Удивительная механика Гулиа Нурбей

Метеорит на привязи

Итак, я перебрал почти все идеи, казавшиеся мне сколько-нибудь перспективными, но «капсулы» так и не нашел. Каждый раз все складывалось вроде бы отлично, появлялись радужные надежды, а затем возникали непредвиденные осложнения, они громоздились друг на друга, и мои надежды в конце концов рушились.

Неужели всякая победа в технике достается только многолетним кропотливым трудом? Известно, что так работал, например, великий Эдисон, тратя на отдых и другие «бесполезные», с его точки зрения, занятия минимум времени. Но ему же принадлежат слова: «Огромное большинство людей предпочитает безмерно трудиться, лишь бы немного не подумать».

Конечно, хорошо бы найти в природе какой-нибудь аналог накопителя и, взяв его за основу, попытаться создать «энергетическую капсулу». Однако попробуй найди такой аналог.

Раскаленное Солнце? Было, это же тепловой аккумулятор. Сила гравитации? Тоже было – аккумулятор Армстронга, или, попросту, поднятый груз. Упругие ветви деревьев? Пружина. Электрический скат? Электроаккумуляторы. Грозовые облака? Конденсаторы. Шаровая молния? От нее я отказался только что.

Может, метеориты? Они все-таки имеют гигантскую скорость, способны насквозь пробить космический корабль. Пусть даже их скорость будет весьма небольшой по космическим масштабам, километров десять в секунду, но и тогда кинетическая энергия каждого килограмма массы метеорита составит половину квадрата скорости, или… 50 МДж. Это ведь столько, сколько накапливает шаровая молния! А есть метеориты гораздо быстрее.

Разгонишь метеорит до скорости вдвое большей – накопишь вчетверо большую энергию.

Я не поверил себе. Решение лежало на поверхности. Возможно ли, что никто раньше не додумался накапливать энергию в бешено мчащемся метеорите?

Ну хорошо, а как эту энергию отобрать у метеорита? Гнаться за ним на космическом корабле? Неудобно, сам при этом превратишься в аккумулятор такой же по величине энергии. Стало быть, надо привязать метеорит тросом к некой оси, и пусть он ходит вокруг нее по кругу. Вращая эту ось, а вернее, вал, можно разгонять метеорит – накапливать в нем энергию и, напротив, замедлять его бег при отборе энергии. Пожалуй, лучше даже взять несколько таких метеоритов на привязи и состыковать их между собой, чтобы

получилось кольцо. И пространство Метеориты «на привязи» очень напоминают маховик со спицами удастся сэкономить, и…

К моему удивлению, вышло нечто очень знакомое. Так это же маховик – обычный маховик в виде тяжелого колеса со спицами! Маховики давным-давно применяют для выравнивания хода машин, они присутствуют в любом автомобильном двигателе, в магнитофонах, в швейных машинах, механических ножницах, прессах… В общем трудно, наверное, назвать машину, в которой нет маховика или какого-нибудь тяжелого колеса, выполняющего ту же роль.

Почему же тогда маховики не используют для накопления больших количеств энергии? Ведь если даже плотность энергии маховика окажется в сотни раз меньше, чем я подсчитал для метеорита, все равно он будет на уровне лучших аккумуляторов, созданных когда-либо человеком!

Любое серьезное дело, как я уже понял, требует основательной подготовки. Мне теперь предстояло подробнее ознакомиться с маховиками, и начать я решил прямо с той поры, когда они появились.

Открытие древнего гончара

Один из величественнейших городов Междуречья – древний Ур. Он громаден и многолик. Это почти целое государство. Сады, дворцы, мастерские, сложные гидротехнические сооружения, культовые постройки.

В небольшой гончарной мастерской, с виду довольно старой, служившей, вероятно, не одному поколению, перед гончарным станком сидит смуглый мужчина с остроконечной бородкой. Грубая крепкая деревянная тренога поддерживает массивный диск из обожженной глины диаметром около метра. На глаз в нем никак не меньше центнера. Гончар кладет на этот диск кусок размятой глины и принимается колдовать над ней. Диск, несмотря на явную громоздкость, легко вращается – по-видимому, он достаточно искусно посажен на ось, подвижно закрепленную в треноге. Но вот его вращение замедлилось. Мастер завел правую руку под диск, нащупал там рукоятку, с силой потянул ее на себя, откидываясь в мощном движении…

Эта сценка из далекого прошлого ожила передо мной благодаря знаменитому английскому археологу Леонарду Вулли, который в 1929 году в развалинах города Ура нашел не совсем обычный гончарный круг. Гончарное ремесло в те времена получило уже довольно широкое распространение, и найденный диск едва ли мог особенно заинтересовать археологов. Но Леонард Вулли оказался весьма проницательным, обратив внимание на некоторые странности в устройстве диска.

Во-первых, зачем понадобилось делать гончарный круг столь большим и тяжелым? В Египте, например, находили гончарные круги лет на тысячу старше. Изготовленные из дерева, они были гораздо меньше по размерам, легче и прекрасно служили в качестве простой вращающейся подставки. Такими же кругами пользовались и в Междуречье. И все-таки гончар из Ура сделал свой круг тяжелым и громоздким, как будто назло самому себе.

Во-вторых, для чего было проделано маленькое отверстие в торце диска? Если большое отверстие в центре предназначалось для закрепления в нем оси, то маленькое отверстие сбоку поначалу казалось археологам совсем ненужным.

И тут Леонард Вулли высказал блестящую мысль: в маленькое отверстие втыкалась деревянная рукоятка, с помощью которой древний мастер вращал массивный диск. А большой вес и внушительные размеры диска ему нужны были для того, чтобы подольше сохранять это вращение и работать на своего рода «механизированном» станке. Гончар из города Ура сделал гениальное открытие – он изобрел маховик! Как и миллионы нынешних маховиков, их предок – гончарный круг, вращаясь, переносил энергию во времени. Именно он, по признанию ученых, положил начало эре механизированного труда.

В поисках серьезной работы

Прошло еще 1200 лет, прежде чем в Древнем Китае был изготовлен другой гончарный круг маховичного типа. Известно даже имя хозяина гончарной мастерской близ Желтой реки. Звали его Ланг Шан, и он, по-видимому, сам дошел до идеи маховика. К чести китайца, его маховик был значительно совершеннее. Вытесанный из камня, что придавало ему большую прочность и долговечность, массивный диск приводился в действие ногами. Это позволяло развивать немалую скорость – ноги ведь гораздо сильнее рук.

Очередное маховичное устройство появилось примерно через полторы тысячи лет, и снова в Китае. В долине реки Ло Ланг Хо постоянно дули сильные ветры, которые сдували слои земли, образуя глубокие овраги. В этих оврагах на глубине 10—12 м можно было найти воду, необходимую для орошения полей. Китайцы сооружали большие колеса с парусами на шестах, к колесам цепями крепили кожаные ковши для воды. Ветер надувал паруса и вращал колеса, поднимая воду из оврагов.

Однако когда ветер вдруг стихал, такое колесо останавливалось, а затем под тяжестью ковшей с водой начинало крутиться в обратную сторону, сливая воду в овраг. Чтобы этого не происходило, у колеса оставляли дежурить двух рабов, скованных одной цепью. Как только ветер прекращался, они повисали на той стороне колеса, где были пустые ковши, и удерживали его от обратного хода до следующего порыва ветра.

Однажды хозяин колеса, которому рабы понадобились для другого дела, решил уравновесить колеса тяжелым камнем. Ничего не получилось, все равно кто-то должен был в нужный момент привязывать камень к колесу, а потом отвязывать его. Хозяин уже было махнул рукой на свою затею, но тут налетевший ветер раскрутил колесо вместе с камнем, который не успели снять, и оно стало быстро вращаться, поднимая ковши с водой, а когда ветер опять стих, колесо не сразу остановилось.

Сообразительный хозяин тут же приказал привязать еще камней под каждый парус и стянуть шесты веревками. Так его колесо превратилось в огромный маховик, накапливающий энергию ветра и постепенно расходующий ее во время затишья. Благодаря маховику появилась возможность поднимать воду без постоянного контроля со стороны человека.

Сейчас такое сооружение назвали бы автоматическим водоподъемником маховичного типа, а тогда его именовали «Большое колесо Мандарина». Сохранилось и другое название маховичного колеса, данное ему в память о древней китайской цивилизации, на закате которой оно было создано, – колесо Пан-По.

