autoren äußern manchmal die Idee, dass der Großteil der Informationen in Zukunft hauptsächlich über Kommunikationsmittel übertragen wird – von Videotelefonen bis hin zu Laserkanälen. Die Rolle des Transports als Träger nicht nur von Gütern, sondern auch von Informationen wird nicht berücksichtigt. Aber das ist alles andere als wahr. Der Vorteil des Transports liegt gerade darin, dass er nicht nur den Transport von Gütern, sondern auch von Menschen – den umfangreichsten Informationsträgern – gewährleistet. Prof. V. N. Ivanov, ein bekannter sowjetischer Verkehrswissenschaftler, betont: „Die Menschen brauchen direkte Kommunikation, und weder das Telefon noch der Fernseher noch irgendetwas anderes kann sie ersetzen.“ Es ist kein Zufall, dass sich der Transport trotz der erheblichen Fortschritte in der Kommunikation auch heute noch rasant verbessert. Wie wird es sich in Zukunft entwickeln? Im Wesentlichen lassen sich die Probleme auf folgendes reduzieren: Fahrzeuge bzw. deren Motoren müssen umweltfreundlich, oder wie man sagt, „ökofreundlich“ werden. Um den „Verbrauch der Treibstoff- und Energieressourcen unseres Planeten“ so weit wie möglich zu strecken, müssen die Motoren so sparsam wie möglich werden. Der Sicherheit von Maschinen wird große Aufmerksamkeit geschenkt, aber auch auf solche traditionellen Probleme wie eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit, Manövrierfähigkeit und des Komforts. Neue, spezialisierte Verkehrsträger werden für die Volkswirtschaft geschaffen und entwickelt Doch wie wird es aussehen, das Transportmittel der Zukunft, seine Motoren? Gibt es heute schon Prototypen davon? Die vorgeschlagenen Materialien sind all diesen Themen gewidmet. 1. Thermik – „dafür“ und „dagegen“ Dankbare Menschheit klagt an. So lässt sich die aktuelle Haltung gegenüber dem massivsten Motor – dem thermischen – und insbesondere gegenüber dem Verbrennungsmotor (ICE) formulieren. Grundsätzlich gibt es zwei Gründe für die „Schuldigkeit“ von Wärmekraftmaschinen vor der Menschheit. Der erste Grund ist die unwirtschaftliche, barbarische Verschwendung unersetzlicher natürlicher Brennstoffressourcen. Der zweite Grund ist die Umweltverschmutzung durch giftige Abgase und andere Verschwendungen der aufgenommenen Energie, einschließlich überschüssiger Wärme, Lärm und Geruch. Über all das wird derzeit viel geredet. Sowie zu der unaufhaltsamen Schlussfolgerung, die sich daraus ergibt: Wenn Wärmekraftmaschinen nicht verbessert (oder nicht vollständig aufgegeben) werden, ist der Planet in absehbarer Zeit, gemessen in nur zehn Jahren, erstens von Kraftstoffmangel bedroht die vollständige Erschöpfung der Reserven natürlicher Brennstoffe; zweitens die Massenvergiftung der Menschheit durch die Verbrennungsprodukte dieses Brennstoffs und möglicherweise eine übermäßige (schlimmer als im heißesten Dampfbad!) Erwärmung der Atmosphäre. Also Verbesserung oder völliger Misserfolg. Wenn wir uns daran erinnern, dass Wärmekraftmaschinen in Hunderten Millionen Autos, Motorrädern, Traktoren, Mähdreschern, Flugzeugen, Schiffen, Motorbooten und anderen Maschinen eingebaut sind, wird klar, dass ein Mensch sie noch nicht ganz aufgeben kann. Es ist jedoch darauf zu achten, dass man bei der Verlängerung des Alters das eigene Alter nicht wesentlich herabsetzt! Wie kann man Wärmekraftmaschine und Mensch „vereinen“?
