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TRANSPORT PERSONNEL : TERRESTRE, EAU, AERIEN
Transports du futur. Transport personnel
Annuaire / Transport personnel : terrestre, maritime, aérien Les scientifiques qui s'occupent des problèmes du futur - les futurologues - tentent déjà aujourd'hui de déterminer à quoi ressemblera le monde qui nous entoure, disons d'ici la fin du deuxième millénaire ou même dans 100 ans. Dans le même temps, certaines choses sont visibles relativement facilement, tandis que d’autres sont difficiles à voir. Mais on peut affirmer avec certitude que dans 50, 100 ans ou plus, les transports existeront. Et non seulement ils existent, mais ils se développent également régulièrement. Les écrivains de science-fiction expriment parfois l'idée qu'à l'avenir, la majeure partie de l'information sera transmise principalement par des moyens de communication - des visiophones aux canaux laser. Le rôle du transport en tant que transporteur non seulement de marchandises, mais aussi d'informations n'est pas pris en compte. Mais c'est loin d'être vrai. L'avantage du transport réside précisément dans le fait qu'il assure la circulation non seulement des marchandises, mais aussi des personnes - les transporteurs d'informations les plus volumineux. Le célèbre scientifique soviétique des transports, le professeur V.N. Ivanov, souligne : « Les gens ont besoin d'une communication directe, et ni un téléphone, ni une télévision, ni rien d'autre ne peut la remplacer. Ce n’est pas un hasard si, malgré des progrès significatifs dans les communications, les transports continuent aujourd’hui de s’améliorer rapidement. Comment va-t-il évoluer dans le futur ? En gros, les problèmes peuvent se résumer à ceci : les véhicules de transport, ou plutôt leurs moteurs, doivent devenir respectueux de l'environnement, ou, comme on dit, « écologiques ». Afin d'optimiser au maximum la consommation des ressources en carburant et en énergie de notre planète, les moteurs doivent devenir aussi économiques que possible. Une grande attention est accordée à la sécurité des véhicules, ainsi qu'à des problèmes traditionnels tels que l'augmentation continue de la vitesse, capacité de cross-country et confort.De nouveaux types de transports spécialisés seront créés et développés pour l'économie nationale Mais à quoi ressemblera le transport du futur, ses motorisations ? Existe-t-il déjà des prototypes, de nos jours ? Les matériaux proposés sont consacrés à toutes ces questions. 1. Thermique - "pour" et "contre" L’humanité reconnaissante accuse. C'est ainsi que l'on peut formuler l'attitude actuelle envers le moteur le plus populaire - le moteur thermique, et surtout le moteur à combustion interne (ICE). Il y a essentiellement deux articles de « culpabilité » des moteurs thermiques devant l’humanité. Le premier est la consommation non rentable et barbare de ressources naturelles irremplaçables en combustibles. Le deuxième est la pollution de l’environnement causée par les gaz d’échappement toxiques et autres déchets générés par l’énergie, notamment la chaleur excessive, le bruit et les odeurs. On parle beaucoup de tout cela actuellement. Ainsi que la conclusion inexorable qui en découle : si les moteurs thermiques ne sont pas améliorés (ou complètement abandonnés), alors la planète, dans un avenir proche, mesuré en dizaines d'années seulement, est menacée, d'abord, par une pénurie de carburant due à la complète épuisement des réserves carburant naturel; deuxièmement, un empoisonnement massif de l'humanité par les produits de la combustion de ce combustible, et éventuellement un réchauffement excessif (pire que dans le hammam le plus chaud !) de l'atmosphère. Donc amélioration ou échec complet. Si l’on se souvient que les moteurs thermiques sont installés sur des centaines de millions de voitures, motos, tracteurs, moissonneuses-batteuses, avions, bateaux, bateaux à moteur et autres machines, il devient clair que l’homme ne peut pas encore les abandonner complètement. Cependant, il faut veiller à ce qu'en prolongeant leur âge, vous ne réduisiez pas significativement l'âge du vôtre ! Comment « concilier » un moteur thermique et une personne ?