Колесо Пан-По имело, по описаниям того времени, «четыре человеческих роста над землей и два – под землей». Крепкие «спицы», на концах которых были закреплены паруса и тяжелые камни, соединялись между собой распорками и канатами. Вал колеса покоился на подшипниках-втулках из твердых пород дерева, обильно поливаемых водой. Чем не современная жидкостная смазка подшипников?! Да, «Большое колесо Мандарина» было настоящим шедевром древних инженеров, на много лет опередившим техническую мысль той эпохи.

Маховики, правда, несравненно меньших размеров, применялись в старинных смычковых сверлилках-дрелях. В них функцию маховика выполнял тяжелый диск, насаженный на сверло. Через него, обвиваясь, проходила тетива смычка. Двигая смычком вперед-назад, мастер разгонял маховик, а затем, надавливая на тупой конец сверла камешком с углублением, просверливал отверстия, используя накопленную в маховике энергию. Подобным способом можно было не только сверлить, но и добывать огонь трением.

Уже в древности появились первые маховичные игрушки. И раньше других – волчок, который радует детей до сих пор, спустя тысячелетия. Волчок заключает в себе два главных свойства маховика – он накапливает и сохраняет энергию, а также сохраняет ось вращения в пространстве – обладает гироскопическим эффектом. Указанные свойства и обусловили применение маховиков в миллионах современных машин. Детство мое и моих сверстников протекало в военные и первые послевоенные годы. Тогда стране было не до игрушек, и мы сами делали их из дерева, глины, отливали из свинца. Иногда волчки получались очень удачные – закрутишь такой, бросишь на пол и подстегиваешь кожаной плетью.

Волчок гудит, подпрыгивает от ударов и крутится, крутится чуть ли не часами.

Не менее интересную игрушку мастерили мы из крупного грецкого ореха. Орех просверливали или прожигали гвоздем в двух местах близ центра так, чтобы расстояние между отверстиями не превышало сантиметра. Потом пропускали в эти отверстия нити, связывали концы – и игрушка готова. Мы называли ее «жужжалкой». Многие из нас в то время считали, что «жужжалку» выдумали недавно, а она, оказывается, описана еще в древних кавказских рукописях.

Для запуска игрушки нужно было надеть концы нитяной петли на пальцы, растянуть ее, а затем, закрутив орех на несколько оборотов, отпустить его. Орех начинал раскручиваться и вскоре по инерции уже сам закручивал нить в другую сторону. Здесь следовало чуть ослабить натяжение нити, чтобы дать ей возможность закрутиться на большее число оборотов, и снова растянуть. С каждым разом орех все стремительнее вращался вперед-назад, причем с сердитым жужжанием. Скорость его вращения достигала нескольких тысяч оборотов в минуту.

Еще одна старинная маховичная игрушка – «йо-йо». На глиняный, деревянный или металлический маховик с кольцевой проточкой посередине наматывалась нить длиной около метра. Держа свободный конец нити в руке, маховичок приподнимали над землей и отпускали. Падая, он раскручивался, приобретая все более быстрое вращение. При этом в нем накапливалась энергия, достаточная для его последующего подъема вверх по нити почти до самой руки. Если при падении маховичка нить слегка натягивали, а при подъеме чуть ослабляли, то маховичок наезжал прямо на руку.

По принципу этой игрушки действует хорошо знакомый всем по урокам физики прибор – маятник Максвелла, демонстрирующий переход потенциальной энергии в кинетическую, и наоборот.

Маховичные игрушки дали много для развития идеи накопления энергии во вращающихся маховиках. Во все времена не только дети, но и ученые любили наблюдать за ними, изучали их свойства. Например, великий Ньютон, поясняя открытый им закон инерции, описывал вращение волчка. Однако минуло немало лет, пока для маховика нашлась серьезная работа.

Маховик берется за дело

Средневековая Европа. Процветает схоластика, алхимия, не сидят без работы и астрологи. Странный и страшный период в истории Европы, когда на несколько веков она погрузилась во мрак отсталости и невежества.

О маховиках тогда, конечно, никто и не думал. Да и о каких маховиках могла идти речь, когда «ученые мужи» были заняты поисками «философского камня», изгнанием дьявола, размышлениями на тему: «Сколько ангелов уместится на булавочной головке?»

Но почти через тысячу лет после гибели высокоразвитого в техническом отношении античного Рима в Европе постепенно опять начинают заниматься делом. Медленно, но верно развиваются технические науки, появляются машины. Машины поначалу были несложные, приводимые в движение вручную с помощью рукояток.

Тот, кто пробовал завести двигатель автомобиля рукояткой, хорошо знает, как это трудно. А каково же было людям средневековья? Для того чтобы машина работала, им приходилось крутить рукоятки с утра до вечера, изо дня в день, из месяца в месяц, из года в год. Будучи, по существу, «живыми двигателями» средневековых машин, они быстро выбивались из сил, производительность их труда заметно падала. И вот однажды кто-то догадался снабдить рукоятку маховиком. Это позволило значительно облегчить труд работников. Отныне маховик стали применять в самых различных технических устройствах.

Характерным примером использования маховика в старинных машинах может служить ковшовый водоподъемник XV века, колесо которого должен был поворачивать вручную специально нанятый для этого работник. В те моменты, когда человеку было удобно вращать рукоятку, укрепленный на ней достаточно большой маховик «принимал» у него часть энергии и возвращал ее тогда, когда крутить рукоятку становилось уже неудобно. В результате и человек меньше утомлялся, и машина работала более равномерно.

Другой пример – поршневой насос конца XV – начала XVI века. Помимо неудобства пользования рукояткой, здесь требовалось преодолеть еще одну сложность. Когда поршень поднимал воду, крутить рукоятку было намного тяжелее, чем во время его спуска. И нередко случалось так, что при подъеме у работника просто не хватало сил провернуть рукоятку, оказавшуюся в неудобном для него положении. Применение маховика позволило решить эти проблемы.

Даже тогда, когда машины стали приводить в движение с помощью водяного колеса, маховик не утратил своего значения. В XVI веке, например, его использовали в машинах для распиловки досок. Поднимать пилу вверх было легко: в это время она не пилила – наклон зубьев был в другую сторону, опускать же – совсем непросто, ведь при этом и происходила собственно распиловка доски. Без маховика пила бы часто застревала в доске, и водяное колесо не в силах было бы протянуть ее дальше. Теперь же маховик, разгоняясь при свободном ходе пилы вверх, отдавал ей свою энергию при рабочем ходе вниз. Пила не застревала, и дело шло быстро. Маховик здесь был уже гораздо больше по размерам и массе, чем на ручных машинах, – мощность тут требовалась большая.

В XVIII веке изобрели паровой двигатель, а в XIX – двигатель внутреннего сгорания. Оба поршневые. Главный же недостаток поршневой машины – неравномерность выделения энергии, неравномерность хода. Машина выделяет энергию лишь в момент подачи пара в цилиндр или в момент сжигания в нем горючего. Все остальное время она только расходует энергию на свое прокручивание. Это необходимо, чтобы машина не остановилась.

Тут-то и пригодился маховик. Посаженный на вал двигателя, маховик при сжигании горючего, то есть при рабочем ходе машины, накапливает энергию, а потом за счет нее сам прокручивает машину для подготовки следующего рабочего хода. Если кто-нибудь думает, что автомобиль постоянно приводится в движение двигателем, то он ошибается. Часть времени машину тянет двигатель, а часть – именно маховик. И изрядные расстояния автомобиль проезжает за счет маховика. Правда, такой маховик накапливает очень незначительную энергию по сравнению с другими аккумуляторами той же массы, поэтому претендовать на роль «энергетической капсулы» он не может.

Часто маховик присутствует в машинах незримо, он «замаскирован» в них под какую-то деталь, но выполняет самую что ни на есть «маховичную» работу. Те, кто бывали на заводе, наверное, видели там механические ножницы. Мотор с помощью ремня крутит шкив, а от этого шкива приводится в движение нож. На первый взгляд, шкив как шкив. А будь он полегче, не такой массивный, каким его изготовили, не сработали бы тогда ножницы, уперевшись в заготовку, – и нож сразу бы остановился. Только маховик, «замаскированный» в этом случае под шкив, позволяет за счет накопленной энергии развивать огромные силы и мощности, необходимые для работы.

«Маскируется» маховик обычно под шкивы, муфты, зубчатки, колеса и другие круглые, а подчас и не совсем круглые детали. В самом деле, почему бы и не использовать свободный обод маховика для размещения на нем ремня или зубьев? Это очень даже удобно.

Кстати, уж коли мы заговорили про колеса, то велосипедные колеса – настоящие маховики, на которые надеты шины. Но здесь используется главным образом другое свойство маховика – гироскопический эффект. Это он помогает сохранять устойчивость велосипеду, как и волчку – игрушке, наблюдая за вращением которой этот эффект был впервые подмечен.

