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TRANSPORTE PESSOAL: TERRESTRE, ÁGUA, AÉREO
Transporte do futuro. transporte pessoal
Diretório / Transporte pessoal: terrestre, aquático, aéreo Os cientistas que estudam os problemas do futuro - futurólogos - já estão tentando hoje determinar como será o mundo que nos rodeia, digamos, no final do segundo milênio ou mesmo daqui a 100 anos. Ao mesmo tempo, algumas coisas são visíveis com relativa facilidade, enquanto outras são difíceis de ver. Mas podemos afirmar com firmeza que dentro de 50, 100 ou mais anos, o transporte existirá. E não apenas existem, mas também se desenvolvem de forma constante. Os escritores de ficção científica às vezes expressam a ideia de que, no futuro, a maior parte da informação será transmitida principalmente por meios de comunicação - de videofones a canais de laser. O papel do transporte como transportador não só de mercadorias, mas também de informações não é levado em consideração. Mas isso está longe de ser verdade. A vantagem do transporte reside precisamente no facto de garantir a circulação não só de mercadorias, mas também de pessoas - os mais amplos transportadores de informação. O famoso cientista de transportes soviético, Professor VN Ivanov, enfatiza: “As pessoas precisam de comunicação direta, e nem um telefone, nem uma TV, nem qualquer outra coisa pode substituí-la”. Não é por acaso que, apesar dos progressos significativos nas comunicações, os transportes continuam hoje a melhorar rapidamente. Como se desenvolverá no futuro? Basicamente, os problemas podem ser reduzidos ao seguinte: os veículos, ou melhor, seus motores, devem tornar-se ecologicamente corretos, ou, como se costuma dizer, “ecologicamente corretos”. Para esticar tanto quanto possível o "gasto dos recursos combustíveis e energéticos do nosso planeta, os motores devem tornar-se tão económicos quanto possível. É dada muita atenção à segurança das máquinas, bem como a problemas tradicionais como mais aumento da velocidade, manobrabilidade e conforto. Novos modos de transporte especializados serão criados e desenvolvidos para a economia nacional Porém, como será o transporte do futuro, os seus motores? Já existem protótipos deles agora, em nossos dias? Os materiais propostos são dedicados a todas essas questões. 1. Térmica - "a favor" e "contra" A humanidade agradecida acusa. É assim que se pode formular a atitude atual em relação ao motor mais massivo - o térmico, e em particular ao motor de combustão interna (ICE). Existem basicamente dois artigos de “culpado” dos motores térmicos perante a humanidade. O primeiro é o gasto antieconómico e bárbaro de recursos combustíveis naturais insubstituíveis. A segunda é a poluição ambiental com gases tóxicos de exaustão e outros desperdícios de energia recebida, incluindo excesso de calor, ruído e cheiro. Fala-se muito sobre tudo isso agora. Bem como sobre a conclusão inexorável que daí se segue: se os motores térmicos não forem melhorados (ou não forem completamente abandonados), então o planeta num futuro previsível, medido em apenas dezenas de anos, estará ameaçado, em primeiro lugar, pela falta de combustível devido a esgotamento total das reservas combustível natural; em segundo lugar, o envenenamento em massa da humanidade pelos produtos da queima deste combustível e, possivelmente, o aquecimento excessivo (pior do que na sala de vapor mais quente!) Da atmosfera. Então, melhoria ou fracasso total. Se lembrarmos que os motores térmicos estão instalados em centenas de milhões de carros, motocicletas, tratores, colheitadeiras, aeronaves, navios, lanchas e outras máquinas, fica claro que ainda não é possível abandoná-los completamente. Porém, é preciso ter certeza de que, ao prolongar a idade deles, não reduza significativamente a sua idade! Como “conciliar” a máquina térmica e o homem?
