Труднощі «життя» у вакуумі
Згодом в кожному кілограмі мого саморобного супермаховика вже накопичувалося все більше енергії в порівнянні з іншими акумуляторами. І ось одного разу я задумався: безсумнівно, що майбутні супермаховики зможуть накопичувати стільки енергії, скільки її, наприклад, в летить з космічною швидкістю метеорит, однак чи зможемо ми «відбирати» цю енергію? Які труднощі тут зустрінуться?
Перша ж думка була про підшипники. Чи витримають вони настільки високі швидкості обертання супермаховика? Чи існують взагалі підшипники, здатні працювати при таких швидкостях?
Перш за все я вирішив підрахувати швидкості, які можуть бути у супермаховика на автомобілі. Для простоти взяв супермаховик діаметром в метр, що цілком годиться і для автомобіля, і для автобуса, і для багатьох інших машин.
Кожен матеріал для супермаховика здатний витримати лише певну окружну швидкість (швидкість на найвіддаленішій від центру точці обода). При цьому, виявляється, ніякого значення не має діаметр супермаховика - так розпорядилася природа. А міцність матеріалу слід підвищувати пропорційно квадрату швидкості; в тому ж співвідношенні буде зростати і енергія.
Наприклад, сталева стрічка витримувала під час випробувань швидкість 500 м / с, а кевлар - 1000 м / с. Звідси і енергії в кевларові супермаховик накопичувалося в чотири рази більше, ніж в такому ж по масі стрічковому. Якби кевлар мав ту ж щільність, що і сталь, то при швидкості 1000 м / с напруги в ньому були б в чотири рази більше, ніж в стрічці, і супермаховик міг зруйнуватися. Але в дійсності з ним нічого не відбувається. Адже кевлар майже в п'ять разів легше стали, і питома міцність у нього значно вище.
Отже, які ж обороти будуть у сталевого і кевларового маховиків? Якщо поділити окружну швидкість на радіус супермаховика, ми отримаємо його кутову швидкість, а по ній вже просто розрахувати число оборотів, як в секунду, так і в хвилину. Стрічковий супермаховик буде обертатися зі швидкістю 1000 рад / с (радіан в секунду), що відповідає 160 оборотів в секунду, або 9 559 оборотів в хвилину. Обертання кевларового супермаховика буде вдвічі швидше - близько 19 тис. Обертів на хвилину.
Але ж таку кутову швидкість розвиває двигун навіть звичайного побутового пилососа, з чим його підшипники прекрасно справляються. Швидкість обертання потужних газових турбін зазвичай перевищує 30 тис. Обертів на хвилину, а там є підшипники, що працюють в гірших умовах, ніж в супермаховик. У турбінах на підшипники діють нагрів, сильні вібрації та інші негативні фактори, які в супермаховик відсутні.
Зараз є підшипники, що витримують 100-150 тис. Оборотів в хвилину і більш; цього цілком вистачило б і для супермаховика з алмазного волокна. Якщо до того ж один підшипник вставити в інший, то можна домогтися вдвічі більшої швидкості обертання, так як на кожен з них доведеться тільки половина загальної швидкості.
Добре б, звичайно, обійтися зовсім без підшипників, адже на їх обертання з навантаженням, важким супермаховиком, теж йде енергія, а вона нам так дорога ...
А що якщо закріпити над супермаховиком кільцеподібний магніт, який буде сприймати його силу тяжіння? Правда, в цьому випадку супермаховик повинен бути сталевий. Щоб отримати той же ефект з кевларовим, скляним і графітовим маховиками, треба вмонтувати в них другий магніт, який взаємодіє з першим. І краще це зробити так, щоб магніти працювали не на притягання, а на відштовхування, тоді супермаховик сам «вивісили» на певній висоті і в такому положенні буде обертатися.
У цьому неважко переконатися, якщо взяти два кільцевих магніту, наприклад від старих динаміків з репродуктора, і надіти їх на дерев'яну або будь-яку іншу немагнітну паличку однойменними полюсами один до одного. Верхній магніт повисне над нижнім, і буде потрібно велика сила, щоб наблизити їх одне до одного.
Але все-таки і в такий магнітній підвісці потрібні підшипники. По-перше, супермаховик при трясці і поштовхах може «продавити» магнітну підвіску, досить м'яку. По-друге, постійними магнітами можна повністю вивісити яке-небудь тіло: супермаховик тут розвантажений тільки від сили тяжіння, а не від бічних сил. Підшипники будуть лише фіксувати підвіску без навантаження - її адже «нейтралізують» магніти, і енергії на їх обертання потрібно небагато.