Более 200 лет тому назад английский изобретатель Серсон попытался использовать это свойство волчка для создания «искусственного горизонта» – особого прибора, крайне необходимого в мореплавании: ведь нередко из-за тумана естественного горизонта не видно. Этот прибор нужен был морякам для астрономических наблюдений, чтобы выяснить, где находится в данный момент корабль. Раньше применяли для этих целей отвес, но при волнении на море отвес сильно раскачивался наподобие маятника и «поймать» горизонт было невозможно.

Судьба оказалась несправедливо жестокой к изобретению и к самому изобретателю. Фрегат «Виктори», на котором был установлен «искусственный горизонт», потерпел крушение – Серсон погиб. О его изобретении лет на сто забыли.

Свойство маховика сохранять ось вращения в пространстве поначалу поражало меня, как, впрочем, и каждого, кто впервые сталкивался с этим свойством. Только позже я понял, чем оно объясняется. Но уже до этого, наблюдая гироскопический эффект, я твердо решил применить его при создании маховичной «энергетической капсулы».

Маховик перебирается на транспорт

Наступил XIX век – век настоящего расцвета машиностроения. Неизменный спутник машин – маховик завоевывал все более прочное место на транспорте. А впервые он был использован на транспортном средстве в 1791 году гениальным русским механиком-самоучкой И. П. Кулибиным, который применил его в своей знаменитой «самокатке».

Надо сказать, что «самокатки», «самобеглые коляски» и прочие «безлошадные» транспортные средства появились задолго до И. П. Кулибина. Но Кулибин не знал об этом и создавал все заново. Не подозревая о существовании иных конструкций «самокаток», где маховиков и в помине не было, он положил начало новому применению маховичных накопителей.

Еще в Древнем Риме дети катались на досках с приделанными к ним четырьмя колесами. Это были первые примитивные бестягловые тележки, работающие на мускульной энергии самого пассажира. Существовали в античном мире и мускульные экипажи побольше, в частности в виде большой улитки.

В 1257 году английский ученый и общественный деятель Роджер Бэкон предсказал скорое появление городских экипажей на мускульной тяге, которые будут иметь практическое значение. Таковые вскоре и появились.

В 1447 году в европейских городах на новогодних празднествах видели закрытую повозку, приводимую в движение «скрытым механизмом» – по-видимому, спрятанными внутри повозки людьми.

Великий художник Альбрехт Дюрер сконструировал целых девять «самобеглых» повозок для императора Максимилиана I. Даже сам Ньютон в ранней молодости построил «самокатку», которая ездила по полу в его доме.

В XVII—XVIII веках были известны не менее десяти разновидностей «безлошадных» самоходных повозок, в том числе «самобеглая коляска» талантливого русского механика Л. Л. Шамшуренкова, построенная в 1752 году.

В XX веке «самобеглые» получили как бы второе рождение. Люди хотят больше двигаться, ведь не секрет, что мы страдаем от недостатка движения. К тому же мускульные транспортные машины не имеют двигателей, сжигающих горючее, они совершенно безвредны. Сейчас создано много новых конструкций не только велосипедов, уже завоевавших мир, но и мускульных автомобилей – веломобилей или педикаров, которым еще предстоит это сделать. Ряды сегодняшних «изобретателей велосипедов», в хорошем понимании этого словосочетания, множатся с каждым днем.

У всех «самобеглых» есть общий недостаток – они плохо преодолевают подъемы. Велосипедисты знают, как тяжело даже на современных легких педальных машинах ехать в гору. Можно понять, насколько трудно это было для водителей педикебов – велосипедных колясок, в которых помимо самого водителя нередко сидело еще два пассажира. Между тем, по отзывам очевидцев, «самокатка» И. П. Кулибина в гору шла быстрее, чем по ровной дороге!

Дело здесь в применении маховика, который, разогнавшись за счет накопленной энергии, помогал преодолевать подъемы и, кроме того, снижал скорость «самокатки» на спусках. Водитель, он же слуга, вращая педали, раскручивал маховик, расположенный под сиденьем, после чего уже сам маховик посредством механической передачи приводил в движение колеса.

Маховик не единственный накопитель энергии, использованный И. П. Кулибиным в «самокатке». Он применил в качестве тормоза специальные пружины, способные накапливать энергию экипажа при торможении. Пружины помещались в тормозном барабане, служившем одновременно сцеплением и коробкой передач. Можно только удивляться гению Кулибина, почти на полтора столетия опередившего техническую мысль того времени.

В Политехническом музее в Москве демонстрируется прекрасная действующая модель «самокатки» Кулибина в масштабе 1:5. Измерив модель, я определил диаметр маховика и массу обода. В натуральную величину они составляли 1,5 м и 50 кг, соответственно. Считается, что человек, спокойно работая ногами, способен развить мощность около одной десятой лошадиной силы. Учитывая потери энергии маховика при трении о воздух и в подшипниках, я получил максимальную скорость, до которой может быть разогнан такой маховик – 500 оборотов в минуту. Это очень низкая скорость для маховика, но и при этом маховик Кулибина мог накопить около 800 Дж/кг, а всего – около 40 кДж. Полагая, что масса экипажа была примерно 400 кг и соответственно сила сопротивления его движению по дороге около 0,1 кН (килоньютон), я определил путь, который могла пройти «самокатка» только равен 400 м. Для преодоления встретившегося подъема «самокатке» достаточно было энергии самого маховика. А ведь при этом человек тоже не переставал работать педалями. Поэтому наблюдателям и казалось, что «самокатка» в гору шла быстрее, чем по равнине.

«Самокатка» И. П. Кулибина – прекрасный пример удачного использования маховика на транспорте, даже соотношение масс маховика и экипажа словно взято из современных справочников!

Следующим применил маховик на транспорте другой наш соотечественник, инженер-поручик З. Шуберский.

В июле 1862 года в газете «Современная летопись» появилась такая заметка: «Два года назад в “Журнале путей сообщения” было заявлено об остроумном изобретении г-на Шуберского. Маховоз господина

Шуберского, состоящий из системы маховых колес, предполагается к употреблению при всходе и спуске поездов по крутым скатам железных дорог. Умеряя быстроту движения при спуске с горы и употребляя сбереженную скорость при подъеме в гору, снаряд г-на Шуберского дает возможность проводить железные дороги со значительными склонами, уменьшая количество земляных работ и искусственных сооружений. Опыты над моделью ма-ховоза оказались удовлетворительными, и изобретатель намеревается приступить к опытам в большом виде».

Я разыскал этот журнал и обнаружил подробное описание, расчеты и чертежи первого рельсового маховичного экипажа.

Три пары огромных железных маховиков просто посажены своими осями на ободы ведущих колес маховоза. Таким образом, вращение передается от ведущих колес на оси маховиков при спуске и, напротив, от осей маховиков ведущим колесам на подъеме только силой трения под давлением тяжести самих маховиков. Это самый простой и в данном случае наиболее подходящий способ передачи механического движения при высокой мощности и минимальных потерях энергии в опорах и на приводе. Кроме того, оси маховиков помещены в подшипниках и могут быть приподняты в случае торможения маховоза, чтобы не гасить при этом энергию маховиков. Последние в это время будут вращаться вхолостую.

Маховоз предполагалось цеплять позади паровоза, перед вагонами. Предусматривалось также снабдить маховиками паровоз и тендер.

Размеры и масса маховиков весьма внушительны: каждый маховик диаметром 12 футов (3,6 м) и массой около 300 пудов (5 т). Сам маховоз имеет массу 2330 пудов (40 т). Окружная скорость обода маховика связана со скоростью поезда и превышает ее в 12 раз. Кинетическая энергия, накапливаемая маховиками, – около 2,3 млн пудо-футов (114 МДж).

Набирая кинетическую энергию на спусках или на ровном пути при помощи паровоза, маховоз должен был помогать поезду преодолевать крутые подъемы. Допустим, сам паровоз может преодолеть уклон только в 5 тысячных (подъем на 5 метров за 1 километр пути), а с маховозом он взойдет по подъему, в три раза более крутому, из которых 2/3 подъема будут преодолены за счет энергии маховоза и лишь 1/3 – самого паровоза.

Шуберский предлагал использовать свое изобретение и для поездок «малыми поездами» на небольшие расстояния. Например, если прицепить к маховозу один пассажирский вагон массой 625 пудов (10 т), то этот поезд при разгоне его паровозом до скорости 28 верст в час (30 км/ч) на участке в 2 версты (2,1 км) пройдет за счет энергии маховиков внушительное расстояние – 55 верст (60 км) до остановки.