La réponse est simple et complexe : il faut éliminer la toxicité des gaz d’échappement des moteurs thermiques et augmenter leur rendement. Les principaux dommages proviennent du monoxyde de carbone, des oxydes d'azote et des hydrocarbures (aldéhydes) contenus dans les gaz d'échappement, ainsi que des substances cancérigènes. Mais évidemment, ils peuvent être attrapés ? Oui, de tels pièges neutralisants ont déjà été créés : liquide, plasma, catalytique et combiné. Ils sont généralement installés à la sortie des gaz derrière le pot d'échappement du moteur. Cependant, tous ces dispositifs n'apportent qu'une solution partielle au problème : même avec eux, le moteur lui-même reste le même monstre mécanique vorace. Pendant des siècles, le rêve des spécialistes des moteurs était d'en construire un où le piston n'effectuerait pas de mouvements alternatifs, mais seulement tournerait. Cela promettait une réduction significative de la taille et du poids du moteur, réduisant ainsi la consommation de carburant et les émissions de produits de combustion toxiques. Le professeur F. Wankel a été plus près que quiconque de résoudre ce problème. De nombreux experts estiment que le moteur rotatif qu'il a créé pourrait devenir le principal moteur à combustion interne des automobiles. Rappelons comment un Wankel est conçu et fonctionne. Dans son corps se trouve une cavité de configuration complexe, dans laquelle tourne un rotor-piston de forme triangulaire, relié à l'arbre par des engrenages. Il repose librement sur l'arbre excentrique dont le centre coïncide avec le centre de l'engrenage fixe. Parcourant autour de lui le long d'une courbe complexe, le rotor-piston touche constamment les parois intérieures du boîtier avec ses sommets. Pour le compactage, des plaques mobiles sont installées aux sommets. Dans ce cas, les volumes des chambres formées par les surfaces du rotor-piston et les parois du boîtier changent séquentiellement. C'est là que se déroulent les processus d'admission, de compression et d'allumage du carburant, de détente et gaz d'échappement... L'ouverture et la fermeture des canaux d'admission et d'échappement sont réalisées par le rotor-piston lui-même. Ainsi, en un tour complet, tous les processus d'un moteur à quatre temps conventionnel se déroulent dans un moteur Wankel et simultanément dans différentes chambres de travail : avec des éclairs de carburant allumés par une bougie d'allumage, trois temps de travail, trois gaz d'échappement, trois apports de mélange frais. Le moteur Wankel s'est avéré non seulement le plus compact et le plus léger (l'un de ses premiers prototypes d'une puissance d'environ 30 ch ne pesait que 10 kg), mais aussi avec la vitesse la plus élevée. Ajoutez à cela qu’il peut fonctionner avec du carburant diesel bon marché. Il semblerait que ce soit la solution au problème. Mais... aussi « sages » que soient les concepteurs, il n'a toujours pas été possible d'obtenir une fiabilité des joints du rotor en rotation. Ce défaut, qui empêche principalement l'amélioration ultérieure du moteur, est le véritable fléau des moteurs de ce type. Une autre direction de recherche est le développement de moteurs actuellement utilisés dans l'aviation - les moteurs à turbine à gaz (GTE). Ils sont beaucoup plus petits que les moteurs à combustion interne de même puissance, leur fonctionnement est plus simple et plus fiable. Malgré une consommation de carburant légèrement accrue, ils émettent moins de produits toxiques, notamment du dioxyde d'azote. Cela s'explique par le fait que dans les moteurs à turbine à gaz, la combustion du carburant se produit en continu, à des pressions et des températures plus basses que dans les moteurs à pistons. Un moteur à turbine à gaz est également un moteur à combustion interne. Ce n'est que dans celui-ci que la compression du mélange combustible est effectuée par un compresseur (généralement centrifuge). L'air extérieur entrant dans le compresseur tourne avec ses aubes, est comprimé sous l'action de la force centrifuge, puis chauffé dans l'échangeur de chaleur et pénètre dans la chambre de combustion. Suite à la combustion du mélange, des gaz chauds appuient sur les aubes de la turbine, sur l'axe de laquelle se trouve le compresseur. Une fois montés sur les pales de la turbine, ils consacrent la majeure partie de leur énergie à effectuer un travail utile. Il s'agit du schéma de principe du fonctionnement de la turbine à gaz dite à deux arbres. Elle diffère en ce que les deux turbines, haute (compresseur) et basse (pression de travail), sont cinématiquement complètement indépendantes. Des turbines à un ou trois arbres sont en cours de développement pour les véhicules. Reste à savoir lequel de ces projets sera le plus prometteur. Très probablement, en fonction de la puissance requise et de la spécialisation de la voiture, chacun d'eux recevra le droit à un développement ultérieur. Dans tous les moteurs évoqués ci-dessus, le carburant est brûlé dans la chambre de combustion, à l'intérieur de la cavité où se trouve le rotor, le piston ou la turbine. Il est très difficile d'y contrôler la combustion, c'est pourquoi souvent le carburant n'est pas complètement brûlé et de nombreux produits toxiques sont libérés. Ensuite, nous considérerons les moteurs dont le carburant est oxydé en dehors de la cavité de travail (cylindres). Par analogie