A resposta é simples e complexa: é preciso eliminar a toxicidade dos gases de escape dos motores térmicos e aumentar sua eficiência. Os principais danos são causados pelo monóxido de carbono, óxidos de nitrogênio e hidrocarbonetos (aldeídos) contidos nos gases de escapamento, além de substâncias cancerígenas. Mas certamente eles podem ser capturados? Sim, já foram criadas essas armadilhas-neutralizadores: líquido, plasma, catalítico e combinado. Eles geralmente são instalados na saída de gás atrás do tubo de escape do motor. Porém, todos esses dispositivos fornecem apenas uma solução parcial para o problema: mesmo com sua presença, o próprio motor continua o mesmo monstro mecânico voraz. Durante séculos, o sonho dos especialistas em motores era construir um onde o pistão não realizasse movimentos alternativos, mas apenas girasse. Isso prometia uma redução significativa no tamanho e peso do motor, reduzindo o consumo de combustível e a emissão de produtos tóxicos da combustão. O professor F. Wankel chegou mais perto de resolver este problema do que qualquer outra pessoa. Muitos especialistas acreditam que o motor rotativo que ele criou poderia se tornar o principal motor de combustão interna dos automóveis. Lembremos como um Wankel é projetado e funciona. Em seu corpo existe uma cavidade de configuração complexa, na qual gira um rotor-pistão de formato triangular, conectado ao eixo por meio de engrenagens. Ele assenta livremente no excêntrico do eixo, cujo centro coincide com o centro da engrenagem fixa. Percorrendo-o ao longo de uma curva complexa, o pistão-rotor toca constantemente o topo das paredes internas da carcaça. Para a vedação, são instaladas placas móveis nas partes superiores, ao mesmo tempo que os volumes das câmaras formadas pelas superfícies do rotor-pistão e pelas paredes da carcaça mudam sequencialmente. Aqui ocorrem os processos de admissão, compressão e ignição do combustível, expansão e liberação gases de escape... A abertura e fechamento dos canais de admissão e escape são realizados pelo próprio rotor-pistão. Assim, em uma revolução completa, todos os processos de um motor convencional de quatro tempos ocorrem em um motor Wankel e simultaneamente em diferentes câmaras de trabalho: com flashes de combustível acesos por uma vela de ignição, três tempos de trabalho, três gases de escape, três ingestão de mistura fresca. O motor Wankel revelou-se não apenas o mais compacto e leve (um de seus primeiros protótipos com potência de cerca de 30 cv pesava apenas 10 kg), mas também o de maior velocidade. Acrescente a isso que ele pode funcionar com diesel barato. Parece que esta é a solução para o problema. Mas... por mais “sábios” que sejam os projetistas, ainda não foi possível alcançar a confiabilidade das vedações do rotor rotativo. Este defeito, que impede principalmente melhorias adicionais do motor, é o verdadeiro flagelo dos motores de esse tipo. Outra linha de pesquisa é o desenvolvimento de motores atualmente utilizados na aviação – motores de turbina a gás (GTEs). Eles são obtidos com muito menos potência que os motores de combustão interna, são mais simples e confiáveis de operação. Apesar de um consumo de combustível ligeiramente aumentado, são emitidos menos produtos tóxicos, especialmente dióxido de azoto. Isso se explica pelo fato de que no motor de turbina a gás a combustão do combustível ocorre continuamente, a pressões e temperaturas mais baixas do que nos motores a pistão. Um motor de turbina a gás também é um motor de combustão interna. Somente nele a mistura combustível é comprimida por um compressor (geralmente centrífugo). O ar externo, que entra no compressor, gira junto com suas pás, é comprimido sob a ação da força centrífuga e depois aquecido no trocador de calor e entra na câmara de combustão. Como resultado da combustão da mistura, gases quentes pressionam as pás da turbina, em cujo eixo está localizado o compressor. Mais uma vez nas pás do impulsor da turbina, eles gastam a maior parte de sua energia para realizar trabalhos úteis. Este é o diagrama principal de funcionamento da chamada turbina a gás de dois eixos. A diferença é que ambas as turbinas, de alta pressão (compressor) e de baixa pressão (de trabalho), são cinematicamente completamente independentes. Turbinas de eixo único e de três eixos estão sendo desenvolvidas para veículos. Resta saber qual destes esquemas será o mais promissor. Muito provavelmente, dependendo da potência necessária e da especialização do carro, cada um deles receberá o direito a um maior desenvolvimento. Em todos os motores discutidos acima, o combustível é queimado na câmara de combustão - dentro da cavidade onde está localizado o rotor, pistão ou turbina. É muito difícil controlar a combustão ali, muitas vezes o combustível não queima completamente, são liberados muitos produtos tóxicos. A seguir, consideraremos esses motores onde