Если не доводить поезд до полной остановки и использовать, скажем, 75 % всей кинетической энергии, пробег сократится до 40 верст (43 км). Если же удвоить скорость поезда, то есть довести ее до 55 верст в час (60 км/ч), вполне нормальной и даже низкой скорости для поездов, то пробег увеличится в 4 раза и составит уже 170 км. Это весьма неплохо для поезда, движущегося за счет аккумулированной энергии!

Тщательный расчет, проведенный Шуберским, показал, что расход топлива с применением маховоза может быть снижен не менее чем на 25 % – цифра, удивительно близкая к современным данным для махо-вичных рельсовых машин, например для поезда с маховиками в нью-йоркском метро.

Свое описание маховоза Шуберский заканчивает словами, полными патриотизма: «Вполне я был бы счастлив, если бы мое изобретение обратило бы на себя внимание и могло послужить в пользу скорейшего развития отечественных железных дорог».

Потом маховиком заинтересовался американец Дж. Хауэлл. Правда, машину, на которую он его поставил, лишь условно можно назвать транспортным средством, так как это была боевая торпеда. Маховик торпеды Хауэлла, разработанный в 1883 году, раскручивался паровой машиной за одну минуту, после чего торпеда проходила около 1,5 км с достаточно высокой скоростью – 55 км/ч. Маховик имел диаметр 45 см, массу 160 кг, скорость его вращения достигала 21 тыс. оборотов в минуту. Накопленная в маховике энергия составляла 10 МДж. Вращение от маховика с помощью конических шестерен передавалось на гребной винт с регулируемым углом наклона лопастей.

Если отвлечься от военного назначения торпеды, думаю, что в «мирном» варианте это была бы неплохая прогулочная быстроходная лодка без мотора, горючего, дыма и треска. Ее с успехом можно было бы использовать в черте города, на переправах, в местах отдыха людей. А раскручивать маховик не обязательно паровой машиной – с этим еще лучше справился бы электромотор.

В 1905 году англичанину Фредерику Ланчестеру был выдан патент на изобретение, имеющее отношение к «…применению для механического движения мотора в форме тяжелого, быстровращающегося маховика, с целью приведения в движение моторного экипажа». Колеса экипажа Ланчестера соединялись приводом с маховиком или даже с системой из двух маховиков, вращающихся в противоположные стороны. Раскручивали маховики на остановках, где для этого были смонтированы стационарные двигатели. Ланчестер предусмотрел и разгон маховиков с помощью встроенного электродвигателя, который подключался к электрической сети также на остановках.

В 1918 году русский изобретатель-самоучка А. Г. Уфимцев получил патент на маховичный накопитель – инерционный аккумулятор. А в 20-х годах он предложил использовать маховик для трамвая в своем родном городе Курске. Из-за разрухи в народном хозяйстве в те годы проект этот не был осуществлен.

Эпоха современного применения маховиков на транспорте начинается с разработки маховичных тележек для внутризаводских перевозок. В цехах ездить на грузовиках нельзя, мешают выхлопные газы, а электрокары невелики, грузоподъемность их мала. Вот умельцы на заводах и стали делать грузовые тележки с приводом от маховика. В Казани на компрессорном заводе долгое время работала такая маховичная тележка грузоподъемностью до 10 т.

Еще важнее для промышленности оказались маховичные локомотивы, работающие в шахтах и рудниках. Атмосфера некоторых подземных выработок настолько насыщена взрывоопасными газами, что там становится невозможным использование обычных электровозов. Только один вид транспорта – маховичный – дает полную гарантию от возникновения искры или пламени, способных вызвать взрыв.

И вот в СССР начался выпуск маховичных локомотивов, которые могли проходить с одной раскрутки маховика массой 1,5 т несколько километров, таща за собой состав вагонеток. Раскручивается маховик от сжатого воздуха, а с колесами локомотива его соединяет механическая передача, не образующая искры.

«Транспортом пороховых складов» прозвали маховичные перевозные средства за их пожаро– и взрывобезопасность.

И наконец, применение маховиков на автомобилях началось с изготовления швейцарской фирмой «Эрликон» маховоза-гиробуса, опытный образец которого был построен в 1945 году. Уже в 1953 году фирма выпустила серию гиробусов, проработавших 20 лет в Швейцарии, Бельгии и некоторых странах Африки. Масса гиробуса была 11 т, а с пассажирами – 16 т. Его тяговые электродвигатели питались от генератора, приводимого во вращение маховиком. Маховик, выкованный из прочной стали, имел диаметр 1,5 м и массу 1,5 т. Скорость его вращения составляла в начале движения 3000 оборотов в минуту, а по прошествии 4-6 км пути снижалась вдвое. Из накапливаемых маховиком 33 МДж энергии использовалось 75 %.

Подзаряжался маховик на остановках через 1,2-2 км в течение 40 с. Для этого штанги гиробуса поднимались до соприкосновения с контактами на высокой мачте. Генератор начинал работать в режиме двигателя и разгонял маховик. Хотя КПД маховичного автобуса был невысок – всего 50 %, гиробус показал себя очень экономичным транспортным средством. Расход энергии составлял 1,5 кВт·ч, или 5,5 МДж на километр пробега. Для сравнения напомню, что автобус того же класса, что и гиробус, расходует на километр пути не менее 400 г бензина, что составляет в переводе на механическую работу в три раза большую величину – 17 МДж.

Гиробус совершенно не загрязнял окружающую среду. А ведь даже электроаккумулятор выделяет в атмосферу водород и пары, которые содержат в себе такие вредные вещества, как свинец, кадмий, хлор и др. В отличие от троллейбуса, гиробусу не требовались контактные провода, уродующие вид города и создающие опасность поражения током. Он ехал совершенно бесшумно, его штанги не терлись и не искрили при движении.

И все же, несмотря на эти преимущества, гиробус проиграл соревнование с дорогим, дымящим и шумным автобусом. Это произошло, в основном, потому, что гиробус приходилось часто подзаряжать.

Он мог пройти на энергии маховика в идеальном случае 8 км, а в действительности – около 6 км, после чего останавливался. Для городского транспорта это слишком мало.

Я прикинул, что маховику гиробуса, чтобы стать «энергетической капсулой», нужно «похудеть» раз в десять и во столько же раз увеличить количество накапливаемой энергии.

Иначе говоря, требуется повысить плотность энергии маховика, ни много ни мало, в 100 раз! Это будет, конечно, меньше, чем у «метеорита на привязи», но гораздо больше, чем у самых совершенных аккумуляторов.

Итак, задача ясна. Если мне удастся «закачать» в маховик столько энергии, то проблему создания «энергетической капсулы» можно считать решенной.

Быстрее крутить нельзя

Все, что я прочел про маховики, все, что продумал за это время, помогло мне поверить в большие возможности этих накопителей энергии. Однако повысить плотность энергии маховика в 100 раз – дело нешуточное. Что же мешает решить эту задачу? Попробуем разобраться.

Швейцарский гиробус проходил до остановки 6 км. Четыре из них он шел с приличной скоростью, вполне вписываясь в городское движение. Но почему не больше? Почему, например, не 20 км, что позволило бы открыть в городах линии маховичных автобусов без двигателя и без горючего?

Чтобы пройти впятеро больший путь, гиробус должен запасти во столько же раз больше энергии. Для этого совершенно не обязательно крутить маховик в пять раз быстрее, достаточно увеличить частоту вращения в 2,24 раза, то есть нужно разогнать маховик гиробуса до 6-7 тыс. оборотов в минуту. Казалось бы, чего проще? А вот ученые утверждают, что это совсем не так просто.

Обычно опыты с маховиками проводят на специальном стенде, помещенном глубоко под землей. Маховик там подвешивают в особой камере, из которой выкачивают воздух. Крутят маховик воздушной турбиной, если он легкий, или мощным электромотором, если он тяжелый, как маховик гиробуса.

До 4-5 тыс. оборотов в минуту маховик сохраняет свои исходные размеры – если его остановить и измерить самыми точными приборами, все будет как прежде. Но уже при частоте вращения, близкой к 5 тыс. оборотов в минуту, маховик как бы «раздается» в стороны, его диаметр сильно увеличивается, и после остановки маховик не возвращается к прежним размерам. Чем это вызвано?

Из физики известно, что каждое массивное тело стремится либо двигаться равномерно и прямолинейно, либо находиться в покое. При вращении маховика сила сцепления его частиц, определяющая прочность данного материала, заставляет эти частицы сворачивать со своего «естественного» прямолинейного пути и «ходить по кругу». И частицы начинают «растягивать» маховик, пытаясь его разорвать, что дало бы им возможность двигаться равномерно и прямолинейно.