Магнітна підвіска маховика у вигляді «батареї» магнітів
Треба сказати, ці підвіски справляли величезне враження на спостерігачів. Одна з таких підвісок підтримувала супермаховик масою 7 кг і діаметром близько півметра. У ній були використані 10 магнітів, кожен масою близько 30 г і діаметром 3 см, і мініатюрні фіксують підшипники, розміром не більше таблетки. Показуючи своїм гостям пристрій підвіски, я як би ненароком підштовхував супермаховик, і він починав повільно, зі швидкістю диска електропрогравачі обертатися. Але якщо після вимкнення програвача його диск через лічені секунди зупинявся, мій супермаховик продовжував крутитися протягом усієї розмови, і, здавалося, швидкість його не зменшується. Гості вже з принципу чекали годину, другу, але супермаховик і не думав зупинятися. «Невже це вічний двигун?» - здивовано питали мене. «Почекайте до ранку, - відповідав я, - може, і зупиниться».
А як вивісити супермаховик зовсім без механічного контакту в підшипниках? Треба перевірити і таку можливість. Для цього підійдуть великі кільця з діамагнетіков - тобто з матеріалів, що відштовхуються від магнітів, наприклад з графіту, - які не дадуть супермаховик «звалюватися» набік. Кільця ці будуть виконувати роль фіксують підшипників. Правда, вони займуть багато місця. Але якщо сам супермаховик виготовлений з графіту? ... Над цим варто подумати! Тільки потім я дізнався, що подібні «безконтактні» підвіски вже давно створені, причому найбільш досконалі з них розроблені німецьким вченим Е. Штейнгровером.
Щоб «допомогти» постійним магнітів, можна встановити ще і електромагніти. Як тільки супермаховик задумає «звалитися» набік, це вловить спеціальний датчик і включить відповідний електромагніт, який виправить становище. Така система називається «стежить». З її допомогою вчені домоглися швидкості обертання повністю вивішеного кульки в 800 тис. Обертів на секунду, або майже 50 млн оборотів в хвилину!
Підвісивши маховик зі значною масою подібним чином, можна отримати такий малий опір, що розігнаний маховик буде обертатися до зупинки десятки років! Однак для цього в камері, де обертається маховик, необхідно створити високий вакуум, інакше так звані вентиляційні втрати - втрати через тертя маховика об повітря - «з'їдять» весь запас енергії за лічені години.
Цікаво, що при обертанні маховика в вакуумі можна взагалі практично позбутися від тертя в опорах. Для цього потрібно підшипники маховика, виготовлені з цілком звичайних матеріалів - графіту, поліетилену або на молибденовой основі, опромінити потоком електронів. Це явище виявили російські вчені, які назвали його «ефектом аномально низького тертя», скорочено АНТ. Для опромінення підшипників супермаховика досить мініатюрної «електронної гармати», на зразок електронно-променевої трубки (кінескопа) телевізора, тільки в сотні разів менш складною, великої і могутньої, ніж цей кінескоп.
Супермаховик з використанням ефекту АНТ
Тут виникає питання: а як же відбирати накопичену енергію через герметичну стінку вакуумної камери? Адже вал крізь неї не пропустиш - ніякі сальники і манжети, як би щільно вони ні охоплювали вал, не зможуть перешкодити доступу повітря в камеру.
І все-таки є спосіб вивести вал маховика назовні. Але для цього доведеться використовувати не звичайні уплотняющие пристрої у вигляді сальників або гумових манжет, а спеціальні, виготовлені з магнітної рідини.
Магнітна рідина - це колоїдний розчин найтоншого порошку фериту в гасі, маслі, воді або в деяких інших рідинах.
Частинки фериту в магнітної рідини настільки малі, що, виклавши їх ланцюжком, ми на одному міліметрі довжини умістили б 100 тис. Таких частинок!
Інакше і не можна: якщо частинки будуть більше, розчин швидко осяде. Так, наприклад, поводиться крупномолотий кави, розмішати в воді. Розчинна ж кави має дуже тонкий помел і в воді перетворюється в стійкий колоїдний розчин. Тому і частки фериту в магнітної рідини, як правило, не крупніше частинок розчинної кави. Якщо таку магнітну рідину налити в стакан і знизу піднести магніт, то вона спучиться горбом, і як тільки ми почнемо пересувати магніт в ту чи іншу сторону, частки «поповзуть» слідом за ним.
Магнітні ущільнення з магнітною рідиною сталевого вала (а) і немагнітного вала (б)
Для того щоб надійно ущільнити сталевий вал, потрібно надіти на нього кільцеподібний магніт, а зазор між магнітом і валом заповнити магнітною рідиною. Тепер виведений через стінку вакуумної камери вал обертатиметься, не порушуючи її герметичності.
Я навіть зробив модель для демонстрації дії магнітного ущільнення. У надутий прозорий гумовий кулю вставив заводну іграшку, ключ від якої через описане магнітне ущільнення вивів назовні. Скільки я ні заводив іграшку - ущільнення не пропускає повітря.