o combustível é oxidado fora da cavidade de trabalho (cilindros). Por analogia com os motores de combustão interna, eles podem ser chamados de motores de combustão externa. Os principais são os motores a vapor e os motores Stirling. A segunda era das máquinas a vapor começou há apenas alguns anos, quando os maiores centros de pesquisa adotaram seu projeto de forma moderna. Esses motores têm muitas características atraentes: alto torque inicial, ausência de uma caixa de câmbio complexa e escapamento totalmente inofensivo. E o dinamismo da máquina a vapor é uma das vantagens importantes. Ao melhorar os esquemas antigos, foi possível superar problemas da máquina a vapor clássica como o risco de explosão da caldeira, o peso proibitivo, a dificuldade de partida e as dificuldades de utilização da água como líquido formador de vapor no inverno. Caldeiras de água quente pesadas e perigosas foram substituídas por geradores de vapor tubulares compactos. Foi possível encaixar com sucesso todas as unidades nas dimensões de um automóvel de passageiros. Outro ramo promissor de pesquisa está relacionado ao motor, inventado em 1816 pelo escocês R. Stirling. Esse motor de combustão externa era um tubo abafado nas duas extremidades, por onde ia o pistão. A cavidade de um lado do pistão foi continuamente aquecida, do outro lado foi resfriada. O gás frio foi liquefeito e bombeado para a cavidade quente. Aqui, quando o pistão estava parado, sua temperatura e pressão aumentaram devido ao aquecimento. Depois que o gás atingiu seus parâmetros máximos, o pistão começou a se mover, realizando um curso de trabalho. Em seguida, o gás expandido foi bombeado para uma cavidade fria, onde, continuamente resfriado, foi comprimido por um pistão em movimento. O ciclo foi repetido.
Como é gasto menos trabalho mecânico na compressão de um gás frio do que é liberado na expansão de um gás quente, o motor Stirling gerou excesso de energia mecânica. É claro que tal operação do motor não poderia ser particularmente econômica. No entanto, se o gás frio comprimido, antes de ser alimentado na cavidade quente, for aquecido com o calor que foi removido quando o gás quente foi resfriado, o Stirling pode se tornar um motor muito econômico, excedendo em eficiência os motores de carburador e diesel. Um dispositivo para aquecimento de gás - um recipiente chamado regenerador - foi proposto certa vez pelo próprio autor da invenção. Hoje, a eficiência desse aquecedor aumentou para 98%. E as cavidades do motor começaram a ser preenchidas com hidrogênio ou hélio comprimido a 100-200 atm. O acionamento dos pistões Stirling também foi melhorado, tornando-o semelhante ao acionamento de uma bomba de pistão axial - com arruela oblíqua. Como resultado, o Stirling modernizado é adequado para a maioria das máquinas que utilizam motores térmicos. Sua toxicidade é centenas de vezes menor que a do carburador e funciona quase silenciosamente. Mas embora os Stirlings sejam complexos e caros, e ainda mais pesados que os de carburador. E, no entanto, os motores discutidos acima são consumidores esmagadoramente activos de combustível natural. E as suas reservas não são ilimitadas. Portanto, as tentativas de usar o hidrogênio produzido artificialmente como combustível são de grande interesse. Pode ser extraído da água, decompondo-a com corrente elétrica, luz solar, alta temperatura com catalisadores. A principal vantagem desse combustível é que a toxicidade dos produtos da combustão é muito inferior à da gasolina. Por exemplo, são formados 200 vezes menos óxidos de nitrogênio e não há monóxido de carbono ou hidrocarbonetos no escapamento. No entanto, surgem outros problemas – por exemplo, armazenamento de gás em cilindros. No entanto, os cientistas propõem saturar os hidretos de certos metais com hidrogênio, que o absorve como uma esponja. Curiosamente, os tanques cheios de hidreto retêm 40 vezes mais hidrogênio do que os ocos. Também estão sendo criados motores que utilizam os fatores naturais mais inesperados - radiação solar, evaporação, osmose. Não é por acaso que são chamados de exóticos: até agora têm uma distribuição muito pequena. Mas o crescente interesse em fontes de energia amigas do ambiente conduzirá certamente a um aumento do seu papel. Eles também serão úteis no transporte espacial - rovers planetários, sistemas para manutenção de estações orbitais. Um exemplo de motores exóticos é o chamado motor de absorção de luz. O cilindro de trabalho possui uma janela transparente por onde passam os raios solares ou um raio laser, aquecendo o gás no cilindro. Devido a este aquecimento, o curso de trabalho é executado. Uma amostra experimental do motor a laser produz até 600 rpm com uma potência de máquina de 30 watts. A eficiência deste motor, porém, não ultrapassou 2%. São conhecidos motores alimentados por radiação solar. É convertido por fotocélulas em corrente elétrica.