Die Antwort ist einfach und komplex: Es gilt, die Giftigkeit der Abgase von Wärmekraftmaschinen zu beseitigen und deren Effizienz zu steigern. Der Hauptschaden wird durch in den Abgasen enthaltenes Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe (Aldehyde) sowie krebserregende Stoffe verursacht. Aber sicher können sie gefangen werden? Ja, solche Fallen-Neutralisatoren wurden bereits erstellt: Flüssigkeit, Plasma, katalytisch und kombiniert. Sie werden normalerweise am Gasauslass hinter dem Auspuffrohr des Motors installiert. Alle diese Geräte bieten jedoch nur eine teilweise Lösung des Problems: Auch wenn sie vorhanden sind, bleibt der Motor selbst das gleiche gefräßige mechanische Monster. Seit Jahrhunderten ist es der Traum von Motorenspezialisten, einen Motor zu bauen, bei dem sich der Kolben nicht hin- und herbewegt, sondern nur dreht. Dies versprach eine deutliche Reduzierung der Größe und des Gewichts des Motors, eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der Emission giftiger Verbrennungsprodukte. Professor F. Wankel ist der Lösung dieses Problems näher als jeder andere. Viele Experten glauben, dass der von ihm entwickelte Wankelmotor zum Hauptverbrennungsmotor in einem Automobil werden kann. Erinnern Sie sich daran, wie der Wankel aufgebaut ist und funktioniert. In seinem Körper befindet sich ein Hohlraum mit komplexer Konfiguration, in dem sich ein dreieckiger Rotorkolben dreht, der über Zahnräder mit der Welle verbunden ist. Es sitzt frei auf dem Exzenter der Welle, dessen Mittelpunkt mit dem Mittelpunkt des Festrades zusammenfällt. Der Rotor-Kolben läuft entlang einer komplexen Kurve um ihn herum und berührt ständig die Oberseiten der Innenwände des Gehäuses. Zur Abdichtung sind oben bewegliche Platten angebracht. Gleichzeitig verändern sich die Volumina der durch die Oberflächen des Rotorkolbens und die Wände des Gehäuses gebildeten Kammern sequentiell. Hier finden die Prozesse des Ansaugens, Verdichtens und Zündens des Kraftstoffs, der Expansion und Freisetzung von Abgasen statt. Das Öffnen und Schließen der Einlass- und Auslasskanäle erfolgt durch den Rotorkolben selbst. Somit laufen bei einer vollen Umdrehung des Wankelmotors alle Vorgänge eines herkömmlichen Viertaktmotors ab, und zwar gleichzeitig in verschiedenen Arbeitskammern: mit von einer Kerze gezündeten Kraftstoffblitzen, drei Arbeitstakten, drei Abgasen, drei frischen Gemischeinlässe. Der Wankelmotor erwies sich nicht nur als der kompakteste und leichteste (einer seiner ersten Prototypen mit einer Leistung von etwa 30 PS wog nur 10 kg), sondern auch als der schnellste. Hinzu kommt, dass es mit billigem Dieselkraftstoff betrieben werden kann. Es scheint, dass dies die Lösung des Problems ist. Aber ... egal wie „weise“ die Konstrukteure sind, es ist bisher nicht gelungen, die Zuverlässigkeit der Dichtungen des rotierenden Rotors zu erreichen. Dieser Defekt, der vor allem die weitere Verbesserung des Motors verhindert, ist eine echte Plage Motoren dieser Art. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von Triebwerken, die derzeit in der Luftfahrt eingesetzt werden – Gasturbinentriebwerke (GTE). Sie haben eine deutlich geringere Leistung als Verbrennungsmotoren gleicher Leistung, sind einfacher und zuverlässiger im Betrieb. Trotz eines leicht erhöhten Kraftstoffverbrauchs werden weniger giftige Produkte ausgestoßen, insbesondere Stickstoffdioxid. Dies erklärt sich dadurch, dass die Kraftstoffverbrennung im Gasturbinentriebwerk kontinuierlich bei niedrigeren Drücken und Temperaturen abläuft als in Kolbentriebwerken. Ein Gasturbinentriebwerk ist auch ein Verbrennungsmotor. Nur darin wird das brennbare Gemisch durch einen Kompressor (normalerweise Zentrifugal) komprimiert. Außenluft, die in den Kompressor eintritt, rotiert mit seinen Schaufeln, wird unter der Wirkung der Zentrifugalkraft komprimiert, dann im Wärmetauscher erhitzt und gelangt in die Brennkammer. Durch die Verbrennung des Gemisches drücken heiße Gase auf die Turbinenschaufeln, auf deren Achse sich der Kompressor befindet. Weiter auf den Schaufeln des Turbinenlaufrads verbringen sie den Großteil ihrer Energie, um nützliche Arbeit zu verrichten. Dies ist das Prinzipdiagramm der Funktionsweise der sogenannten Doppelwellen-Gasturbine. Der Unterschied besteht darin, dass beide Turbinen, Hoch- (Kompressor) und Niederdruck- (Arbeits-)Druck, kinematisch völlig unabhängig voneinander sind. Für Kraftfahrzeuge werden Einwellen- und Dreiwellenturbinen entwickelt. Es ist noch unklar, welches dieser Programme sich als das vielversprechendste erweisen wird. Je nach erforderlicher Leistung und Spezialisierung des Fahrzeugs erhält höchstwahrscheinlich jeder von ihnen das Recht auf Weiterentwicklung. Bei allen oben besprochenen Motoren wird der Kraftstoff in der Brennkammer verbrannt – im Hohlraum, in dem sich Rotor, Kolben oder Turbine befinden. Dort ist es sehr schwierig, die Verbrennung zu kontrollieren, so dass der Kraftstoff oft nicht vollständig verbrannt wird und viele giftige Produkte freigesetzt werden. Als nächstes betrachten wir solche Motoren, bei denen der Kraftstoff außerhalb des Arbeitshohlraums (Zylinder) oxidiert wird. In Analogie zu Verbrennungsmotoren können sie auch als externe Verbrennungsmotoren bezeichnet werden. Die wichtigsten sind Dampfmaschinen und Stirlingmotoren. Die zweite Ära der Dampfmaschinen begann erst vor wenigen Jahren, als die größten Forschungszentren ihre Konstruktion auf moderne Weise aufgriffen. Diese Motoren haben viele attraktive Eigenschaften: ein großes Anfangsdrehmoment, das Fehlen eines komplizierten Getriebes, die völlige Unbedenklichkeit des Auspuffs. Und die Dynamik der Dampfmaschine ist einer der wichtigen Vorteile. Durch die Verbesserung alter Systeme konnten Probleme der klassischen Dampfmaschine wie die Explosionsgefahr des Kessels, das unerschwingliche Gewicht, die Schwierigkeit beim Starten und die Schwierigkeit, Wasser als dampferzeugende Flüssigkeit im Winter zu verwenden, überwunden werden. Sperrige und gefährliche Heißwasserkessel wurden durch kompakte Rohrdampferzeuger ersetzt. Es gelang, alle Aggregate erfolgreich in die Abmessungen des Wagens einzupassen. Ein weiterer vielversprechender Forschungszweig betrifft den Motor, der bereits 1816 vom Schotten R. Stirling erfunden wurde. Bei diesem Verbrennungsmotor handelte es sich um ein an beiden Enden gedämpftes Rohr, in dem der Kolben untergebracht war. Der Hohlraum auf der einen Seite des Kolbens wurde kontinuierlich beheizt, auf der anderen Seite wurde er gekühlt. Das kalte Gas wurde verflüssigt und in den heißen Hohlraum gepumpt. Hier stiegen bei Stillstand des Kolbens seine Temperatur und sein Druck aufgrund der Erwärmung an. Nachdem das Gas seine maximalen Parameter erreicht hatte, begann sich der Kolben zu bewegen und führte einen Arbeitshub aus. Anschließend wurde das expandierte Gas in einen kalten Hohlraum gepumpt, wo es kontinuierlich abgekühlt und durch einen beweglichen Kolben komprimiert wurde. Der Zyklus wurde wiederholt.