Теперь находиться вблизи маховика чрезвычайно опасно. Совсем небольшого увеличения скорости вращения может оказаться достаточно, чтобы маховик вдруг резко вытянулся и разорвался, как точильный круг. Только если осколки точильного круга легко удерживаются тоненькими защитными кожухами, то осколки маховика, массой по полтонны (а маховики почему-то чаще всего разрываются на три части), способны наделать много бед. Я слышал, что при разрыве маховика в подвале одной старой фабрики осколок пробил все междуэтажные перекрытия и вылетел наружу, а уже падая, еще раз пробил крышу.

Маховик гиробуса в момент разрыва обладает энергией, которой хватило бы для пробега машины на 12—18 км. Но не доводить же маховик каждый раз до опасного предела. Поэтому, как правило, прочность маховика используют всего на 1/3, что во столько же раз снижает его энергоемкость, а стало быть, и пробег гиробуса. Вот откуда те самые 4-6 км, о которых упоминалось выше.

Итак, по каким причинам нельзя накопить в обычном маховике больше энергии? Во-первых, это малая прочность материала, из которого он изготовлен. Крупные отливки или поковки даже из лучших сортов стали не слишком прочны. В таких изделиях невозможно избежать мельчайших дефектов, сильно уменьшающих прочность всего маховика. Во-вторых, чем прочнее литой или кованый маховик, тем опаснее последствия в случае его разрыва, и тем больше запас прочности следует закладывать при его проектировании.

«А что, если изменить форму маховика? – подумал я. – Например, разместить всю массу на периферии, превратив маховик в тяжелый обод, связанный с центральной частью тонкими спицами, как в велосипедном колесе?»

Оказывается, специалисты уже это сделали. По сравнению с кругом древнего гончара и впрямь получилось лучше. Такой маховик накапливал энергии в каждом килограмме своей массы раза в полтора больше. Еще лучше накапливал энергию маховик в виде диска без отверстия, но к нему трудно крепить вал. Однако потом точные расчеты показали, что выгоднее помещать массу не дальше от центра, а, наоборот, ближе к центру, вследствие чего появились маховики, тонкие по краям и утолщающиеся к середине, – диски «равной прочности». Как это ни удивительно, но энергии они могли накопить в два раза больше, чем обод со спицами, и в три раза больше, чем гончарный круг, при той же массе маховика.

Так я пришел к важному для себя заключению: энергия каждого килограмма массы маховика зависит от его формы и прочности! Уже позже, по окончании института, я доказал математически существование этой зависимости, но еще раньше, в школьные годы, подсчитал, что если при изменении формы маховика – от самой худшей к самой лучшей – энергия возрастет незначительно, максимум в три раза, то при многократном повышении прочности во столько же раз увеличится и плотность энергии, причем это увеличение ничем не ограничено. Правда, тут получался порочный круг. Непрочный, например глиняный, маховик накапливает мало энергии, но разрыв его не так уж опасен, а прочный, скажем, стальной, может накопить большую энергию, однако разрыв его столь опасен, что приходится заботиться о повышении запаса прочности. А это опять-таки равносильно снижению прочности.

Конструкторам маховиков никак не удавалось вырваться из этого замкнутого круга, поэтому маховики играли вторую, если не третью, роль среди накопителей энергии…

Одним выстрелом – двух зайцев

Решение я нашел не сразу. Долго старался всякими хитроумными способами увеличить прочность маховика – ничего не выходило. Попытки уменьшить последствия разрыва надрезанием обода на мелкие части – чтобы осколки были поменьше, тоже ни к чему не привели. Я вспомнил, что так же надрезают корпуса гранат-лимонок, но безопаснее от этого они не становятся. Напротив, осколков прибавилось, и убойная сила гранаты увеличилась.

Помогли мне здесь, как это ни странно, занятия гиревым спортом. Чтобы укрепить кисти рук, мы клали на два крючка ломик и медленно наворачивали на него тоненький стальной тросик с тяжелой гирей на конце. Свитый из проволок, этот тросик никогда не рвался сразу, а лишь постепенно, проволочка за проволочкой. Разумеется, о высокой прочности стальных проволок и свитых из них тросов я знал и раньше, но до сих пор это как-то не увязывалось в сознании с массивным маховиком. И вот однажды, когда заброшенный на антресоли тросик случайно попался мне на глаза, я чуть было не воскликнул: «Эврика!» – и решил: маховик нужно делать из троса!

Я взял кусок троса в метр длиной, зажал его посередине в кольцевом зажиме – оправке, а саму оправу посадил на вал. Получился хоть и необычный, но маховик. Такие маховики я назвал супермаховиками. В чем преимущества супермаховика? Если вращать вал, то трос, как и обычный маховик, накопит кинетическую энергию. При этом частицы троса, стремясь двигаться по инерции, будут все сильнее растягивать его, пытаясь разорвать. Наибольшая нагрузка тут приходится на середину троса. При увеличении скорости сверх меры трос начнет рваться, но рваться по частям, по одной проволочке. А тоненькие проволочки не способны пробить даже легкий защитный кожух. Стало быть, разрыв супермаховика из троса не причинит большого вреда!

Однако это еще не все. Дело в том, что огромная прочность проволочек дает возможность такому супермаховику накопить значительное количество энергии. Если прочность стальной струны выше прочности монолитного стального куска раз в пять, то при прочих равных условиях во столько же раз больше накопит энергии супермаховик из струны по сравнению с обычным маховиком той же массы. Но ведь условия-то совсем не одинаковые!

Обычный литой маховик, разорвавшись, способен наделать много разрушений, а разрыв супермаховика снаружи даже и не заметишь. Выходит, супермаховику не нужен слишком большой запас прочности, и его можно понизить примерно вдвое по сравнению с маховиком. То есть получается, что супермаховик из троса может накопить в каждом килограмме массы в 10 раз больше энергии, чем обычный стальной маховик. И при этом его разрыв не представляет опасности для людей! Эти качества, присущие именно супермаховику, – высокая плотность энергии и безопасный разрыв – приблизили его к «энергетической капсуле».

Несмотря на то что я был необычайно рад своей находке, идея вращать трос мне не очень нравилась. Такой трос, помещенный в кожух, оставит там много свободного места, он будет бесцельно взбаламучивать воздух, как пропеллер, затрачивая на это энергию. Да и разорваться подобный супермаховик может, в принципе, целиком – оторвавшаяся проволочка не мешает свободно рваться другим. А это совсем нежелательно.

Поэтому после недолгих раздумий я решил навивать проволоку, из которой изготовляется трос, на барабан, как на катушку. Но вскоре мне пришла мысль, что вместо проволочек можно взять такую же по прочности тонкую стальную ленту, чтобы намотка была плотнее, а для надежности склеить витки ленты между собой. Получится супермаховик, напоминающий по виду обычный маховик, только накапливающий гораздо больше энергии. Я назвал его ободковым, так как вся лента здесь должна была навиваться на обод барабана.

Разрыв ободкового супермаховика представлялся уже совершенно безопасным. При превышении скорости вращения первой разорвется наиболее нагруженная внешняя лента, которая тотчас же прижмется к корпусу и автоматически затормозит супермаховик. Оторванную ленту можно будет приклеить снова – и супермаховик опять готов к работе. От первоначальной идеи вращающегося троса я без колебаний отказался.

Наверное, я бы так сразу не отбросил идею тросового супермаховика, если бы знал тогда, что американские специалисты будут свыше 10 лет разрабатывать такие маховики. Правда, спустя некоторое время они убедились в неудобстве подобных конструкций и тоже перешли к ободковым супермаховикам.

Но идея идеей, а пробовать надо – вдруг что-нибудь не так? Начались мои хождения по свалкам вторсырья, химическим и хозяйственным магазинам, по знакомым, работающим на производстве. Наконец я стал обладателем ящика с проржавевшей стальной лентой, банки резинового клея и бутылки бензина. На заводе друзья выточили мне несколько дисков из текстолита, на которые я собирался навивать ленту. И вот в один воскресный день я упросил товарища помочь мне изготовить супермаховики.

Мы очищали поверхность ленты бензином, мазали клеем и навивали на диски. Лента часто соскакивала, резала нам руки, падала на пол, так что приходилось всякий раз вновь стирать с нее пыль, но работу мы все равно закончили. Перед нами лежали три супермаховика диаметром по 30 см. Внешние слои ленты мы закрепили тонкой стальной проволокой и нагрели супермаховики в духовке, чтобы клей окончательно высох.

Я рассчитывал испытать супермаховики на разрыв с помощью двигателя от пылесоса. Пылесосный двигатель очень скоростной, вал его делает 15—18 тыс. оборотов в минуту.

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!