avec les moteurs à combustion interne, ils peuvent être appelés moteurs à combustion externe. Les principaux sont les moteurs à vapeur et les moteurs Stirling. La deuxième ère des machines à vapeur a commencé il y a seulement quelques années, lorsque les plus grands centres de recherche ont commencé à les concevoir sur des bases modernes. Ces moteurs présentent de nombreuses caractéristiques attrayantes : couple initial élevé, absence de boîte de vitesses complexe et émissions d'échappement complètes. Et le dynamisme d'une machine à vapeur est l'un des avantages importants. En améliorant les anciens systèmes, il a été possible de surmonter des problèmes de la machine à vapeur classique tels que le risque d'explosion de la chaudière, le poids prohibitif, la difficulté de démarrage et les difficultés d'utilisation de l'eau comme liquide générateur de vapeur en hiver. Les chaudières à eau chaude encombrantes et dangereuses ont été remplacées par des générateurs de vapeur tubulaires compacts. Il a été possible d'adapter avec succès toutes les unités aux dimensions d'une voiture de tourisme. Une autre branche de recherche prometteuse concerne le moteur inventé en 1816 par l'Écossais R. Stirling. Ce moteur à combustion externe était un tuyau, bouché aux deux extrémités, dans lequel courait un piston. La cavité d'un côté du piston était continuellement chauffée et de l'autre, elle était refroidie. Le gaz froid était liquéfié et pompé dans la cavité chaude. Ici, avec le piston à l'arrêt, sa température et sa pression ont augmenté en raison de l'échauffement. Une fois que le gaz a atteint ses paramètres maximaux, le piston a commencé à bouger, effectuant une course de travail. Le gaz détendu était ensuite pompé dans une cavité froide où, continuellement refroidi, il était comprimé par un piston en mouvement. Le cycle s'est répété.
Étant donné que la compression d'un gaz froid nécessite moins de travail mécanique que la détente d'un gaz chaud, le moteur Stirling a généré un excès d'énergie mécanique. Il est clair qu'un tel fonctionnement du moteur ne pourrait pas être particulièrement économique. Cependant, si le gaz froid comprimé, avant d'être introduit dans la cavité chaude, est chauffé avec la chaleur qui a été évacuée lorsque le gaz chaud a été refroidi, le Stirling peut devenir un moteur très économique, dépassant en termes d'efficacité les moteurs à carburateur et les moteurs diesel. Un dispositif de chauffage du gaz - un récipient appelé régénérateur - a été proposé par l'auteur de l'invention lui-même. De nos jours, l'efficacité d'un tel appareil de chauffage a été augmentée jusqu'à 98 %. Et les cavités du moteur ont commencé à être remplies d'hydrogène ou d'hélium comprimé à 100 - 200 atm. L'entraînement des pistons Stirling a également été amélioré, le rendant similaire à l'entraînement d'une pompe à pistons axiaux - avec une rondelle oblique. En conséquence, le Stirling modernisé convient à la plupart des machines utilisant des moteurs thermiques. Sa toxicité est des centaines de fois inférieure à celle d'un carburateur et il fonctionne presque silencieusement. Mais pour l’instant, les moteurs Stirling sont complexes et coûteux, et plus lourds que les moteurs à carburateur. Et pourtant, les moteurs évoqués ci-dessus sont des consommateurs extrêmement actifs de carburant naturel. Et ses réserves ne sont pas illimitées. Par conséquent, les tentatives visant à utiliser l’hydrogène produit artificiellement comme carburant présentent un grand intérêt. Il peut être extrait de l'eau, en le décomposant avec le courant électrique, la lumière du soleil, à haute température avec des catalyseurs. Le principal avantage d'un tel carburant est que la toxicité des produits de combustion est bien inférieure à celle de l'essence. Par exemple, il se forme 200 fois moins d’oxydes d’azote et il n’y a aucun monoxyde de carbone ni hydrocarbures dans les gaz d’échappement. Cependant, d'autres problèmes surviennent, par exemple le stockage du gaz dans des bouteilles. Cependant, les scientifiques proposent de saturer les hydrures de certains métaux avec de l'hydrogène, qui l'absorbera comme une éponge. Il est intéressant de noter que les réservoirs remplis d’hydrure contiennent 40 fois plus d’hydrogène que les réservoirs creux. Des moteurs sont également créés qui utilisent les facteurs naturels les plus inattendus - rayonnement solaire, évaporation, osmose. Ce n'est pas un hasard s'ils sont appelés exotiques : jusqu'à présent, ils ont une très petite distribution. Mais l’intérêt croissant pour les sources d’énergie respectueuses de l’environnement entraînera certainement un accroissement de leur rôle. Ils seront également utiles dans le transport spatial - rovers planétaires, systèmes d'entretien des stations orbitales. Un exemple de moteurs exotiques est le moteur dit à absorption de lumière. Le cylindre de travail comporte une fenêtre transparente à travers laquelle passe la lumière du soleil ou un faisceau laser, chauffant le gaz dans le cylindre. Grâce à cet échauffement, la course de travail est terminée. Un échantillon expérimental d'un moteur laser produit jusqu'à 600 tr/min avec une puissance de 30 W. Le rendement de ce moteur ne dépassait cependant pas 2 %. Des moteurs alimentés par le rayonnement solaire sont connus. Il est converti à l'aide de photocellules en courant électrique.