Da beim Komprimieren eines kalten Gases weniger mechanische Arbeit aufgewendet wird als bei der Expansion eines heißen Gases, erzeugt der Stirlingmotor überschüssige mechanische Energie. Es ist klar, dass ein solcher Motorbetrieb nicht besonders wirtschaftlich sein könnte. Wenn das komprimierte Kaltgas jedoch erhitzt wird, bevor es in den heißen Hohlraum geleitet wird, mit der Wärme, die beim Abkühlen des Heißgases abgeführt wurde, kann der Stirlingmotor zu einem sehr sparsamen Motor werden, der die Effizienz von Vergaser- und Dieselmotoren übertrifft. Ein Gerät zum Erhitzen von Gas – ein Behälter namens Regenerator – wurde einst vom Autor der Erfindung selbst vorgeschlagen. Heute konnte der Wirkungsgrad einer solchen Heizung auf 98 % gesteigert werden. Und die Triebwerkshohlräume wurden mit Wasserstoff oder Helium gefüllt, das auf 100 bis 200 atm komprimiert war. Auch der Antrieb der Stirlingkolben wurde verbessert und ähnelt nun dem Antrieb einer Axialkolbenpumpe – mit Schrägscheibe. Daher ist modernisiertes Stirling für die meisten Maschinen mit Wärmekraftmaschinen geeignet. Seine Toxizität ist um ein Hundertfaches geringer als die eines Vergasers und er arbeitet nahezu geräuschlos. Allerdings sind Stirlingmotoren komplex und teuer und sogar schwerer als Vergasermotoren. Und doch sind die oben diskutierten Motoren überwiegend aktive Verbraucher von natürlichem Kraftstoff. Und seine Reserven sind nicht unbegrenzt. Daher sind Versuche, künstlich erzeugten Wasserstoff als Kraftstoff zu nutzen, von großem Interesse. Es kann aus Wasser gewonnen werden, indem es mit elektrischem Strom, Sonnenlicht und hoher Temperatur mit Katalysatoren zersetzt wird. Der Hauptvorteil dieses Kraftstoffs ist die viel geringere Toxizität der Verbrennungsprodukte als bei Benzin. So entstehen beispielsweise 200-mal weniger Stickoxide, Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe sind im Abgas überhaupt nicht mehr vorhanden. Es treten jedoch auch andere Probleme auf – beispielsweise die Lagerung von Gas in Flaschen. Wissenschaftler schlagen jedoch vor, die Hydride bestimmter Metalle mit Wasserstoff zu sättigen und ihn wie ein Schwamm aufzusaugen. Interessanterweise fassen mit Hydrid gefüllte Tanks 40-mal mehr Wasserstoff als Hohltanks. Es werden auch Motoren geschaffen, die die unerwartetsten natürlichen Faktoren nutzen – Sonneneinstrahlung, Verdunstung, Osmose. Es ist kein Zufall, dass sie als exotisch bezeichnet werden: Bisher haben sie eine sehr geringe Verbreitung. Aber das wachsende Interesse an umweltfreundlichen Energiequellen wird sicherlich dazu führen, dass ihre Rolle zunehmen wird. Sie werden auch im Weltraumtransport nützlich sein – Planetenrover, Systeme zur Wartung von Orbitalstationen. Ein Beispiel für exotische Motoren ist der sogenannte Lichtabsorptionsmotor. Der Arbeitszylinder darin verfügt über ein transparentes Fenster, durch das Sonnenstrahlen oder ein Laserstrahl geleitet werden und das Gas im Zylinder erhitzt. Durch diese Erwärmung wird der Arbeitshub ausgeführt. Ein Versuchsmuster des Lasermotors erzeugt bis zu 600 U/min bei einer Maschinenleistung von 30 Watt. Der Wirkungsgrad dieses Motors überstieg jedoch nicht 2 %. Es sind durch Sonneneinstrahlung betriebene Motoren bekannt. Es wird durch Fotozellen in elektrischen Strom umgewandelt.
