Вот мы с вами издеваемся над гравитационными накопителями Чубайса (которые представляют из себя огромного размера клон бабушкиных часов с кукушкой, приводимых в движение гирей на цепочке) – а между тем существуют механические накопители энергии, которые имеют вполне приличные параметры, и пригодны для практического использования.

Я говорю о так называемых “супермаховиках”, которые еще во времена СССР стал продвигать изобретатель Нурбей Гулиа. Он первым догадался, что для обеспечения высокой прочности и одновременно безопасности маховик надо делать не цельным, а навивать – например, из тонкой стальной ленты или проволоки. Слово ему самому:

Надев супермаховик на вал двигателя и закрепив его там, я зажал двигатель в тисках и включил в сеть. Начался разгон супермаховика. Вибрации то нарастали – казалось, что диск уже срывается с оси, – то снова стихали. Скорость вращения увеличивалась, о чем можно было судить по изменяющемуся реву двигателя. Но вот рев стал постоянным по тону, и я понял, что разгон прекратился, а супермаховик остался цел. Дальше двигатель не «тянул» – супермаховик гнал воздух, как вентилятор, от него дуло ветром, вся мощность двигателя уходила на создание этого ветра. Я выключил двигатель. Супермаховик долго, наверное с час, еще вращался, проходя через те же полосы вибраций, что и при разгоне.

Когда впоследствии мне удалось все-таки разорвать супермаховики на специальном разгонном стенде, я узнал, что мои кустарные изделия в несколько раз превзошли по плотности энергии маховики гиробуса фирмы «Эрликон» – лучшие по тем временам. Но, самое главное, разрыв, как и ожидалось, не доставил никаких неприятностей. Разорвавшийся виток ленты не пробил даже тоненький, как консервная банка, кожух. Я приклеил такой виток клеем, обвил слоем проволоки, и супермаховик снова был готов к работе.

И результат был немалый – разрыв наступал при 30 тыс. оборотах в минуту, что соответствовало скорости обода почти 500 м/с, или плотности энергии около 0,1 МДж/кг. Супермаховик «ручной работы» одним махом обогнал по важнейшему показателю свинцово-кислотные аккумуляторы, на совершенствование которых потрачено уже более 100 лет!

Проблему вибраций товарищ Гулия решил достаточно просто (а если бы он знал, как устроены суперцентрифуги, на которых обогащают уран и плутоний – то решил бы ее еще на старте проекта):

Как видите, супермаховик подвешен на относительно тонком и гибком торсионе. При вращении он, как всякое вращающееся тело, стремится вращаться вокруг естественного центра тяжести – и торсион ему это позволяет.

Более того: если в супермаховике сделать концентрический канал, который примерно наполовину заполнить вязкой жидкостью – при вращении эта жидкость распределится внутри канала таким образом, чтобы компенсировать дисбаланс масс относительно геометрического центра канала. Супермаховик автоматически отбалансируется.

Еще одна забавная вещь, которую многие не понимают – это то, что материал для супермаховика отнюдь не должен быть тяжелым. Максимум, что мы можем «выжать» из стали, даже самой совершенной, – это 30—50 кДж/кг, дальше маховик разорвется. А маховик из более легких титана, дюралюминия, магниевых сплавов при той же массе накопит до разрыва в полтора раза больше энергии. Неплохим материалом для маховиков являются пластмассы, особенно усиленные стеклонитью, так называемые стеклопластики. Тяжелые же материалы практически не годятся для маховиков. Медный маховик не накопит и десятой доли энергии стального.

Большинству показалось бы абсурдным изготовление маховиков из дерева или бумаги. Однако маховики из дерева, фанеры, бумаги, склеенной в несколько слоев, могут накопить больше энергии, чем такой же по массе маховик из стали, и при этом будут значительно дешевле его. А плотность энергии маховиков из бамбука почти в 10 раз выше, чем из стали, и достигает 0,3 МДж/кг.

Специально закаленное стекло, как и лучшая проволока, выдерживает 3 кН/мм2, а хрусталь и даже кварц еще прочнее – 10 кН/мм2. А ведь их плотность в три раза меньше, чем у стали. В результате маховик из плавленого и закаленного кварца способен накопить в килограмме массы до 5 МДж энергии, или в 150 раз больше, чем стальной маховик! В теории, автомобилю массой 1 т для прохождения 100 км достаточно пятикилограммового супермаховика из кварца.

К сожалению, кварц слишком дорог, а разрыв его, как и стекла, опасен. Осколков при этом, разумеется, не образуется – маховик мгновенно разлетается в пыль, но весь и сразу. Это хуже, чем взрыв такого же количества тротила, во всяком случае, энергии при разрыве маховика выделится больше.

В общем, практически идеальные супермаховики навиваются из кевларовой нити. Если же размеры и масса не особо лимитируют, и хочется максимально удешевить маховик – его можно навить из обычной стеклянной нити, используемой при производстве стеклоткани. Такой дешевый супермаховик вполне уверенно обеспечивает энергоемкость 5 МДж/кг даже с эксплуатационным запасом прочности.

1 джоуль = 0,000277777777777778 ватт-час

То есть 5 МДж = 1389 ватт-час. Это почти полтора киловатт-часа с каждого килограмма дешевого маховика.

Разумеется, это масса чистого маховика. К нему потребуется приделать подвес и двигатель-генератор, плюс защитный кожух. Но даже если отбросить на это всё еще столько же массы – энергоемкость установки подучается в районе 700 ватт-час на кило массы, или 700 киловатт-часов на тонну. Это, поверьте, очень солидно.