Et tout à fait inhabituels sont les modèles de moteurs qui fonctionnent grâce à la « mémoire » découverte dans l’alliage de nitinol. Soudé à partir de nickel et de titane, il possède la propriété inhabituelle de conserver la forme qu'il prend lorsqu'il est chauffé. Vous pouvez, par exemple, tordre une bande de cet alliage en spirale - alternativement chauffée et refroidie, elle redeviendra une bande, puis repartira, et ainsi de suite d'innombrables fois. Les ingénieurs américains ont réussi à utiliser cette propriété pour construire un moteur. Sa base est une roue aux rayons incurvés, qui étaient droits à chaud. Lorsqu'un tel rayon est immergé dans un bain d'eau tiède, il redresse et pousse la roue. Immédiatement, l'aiguille à tricoter tombe dans l'eau froide et se plie, et une nouvelle aiguille à tricoter courbée prend sa place dans le bain chaud. Une différence de température de seulement 23° est suffisante pour le fonctionnement du moteur. Les inventeurs pensent que cet étrange moteur permettra, par exemple, d'utiliser la chaleur emportée par l'eau de refroidissement des centrales nucléaires. Les moteurs sont également possibles lorsque la chaleur solaire (ou toute autre) est utilisée pour modifier les propriétés magnétiques des métaux. Grâce à cela, des travaux mécaniques peuvent également être obtenus. Une illustration en est le moteur proposé par l'inventeur et journaliste A.G. Presnyakov. C'est extrêmement simple, composé d'une jante avec des rayons - et rien de plus. La jante est constituée d'un alliage ferromagnétique qui perd ses propriétés magnétiques à +65 °C. (Aujourd'hui, les alliages sont déjà connus où cette perte se produit à des températures plus basses.) Installez un aimant permanent puissant suffisamment près de la jante et ne le chauffez même pas, mais éclairez uniquement n'importe quelle section de la jante jusqu'à ce qu'elle perde ses propriétés magnétiques, lorsque l'aimant commence à fonctionner. pour attirer les sections voisines de la jante, la faisant tourner. Il ne faut pas penser qu'un tel moteur est très faible. L'ascenseur solaire à eau, construit par Presnyakov, pompait jusqu'à 800 litres d'eau par heure dans le désert. Presnyakov a également fabriqué un chariot qui roule à la lumière d'une puissante lampe électrique. En principe, n'importe quel jeune designer peut construire un tel modèle.
Certains inventeurs tentent d'utiliser le phénomène d'osmose pour produire un travail mécanique. Comme on le sait, il s'agit de la diffusion d'une substance à travers une cloison semi-perméable, à la suite de laquelle un excès de pression osmotique est créé. Au Royaume-Uni, le brevet n° 1343391 a été délivré pour un moteur osmotique, assez complexe, mais adapté , selon les inventeurs, destiné à être utilisé dans les voitures. L'ingénieur soviétique P. Rogovik de Makeevka propose un moteur osmotique à basse vitesse et de faible puissance très simple, basé sur le gonflement des matériaux lorsqu'ils sont humidifiés. C'est ainsi que la gélatine gonfle, par exemple. L'inventeur a pris en sandwich un anneau de ce matériau entre deux rouleaux immergés dans l'eau jusqu'au niveau des essieux. Les parties de l'anneau situées en dessous du niveau se dilatent en raison du gonflement et exercent une pression sur les rouleaux, les faisant tourner. Avec les rouleaux, l'anneau tourne également lentement. Ses parties gonflées montent progressivement et les parties sèches tombent, absorbent l'eau, gonflent et exercent une pression sur les rouleaux tout en continuant à les faire tourner. Les parties de l'anneau qui sortent de l'eau sèchent et le cycle continue. Les jeunes designers peuvent créer un autre modèle de moteur exotique. Il fonctionne à partir de l’énergie lumineuse d’une lampe électrique ou du soleil, focalisée à travers une lentille. Pour le construire, vous aurez besoin de plusieurs plaques bimétalliques, telles que celles utilisées dans divers relais thermiques. On sait qu'une plaque bimétallique, assemblée à partir de deux bandes de métal avec des coefficients de