Und absolut ungewöhnlich sind die Modelle von Motoren, die dank des in der Nitinol-Legierung entdeckten „Gedächtnisses“ funktionieren. Aus Nickel und Titan geschweißt, hat es eine ungewöhnliche Eigenschaft: Es merkt sich die Form, die ihm beim Erhitzen gegeben wird. Es ist beispielsweise möglich, ein Band dieser Legierung zu einer Spirale zu verdrehen – abwechselnd erhitzt und abgekühlt, wird es entweder wieder zu einem Band, dann wieder zurückgedreht und so weiter unzählige Male. Amerikanischen Ingenieuren gelang es, mit dieser Eigenschaft einen Motor zu bauen. Seine Basis ist ein Rad mit gebogenen Speichen, die im heißen Zustand gerade waren. Wenn eine solche Speiche in ein Bad mit warmem Wasser getaucht wird, richtet sie sich auf und drückt das Rad. Sofort fällt die Nadel ins kalte Wasser und verbiegt sich, und an ihrer Stelle kommt eine neue gebogene Nadel ins warme Bad. Zum Betrieb des Motors reicht ein Temperaturunterschied von nur 23°. Die Erfinder glauben, dass dieser seltsame Motor beispielsweise dabei helfen wird, die vom Kühlwasser von Kernkraftwerken abgeführte Wärme zu nutzen. Auch Motoren sind möglich, bei denen Sonnenwärme (oder andere Wärme) genutzt wird, um die magnetischen Eigenschaften von Metallen zu verändern. Dadurch kann auch mechanische Arbeit geleistet werden. Ein Beispiel hierfür ist der vom Erfinder und Journalisten A. G. Presnyakov vorgeschlagene Motor. Es ist denkbar einfach, besteht aus einer Felge mit Speichen – und mehr nicht. Die Felge besteht aus einer ferromagnetischen Legierung, die bei +65 °C ihre magnetischen Eigenschaften verliert. (Heute sind bereits Legierungen bekannt, bei denen dieser Verlust bei niedrigeren Temperaturen auftritt.) Installieren Sie einen starken Permanentmagneten nahe genug an der Felge und erhitzen Sie ihn nicht, sondern beleuchten Sie nur einen beliebigen Abschnitt der Felge, bis dieser seine magnetischen Eigenschaften verliert, wie dies beim Magneten der Fall ist ziehen benachbarte Abschnitte der Felge an und veranlassen diese, sich zu drehen. Man sollte nicht denken, dass ein solcher Motor sehr schwach ist. Der von Presnyakov gebaute Solarwasserlift pumpte bis zu 800 Liter Wasser pro Stunde in die Wüste. Presnyakov baute auch einen Karren, der im Licht einer starken elektrischen Lampe rollt. Im Prinzip kann jeder junge Designer ein solches Modell bauen.
Einige Erfinder versuchen, das Phänomen der Osmose zu nutzen, um mechanische Arbeit zu erhalten. Es ist bekannt, dass es in der Diffusion einer Substanz durch ein semipermeables Septum besteht, wodurch ein übermäßiger osmotischer Druck entsteht. Im Vereinigten Königreich wurde das Patent Nr. 1343391 für einen osmotischen Motor erteilt, der ziemlich kompliziert ist, aber Nach Angaben der Erfinder für den Einsatz in Autos geeignet. Der sowjetische Ingenieur P. Rogovik aus Makeevka schlägt einen sehr einfachen osmotischen Motor mit niedriger Drehzahl und geringer Leistung vor, der auf dem Quellen von Materialien bei Befeuchtung basiert. So quillt beispielsweise Gelatine auf. Der Erfinder drückte einen Ring aus diesem Material zwischen zwei in Wasser getauchten Rollen auf die Höhe der Achsen. Die unter dem Niveau liegenden Teile des Rings dehnen sich durch Schwellung aus und üben Druck auf die Rollen aus, wodurch diese sich drehen. Zusammen mit den Rollen dreht sich auch der Ring langsam. Seine geschwollenen Teile steigen allmählich auf, und die trockenen Teile sinken, nehmen Wasser auf, quellen auf und üben Druck auf die Walzen aus, wobei sie diese weiter drehen. Die Teile des Rings, die aus dem Wasser kommen, trocknen aus und der Kreislauf geht weiter. Junge Designer können auch ein weiteres Modell eines exotischen Motors herstellen. Es funktioniert mit der Lichtenergie einer elektrischen Lampe oder der Sonne, die durch eine Linse fokussiert wird. Für seinen Aufbau werden mehrere Bimetallplatten benötigt, die in verschiedenen