В процессе своих изысканий Нурбей Гулиа нашел весьма впечатляющие решения целого ряда конструктивных проблем, казавшихся многим нерешаемыми. Вот например:

Когда делаешь супермаховик из проволоки, навиваешь ее на катушку, один конец проволоки оказывается внутри, а другой обязательно выходит наружу. Это естественно – ведь им заканчивается намотка. Однако оставлять конец проволоки незакрепленным нежелательно. Если скрутить свободный конец с предыдущим витком, он этот виток размотает или порвет – каждый миллиграмм массы проволоки при вращении создает огромные силы, разрывающие ее.

Я закрепил оба конца проволоки на катушке, состоящей из двух отдельных половинок на одном валу, и начал крутить эти половинки в разные стороны. Проволока стала навиваться на них как обычно, с той лишь разницей, что, когда процесс намотки завершился, оба свободных конца проволоки остались внутри, а последний внешний виток пришелся как раз посередине обмотки. Потом я пропитал обмотку супермаховика клеем и высушил.

Это гениально, я считаю.

Подвешивают современные супермаховики на магнитах – в простейшем случае вот так:

Чтобы обойтись совсем без подшипников (которые в такой схеме парируют боковые смещения вала) – используются кольца из диамагнетиков (это материалы, отталкивающиеся от магнитного поля). Но куда проще применить следяющую систему с электромагнитами – сейчас же век электроники, никаких проблем в этом нет. Такие системы сейчас умеют вывешивать в вакууме и вращать бесконтактно простой шарик – причем достигнуты скорости вращения полностью вывешенного шарика в 800 тыс. оборотов в секунду, или почти 50 млн оборотов в минуту!

Но для практического применения хватает даже простой магнитной подвески с поддерживающими шарикоподшипниками – на ней супермаховики в вакууме имеют выбег в несколько месяцев.

Особенно забавно то, что в этом принципиально нет ничего нового, кроме новых технических решений. Модель накопителя с маховиком массой 320 кг А.Г.Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» на улице Семеновской:

Накопитель американца Милнера состоит из супермаховика диаметром около метра, массой 2 т, вращающегося со скоростью 15 тыс. оборотов в минуту. Супермаховик подвешен на шести магнитных подшипниках, причем подвеска подстрахована обычными шарикоподшипниками. Разгон супермаховика и отбор энергии осуществляются мотор-генератором с постоянными магнитами, наиболее экономичным из известных машин подобного типа. Накопитель аккумулирует почти 150 МДж энергии, при этом потери в цикле составляют всего около 12%. У такого накопителя плотность энергии в полтора раза выше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов, а долговечность – выше во много раз. Милнер использует его для работы совместно с солнечными батареями – накопитель заряжается днем, и отдает энергию ночью.

Наиболее современный малогабаритный супермаховичный накопитель разработала знаменитая национальная лаборатория «Лоуренс-Ливермор» (США). Накопитель высотой 40 см, объемом 40 л и массой 75 кг содержит супермаховик, навитый из высокопрочного углепластика (графитового волокна со связкой), выдерживающего напряжения в 7 ГПа и обеспечивающего колоссальную плотность энергии – 545 Вт·ч/кг. Супермаховик вращается с максимальной частотой 60 тыс. оборотов в минуту, накапливая энергию до 1 кВт·ч и развивая при отдаче мощность до 100 кВт. Таким образом, весь агрегат – с корпусом, магнитной подвеской и обратимой электромашиной (мотор-генератором) мощностью в 100 кВт, с супермаховиком и его ступицей – имеет плотность энергии около 14 Вт·ч/кг и плотность мощности – 1,34 кВт/кг. КПД накопителя – около 0,92.

PS. Любопытные могут погуглить фирму AFS Trinity. Эти американцы используют супермаховик в трансмиссии своего гибридного автомобиля для рекуперации энергии при торможении и разгоне.

Вообще в случае с супермаховиками нет смысла возиться со сравнительными оценками — будь то запасаемая на единицу массы энергия или эксплуатационные характеристики: теоретически они превосходят все имеющиеся альтернативные решения. И области применения напрашивались сами собой. Помещённый в вакуум, на магнитной подвеске, с КПД выше 90%, выдерживающий невообразимое число циклов заряда-разряда, способный работать в широчайших диапазонах температур, супермаховик способен вращаться чуть ли не годами и позволяет построить автомобиль, который от одной зарядки мог бы бегать тысячи километров. Про сглаживание энергопотребления ночь-день в электросети я уже и не говорю.

Технические сложности? Да, и конструкция супермаховика, и плавный отбор энергии — задачи с большой буквы, но они вроде бы решены. Время от времени слышно о мелких, узконишевых применениях. Но именно там, где на него возлагались главные надежды — в энергетике и автомобилестроении — супермаховик массового применения так и не нашёл. Пару лет назад американская компания Beacon Power ввела в строй небольшую супермаховичную энергоаккумулирующую станцию под Нью-Йорком, но сегодня о проекте ничего не слышно, а сама компания перебивается с хлеба на воду.

Потому что на самом деле всё это никому не нужно.

PPS. Вот так устроены серийные накопители Beacon Power:

Это готовое решение, они работают – но сама необходимость сглаживать пики потребления, как выясняется, это просто бла-бла-бла и повод для разворовывания денег.

Именно поэтому и строится всякий бред вроде гравитационных аккумуляторов Чубайса.