E bastante inusitados são os modelos de motores que funcionam graças à “memória” descoberta na liga de nitinol. Soldado em níquel e titânio, tem a propriedade incomum de lembrar a forma que recebe quando aquecido. Você pode, por exemplo, torcer uma tira dessa liga em uma espiral - aquecida e resfriada alternadamente, ela se tornará uma tira novamente, depois girará novamente e assim por diante inúmeras vezes. Os engenheiros americanos conseguiram usar essa propriedade para construir um motor. Sua base é uma roda com raios curvos, que ficam retos quando quentes. Quando tal raio é imerso em um banho de água morna, ele se endireita e empurra a roda. Imediatamente a agulha de tricô cai na água fria e dobra, e uma nova agulha de tricô dobrada toma seu lugar no banho quente. Uma diferença de temperatura de apenas 23° é suficiente para o funcionamento do motor. Os inventores acreditam que esse estranho motor ajudará, por exemplo, a aproveitar o calor transportado pela água de resfriamento das usinas nucleares. Motores também são possíveis, onde o calor solar (ou qualquer outro) é usado para alterar as propriedades magnéticas dos metais. Graças a isso, também é possível obter trabalho mecânico. Uma ilustração disso é o motor proposto pelo inventor e jornalista A. G. Presnyakov. É extremamente simples, consiste em um aro com raios – e nada mais. O aro é feito de uma liga ferromagnética, que perde suas propriedades magnéticas a +65 °C. (Hoje, já são conhecidas ligas onde essa perda ocorre em temperaturas mais baixas.) Instale um ímã permanente forte próximo o suficiente do aro e nem mesmo aqueça, mas apenas ilumine qualquer seção do aro até que perca suas propriedades magnéticas, pois o ímã irá atrai seções vizinhas do aro, fazendo-o girar. Não se deve pensar que tal motor seja muito fraco. O elevador solar de água construído por Presnyakov bombeou até 800 litros de água por hora no deserto. Presnyakov também fez um carrinho que rola sob a luz de uma forte lâmpada elétrica. Em princípio, qualquer jovem designer pode construir tal modelo.
Alguns inventores estão tentando usar o fenômeno da osmose para obter trabalho mecânico. Sabe-se que consiste na difusão de uma substância através de um septo semipermeável, criando um excesso de pressão osmótica.No Reino Unido, foi emitida a patente nº 1343391 para um motor osmótico, que é bastante complicado, mas adequado, de acordo com os inventores, para utilização em automóveis. O engenheiro soviético P. Rogovik de Makeevka propõe um motor osmótico muito simples, de baixa velocidade e baixa potência, baseado no inchaço dos materiais quando umedecidos. É assim que incha, por exemplo, a gelatina. O inventor espremeu um anel desse material entre dois rolos imersos em água até os níveis dos eixos. As partes do anel que estão abaixo do nível se expandem devido ao inchaço e pressionam os rolos, fazendo-os girar. Juntamente com os rolos, o anel também gira lentamente. Suas partes inchadas sobem gradativamente, e as partes secas afundam, absorvem água, incham e pressionam os rolos, continuando a girá-los. As partes do anel que saem da água secam e o ciclo continua. Jovens designers também podem fazer outro modelo de motor exótico. Funciona a partir da energia luminosa de uma lâmpada elétrica ou do sol, focada através de uma lente. Para sua construção são necessárias diversas placas bimetálicas, que são utilizadas em diversos relés térmicos. Sabe-se que uma placa bimetálica, montada a partir de duas tiras de metal com diferentes coeficientes de dilatação térmica, dobra-se bastante