Thermorelais eingesetzt werden. Es ist bekannt, dass sich eine Bimetallplatte, die aus zwei Metallstreifen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besteht, bei Erwärmung ziemlich stark biegt. Der Arbeitszylinder, beispielsweise aus Kunststoff, ist umlaufend mit Bimetallplatten ummantelt, die an einem Ende am Zylinder befestigt sind. Am anderen Ende befinden sich Gewichte. Der Zylinder ist auf einer Speiche montiert, die in zwei Buchsen am Rand eines Gefäßes befestigt ist. Im Normalzustand sind die Platten um den Umfang des Zylinders gekrümmt. Beim Erhitzen richtet sich die Platte auf und bewegt sich von der Wand weg, das Kräftegleichgewicht der Gewichte wird gestört und der Zylinder rollt. An die Stelle dieser Platte tritt eine neue, E richtet sich auf, kühlt ab und drückt erneut gegen die Wand des Zylinders. Um das Abkühlen zu beschleunigen, kann kaltes Wasser in das Gefäß gegossen werden. 2. PS-Bank Wir haben darüber gesprochen, dass Wärmekraftmaschinen ständig verbessert werden: Kraftstoffverbrauch und Abgastoxizität werden reduziert. Es stellt sich jedoch die berechtigte Frage: Kann man auf diese negativen Eigenschaften überhaupt verzichten? Diese Frage kann positiv beantwortet werden: Es ist möglich, Energie für Fahrzeuge zu gewinnen, die keine Kraftstoffverbrennung erfordern, und diese Energie dann dem Verbraucher „anzuvertrauen“ und in Batterien zu speichern. Mittlerweile wird der größte Teil der Energie auf der Welt von Wärmekraftwerken erzeugt – Wärmekraftwerken. Wenn wir sie uns in Form von Spezialmotoren mit kolossalen Abmessungen vorstellen, werden wir feststellen, dass sie möglichst sparsam sind und die Atmosphäre weniger darunter leidet. Bei stationären Geräten mit größerer Leistung ist es viel einfacher, die korrekte Kraftstoffverbrennung zu regulieren als bei Tausenden von Kleinmotoren, deren Betriebsbedingungen sich zudem jede Minute ändern. Aber... Wärmekraftwerke bestehen den Test auf Umweltfreundlichkeit, also auf das Fehlen einer schädlichen Auswirkung auf natürliche Prozesse, die im Anwendungsbereich einer bestimmten Technik ablaufen, nicht. Der Mensch stellt jedoch umweltfreundliche Energiequellen zur Verfügung, und die Quellen sind praktisch unerschöpflich. Dabei handelt es sich um die Energie der Sonne, der Flüsse, der Gezeiten, des Windes, der inneren Wärme der Erde, der Meereswärme und der Strömungen. Relativ harmlose Kernkraftwerke (zukünftige und thermonukleare Anlagen). Die aus diesen Quellen gewonnene Energie kann auf verschiedene Weise zum Verbraucher gebracht werden. Wenn dieser stationär oder an eine bestimmte Strecke gebunden ist (elektrischer Zug, Straßenbahn, Trolleybus), lassen Sie die elektrischen Leitungen funktionieren. Wenn der Verbraucher mobil ist, muss diese Energie vorher gespeichert werden, damit der von einer solchen abgesägten „Energiekonserve“ geschwärzte Hintern bei der Bewegung genutzt werden kann. Diese Energie wird übrigens schon seit der Antike genutzt. Die ersten Batterien waren natürlich die einfachsten mechanischen Geräte, in denen ein Mensch potentielle Energie speichert. Angehobene Lasten, gespannte Bündel, Katapulte – diese Art von Batterien werden seit jeher eingesetzt. Ähnliche Batterien gibt es heute. Sie werden in Form von Uhrwerkfedern sehr häufig eingesetzt: in Uhren, Geräten, Kinderspielzeug. Früher wurden sie auch in Fahrzeugen eingesetzt: So wurden beispielsweise riesige Uhrwerkwagen gebaut, auf denen Kaiser Paradefahrten unternahmen. Die Federn wurden ständig von den im Wagen versteckten Sklaven aufgezogen. Allerdings haben Federbatterien eine geringe Energiedichte, also die Menge, die in einer Masseneinheit enthalten ist. Bei gummielastischen Akkumulatoren ist es viel mehr. Jeder Modellbauer weiß, dass Motoren aus elastischen Bändern Modelle von Flugzeugen und Hubschraubern in die Luft heben. Natürlich gibt es auch hier Nachteile: niedriger CPV, Fragilität.
