Научные открытия, меняющие мир - Вадим Панин

Препятствие, правда, есть, и оно весьма существенное – закон сохранения энергии не обманешь. Затраченной силы всегда будет больше, чем полученной полезной работы. В этом кроется причина того, что вечный двигатель собрать невозможно. Энергия все равно должна откуда-то поступать. Но «сэкономить» можно прекрасно. Скажем, уже сегодня различные мелкие устройства научились работать без батареек. Насадка на кран или разбрызгиватель душа подсвечивают воду разными цветами, потому что внутри их находится маленькая динамо-машинка. В Японии пульты дистанционного управления для самых новых телевизоров тоже работают без батареек – находящийся внутри их миниатюрный генератор «добывает» энергию, когда мы нажимаем на кнопки, как бы «качая» пульт мышечным усилием. Энергии немного – но ведь и усилие небольшое.

К сожалению, пока самый яркий пример такого рода – современный велосипед, в котором фары светятся за счет энергии, которую мы добываем, крутя педали. Но такая «побочная» электроэнергия, которая может производиться человеком одновременно с каким-либо занятием, имеет большое будущее. Над тем, чтобы «энергетизировать» различные движения человека, трудятся ученые всего мира.

Нет, речь не идет о том, чтобы, как в миниатюре Аркадия Райкина, «прикрепить к писателю рычаг», чтобы он, когда в раздумьях бродит взад-вперед по кабинету, вырабатывал электричество. Но запитать все маленькие устройства, которые постоянно носит при себе человек, от движений самого человека вполне возможно. Вспомните хотя бы наручные механические часы. Да, работают они потому, что мы все той же мускульной силой заводим пружину. Но в современных часах имеется «автоподзавод», который правильно называется «эксцентрик». Принцип его работы таков: внутри корпуса находится миниатюрный ротор, который вращается при любом движении руки и сам заводит пружину. Поэтому, если вы постоянно носите механические часы, то не нуждаетесь в том, чтобы время от времени их заводить. Ведь колебания, нужные для работы эксцентрика, происходят при каждом нашем шаге и движении руки. Только полежав на полке несколько дней, часы остановятся.

Механическую энергию, как вы понимаете, несложно преобразовать в электрическую – точно так же, как у упомянутого выше пульта дистанционного управления. А потом передать другим устройствам с помощью электромагнитной индукции или аккумулятора. Существует несколько концепций такой «персональной электростанции».

Первый проект (разумеется, японский) предполагает наличие нескольких «энергетических таблеток», вшитых в разные места вашей одежды. Каждая таблетка – это пружина, эксцентрик и генерирующий электрический ток элемент. Ток вырабатывается при каждом шаге, движении руки, повороте головы. Вся эта энергия запасается и передается к индукционным панелям, расположенным в карманах одежды. Подзарядка всех электронных устройств происходит как бы сама собой: пока вы носите плеер в кармане, он питается энергией ваших движений.

У «энергокостюма» лишь один существенный недостаток – он предназначен для человека, который постоянно двигается. Сидя сиднем, все-таки много механической энергии не выработаешь.

Второй из проектов «персональной энергии» разработан в США и не связан с часовыми механизмами. Но тоже не годится для людей, ведущих сидячий образ жизни. Американские исследователи предложили технологию, благодаря которой можно производить электроэнергию при ходьбе. Маленькие пластмассовые вставки в каблуках обуви, сжимаясь и растягиваясь во время шага, будут передавать энергию на носимый при себе аккумулятор размером с мобильный телефон. И ваши телефон, аудиоплеер, часы, а также другие мелкие устройства будут получать питание от этого аккумулятора. В дальнейшем, можно предположить, аналогичным образом будут питаться электродвигатели в имплантатах и протезах инвалидов.

В обоих случаях, конечно, требуется специальная «сбруя», по которой будет перемещаться электроток, или особая одежда, в которой будут спрятаны электроэлементы и провода. В случае с «электрокроссовками» выглядеть это будет примерно так: к штанине изнутри крепится тонкий проводок, который плотно прилегает к ней и не отстает при движениях ноги. Одна «прищепка» снизу фиксирует его к кроссовке, другая – сверху – к ремню. В ремне расположен аккумулятор, запасающий энергию, а его разъем подведен к чехлу вашего мобильного телефона или наладонника, находящемуся на том же ремне. То есть телефон подзаряжается каждый раз, когда вы кладете его в чехол.