quando aquecida. O cilindro de trabalho, feito, por exemplo, de plástico, é revestido em todo o perímetro com placas bimetálicas fixadas ao cilindro em uma das extremidades. Na outra extremidade estão os pesos. O cilindro é montado em um raio fixado em duas buchas nas bordas de um vaso. No estado normal, as placas são curvadas em torno da circunferência do cilindro. Quando aquecida, a placa se endireita e se afasta da parede, o equilíbrio das forças dos pesos é perturbado e o cilindro gira. O lugar desta placa é ocupado por uma nova, O E endireitado é resfriado e pressionado novamente contra a parede do cilindro. Para acelerar o resfriamento, você pode colocar água fria na vasilha. 2. Banco de cavalos de potência Falámos sobre o facto de os motores térmicos estarem em constante melhoria: o consumo de combustível e a toxicidade dos gases de escape são reduzidos. Mas surge uma questão justa: é possível prescindir destas qualidades negativas? Essa questão pode ser respondida positivamente: é possível obter energia para veículos que não necessitam de combustão de combustível e depois “confiar” essa energia ao consumidor, acumulando-a em baterias. Agora, a maior parte da energia do mundo é produzida por usinas termelétricas - usinas termelétricas. Se os imaginarmos na forma de motores especiais de dimensões colossais, veremos que são os mais econômicos possíveis, e a atmosfera sofre menos com eles, em dispositivos estacionários de maior potência é muito mais fácil regular a correta combustão do combustível do que em milhares de pequenos motores, cujas condições de operação mudam a cada minuto. Mas... As termelétricas não passam no teste de respeito ao meio ambiente, ou seja, de ausência de efeito nocivo aos processos naturais que ocorrem no campo de aplicação de uma determinada técnica. A humanidade, porém, coloca a seu serviço fontes de energia ecologicamente corretas, e as fontes são praticamente inesgotáveis. Esta é a energia do sol, dos rios, das marés, do vento, do calor interno da terra, do calor dos oceanos e das correntes. Estações nucleares (futuras e termonucleares) relativamente inofensivas. A energia recebida dessas fontes pode ser levada ao consumidor de diversas maneiras. Se este estiver parado ou vinculado a uma rota específica (trem elétrico, bonde, trólebus), deixe os fios elétricos funcionarem. Se o consumidor for móvel, essa energia terá que ser acumulada previamente, para que as nádegas, pretas com essa "enlatada energética" serrada, possam ser aproveitadas na movimentação. Aliás, essa energia é utilizada desde a antiguidade. As primeiras baterias foram, obviamente, os dispositivos mecânicos mais simples nos quais uma pessoa armazena energia potencial. Cargas levantadas, feixe esticado, catapulta - esses tipos de baterias são usados desde tempos imemoriais. Existem baterias semelhantes hoje. Eles são amplamente utilizados na forma de molas mecânicas: em relógios, eletrodomésticos, brinquedos infantis. Anteriormente, eles também eram usados em veículos: por exemplo, foram construídas enormes carruagens mecânicas, nas quais os imperadores faziam viagens cerimoniais. As molas eram constantemente acionadas pelos escravos escondidos dentro da carroça. Porém, as baterias com mola possuem baixa densidade de energia, ou seja, sua quantidade contida em uma unidade de massa. É muito mais em acumuladores elásticos de borracha. Todo modelista sabe que motores feitos de elásticos levantam modelos de aviões e helicópteros no ar. Claro, também existem desvantagens aqui: baixo CPV, fragilidade.