Für Transportfahrzeuge ist eine andere Batterie besser geeignet, die so viel Energie speichern kann, dass sie Dutzende und sogar Hunderte von Kilometern für Bewegung sorgen kann. Es ist ein komprimiertes Gas. Die Ansammlung von Energie erfolgt, wenn Gas unter Druck in eine Flasche gepumpt wird; Freisetzung – wenn Gas aus der Flasche freigesetzt wird. Hier arbeitet ein pneumatischer Motor, ähnlich wie er beispielsweise in pneumatischen Handwerkzeugen – Schraubenschlüsseln, Bohrmaschinen – zum Einsatz kommt. Bereits 1876 wurde in der französischen Stadt Nantes eine Druckluftstraßenbahn gebaut. Von einer Tankstelle aus legte er eine sechs Kilometer lange Strecke zurück. Komprimiert auf 30 atm. Zehn Zylinder mit einem Gesamtvolumen von 2800 Litern waren mit Luft gefüllt. Der Verbrauch betrug 8 kg Luft pro Kilometer. Der Gesamtvorrat reichte für 10-12 km. Diese Idee ist heute nicht vergessen. Pneumoakkumulatoren tauchten bei Autos auf, die unter städtischen Bedingungen eingesetzt wurden: Die Firma Sorgato in Italien experimentiert mit einem Auto, das mit neun Stahlzylindern Druckluft ausgestattet ist. Es reicht aus, um etwa 100 km bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h zurückzulegen. Das Gewicht des „Pneumomobils“ beträgt etwa eine halbe Tonne. Der pneumatische Speicher wird mit anderen Gasen „aufgeladen“, am häufigsten mit flüssigem Stickstoff, von dem 50 Liter für eine 230-km-Autofahrt ausreichen. Aber der Gasspeicher hat auch Nachteile, und zwar erhebliche. Beim Einspritzen erwärmt sich das Gas, bei der Freisetzung kühlt es ab. Und das ist ein unproduktiver Verlust an Wärmeenergie. Vielversprechender ist ein anderer Energiespeicher – das Schwungrad. Beim Rotieren sammelt es mechanische Energie in Form von kinetischer Energie und ist im Schwungrad vorhanden, solange es rotiert. Eines der ältesten Schwungräder, mehr als 55 Jahre alt, wurde vom Archäologen Leonard Woolley bei Ausgrabungen im Irak entdeckt: ein riesiges Rad, das einem alten Meister als Töpferscheibe diente. Im Laufe der Zeit hat das Schwungrad erhebliche Veränderungen erfahren und sich in eine Stahlscheibe verwandelt, deren Form durch die Forderung nach „gleicher Festigkeit“ bestimmt wird: Schließlich hat sich auch die Spin-Up-Geschwindigkeit erhöht. Heute wird es in einer Vakuumkammer platziert – um sehr erhebliche Verluste durch Reibung an der Luft zu reduzieren. Für den gleichen Zweck werden anstelle von Lagern Magnetlager verwendet, Reibungsverluste an ihnen sind praktisch ausgeschlossen. Skeptiker vertraten lange Zeit ihre Position und verwiesen auf den Hauptnachteil des Schwungrads als Batterie – die geringe Energiedichte. Womit es verbunden war! Es scheint, dass alles einfach ist: Indem wir die Rotationsgeschwindigkeit beispielsweise um das Doppelte erhöhen, vervierfachen wir, wie aus der Physik bekannt, die kinetische Energie des Schwungrads. Gleichzeitig vervierfachen sich aber auch die mechanischen Belastungen des Schwungradkörpers, was zu dessen Bruch mit der Bildung von Bruchstücken führt, die eine große Gefahr für andere darstellen. Und dann führte die Suche nach Wissenschaftlern und Designern zur Schaffung der sogenannten Superschwungräder, die aus dünnen Fasern oder Bändern durch Wickeln hergestellt wurden. Tatsache ist, dass moderne faden- und bandartige Materialien eine enorme Festigkeit aufweisen – um ein Vielfaches stärker als ein Monolith aus demselben Material. Ein Bruch des Superschwungrads ist auch sicherer: Dünne Fasern oder Bänder bilden keine Fragmente, die schwere Zerstörungen verursachen können. Der Autor dieser Zeilen musste ein Band-Superschwungrad auf Bruch testen: Es konnte nicht einmal ein zwei Millimeter dickes Gehäuse durchbrechen, während monolithische Schwungräder sich nicht um meterlange Wände kümmerten. Die Hauptsache ist, dass die Energiedichte eines Superschwungrads viel höher ist als die von monolithischen. Theoretisch liegt er sogar deutlich über dem von Elektrobatterien, steht diesen aber praktisch nicht nach. Allerdings zeichnen sich Batterien nicht nur durch die Energiedichte aus, sondern auch durch die Leistungsdichte: also die Leistung, die jedes Kilogramm Masse entwickelt. Und diesem Indikator zufolge sucht das Schwungrad seinesgleichen. Somit ist das Superschwungrad eine vielversprechende Batterie (und ein Motor) für den Transport der Zukunft. Es sorgt für eine schnelle Beschleunigung des Autos und eine nicht weniger effektive Bremsung, hat eine große Haltbarkeit – kurz gesagt, alle Eigenschaften, die ein Batterieauto braucht und die ihm jetzt so sehr fehlen. Das Superschwungrad ist besonders vielversprechend für den Antrieb von Bussen, U-Bahnen, Taxis und anderen städtischen Transportmitteln, die einem zyklischen, dichten Fahrplan mit häufigem Beschleunigen und Abbremsen