dilatation thermique différents, se plie assez fortement lorsqu'elle est chauffée. Le cylindre de travail, en plastique par exemple, est « gainé » sur son périmètre avec des plaques bimétalliques fixées au cylindre à une extrémité. À l’autre bout, il y a des poids. Le cylindre est monté sur un rayon monté dans deux douilles sur les bords d'une cuve. A l'état normal, les plaques sont courbées autour de la circonférence du cylindre. Lorsqu'elle est chauffée, la plaque se redresse et s'éloigne du mur, l'équilibre des forces des poids est perturbé et le cylindre tourne. La place de ce disque est prise par un nouveau, Le E redressé est refroidi et à nouveau pressé contre la paroi du cylindre. Pour accélérer le refroidissement, vous pouvez verser de l'eau froide dans le récipient. 2. Banque de puissance Nous avons évoqué le fait que les moteurs thermiques sont constamment améliorés : la consommation de carburant et la toxicité des gaz d'échappement sont réduites. Mais une bonne question se pose : est-il possible de se passer de ces qualités négatives ? On peut répondre positivement à cette question : il est possible d'obtenir de l'énergie pour des véhicules qui ne nécessitent pas de combustion de carburant, puis de « confier » cette énergie au consommateur, en l'accumulant dans des batteries. De nos jours, la majeure partie de l'énergie dans le monde est produite par des centrales thermiques - TPP. Si nous les imaginons sous la forme de moteurs spéciaux de taille colossale, nous verrons qu'ils sont aussi économiques que possible et que l'atmosphère en souffre moins ; sur les appareils fixes de puissance supérieure, il est beaucoup plus facile de réguler la combustion correcte du carburant. que sur des milliers de petits moteurs, dont les conditions de fonctionnement sont également changeantes à chaque minute. Mais... Les TPP ne passent pas le test du respect de l'environnement, c'est-à-dire de l'absence d'effets nocifs sur les processus naturels se produisant dans le domaine d'application de telle ou telle technologie. Mais l’humanité utilise également des sources d’énergie respectueuses de l’environnement, et ces sources sont pratiquement inépuisables. C'est l'énergie du soleil, des rivières, des marées, du vent, de la chaleur interne de la terre, de la chaleur des océans et des courants. Les centrales nucléaires (et à l’avenir également thermonucléaires) sont relativement inoffensives. L'énergie obtenue à partir de ces sources peut être livrée au consommateur de différentes manières. Si ce dernier est à l'arrêt ou lié à un itinéraire précis (train, tramway, trolleybus), laissez travailler les fils électriques. Si le consommateur est mobile, l'énergie devra alors être préalablement accumulée afin d'utiliser ainsi « l'énergie en conserve » noire lors du déplacement. À propos, cette énergie est utilisée depuis l’Antiquité. Les premières batteries étaient, bien entendu, les dispositifs mécaniques les plus simples dans lesquels une personne stockait de l'énergie potentielle. Des poids surélevés, un pet tendu, une catapulte - ces types de batteries sont utilisés depuis des temps immémoriaux. Il existe aujourd'hui des batteries similaires. Ils sont très largement utilisés sous forme de ressorts de remontage : dans les montres, les instruments et les jouets pour enfants. Auparavant, ils trouvaient également une application dans les véhicules : par exemple, d'énormes chars à manivelle étaient construits, sur lesquels les empereurs effectuaient des promenades cérémonielles. Les ressorts étaient constamment remontés par des esclaves cachés à l'intérieur de la charrette. Cependant, les batteries à ressort ont une faible densité énergétique, c'est-à-dire la quantité d'énergie contenue dans une unité de masse. C'est beaucoup plus important dans les batteries élastiques en caoutchouc. Tous les modélistes savent que les moteurs fabriqués à partir de cordes élastiques soulèvent les modèles réduits d'avions et d'hélicoptères dans les airs. Il y a bien sûr ici des inconvénients : faible CPC, fragilité.