А теперь о том, почему я назвал свое изобретение супермаховиком. Это теперь ко всему, что хоть немного лучше предыдущего, добавляют приставку «супер». Например «суперстар» – это, оказывается, не старый-престарый человек, как может показаться сначала, а суперзвезда, то есть звезда «покруче» обычной – как в астрономическом, так и в артистическом плане.

В те годы, когда был изобретен супермаховик, ко всякого рода иностранным приставкам относились настороженно. Боялись космополитизма! Хотя были уже и супермены, супертанкеры, не говоря уже о супергетеродинах, хорошо знакомых каждому радиолюбителю.

Но если говорить об изобретениях, то обычно выигрыш в одном полезном качестве был чреват проигрышем в другом. Например, чем более прочным был маховик, тем больше у него была плотность энергии, но тем более опасным становился его случайный разрыв. Приходилось идти на компромисс, и это касалось почти каждого изобретения. Однако встречаются и такие достаточно редкие случаи, когда выигрыш в одном полезном качестве ведет не к проигрышу, а к дополнительному выигрышу и в другом. Это очень ценное свойство изобретения называется в патентоведении «суперсуммарным эффектом». Вот и у моего маховика, полученного методом навивки, и плотность энергии увеличивается, и безопасность при разрыве повышается, и масса корпуса снижается за счет устранения тяжелого защитного кольца. Вот сколько суперсуммарных эффектов сразу! Поэтому и был назван новый маховик с этими суперсуммарными эффектами просто и удобно – супермаховик.

Впрочем, это еще не означало, что найдена желанная «энергетическая капсула». Надо было доказать, что по плотности энергии супермаховик может стать недосягаемым для других аккумуляторов в такой же мере, в какой по плотности мощности недосягаем для них обычный маховик. Ведь раскрученный маховик способен развить любую, самую высокую мощность, если его достаточно сильно тормозить. И разогнаться он может практически мгновенно, поглощая при этом мощность хоть целой электростанции. Ни один из накопителей не в состоянии принимать и выделять энергию при такой высокой мощности, как маховик.

Далеко ли предел?

Действительно, где «потолок» плотности энергии супермаховиков? Только ли прочность материала определяет его? Например, тяжелый чугун и легкий дюралюминий почти одинаково прочны. Из какого же материала выгоднее делать маховик – из легкого или тяжелого?

Как ни парадоксально, но расчеты показали, что из легкого. Оказывается, не просто прочность, а удельная прочность, то есть отношение прочности к удельному весу материала, определяет плотность энергии маховика.

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, а свинцовый – и сотой доли энергии титанового или дюралевого маховика.

Раньше мне показалось бы абсурдным изготовление маховиков из дерева или бумаги. Теперь я узнал, что 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.

Например, плотность энергии маховиков из бамбука почти в 10 раз выше, чем из стали, и достигает 0,3 МДж/кг. Приблизительно вдвое хуже, но все-таки очень высокие показатели у маховиков из березы, сосны, ели. Плохо только то, что объем их слишком велик – дерево очень легкий материал. Объем маховиков с одним и тем же запасом энергии бывает равным лишь при одинаковой их прочности. Выходит, маховики из бамбука, дюраля и чугуна, имеющие одну и ту же прочность, при равном запасе накопленной энергии одинаковы и по объему. Однако дюралевый маховик в три раза, а бамбуковый в 10 раз легче, чем чугунный. Это подтверждено расчетами и испытаниями.

Совершенно неожиданными для меня стали данные, которые я вычитал о таких, казалось бы, хрупких материалах, как стекло и горный хрусталь. Оказывается, 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! То есть он уже вполне может стать «капсулой». Автомобилю массой 1 т для прохождения 100 км будет достаточно пятикилограммового супермаховика из кварца.

К сожалению, кварц слишком дорог, а разрыв его, как и стекла, опасен. Осколков тут, правда, 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.

А что, если вместо монолитного стекла или кварца использовать волокна, тончайшие нити? Прочность у стеклянных и кварцевых волокон гораздо выше, чем у монолита. Например, тонкие волоконца из кварца во время испытаний показали в три-четыре раза большую прочность, чем литой кварц, и в 10 раз большую, чем стальная проволока. Супермаховик, навитый из такого волокна, даже с запасом прочности обеспечит плотность энергии в 5 МДж/кг.

Продолжая поиск, я выяснил, что необычайной прочностью обладают волокна из углерода. Да-да, из обычного угля, графита и даже алмаза, который по химическому составу – тот же углерод. И насколько алмаз прочнее мягкого графита, настолько же волокно алмазной структуры прочнее графитового. А ведь графит в виде волокна имеет ту же прочность, что и стальная проволока, хотя плотность его в пять раз меньше! Маховик, навитый из графитового волокна, в 20—30 раз превзойдет стальной по плотности энергии, а навитый из алмазного волокна приобретет фантастическую энергоемкость – 15 МДж/кг!

Но пока цена такого материала тоже фантастическая, нить из него получить очень трудно – на сегодняшний день волоконца имеют длину всего несколько микрон. Обнадеживает однако тот факт, что лет десять назад и графитовое волокно стоило весьма дорого, а теперь, когда его производство отлажено, из него делают даже лыжные палки. Поэтому можно надеяться, что и сверхпрочные волокна из алмаза скоро станут дешевыми, как уже подешевели, например, искусственно получаемые алмазы. Запасов же углерода, кварца, стекла в мире хоть отбавляй.

Итак, 20 кг супермаховика для 500 км пробега автомобиля! Это отличный результат для «капсулы». Но, как оказалось, прочностные возможности материалов еще далеко не исчерпаны.

Совсем недавно, на основе нанотехнологий в США и Австралии были созданы волокна и ленты фантастической прочности на основе того же карбона или углерода. При толщине ленты в сотни раз меньше волоса, она по прочности в тысячи раз превышает сталь, или ординарное графитовое волокно. Стало быть, его плотность энергии может составить тысячи мегаджоулей на килограмм, вероятнее всего 2500—3500 МДж/кг. Такую плотность энергии даже вообразить себе трудно – это в тысячи раз больше, чем у самых перспективных электроаккумуляторов. Супермаховик из этого «суперкарбона» массой 150 кг способен обеспечить пробег легкового автомобиля в 2 с лишним миллиона километров с одной раскрутки! То есть больше, чем может выдержать шасси машины.

Это даже не «капсула», а «сверхкапсула», такой, пожалуй, пока и не надо. К тому же суперкарбон, необходимый для ее создания, стоит очень дорого – сотни долларов за грамм. Вероятнее всего, этот материал со временем будет дешеветь, как и обычный карбон.

Но если спуститься с небес на землю и посмотреть, на что я со своей идеей «энергетической капсулы» мог рассчитывать сегодня, то я пришел к таким выводам.

Имеющихся в промышленности материалов – стальных лент, проволок, стеклянных и кварцевых волокон, волокон из графита, бора, специального дешевого волокна – кевлара, идущего, кстати, на покрышки для автомобилей, – вполне достаточно для создания супермаховичных накопителей с плотностью энергии большей, чем у лучших электроаккумуляторов. По другим полезным показателям – плотности мощности, КПД, долговечности, стоимости – супермаховики тоже намного превзойдут эти аккумуляторы.

«Заряжать» супермаховики можно с помощью обычного электродвигателя. Если требуется быстрая «зарядка», супермаховик нужно соединить с валом большого стационарного двигателя мощностью в сотни киловатт. Такой двигатель разгонит его за считанные минуты или даже секунды. А если время «зарядки» не регламентировано, то сгодится маломощный зарядный двигатель, который можно возить с собой на автомобиле и при необходимости подключать к электросети посредством шнура с вилкой, как мы включаем, например, пылесос.

То есть и по срокам «зарядки» супермаховики гораздо совершеннее электроаккумуляторов, которые, как известно, заряжаются часами. Кроме того, супермаховики воспринимают «зарядку» полнее, чем электроаккумуляторы, и стоимость накопленной в них энергии будет самой низкой по сравнению со всеми другими типами накопителей.

Теперь я уже мог со спокойной совестью работать над супермаховиками дальше, не опасаясь, что мои усилия пропадут даром, а идея «энергетической капсулы» будет расценена как нереальная или преждевременная.

Чтобы выявить сильные и слабые стороны супермаховиков, я решил построить и испытать несколько образцов из ленты и проволоки. Казалось бы, взял ленту или проволоку, намотал на катушку – и готов супермаховик. Но не тут-то было. При создании супермаховиков я столкнулся со многими трудностями – расслоением ленточного витого обода, спаданием обода с центра – барабана, вибрациями при работе, закреплением последнего витка и другими. Какие хитроумные головоломки приходилось тут решать, я хочу показать на следующем примере.