unterliegen. Moderne Superschwungräder in einer Vakuum-Rotationskammer speichern Energie sogar wochenlang, und spezielle Muster von Mohnbatterien können sie jahrelang beherrschen. Was die Energieeinsparung angeht, haben sie nur einen würdigen Konkurrenten – elektrische oder genauer gesagt elektromechanische Batterien. Sie wurden vor relativ kurzer Zeit hergestellt, obwohl das Datum ihres Erscheinens als 1799 angesehen werden kann, als Alexander Volta, indem er Kupfer- und Zinkelektroden in verdünnte Schwefelsäure legte, die erste galvanische Zelle erhielt. Schließlich kann im Prinzip fast jede galvanische Zelle zu einer Batterie werden, wenn ein Strom in die entgegengesetzte Richtung durch sie fließt und sie so auflädt. Selbst gewöhnliche Trockenbatterien, die für Taschenlampen und Transistorempfänger verwendet werden, können wie eine Batterie 8-10 Mal aufgeladen werden. Hinzu kommt, dass ein solches „Laden“ wirtschaftlich nicht besonders rentabel ist: Der Wirkungsgrad ist sehr gering. Aber Sie sehen, es ist immer noch viel höher als das einer ausrangierten Batterie. Echte Batterien sind zwar teurer als herkömmliche galvanische Batterien, halten aber nicht 8-10 Ladezyklen aus, sondern mehr als hundertmal mehr. Daher ist die Speicherung von Energie in elektrischen Batterien nicht sehr teuer. Unter den Elektrobatterien sind Blei-Säure-Batterien am häufigsten; Sie sind in jedem Auto als Starterbatterie verbaut. Dies sind bescheidene, fleißige Arbeiter, sie glänzen nicht mit Energie- und Leistungsindikatoren, sind aber recht sparsam – sie haben einen hohen Wirkungsgrad. Sie vertragen zwar keinen Frost, keine starken Strömungen und keinen starken Abfluss. Im Gegensatz zu ihnen ist die Batterie unprätentiös, hat aber einen geringen Wirkungsgrad: bis zu 0,4-0,5 im Vergleich zu 0,75-0,8 bei Blei-Säure. Von diesen beiden Akkus kann man nicht viel erwarten. Ihre Energie- und Leistungsdichte ist gering, und ein Auto mit einer solchen Ladung kann sich hauptsächlich selbst tragen – so schwer sind sie. Besondere Hoffnungen setzen Wissenschaftler derzeit auf Superakkumulatoren – Natriumschwefel, Lithiumchlorid etc. Sie halten eine hohe (300 – 600°) Temperatur aufrecht, der Elektrolyt wird geschmolzen. Natürlich verheißt die Zerstörung einer solchen Batterie bei einem Autounfall nichts Gutes, und ihre Effizienz ist gering, insbesondere angesichts der Notwendigkeit, den Inhalt aufzuwärmen. Allerdings ist die Energiedichte sehr hoch – zehnmal höher als bei Bleisäure, und die Leistungsdichte ist doppelt so hoch – bis zu 150 W pro Kilogramm Masse. Es sei darauf hingewiesen, dass solche „Superakkumulatoren“ die Laborwände noch nicht verlassen haben und an ihnen arbeiten und arbeiten müssen. Abschließend sind die sogenannten Brennstoffzellen zu erwähnen, die es ermöglichen, die Energie des Brennstoffs direkt in elektrischen Strom umzuwandeln. Am interessantesten sind dabei die Sauerstoff-Wasserstoff-Elemente, die den Prozess der Wasserzersetzung direkt im Element selbst nutzen; Es verfügt auch über Behälter zur Lagerung der erzeugten Gase. Wasserstoff und Sauerstoff werden beispielsweise mit Hilfe von Katalysatoren, hoher Temperatur usw. wieder zu Wasser kombiniert. Dabei wird elektrische Energie freigesetzt, die bei der Zersetzung von Wasser aufgewendet wurde, und Batterieenergie wird in Wasserstoff und Sauerstoff freigesetzt . Brennstoffzellen sind für Elektrofahrzeuge vielversprechend, aber immer noch sehr schwer und teuer.
Wärmespeicher zeichnen sich aus. Sie allein können das Auto nicht in Bewegung setzen, aber in Kombination mit einer Wärmekraftmaschine, zum Beispiel Stirling, können sie gute Ergebnisse liefern. Wir haben bereits einen Motorroller erwähnt, der etwa fünf Stunden lang mit einem Eimer mit geschmolzenem Lithiumfluorid – einem Wärmespeicher – betrieben wird. Eine Thermoskanne mit heißem Wasser, ein warmer Stein in der Sonne, ein heißes Bügeleisen, kurz gesagt, jeder erhitzte Körper ist ein Energiespeicher. Es gibt jedoch Verbindungen, die es zehnmal stärker anreichern können als nur ein auf die gleiche Temperatur erhitzter Körper. Aus der Physik ist bekannt, dass beim Schmelzen eines kristallinen Stoffes dessen Temperatur erst dann um ein Grad ansteigt, wenn eine bestimmte, meist recht große Wärmemenge, die sogenannte latente Schmelzwärme, aufgewendet wird. Bei der Erstarrung wird diese Wärme freigesetzt, und zwar ohne dass sich die Temperatur des Stoffes ändert. Auf diesem Phänomen basieren die sogenannten Schmelzwärmespeicher. Liegt die erforderliche Temperatur niedrig, unter 100°C, werden verschiedene kristalline Hydrate als Speicherstoffe eingesetzt. Für Temperaturen von 600-800° sind Fluoride und Lithium-Hybride am besten geeignet; oben - Silizide und Boride einiger Metalle: Wärmespeicher speichern enorme