Можно предположить и «общественную» электроэнергию, добываемую с помощью механических колебаний. Проект «дорожной энергии» предложили израильские ученые, и уже в ближайшие годы экспериментальные участки дорог и тротуаров будут введены в эксплуатацию.

Представьте себе – тротуар состоит из подвижных панелей, наступая на которые вы «качаете» электрогенератор, как если бы жали на педали велосипеда или двигали рычаг. При этом амплитуда колебаний совсем маленькая – миллиметр-другой, больше не нужно – так что «прогибание» мостовой под вами вы даже не ощущаете. А в это время под ногами добывается электричество, которое затем идет на освещение улиц или какие-либо другие коммунальные нужды. Фактически – та же мускульная сила, что и несколько тысяч лет назад, но уже на совершенно другом идейно-техническом уровне.

Как это работает? Вспомните пьезоэлектрические зажигалки для газовых плит. Сжатие кристаллического элемента вызывает электрический разряд. Сам по себе он невелик, но на то и аккумуляторные батареи, чтобы запасать такие разряды.

«Электропокрытие» прячется под асфальтом или брусчаткой и может быть расположено где угодно – на тротуарах, трассах, даже в железнодорожном полотне. Разработали этот проект русские ученые-эмигранты, так что можно надеяться, что второй после Израиля страной, где будет много дешевой электроэнергии, добытой буквально ногами граждан, станет Российская Федерация.

Другая форма «персональной» энергии, в области которой ведется множество научных исследований, – тепловые элементы. Вам знакома солевая грелка (ее обычно еще называют «химической»)? Твердая пластинка или палочка погружается в кипяток и постепенно размягчается. Потом вы сгибаете ее пополам – и грелка начинает постепенно твердеть до исходного состояния, одновременно выделяя большое количество тепла.

Работает эта грелка за счет солевого раствора – в кипящей воде он расплавляется, а под механическим воздействием (сгибанием) начинает кристаллизоваться, выделяя тепло. У солевой грелки теоретически неограниченное количество циклов использования.

Где в перспективе могут понадобиться такие «химические обогреватели»? Для начала – в пищевой промышленности. Представьте, что на дне ваших тарелок размещены небольшие «таблетки», которые начинают нагреваться, когда полная еды посуда стоит на столе. Полчаса-час «тепловая таблетка» не дает еде остыть, а потом «дозаряжается» во время мытья в горячей воде.

Там же, на кухне, найдется место и домашним солнечным электростанциям – солнечным коллекторам. Температура в очаге коллектора достигает 150 °C, при этом это тепло берется буквально из воздуха и не стоит ни копейки. Такие же нагреватели будут использоваться в системах центрального отопления и водоснабжения.

Топливо для транспорта будущего

Остается открытым вопрос о том, какое топливо будет приводить в движение транспорт будущего. Да, все теоретики сходятся в мнении, что двигатель внутреннего сгорания морально устарел и его пора бы заменить чем-то более перспективным. Но такие разговоры ведутся ни много ни мало с позапрошлого века. А ответа бензиновым и керосиновым моторам пока не предложено. Вернее, альтернативных решений-то как раз множество, но ни на одно из них пока не начали переходить массово.

Универсальным транспортным двигателем XXI века, похоже, уже стало электричество. Но у него есть неустранимые недостатки. Более ранние виды транспорта (например, поезд) в электрическом варианте либо проигрывают своим топливным аналогам, либо очень дорого стоят. Так, в частности, электричка нуждается в том, чтобы по проводам над ней или рельсам под ней шел ток – а это гораздо опаснее, чем тепловоз; к тому же, такие коммуникации прокладывать намного дороже. Японские монорельсовые электрические поезда идут по путям, проложенным высоко над землей, потому что наступить на такой рельс для человека – смертельно опасно.

У традиционных электропоездов, а также трамваев и троллейбусов, ток для которых идет по проводам, выше и уязвимость. Если бурей порвет провода или повалит на них деревья, работа транспортного направления будет прекращена на довольно большой срок. В городских условиях возможна и временная парализация сообщения террористами: перерезал провод – и вагончики остановились.