Pour les véhicules de transport, une autre batterie est plus adaptée, qui peut accumuler tellement d'énergie qu'elle pourra parcourir des dizaines, voire des centaines de kilomètres. C'est du gaz comprimé. L'accumulation d'énergie se produit lorsque le gaz est pompé dans une bouteille sous pression ; libération - lorsque le gaz est libéré d'une bouteille. Ce qui fonctionne ici, c'est un moteur pneumatique, similaire à ceux utilisés, par exemple, dans les outils pneumatiques à main - clés à chocs, perceuses. En 1876, un tramway fonctionnant à l'air comprimé a été construit dans la ville française de Nantes. Il a parcouru un parcours de six kilomètres avec une seule station-service. Compressé à 30 ATM. Dix cylindres d'un volume total de 2800 8 litres ont été remplis d'air. La consommation était de 10 kg d'air par kilomètre parcouru. La réserve totale était suffisante pour 12 à 100 km. Cette idée n'a pas été oubliée aujourd'hui. Des accumulateurs pneumatiques sont apparus sur les voitures circulant en milieu urbain : la société Sorgato en Italie expérimente une machine équipée de neuf cylindres d'air comprimé en acier. Il suffit de parcourir environ 50 km à une vitesse de XNUMX km/h. Le poids du « véhicule pneumatique » est d’environ une demi-tonne. L'accumulateur pneumatique est également « chargé » d'autres gaz, le plus souvent de l'azote liquide, dont 50 litres suffisent pour un kilométrage de 230 km. Mais la batterie à gaz présente aussi des inconvénients, et importants. Ainsi, lorsque le gaz est pompé, il se réchauffe et lorsqu’il est libéré, il se refroidit. Et c'est une perte improductive d'énergie thermique. Un autre accumulateur d'énergie est plus prometteur : le volant d'inertie. Lors de la rotation, il accumule de l'énergie mécanique sous forme d'énergie cinétique, et elle est présente dans le volant tant qu'il tourne. L'un des volants d'inertie les plus anciens, vieux de plus de 55 XNUMX ans, a été découvert par l'archéologue Leonard Woolley lors de fouilles en Irak : un tour massif qui servait de tour de potier à un ancien maître. Au fil du temps, le volant a subi des modifications importantes et s'est transformé en un disque d'acier dont la forme est dictée par l'exigence de « résistance égale » : après tout, les vitesses de rotation ont également augmenté. Aujourd’hui, il est placé dans une enceinte à vide pour réduire les pertes très importantes dues au frottement avec l’air. Dans le même but, à la place des roulements, des supports magnétiques sont utilisés ; les pertes par frottement contre eux sont pratiquement éliminées. Les sceptiques ont longtemps tenu leur position, soulignant le principal inconvénient du volant d'inertie en tant que batterie : sa faible densité énergétique. A quoi cela était-il lié ! Il semblerait que tout soit simple : en augmentant la vitesse de rotation, disons de moitié, nous, comme le sait la physique, multiplions par quatre l'énergie cinétique du volant d'inertie. Mais dans le même temps, les charges mécaniques sur le corps du volant sont également multipliées par quatre, conduisant à sa rupture avec formation de fragments qui présentent un grand danger pour autrui. Et puis les recherches des scientifiques et des concepteurs ont conduit à la création de ce qu'on appelle des supervolants, constitués de fibres fines ou de bandes par enroulement. Le fait est que les matériaux modernes ressemblant à des fils et à des rubans ont une énorme résistance - plusieurs fois plus résistante qu'un monolithe fabriqué à partir du même matériau. La rupture du supervolant est également plus sûre : les fibres fines ou les rubans ne forment pas de fragments pouvant provoquer de graves destructions. L’auteur de ces lignes a dû tester un volant d’inertie à super courroie pour se briser : il ne pouvait même pas percer un boîtier de deux millimètres d’épaisseur, tandis que les volants d’inertie monolithiques ne pouvaient pas supporter des murs d’un mètre de haut. L'essentiel est que la densité énergétique d'un super volant est bien supérieure à celle des volants monolithiques. Théoriquement, il est même nettement supérieur à celui des batteries électriques, mais ne leur est pratiquement en aucun cas inférieur. Cependant, les batteries se caractérisent non seulement par la densité énergétique, mais également par la densité de puissance : c’est-à-dire la puissance que développe chaque kilogramme de masse. Et dans cet indicateur, le volant n'a pas d'égal. Ainsi, le supervolant est une batterie (et un moteur) prometteur pour les transports du futur. Il permet une accélération rapide de la voiture et un freinage tout aussi efficace, a une plus grande durabilité - en un mot, toutes ces qualités qui sont nécessaires à une voiture alimentée par batterie et qui lui manquent tant actuellement. Le super volant d'inertie est particulièrement prometteur pour la conduite de bus, de métros, de taxis et d'autres moyens de transport urbain fonctionnant selon un horaire cyclique et chargé, avec des