Para veículos de transporte, outra bateria é mais adequada, capaz de acumular tanta energia que será capaz de movimentar dezenas e até centenas de quilômetros. Este é gás comprimido. O acúmulo de energia ocorre quando o gás é bombeado sob pressão para um cilindro; liberação - quando o gás é liberado de um cilindro. Aqui funciona um motor pneumático, semelhante aos usados, por exemplo, em ferramentas manuais pneumáticas - chaves inglesas, furadeiras. Já em 1876, um bonde de ar comprimido foi construído na cidade francesa de Nantes. Ele superou uma rota de seis quilômetros de um posto de gasolina. Comprimido a 30 atm. dez cilindros com volume total de 2800 litros foram preenchidos com ar. O consumo foi de 8 kg de ar por quilômetro. O abastecimento total foi suficiente para 10-12 km. Esta ideia não é esquecida hoje. Pneumoacumuladores surgiram em carros que operam em condições urbanas: a empresa Sorgato, na Itália, está fazendo experiências com um carro equipado com nove cilindros de ar comprimido de aço. É o suficiente para percorrer cerca de 100 km a uma velocidade de 50 km/h. O peso do "pneumomóvel" é de cerca de meia tonelada. O acumulador pneumático é “carregado” com outros gases, na maioria das vezes com nitrogênio líquido, dos quais 50 litros são suficientes para rodar 230 km de carro. Mas a bateria a gás também tem desvantagens, e outras significativas. Assim, quando o gás é bombeado, ele aquece e, quando liberado, esfria. E esta é uma perda improdutiva de energia térmica. Outro acumulador de energia mais promissor é o volante. Ao girar, acumula energia mecânica na forma de energia cinética e está presente no volante enquanto gira. Um dos volantes mais antigos, com mais de 55 mil anos, foi descoberto pelo arqueólogo Leonard Woolley durante escavações no Iraque: uma enorme roda que serviu de roda de oleiro a um antigo mestre. Com o tempo, o volante sofreu mudanças significativas e se transformou em um disco de aço, cujo formato é ditado pela exigência de “força igual”: afinal, as velocidades de rotação também aumentaram. Hoje é colocado em uma câmara de vácuo para reduzir perdas muito significativas por atrito com o ar. Para a mesma finalidade, em vez de rolamentos, são utilizados suportes magnéticos, sendo praticamente eliminadas as perdas por atrito contra eles. Os céticos há muito tempo defenderam sua posição, apontando para a principal desvantagem do volante como bateria - a baixa densidade de energia. Com o que estava conectado! Parece que tudo é simples: ao aumentar a velocidade de rotação, digamos, duas vezes, nós, como se sabe da física, quadruplicamos a energia cinética do volante. Mas, ao mesmo tempo, as cargas mecânicas sobre o corpo do volante também quadruplicam, levando à sua ruptura com a formação de fragmentos que representam grande perigo para terceiros. E então a busca por cientistas e designers levou à criação dos chamados supervolantes feitos de fibras finas ou fitas enroladas. O fato é que os materiais modernos semelhantes a filamentos e fitas têm uma resistência tremenda - várias vezes mais forte do que um monólito feito do mesmo material. A ruptura do superflywheel também é mais segura: fibras finas ou fitas não formam fragmentos que possam causar danos graves. O autor dessas linhas teve que testar um supervolante de fita para quebrar: ele não conseguia nem romper um invólucro de dois milímetros de espessura, enquanto os volantes monolíticos não se importavam com paredes de metros. O principal é que a densidade de energia de um super volante é muito maior do que a dos monolíticos. Teoricamente, é até muito superior ao das baterias elétricas, mas praticamente não é inferior a elas. No entanto, as baterias são caracterizadas não apenas pela densidade de energia, mas também pela densidade de potência: ou seja, a potência que cada quilograma de massa desenvolve. E de acordo com este indicador, o volante não tem igual. Assim, o supervolante é uma bateria (e motor) promissora para o transporte do futuro. Proporciona aceleração rápida do carro e frenagem não menos eficaz, tem grande durabilidade - enfim, todas as qualidades que um carro a bateria precisa e que tanto falta agora. O super volante é especialmente promissor para a condução de ônibus, trens de metrô, táxis e outros meios de transporte urbano que operam em horários cíclicos e movimentados, com acelerações e desacelerações frequentes. Super volantes modernos em uma câmara de vácuo de rotação armazenam