Скрытые связи
Шрифт:
В водородном топливном элементе происходит примерно то же, что и в обычной батарейке, с той разницей, что здесь используется непрерывный поток горючего. Молекулы водорода подаются с одного конца камеры и расщепляются при помощи катализатора на протоны и электроны. Затем эти частицы различными путями движутся к другому концу. Протоны проходят сквозь мембрану, а электроны под действием вынуждающей силы огибают ее, создавая при этом электрический ток.
Отдав свою энергию, ток достигает противоположного конца элемента, где электроны воссоединяются с протонами и возникший в результате водород реагирует с кислородом воздуха, образуя воду. Весь этот процесс является бесшумным, надежным и безотходным [84].
Водородные топливные
Но в последнее десятилетие положение вещей изменилось кардинально. Успехи технологий позволили резко снизить потребные количества платинового катализатора, а благодаря остроумным «пакетным» решениям удалось создать компактные и высокоэффективные топливные элементы. Уже через несколько лет на их основе будет налажено производство электрогенераторов для наших домов, автобусов и автомобилей [85].
Сразу несколько фирм соревнуются сегодня за первенство в коммерческом выпуске домашних генераторов на топливных элементах. Тем временем правительство Исландии и ряд исландских компаний предприняли совместную попытку построения первой в мире водородной национальной экономики [86]. Исландия будет использовать свои обширные геотермальные и гидроэлектрические ресурсы для производства водорода, который предполагается применить в качестве топлива в первую очередь для автобусов, а затем для пассажирских автомобилей и рыболовецких судов. Правительство поставило целью полностью перейти на водородное топливо к 2030-2040 году.
В настоящее время наиболее традиционным сырьем для производства водорода является природный газ, однако в конечном итоге наиболее экономичным — и экологически чистым — было бы выделение его из воды при помощи возобновляемых источников энергии (в особенности фотоэлектричества и ветровых генераторов). Если этого удастся достичь, мы построим подлинно устойчивую энергетическую систему. Как и в природных экосистемах, вся необходимая нам энергия будет либо солнечной, вырабатываемой при помощи малогабаритных солнечных батарей, либо извлекаемой из водорода, чистейшего из топлив в эффективных и надежных топливных элементах.
Отраслью экодизайна, имеющей особенно далеко идущие последствия для промышленности, могло бы стать реконструирование автомобилей. Как это и принято в экодизайне, началось оно с анализа неэффективности существующих моделей, затем последовал длительный поиск системных и экологически ориентированных решений, и в конце концов были выработаны конструкторские идеи — столь радикальные, что они могут до неузнаваемости изменить существующую автомобильную промышленность и существенно затронуть смежные с ней нефтяную, сталелитейную и электроэнергетическую отрасли.
Как и многие другие детища промышленной конструкторской мысли, современный автомобиль поразительно неэффективен [87]. На вращение колес идет всего 20 % энергии сгорания топлива, тогда как остальные 80 % теряются на нагрев двигателя и при выхлопе. Мало того, 95 % все-таки используемой энергии двигают автомобиль, и только 5 % — водителя. Конечная эффективность, то есть доля энергии горючего, идущая на перемещение водителя, составляет 5 % от 20 % — всего один процент!
В начале 1990-х годов физик и специалист по энергетике Эймори Лавинз и его коллеги из Института Скалистых гор предприняли попытку полного перепроектирования нынешнего чрезвычайно неэффективного автомобиля путем объединения ранее возникших идей в комплексную разработку, названную ими «гиперавтомобилем». Конструкция гиперавтомобиля объединяет в себе три ключевые характеристики. Эти машины являются сверхлегкими — они весят в два-три раза меньше обычного стального автомобиля. У них прекрасные аэродинамические качества — потери на сопротивление воздуха ниже в несколько раз. Наконец, гиперавтомобили оснащены «гибридно-электрическим» приводом, где электродвигатель скомбинирован с топливным электрогенератором.
Объединение этих трех характеристик в одной конструкции позволяет сэкономить по меньшей мере 70-80% горючего по сравнению с обычным автомобилем, притом что такая машина более безопасна и комфортабельна. Концепция гиперавтомобиля позволяет достичь и еще целого ряда поразительных эффектов, обещающих произвести переворот не только в автомобилестроении, но и вообще в промышленном конструировании [88].
Отправной точкой этой концепции является необходимость снизить мощность, затрачиваемую на передвижение самой машины. Поскольку в стандартном автомобиле на вращение колес уходит всего 20 % энергии горючего, любая экономия мощности здесь приведет к пятикратному уменьшению расхода топлива. В гиперавтомобиле такая экономия достигается за счет облегчения автомобиля и улучшения его аэродинамических качеств. Вместо традиционной стали для изготовления кузова используются специальные пластмассы, армированные прочными углеродными волокнами. Такие материалы допускают чрезвычайно гибкий конструкторский подход, благодаря чему вес кузова автомобиля удается снизить наполовину. Примененные в гиперавтомобилях несложные обтекатели, кроме того, на 40-60 % снижают сопротивление воздуха, не ограничивая при этом возможностей дизайна. В общей сложности такие новшества позволяют снизить мощность, затрачиваемую на перемещение автомобиля, как минимум наполовину.
Существенное снижение веса кузова приводит к целому ряду вторичных эффектов, многие из которых позволяют облегчить автомобиль еще больше. Легкий кузов — это более легкая подвеска, меньший по размерам двигатель, меньшие тормоза и меньший расход топлива. Более того, некоторые из компонентов в этом случае оказываются не нужными вовсе. Сверхлегкий автомобиль вполне может обойтись без усилителей руля и тормозов. Гибридно-электрический привод не нуждается в сцеплении, трансмиссии, ведущем вале — все это способствует дальнейшему облегчению машины.
Новые волоконные композиты являются не только сверхлегкими, но и чрезвычайно прочными. Они способны поглотить в пять раз больше энергии на единицу веса, чем сталь. Это, безусловно, важнейшая составляющая безопасности. Технологии, позаимствованные из производства гоночных автомобилей (также весьма легких и безопасных), позволяют гиперавтомобилям эффективно рассеивать энергию удара при столкновении. Это делает их более безопасными не только для своих владельцев, но и для пассажиров тех машин, с которыми им случится столкнуться.
Различия в физических свойствах стали и волоконных композитов существенным образом сказываются не только на конструкции и поведении гиперавтомобилей, но и на их производстве, распространении и обслуживании. Несмотря на то что углепластики дороже стали, процесс производства из них автомобильных кузовов более экономичен. Стальной корпус необходимо отштамповать, сварить и покрасить, а углепластиковый отливается целиком и не требует отделки. Это снижает затраты на обработку почти на 90 %. Упрощается и сборка автомобиля, ведь углепластиковые детали значительно легче и не требуют никаких подъемных устройств. А добавление красителя прямо в отливочную форму позволяет избежать покраски — наиболее дорогой и грязной процедуры в автомобильном производстве.