accélérations et des freinages fréquents. Les supervolants modernes dans une chambre de rotation sous vide conservent l'énergie même pendant des semaines, et des échantillons spéciaux de batteries à volant peuvent la conserver pendant des années. En termes de durée de vie du stockage d'énergie, ils n'ont qu'un seul digne rival : les batteries électriques ou, plus exactement, électromécaniques. Ils ont été créés relativement récemment, bien que la date de leur apparition puisse être considérée comme 1799, lorsque Alexandre Volta, en plaçant des électrodes de cuivre et de zinc dans de l'acide sulfurique dilué, reçut la première cellule galvanique. Après tout, presque n’importe quelle cellule galvanique peut, en principe, devenir une batterie si un courant la traverse dans la direction opposée, la chargeant. Même les piles sèches ordinaires utilisées pour les lampes de poche et les radios à transistors peuvent être chargées 8 à 10 fois comme une batterie. Une autre chose est qu'une telle « recharge » n'est pas particulièrement rentable économiquement : le rendement est très faible. Mais, il faut l’admettre, il reste bien supérieur à celui d’une batterie mise au rebut. Les vraies batteries, bien que plus chères que les batteries galvaniques conventionnelles, peuvent supporter non pas 8 à 10 cycles de recharge, mais plus de cent fois plus. Stocker de l’énergie dans des batteries électriques n’est donc pas très coûteux. Les batteries au plomb sont les plus courantes parmi les batteries électriques ; ils sont installés sur chaque voiture comme batterie de démarrage. Ce sont des travailleurs acharnés et modestes, ils ne brillent pas par leurs indicateurs d'énergie et de puissance, mais ils sont assez économiques - ils ont un rendement élevé. Certes, ils ne tolèrent pas le gel, les courants élevés ou les fortes décharges. En revanche, une batterie alcaline est sans prétention, mais a un faible rendement : jusqu'à 0,4-0,5 contre 0,75-0,8 pour une batterie au plomb. On ne peut pas attendre grand chose de ces deux batteries. Leur densité d'énergie et de puissance est faible, et une voiture avec une telle charge se transportera principalement seule - elles sont si lourdes. Les scientifiques placent aujourd'hui des espoirs particuliers dans les super batteries - sodium-soufre, lithium-chlore, etc. Elles maintiennent une température élevée (300 - 600°), l'électrolyte est fondu. Bien entendu, la destruction d'une telle batterie lors d'un accident de voiture n'augure rien de bon et leur efficacité est faible, surtout compte tenu de la nécessité de réchauffer le contenu. Cependant, la densité énergétique est très élevée - dix fois supérieure à celle du plomb-acide, et la densité de puissance est deux fois plus élevée - jusqu'à 150 W par kilogramme de masse. Il convient de noter que de tels «superaccumulateurs» n'ont pas encore quitté les murs des laboratoires et que des travaux restent à faire. Enfin, on ne peut manquer de mentionner les piles à combustible, qui permettent de convertir directement l'énergie du carburant en courant électrique. Les plus intéressants d’entre eux sont les éléments oxygène-hydrogène, qui utilisent le processus de décomposition de l’eau directement dans l’élément lui-même ; Il contient également des conteneurs pour stocker les gaz résultants. L'hydrogène et l'oxygène sont à nouveau combinés dans l'eau, par exemple à l'aide de catalyseurs, de températures élevées, etc. Dans ce cas, l'énergie électrique dépensée lors de la décomposition de l'eau est libérée et l'énergie de la batterie est libérée sous forme d'hydrogène et d'oxygène. Les piles à combustible sont très prometteuses pour les véhicules électriques, mais restent très lourdes et coûteuses.
Les accumulateurs d'énergie thermique se distinguent. À eux seuls, ils ne peuvent pas faire bouger la voiture, mais en combinaison avec un moteur thermique, par exemple Stirling, ils peuvent donner de bons résultats. Nous avons déjà mentionné un scooter qui fonctionne pendant environ cinq heures à partir d'un seau de fluorure de lithium fondu - un accumulateur de chaleur. Un thermos avec de l'eau chaude, une pierre chaude au soleil, un fer chaud, bref, tout corps chauffé est un accumulateur d'énergie. Cependant, il existe des composés qui peuvent l’accumuler des dizaines de fois plus qu’un simple corps chauffé à la même température. La physique sait que lorsqu'une substance cristalline fond, sa température n'augmente pas d'un seul degré jusqu'à ce qu'une certaine quantité de chaleur, généralement assez importante, soit dépensée - ce qu'on appelle la chaleur latente de fusion. Lors de la solidification, cette chaleur est libérée, même sans modifier la température de la substance. C'est sur ce phénomène que sont construits les accumulateurs dits à fusion thermique. Si la température requise est basse, inférieure à 100°, divers hydrates cristallins sont utilisés comme substance de batterie. Pour des températures de 600 à 800°, les fluorures de lithium et les hybrides