energia mesmo por semanas, e amostras especiais de baterias de papoula podem governá-la por anos. Em termos de conservação de energia, eles têm apenas um rival digno - baterias elétricas ou, mais corretamente, eletromecânicas. Foram criadas há relativamente pouco tempo, embora a data de seu aparecimento possa ser considerada 1799, quando Alexander Volta, colocando eletrodos de cobre e zinco em ácido sulfúrico diluído, recebeu a primeira célula galvânica. Afinal, quase qualquer célula galvânica, em princípio, pode se tornar uma bateria se uma corrente passar por ela na direção oposta, carregando-a. Mesmo baterias secas comuns, usadas em lanternas e receptores de transistor, podem ser carregadas de 8 a 10 vezes como uma bateria. Outra coisa é que essa “cobrança” não é particularmente lucrativa economicamente: a eficiência é muito baixa. Mas, veja você, ainda é muito maior do que uma bateria descartada. As baterias reais, embora mais caras que as baterias galvânicas convencionais, podem suportar não 8 a 10 ciclos de recarga, mas mais de cem vezes mais. Portanto, armazenar energia em baterias elétricas não é muito caro. Das baterias elétricas, as baterias de chumbo-ácido são as mais comuns; eles são instalados em todos os carros como bateria de arranque. São trabalhadores modestos e esforçados, não brilham com indicadores de energia e potência, mas são bastante econômicos - têm alta eficiência. É verdade que eles não toleram geadas, altas correntes e fortes descargas. Ao contrário deles, a bateria é despretensiosa, mas tem baixa eficiência: até 0,4-0,5 em comparação com 0,75-0,8 para chumbo-ácido. Você não pode esperar muito dessas duas baterias. Sua energia e densidade de potência são baixas, e um carro com essa carga se carrega principalmente sozinho - eles são muito pesados. Atualmente, esperanças especiais são depositadas pelos cientistas em superacumuladores - enxofre de sódio, cloreto de lítio, etc. Eles mantêm uma temperatura alta (300 - 600 °), o eletrólito é derretido. É claro que a destruição de tal bateria em um acidente de carro não é um bom presságio e sua eficiência é baixa, principalmente considerando a necessidade de aquecer o conteúdo. No entanto, a densidade de energia é muito alta - dez vezes maior que a do chumbo-ácido, e a densidade de potência é duas vezes maior - até 150 W por quilograma de massa. Deve-se notar que tais “superacumuladores” ainda não saíram das paredes dos laboratórios e ainda há trabalho a fazer. Por fim, não podemos deixar de citar as chamadas células a combustível, que permitem a conversão direta da energia do combustível em corrente elétrica. Os mais interessantes deles são os elementos oxigênio-hidrogênio, que utilizam o processo de decomposição da água diretamente no próprio elemento; Também contém recipientes para armazenamento dos gases resultantes. O hidrogênio e o oxigênio são novamente combinados em água, por exemplo, com a ajuda de catalisadores, alta temperatura, etc. Nesse caso, a energia elétrica gasta durante a decomposição da água é liberada e a energia da bateria é liberada em hidrogênio e oxigênio. As células de combustível são muito promissoras para veículos elétricos, mas ainda são muito pesadas e caras.
Os acumuladores de energia térmica se destacam. Sozinhos, eles não conseguem fazer o carro se mover, mas em combinação com um motor térmico, por exemplo, Stirling, podem fornecer bons resultados. Já mencionamos uma scooter que funciona por cerca de cinco horas com um balde de fluoreto de lítio fundido - um acumulador de calor. Uma garrafa térmica com água quente, uma pedra quente ao sol, um ferro quente, enfim, qualquer corpo aquecido é um acumulador de energia. Porém, existem compostos que podem acumulá-lo dez vezes mais do que apenas um corpo aquecido à mesma temperatura. É sabido pela física que durante o derretimento de uma substância cristalina, sua temperatura não aumentará um único grau até que uma certa quantidade de calor, geralmente bastante grande, seja gasta, o chamado calor latente de fusão. Durante a solidificação, esse calor é liberado, e também sem alterar a temperatura da substância. É sobre esse fenômeno que se constroem os chamados acumuladores de calor de fusão. Se a temperatura necessária for baixa, abaixo de 100°C, então vários hidratos cristalinos são usados como substâncias acumuladoras. Para temperaturas de 600-800°, fluoretos e híbridos de lítio são mais adequados; acima - silicietos e boretos de alguns