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. Самое лучшее было бы «подсунуть» наружный конец под первые витки, но как это сделать? Сначала такое казалось мне невозможным. И все-таки выход нашелся.

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.

Этот способ изготовления супермаховиков и другие найденные мною способы, а также ряд предложений по конструкциям супермаховиков были отмечены авторскими свидетельствами. Изобретения мои оказались более ранними, чем похожие на них зарубежные, авторы которых сделали их совершенно самостоятельно, ничего не зная о моих находках. Просто диву даешься, как одинаково могут думать люди в разных концах света!

Мои изобретательские злоключения

Здесь, как я полагаю, уместно рассказать о том, что представляло собой забытое теперь «авторское свидетельство» на изобретение и чем оно отличалось от принятого почти во всех странах мира патента. А заодно и о моих злоключениях, связанных с признанием супермаховика изобретением.

Когда автор создает свое изобретение, то он как его собственник хочет иметь на него права; иначе «пираты», прознавшие про «секрет изобретения», начнут применять его самостоятельно, показывая большую «фигу» автору. Так, например, сейчас это часто делают с записями новых песен и фильмов. Чтобы получить такие права, изобретатель платит государству пошлину (немалую, между прочим!), и специальная служба проверяет среди миллионов других патентов «всех времен и народов», нет ли сходного, «порочащего» новое изобретение. Если нет – патент выдается, обычно на 20 лет. Изобретатель платит за поддержание этого патента в силе ежегодную пошлину, а дальше может делать с ним что угодно – может продать права полностью или частично, а может «положить под сукно», что тоже часто бывает.

После того как был образован СССР, вместо патентов изобретателям стали выдавать такие красивые «грамоты», подтверждающие их авторство: «авторские свидетельства». А собственником изобретения становилось государство, так сказать в «добровольно-принудительном» порядке. Зато не надо было платить пошлину, а в случае «внедрения» изобретения автору даже кое-что выплачивали, особенно если в числе авторов были ответственные работники министерств или директора предприятий, которых чаще всего брали в «соавторы» изобретатели. Патенты, хоть формально и существовали, почти не выдавались – пошлину за них все равно надо было платить, а реализовать патент в СССР было практически невозможно. В то же время государство продавало наши изобретения за рубеж, получая, конечно, в соответствующих странах патенты. Грабеж, короче, причем среди бела дня…

Но была и своеобразная выгода, которой пользовались хитрые «жучки-изобретатели» (а мне приходилось часто с ними встречаться, потому что я долгое время работал в патентной системе страны). За выданное авторское свидетельство, поданное от имени государственного предприятия (а иных почти и не было!), автору полагалась премия – до 50 руб. (это примерно месячная стипендия студента). Так вот, эти «жучки», разобравшись в патентных тонкостях, подавали заявки на изобретение сотнями. По сути дела, предложения были чаще всего бесполезные (ну, например, чайник с двумя носиками), но новые – таких в мире еще никто не заявлял. И выдавали «жучкам» авторские свидетельства, премии в придачу, а еще и титулы почетные присуждали.

Чтобы снизить поток таких «липовых», никому не нужных изобретений, государство придумало хитрость – проверять предложения на полезность, чтобы «туфту» всякую ему не «подсовывали». Заявки на изобретение отправляли по заводам и НИИ на отзыв, а «жучки», узнав имя своего эксперта, встречались с ним и договаривались, часто небезвозмездно для эксперта.

Я же был слишком молод, да и беден, чтобы «договариваться» с экспертом. И на мою заявку на супермаховик (первую в мире, между прочим!) пришел разгромный отзыв из Академии бронетанковых войск. Не буду скрывать и автора отзыва – народ должен знать своих героев – это был доктор технических наук полковник Ротенберг Роберт Владимирович. Его уже нет в живых, и умер он, эмигрировав за рубеж (царство ему небесное!), но вреда своим отзывом принес он и мне, и государству немало. В отзыве говорилось, что маховики должны изготовляться литьем или ковкой, а навивать их из лент, проволок, волокон и тому подобных материалов по меньшей мере несерьезно. Заявка была подана в мае 1964 года, а уже в январе 1965 года на аналогичное устройство была подана заявка в США и выдан патент. А потом так и посыпались патенты на варианты супермаховиков.

А мою «отказную» заявку по действующим на тот момент законам отправили в существовавшее тогда секретное хранилище – до лучших времен. Когда же эти лучшие времена наступили и весь мир стал вить супермаховики из лент, проволок и особенно волокон, не считаясь с авторитетным мнением нашего бронетанкового полковника, я «возмутился» и подал на апелляцию. В 80-е годы я уже поднабрался патентного опыта, работая в Апелляционном совете.

Авторское свидетельство, конечно же, выдали, но срок-то действия патентных прав – почти через двадцать лет – прошел! Итак, приоритет на изобретение супермаховика – наш, советский! А чтобы продать этот патент кому-нибудь из «буржуев» – фигу! Потому что срок действия патента вышел. Теперь каждый, кому не лень, может производить супермаховики, описанные в заявке, никому ничего не платя. «Dura lex, sed lex!» – «Закон суров, но это закон!» – как говорили древние римляне. Да и справедлив, по большому счету, этот закон. А то какой-нибудь куркуль-изобретатель так и будет сидеть на своем «открытии», и плати ему и его наследникам хоть «тыщу» лет! Дудки! Прогресс тормозить нельзя – получил свое за 20 лет и «отлезь»! Или новое что-нибудь придумай!

Но когда положенное по закону не можешь получить, а тем более держава свою выгоду упускает – обидно! Однако я не держу зла на покойного полковника – не верится, что он хотел нанести ущерб своей стране, за которую воевал!

Молодые люди сейчас могут и не подозревать о нашей бывшей неуклюжей патентной системе. Но что такая система была – за это я вам ручаюсь и как изобретатель, и как бывший патентный работник!

Трудности «жизни» в вакууме

Со временем в каждом килограмме моего самодельного супермаховика уже накапливалось все больше энергии по сравнению с другими аккумуляторами. И вот однажды я задумался: несомненно, что будущие супермаховики смогут накапливать столько энергии, сколько ее, например, в летящем с космической скоростью метеорите, однако сможем ли мы «отбирать» эту энергию? Какие трудности здесь встретятся?

Первая же мысль была о подшипниках. Выдержат ли они столь высокие скорости вращения супермаховика? Существуют ли вообще подшипники, способные работать при таких скоростях?

Прежде всего я решил подсчитать скорости, которые могут быть у супермаховика на автомобиле. Для простоты взял супермаховик диаметром в метр, что вполне годится и для автомобиля, и для автобуса, и для многих других машин.

Каждый материал для супермаховика способен выдержать лишь определенную окружную скорость (скорость на самой отдаленной от центра точке обода). При этом, оказывается, никакого значения не имеет диаметр супермаховика – так распорядилась природа. А прочность материала следует повышать пропорционально квадрату скорости; в том же соотношении будет возрастать и энергия.

Например, стальная лента выдерживала во время испытаний скорость 500 м/с, а кевлар – 1000 м/с. Отсюда и энергии в кевларовом супермаховике накапливалось в четыре раза больше, чем в таком же по массе ленточном. Если бы кевлар имел ту же плотность, что и сталь, то при скорости 1000 м/с напряжения в нем были бы в четыре раза больше, чем в ленте, и супермаховик мог разрушиться. Но в действительности с ним ничего не происходит. Ведь кевлар почти в пять раз легче стали, и удельная прочность у него значительно выше.

Итак, какие же обороты будут у стального и кевларового маховиков? Если поделить окружную скорость на радиус супермаховика, мы получим его угловую скорость, а по ней уже просто рассчитать число оборотов, как в секунду, так и в минуту. Ленточный супермаховик будет вращаться со скоростью 1000 рад/с (радиан в секунду), что соответствует 160 оборотам в секунду, или 9 559 оборотам в минуту. Вращение кевларового супермаховика будет вдвое быстрее – около 19 тыс. оборотов в минуту.

Но ведь такую угловую скорость развивает двигатель даже обычного бытового пылесоса, с чем его подшипники прекрасно справляются. Скорость вращения мощных газовых турбин обычно превышает 30 тыс. оборотов в минуту, а там есть подшипники, работающие в худших условиях, чем в супермаховике. В турбинах на подшипники действуют нагрев, сильные вибрации и другие отрицательные факторы, которые в супермаховике отсутствуют.

Сейчас есть подшипники, выдерживающие 100—150 тыс. оборотов в минуту и более; этого вполне хватило бы и для супермаховика из алмазного волокна. Если к тому же один подшипник вставить в другой, то можно добиться вдвое большей скорости вращения, так как на каждый из них придется только половина общей скорости.