Повітряна кулька з магнітним ущільненням
Магнітні ущільнення необхідні в тому випадку, коли потрібно саме механічне обертання валу супермаховика. Якщо ж потрібно отримати від супермаховика електроенергію, то справа простіше. Встановлюємо всередині камери обертання разом з супермаховиком електричну машину - генератор, а дроти виводимо назовні через герметичні ізолятори. Подаючи струм по дротах в машину, яка в цьому випадку буде працювати в режимі електродвигуна, розганяємо супермаховик. Потім переводимо машину в режим генератора, і вона починає видавати електричний струм, відбираючи енергію у супермаховика. Такий спосіб відбору енергії, мабуть, найкращий. Адже ток можна використовувати для яких завгодно цілей - і для освітлення, і для живлення приладів, і для руху електромобілів. Про це способі поговоримо докладно пізніше.
Щоб отримати енергію у вигляді потоку рідини, наприклад масла під тиском для приведення в рух механізмів в шахтах, де електрична іскра здатна викликати пожежу, замість електромашини в камеру обертання потрібно помістити гідромашину. Вона так само, як і Електромашина, може працювати в режимі двигуна, розганяючи супермаховик, і в режимі генератора - насосному режимі, хитаючи масло енергією супермаховика. Зрозуміло, з камери з супермаховиком виходитимуть вже не дроти, а трубочки, по яких потече масло. Енергією потоку масла можна приводити в дію гідродвигуни, гідроциліндри, заряджати гідроакумулятори, про які йшлося на самому початку книги.
У разі використання камери з немагнітного матеріалу, обертання можна вивести назовні через стінку за допомогою магнітної муфти, в якій встановлені сильні постійні магніти. Іноді обертання виводять з герметичного простору за допомогою так званої «повідкової» муфти. Крім того, існують особливі «хвильові» передачі, що у останнім часом велике поширення; вони теж можуть передавати обертання з герметичного корпусу.
магнітна муфта
повідкова муфта
Обертання маховика «виводиться» з вакууму шляхом обертання корпуса
Є ще спосіб вивести енергію супермаховика назовні - за допомогою обертання його корпусу.
Припустимо, нам знадобилося про бурити свердловину, взяти пробу грунту або виконати іншу механічну роботу на дні океану, на глибині близько 5 км, де тиск води величезна. В таких умовах дуже важко скористатися традиційними джерелами енергії - двигунами і електроакумуляторами. Дійсно, двигуну потрібне повітря, який, однак, з поверхні по трубки не підведеш - її розчавить тиском води. Електричний кабель теж не витримає тиску - буде пробою. Маховик ж виділяє енергію безпосередньо у вигляді обертання вала, без кабелів і труб. Он-то нас і виручить.
Звичайно, поміщати обертається маховик прямо в воду безглуздо - його відразу ж зупинить опір води. Доцільніше поступити таким чином. Укладемо маховик або, якщо нам треба багато енергії, супермаховик в герметичну вакуумну камеру, краще сферичну, щоб вона могла протистояти тиску. При цьому закріпимо його не в центрі камери, а трохи нижче. Супермаховик масою в сотні кілограмів буде висіти подібно до маятника, який прагне під дією гравітації зберегти своє найбільш низьке положення. Далі все просто. Зв'яжемо супермаховик понижувальної механічною передачею з камерою, і він стане обертати її, тільки набагато повільніше, ніж обертається сам. Це дуже нагадує біг білки в клітині-колесі. Білка виступає там як би в ролі супермаховика, а колесо - та ж обертається камера. Тепер ми можемо відбирати енергію немає від самого супермаховика, а від обертається, правда з меншою швидкістю, камери.
До цієї камері легко прилаштувати будь-який інструмент: ківш, бур, фрезу - в загальному, все, що треба. Коли камера зустріне опір (наприклад, порода упреться в тверду породу), супермаховик почне обертати її з бо льшим зусиллям. Але навіть якщо порода і в цьому випадку не піддасться, ніякої поломки або аварії бура не відбудеться. Супермаховик просто «заходить» по колу всередині камери, поки не зменшить навантаження.
Заряджатися - розкручуватися супермаховик зможе від обертання своєї ж камери. Досить прикріпити прямо до неї, як до валу корабля, гребний гвинт, і вона швидко закрутиться під час спуску на дно за рахунок власної ваги і ваги супермаховика.
Це супермаховичного «біляче колесо» і ряд інших систем виведення енергії з вакуумної камери, придуманих як мною самим, так і разом з товаришами, були визнані винаходами. Ще один крок до «капсулі» зроблений!
Чого ж вдалося досягти? У супермаховик можна накопичити величезну енергію, цю енергію нескладно надовго «законсервувати», використовуючи вакуумну камеру, магнітні підвіски, швидкохідні підшипники. Накопичена енергія виводиться з вакуумної камери, причому виводиться в будь-якому зручному для нас вигляді: у вигляді обертання валу або корпусу, у вигляді електричного струму, напору рідини (масла). Але супермаховик, віддаючи кінетичну енергію, поступово зупиняється. Чи позначиться зниження швидкості на роботі «енергетичної капсули»?