metais: As baterias térmicas armazenam enormes quantidades de energia – mais do que qualquer um dos tipos de baterias mais promissores. O único problema é que ao tentar utilizar essa energia na forma mecânica, elétrica e outras do tipo “qualitativa”, a maior parte da energia se perde, indo para o aquecimento do ambiente. Além disso, a massa do dispositivo que converte calor em um tipo de energia de “alta qualidade” (por exemplo, um motor Stirling, termopares, etc.) reduz significativamente um indicador como a densidade de energia de todo o dispositivo, trazendo-o mais próximo dos tipos mais comuns de acumuladores de energia, porém, ainda hoje a bateria térmica pode ter uma boa utilização, por exemplo, para aquecer um veículo de transporte, alimentado por outra bateria de energia: elétrica, papoula. Quando falamos em baterias, referimo-nos sempre ao seu principal indicador – a densidade de energia. Para os seus vários tipos, se expressos em quilojoules por quilograma de massa, é o seguinte: para acumuladores de energia potencial: molas de aço - 0,32; borracha - 32; gás e hidrogás - 28. Acumulador de calor com motor Stirling - 9. Baterias eletroquímicas: chumbo-ácido - 64; níquel-cádmio (alcalino) - 110; enxofre-sódio - 800; célula de combustível em diferentes tempos de desacoplamento - 15-150. Baterias de volante: disco de aço com furo - 30; disco sólido de igual resistência - 120; super volante de fita - 150; super volante em fibra especial - 650 (modelo). No entanto, não se deve esquecer que as baterias de volante possuem reservas de armazenamento de energia muito grandes. Assim, por exemplo, se você fizer um supervolante de fibra de quartzo, que até agora só existe em laboratórios, poderá aumentar a densidade de energia para 5000 quilojoules por quilograma. E se usarmos fibra de carbono "super escassa" com estrutura de diamante, obteremos um número completamente fantástico - 15 kJ / kg! Recentemente, cientistas japoneses chegaram a tais conclusões. Concluindo, gostaria de propor a construção de um interessante modelo de motor “perpétuo”, movido por energia acumulada obtida de um simples acumulador térmico. Para isso, faremos uma tampa cilíndrica colando-a em cera ou outro papel fino e durável com uma parte superior de papel Whatman ou folha de alumínio rígida. Esta tampa terá o aspecto de uma turbina formada por recortes com bordas dobradas; o ângulo de curvatura ideal pode ser determinado experimentalmente. No centro da turbina, um encaixe de metal leve é fixado à cola: um esporo com um recesso cônico no qual é inserida a ponta da agulha. A ponta romba da agulha entra na rolha, montada em um suporte pesado à prova de fogo usando um tripé feito de arame grosso. A tampa não deforma na agulha e gira facilmente com um leve empurrão ou golpe vindo de baixo. Para colocar esse “perpetuummobile” em movimento, você precisa colocar um bloco de metal aquecido a 300-400° em um suporte e cobri-lo com uma tampa. A placa do acumulador de calor causará movimento de ar dentro do exaustor de baixo para cima. Ao passar pela turbina, o ar irá girá-la tanto mais rápido quanto mais aquecido o acumulador de calor. Resultados ainda melhores podem ser alcançados se a peça bruta for substituída por uma lata de chumbo ou zinco fundido. Então teremos uma bateria derretida de verdade. É melhor, claro, usar fluoreto de lítio ou hidreto de lítio. Aqui você precisa ter muito cuidado para não se queimar e não iniciar um incêndio, mas o experimento deve ser realizado em um laboratório físico ou oficina especialmente equipada. Alguém, talvez, dirá que é mais fácil cobrir uma lâmpada elétrica com esta tampa. Em seguida, a tampa do abajur (que pode ser pintada ao mesmo tempo) girará enquanto a lâmpada estiver acesa. Mas, ao mesmo tempo, faremos uma máquina térmica convencional funcionar sem armazenamento de energia. Falamos apenas sobre alguns tipos de motores térmicos que estão sendo desenvolvidos para as máquinas do futuro. É claro que estes não são todos os principais tipos de motores de amanhã. É claro que jovens designers e modelistas também podem tentar desenvolvê-los. Contudo, devemos lembrar que a criação de novos motores é um assunto complexo e demorado, que requer conhecimentos sérios e especializados; Uma “invenção” não conseguirá muito. E o primeiro teste para o desempenho da sua ideia pode ser um modelo operacional autoconstruído. Autor: N. Gulia
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