Хорошо бы, конечно, обойтись совсем без подшипников, ведь на их вращение с нагрузкой, тяжелым супермаховиком, тоже идет энергия, а она нам так дорога…

А что если закрепить над супермаховиком кольцеобразный магнит, который будет воспринимать его силу тяжести? Правда, в этом случае супермаховик должен быть стальной. Чтобы получить тот же эффект с кевларовым, стеклянным и графитовым маховиками, надо вмонтировать в них второй магнит, взаимодействующий с первым. И лучше это сделать так, чтобы магниты работали не на притяжение, а на отталкивание, тогда супермаховик сам «вывесится» на определенной высоте и в таком положении будет вращаться.

В этом нетрудно убедиться, если взять два кольцевых магнита, например от старых динамиков из репродуктора, и надеть их на деревянную или любую другую немагнитную палочку одноименными полюсами друг к другу. Верхний магнит повиснет над нижним, и потребуется большая сила, чтобы приблизить их друг к другу.

Но все-таки и в такой магнитной подвеске нужны подшипники. Во-первых, супермаховик при тряске и толчках может «продавить» магнитную подвеску, достаточно мягкую. Во-вторых, постоянными магнитами нельзя полностью вывесить какое-нибудь тело: супермаховик здесь разгружен только от силы тяжести, а не от боковых сил. Подшипники будут лишь фиксировать подвеску без нагрузки – ее ведь «нейтрализуют» магниты, и энергии на их вращение потребуется немного.

Мои магнитные подвески были признаны изобретениями, и на них мне выдали авторские свидетельства.

Надо сказать, эти подвески производили огромное впечатление на наблюдателей. Одна из таких подвесок поддерживала супермаховик массой 7 кг и диаметром около полуметра. В ней были использованы 10 магнитов, каждый массой около 30 г и диаметром 3 см, и миниатюрные фиксирующие подшипники, размером не больше таблетки. Показывая своим гостям устройство подвески, я как бы нечаянно подталкивал супермаховик, и он начинал медленно, со скоростью диска электропроигрывателя вращаться. Но если после выключения проигрывателя его диск через считанные секунды останавливался, мой супермаховик продолжал крутиться в течение всего разговора, и, казалось, скорость его не уменьшалась. Гости уже из принципа ждали час, другой, но супермаховик и не думал останавливаться. «Неужели это вечный двигатель?» – в изумлении спрашивали меня. «Подождите до утра, – отвечал я, – может, и остановится».

Судя по расчетам, такой супермаховик, раскрученный до скорости 30 тыс. оборотов в минуту, крутился бы до остановки многие месяцы! Да и этот срок можно было увеличить, если бы не фиксирующие подшипники, которые, несмотря на малый размер и ничтожные потери энергии, все же «подтормаживали» супермаховик. Замечу, что совсем недавно, в 2003 году, по моему изобретению в Москве изготовили магнитную подвеску для полуторатонного маховика, которую затем перевезли в Германию и успешно испытали там для применения в накопителе, предназначенном для рекуперации энергии, о чем еще пойдет речь в дальнейшем.

А как вывесить супермаховик совсем без механического контакта в подшипниках? Надо проверить и такую возможность. Для этого подойдут большие кольца из диамагнетиков – то есть из материалов, отталкивающихся от магнитов, например из графита, – которые не дадут супермаховику «сваливаться» набок. Кольца эти будут выполнять роль фиксирующих подшипников. Правда, они займут много места. Но если сам супермаховик изготовлен из графита?… Над этим стоит подумать! Только потом я узнал, что подобные «бесконтактные» подвески уже давно созданы, причем наиболее совершенные из них разработаны немецким ученым Е. Штейнгровером.

Чтобы «помочь» постоянным магнитам, можно установить еще и электромагниты. Как только супермаховик задумает «свалиться» набок, это уловит специальный датчик и включит соответствующий электромагнит, который выправит положение. Такая система называется «следящей». С ее помощью ученые добились скорости вращения полностью вывешенного шарика в 800 тыс. оборотов в секунду, или почти 50 млн оборотов в минуту!

Подвесив маховик со значительной массой подобным образом, можно получить столь малое сопротивление, что разогнанный маховик будет вращаться до остановки десятки лет! Однако для этого в камере, где вращается маховик, необходимо создать высокий вакуум, иначе так называемые вентиляционные потери – потери из-за трения маховика о воздух – «съедят» весь запас энергии за считанные часы.

Интересно, что при вращении маховика в вакууме можно вообще практически избавиться от трения в опорах. Для этого нужно подшипники маховика, изготовленные из вполне обычных материалов – графита, полиэтилена или на молибденовой основе, облучить потоком электронов. Это явление обнаружили российские ученые, которые назвали его «эффектом аномально низкого трения», сокращенно АНТ. Для облучения подшипников супермаховика достаточно миниатюрной «электронной пушки», наподобие электронно-лучевой трубки (кинескопа) телевизора, только в сотни раз менее сложной, крупной и мощной, чем этот кинескоп.

Тут возникает вопрос: а как же отбирать накопленную энергию через герметичную стенку вакуумной камеры? Ведь вал сквозь нее не пропустишь – никакие сальники и манжеты, как бы плотно они ни обхватывали вал, не смогут помешать доступу воздуха в камеру.

И все-таки есть способ вывести вал маховика наружу. Но для этого придется использовать не обычные уплотняющие устройства в виде сальников или резиновых манжет, а специальные, изготовленные из магнитной жидкости.

Магнитная жидкость – это коллоидный раствор тончайшего порошка феррита в керосине, масле, воде или в некоторых других жидкостях.

Частицы феррита в магнитной жидкости настолько малы, что, выложив их цепочкой, мы на одном миллиметре длины уместили бы 100 тыс. таких частиц!

Иначе и нельзя: если частички будут больше, раствор быстро осядет. Так, например, ведет себя крупномолотый кофе, размешанный в воде. Растворимый же кофе имеет очень тонкий помол и в воде превращается в стойкий коллоидный раствор. Поэтому и частицы феррита в магнитной жидкости, как правило, не крупнее частиц растворимого кофе. Если такую магнитную жидкость налить в стакан и снизу поднести магнит, то она вспучится горбом, и как только мы начнем передвигать магнит в ту или иную сторону, частицы «поползут» вслед за ним.

Для того чтобы надежно уплотнить стальной вал, нужно надеть на него кольцеобразный магнит, а зазор между магнитом и валом заполнить магнитной жидкостью. Теперь выведенный через стенку вакуумной камеры вал будет вращаться, не нарушая ее герметичности.

Я даже сделал модель для демонстрации действия магнитного уплотнения. В надутый прозрачный резиновый шар вставил заводную игрушку, ключ от которой через описанное магнитное уплотнение вывел наружу. Сколько я ни заводил игрушку – уплотнение не пропускало воздуха.

Магнитные уплотнения необходимы в том случае, когда требуется именно механическое вращение вала супермаховика. Если же нужно получить от супермаховика электроэнергию, то дело проще. Устанавливаем внутри камеры вращения вместе с супермаховиком электрическую машину – генератор, а провода выводим наружу через герметичные изоляторы. Подавая ток по проводам в машину, которая в этом случае будет работать в режиме электродвигателя, разгоняем супермаховик. Потом переводим машину в режим генератора, и она начинает выдавать электрический ток, отбирая энергию у супермаховика. Такой способ отбора энергии, пожалуй, наилучший. Ведь ток можно использовать для каких угодно целей – и для освещения, и для питания приборов, и для движения электромобилей. Об этом способе поговорим подробно позже.

Чтобы получить энергию в виде потока жидкости, например масла под давлением для приведения в движение механизмов в шахтах, где электрическая искра способна вызвать пожар, вместо электромашины в камеру вращения нужно поместить гидромашину. Она так же, как и электромашина, может работать в режиме двигателя, разгоняя супермаховик, и в режиме генератора – насосном режиме, качая масло энергией супермаховика. Разумеется, из камеры с супермаховиком будут выходить уже не провода, а трубочки, по которым потечет масло. Энергией потока масла можно приводить в действие гидродвигатели, гидроцилиндры, заряжать гидроаккумуляторы, о которых речь шла в самом начале книги.

В случае использования камеры из немагнитного материала, вращение можно вывести наружу через стенку с помощью магнитной муфты, в которой установлены сильные постоянные магниты. Иногда вращение выводят из герметичного пространства с помощью так называемой «поводковой» муфты. Кроме того, существуют особые «волновые» передачи, получившие в последнее время большое распространение; они тоже могут передавать вращение из герметичного корпуса.

Есть еще способ вывести энергию супермаховика наружу – посредством вращения его корпуса.