Mengen an Energie – mehr als alle vielversprechenden Akkumulatorentypen. Das einzige Problem besteht darin, dass bei dem Versuch, diese Energie in Form mechanischer, elektrischer und anderer „hochwertiger“ Arten zu nutzen, der Großteil der Energie verloren geht und für die Erwärmung der Umwelt übrig bleibt. Darüber hinaus verringert die Masse eines Geräts, das Wärme in eine „hochwertige“ Energieart umwandelt (z. B. ein Stirlingmotor, Thermoelemente usw.), einen Indikator wie die Energiedichte des gesamten Geräts erheblich und bringt ihn mit sich näher an den gängigsten Arten von Energiespeichern. Heutzutage kann die thermische Batterie jedoch von großem Nutzen sein, beispielsweise zum Heizen eines Transportfahrzeugs, das von einem anderen Energiespeicher angetrieben wird: elektrisch, Mohn. Wenn wir über Batterien sprechen, beziehen wir uns immer auf ihren Hauptindikator – die Energiedichte. Für ihre verschiedenen Typen ergibt sich, ausgedrückt in Kilojoule pro Kilogramm Masse, Folgendes: für potentielle Energiespeicher: Stahlfedern - 0,32; Gummi - 32; Gas und Hydrogas - 28. Wärmespeicher mit Stirlingmotor - 9. Elektrochemische Batterien: Blei-Säure - 64; Nickel-Cadmium (alkalisch) - 110; Schwefelnatrium - 800; Brennstoffzelle zu unterschiedlichen Entkopplungszeiten - 15-150. Schwungradbatterien: Stahlscheibe mit Loch - 30; feste Scheibe gleicher Stärke - 120; Band-Superschwungrad - 150; Superschwungrad aus Spezialfaser - 650 (Modell). Allerdings sollte man nicht vergessen, dass Schwungradbatterien über sehr große Energiespeicherreserven verfügen. Wenn Sie beispielsweise ein Superschwungrad aus Quarzfasern herstellen, das bisher nur in Laboren existiert, können Sie die Energiedichte auf 5000 Kilojoule pro Kilogramm erhöhen. Und wenn wir „super seltene“ Kohlefasern mit Rautenstruktur verwenden, erhalten wir einen völlig fantastischen Wert – 15 kJ/kg! Zu solchen Schlussfolgerungen sind kürzlich japanische Wissenschaftler gekommen. Abschließend möchte ich vorschlagen, ein interessantes Modell eines „permanenten“ Motors zu bauen, der mit gespeicherter Energie aus einem einfach aufgebauten Wärmespeicher betrieben wird. Dazu stellen wir eine zylindrische Kappe her, indem wir sie aus Wachspapier oder einem anderen dünnen und starken Papier mit einer Oberseite aus Whatman-Papier oder starrer Aluminiumfolie verkleben. Diese Abdeckung hat die Form eines Laufrads, das aus Ausschnitten mit gebogenen Kanten besteht; Der optimale Biegewinkel kann empirisch ermittelt werden. In der Mitte des Laufrads ist am Leim ein Leichtmetallnest befestigt: eine Spore mit einer konischen Kerbe, in die die Nadelspitze eingeführt wird. Das stumpfe Ende der Nadel dringt in einen Korken ein, der auf einem schweren feuerfesten Ständer mit einem Stativ aus dickem Draht montiert ist. Die Kappe verformt sich nicht auf der Nadel und lässt sich durch einen leichten Druck oder Atemzug von unten leicht drehen. Um ein solches „Perpetuum Mobile“ in Bewegung zu setzen, muss man einen auf 300-400° erhitzten Metallrohling auf einen Ständer legen und mit einer Kappe abdecken. Der Wärmespeicher-Rohling sorgt dafür, dass die Luft von unten nach oben in die Haube strömt. Beim Durchströmen der Turbine rotiert die Luft umso schneller, je stärker der Wärmespeicher erwärmt wird. Noch bessere Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn der Rohling durch eine Dose mit geschmolzenem Blei oder Zink ersetzt wird. Dann bekommen wir eine echte schmelzende Batterie. Am besten ist es natürlich, Lithiumfluorid oder Lithiumhydrid zu verwenden. Hier müssen Sie sehr vorsichtig sein, um sich nicht zu verbrennen und kein Feuer zu entfachen. Das Experiment sollte jedoch in einem speziell ausgestatteten physikalischen Labor oder einer Werkstatt durchgeführt werden. Jemand wird vielleicht sagen, dass es einfacher ist, eine elektrische Lampe mit dieser Kappe abzudecken. Dann dreht sich die Lampenschirmkappe (die gleichzeitig lackiert werden kann) solange die Lampe eingeschaltet ist. Aber gleichzeitig werden wir eine herkömmliche Wärmekraftmaschine ohne Energiespeicher zum Laufen bringen. Wir haben nur über einige Arten von Wärmekraftmaschinen gesprochen, die für die Maschinen der Zukunft entwickelt werden. Natürlich handelt es sich hierbei noch nicht einmal um alle wichtigen Motorentypen von morgen. Natürlich können sich auch junge Designer und Modellbauer an ihrer Entwicklung versuchen. Wir müssen jedoch bedenken, dass die Entwicklung neuer Motoren eine komplexe und zeitaufwändige Angelegenheit ist, die ernsthafte und spezialisierte Kenntnisse erfordert; Eine „Erfindung“ wird nicht viel bewirken. Und der erste Test für die Leistungsfähigkeit Ihrer Idee kann ein selbst erstelltes Betriebsmodell sein. Autor: N. Gulia
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