sont les mieux adaptés ; ci-dessus - siliciures et borures de certains métaux : Les batteries thermiques stockent d’énormes quantités d’énergie – plus que n’importe quel type de batteries les plus prometteurs. Le seul problème est qu'en essayant d'utiliser cette énergie sous forme mécanique, électrique et d'autres types « qualitatifs », la majeure partie de l'énergie est perdue, destinée au chauffage de l'environnement. De plus, la masse de l'appareil qui convertit la chaleur en un type d'énergie « de haute qualité » (par exemple, un moteur Stirling, des thermocouples, etc.) réduit considérablement un indicateur tel que la densité énergétique de l'ensemble de l'appareil, l'amenant plus proche des types d'accumulateurs d'énergie les plus ordinaires.Cependant, même aujourd'hui, la batterie thermique peut avoir une bonne utilité, par exemple pour chauffer un véhicule de transport, alimenté par une autre batterie d'énergie : électrique, coquelicot. Lorsque nous parlons de batteries, nous nous référons toujours à leur principal indicateur : la densité énergétique. Pour leurs différents types, s’ils sont exprimés en kilojoules par kilogramme de masse, cela se présente comme suit : pour les batteries à énergie potentielle : ressorts en acier - 0,32 ; pneus - 32 ; gaz et hydrogaz - 28. Accumulateur thermique avec moteur Stirling - 9. Batteries électrochimiques : plomb-acide - 64 ; nickel-cadmium (alcalin) - 110; soufre-sodium - 800; pile à combustible à différents temps de découplage - 15-150. Batteries à volant : disque en acier avec trou - 30 ; disque solide de résistance égale - 120; super volant en ruban - 150; super volant en fibre spéciale - 650 (modèle). Cependant, il ne faut pas oublier que les batteries à volant disposent de très grandes réserves de stockage d’énergie. Par exemple, si vous fabriquez un super volant en fibre de quartz, qui n'existe jusqu'à présent que dans les laboratoires, vous pourrez augmenter la densité énergétique à 5000 15 kilojoules par kilogramme. Et si nous utilisons de la fibre de carbone « super rare » avec une structure en diamant, nous obtenons un chiffre tout à fait fantastique : 000 XNUMX kJ/kg ! Des scientifiques japonais sont récemment arrivés à ces conclusions. En conclusion, je voudrais proposer de construire un modèle intéressant de moteur « perpétuel », alimenté par l'énergie accumulée obtenue à partir d'un simple accumulateur thermique. Pour ce faire, nous réaliserons un capuchon cylindrique en le collant à partir de cire ou autre papier fin et résistant avec un dessus en papier Whatman ou en feuille d'aluminium rigide. Ce couvercle aura l'aspect d'une turbine formée de découpes aux bords recourbés ; l'angle de courbure optimal peut être déterminé expérimentalement. Au centre de la turbine, une douille en métal léger est fixée à la colle : une spore avec un évidement conique dans lequel est insérée la pointe de l'aiguille. L'extrémité émoussée de l'aiguille pénètre dans le bouchon, monté sur un lourd support ignifuge à l'aide d'un trépied en fil épais. Le capuchon ne se déforme pas sur l'aiguille et tourne facilement sous une légère pression ou un coup par le bas. Pour mettre en mouvement une telle « perpétuelle mobile », il faut placer un bloc métallique chauffé à 300-400° sur un support et le recouvrir d'un capuchon. Le cache de l'accumulateur de chaleur provoquera un mouvement de l'air à l'intérieur de la hotte de bas en haut. En passant par la turbine, l'air la fera tourner d'autant plus vite que l'accumulateur de chaleur sera chauffé. Des résultats encore meilleurs peuvent être obtenus si le flan est remplacé par un pot de plomb ou de zinc fondu. Nous obtiendrons alors une véritable batterie fondante. Il est bien entendu préférable d’utiliser du fluorure de lithium ou de l’hydrure de lithium. Ici, vous devez faire très attention à ne pas vous brûler ou allumer un incendie, et l'expérience doit être réalisée dans un laboratoire ou un atelier de physique spécialement équipé. Quelqu’un pourrait dire qu’il est plus facile de recouvrir une lampe électrique avec ce capuchon. Ensuite, le capuchon-abat-jour (qui peut être peint) tournera tant que la lampe sera allumée. Mais en même temps, nous ferons fonctionner un moteur thermique classique sans stockage d’énergie. Nous n'avons parlé que de certains types de moteurs thermiques en cours de développement pour les voitures du futur. Bien entendu, ce ne sont même pas tous les principaux types de moteurs de demain. Bien entendu, les jeunes designers et modélistes peuvent s’essayer à leur développement. Cependant, nous devons nous rappeler que la création de nouveaux moteurs est une tâche complexe et laborieuse, qui nécessite des connaissances sérieuses et particulières ; On ne peut pas accomplir grand-chose avec la seule « invention ». Et le premier test de la performance de votre idée peut être un modèle fonctionnel que vous avez construit vous-même. Auteur : N. Gulia
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