Вскоре выяснилось, что и это далеко не новость. Еще в позапрошлом веке во французском городе Нанте ходил трамвай, работавший от баллонов со сжатым воздухом. Десяти баллонов воздуха, сжатого всего до 3 МПа, при общем объеме 2800 л, трамваю хватало, чтобы проходить на накопленной в воздухе энергии путь в 10—12 км.
В США уже в начале прошлого века был изготовлен автомобиль-пневмокар, работавший на энергии сжатого воздуха.
Все равно я решил построить модель такого воздуховоза, чтобы самому убедиться в преимуществах и недостатках воздушного аккумулятора. Как мне представлялось, модель автомобиля-воздуховоза сделать несложно. По моим расчетам, для этого нужен был углекислотный огнетушитель, например автомобильный, который выбрасывает струю газа, а не пены, и тяговый пневмодвигатель, скажем, от воздушной дрели или гайковерта.
Но, увы, первое же испытание воздуховоза разочаровало меня. Я направил сжатый углекислый газ из огнетушителя в пневмодвигатель, а тот, чуть-чуть поработав… замерз. Да-да, покрылся инеем и остановился!
Объяснение этому поразительному явлению я нашел в том же учебнике физики.
В принципе любой сжатый газ при резком расширении сильно охлаждается. Когда я, ничего не подозревая, крутанул вентиль баллона сразу до отказа, и газ под большим давлением вырвался из отверстия, расширение оказалось столь интенсивным, что газ стал превращаться в снег. Не обычный, а углекислотный, с очень низкой температурой. Такой снег, только спрессованный, часто называют «сухим льдом», потому что он переходит в газ, минуя жидкую фазу. Мне не раз приходилось видеть «сухой лед», когда я покупал мороженое. Но главное – охлаждение значительно снизило запас энергии в сжатом газе. Ведь давление газа при охлаждении стремительно падает, а значит, уменьшается и количество выделяемой энергии. Это и послужило основной причиной остановки пневмодвигателя.
Можно, конечно, нагреть охлажденный газ, чтобы вернуть ему прежнюю температуру. Но ведь нагрев – затрата энергии. Газ когда-то сжимали, закачивая в баллон. Тут-то он и нагревался: газы, как известно, при сжатии нагреваются. Вот если бы горячий газ сразу же был пущен в работу, тогда бы он охладился до исходной температуры. А при хранении баллон с горячим газом в конце концов остывает, принимает температуру окружающего воздуха. Отсюда, за счет расширения, и столь сильное охлаждение газа при выходе его из баллона, отсюда и «сухой лед».
Как ни горько мне было читать об этом в учебнике, но это было правдой, подтвержденной моим собственным опытом по «замораживанию» пневмодвигателя. Вроде бы и учился я неплохо, по физике имел только «отлично», однако почему-то начисто забыл о тех явлениях, которые на уроках в школе казались мне такими простыми и понятными.
Тем не менее с воздушным аккумулятором надо было что-то предпринимать.
В помощь воздуху – масло
Прослеживая мысленно все этапы работы аккумулятора, я вдруг понял, что под впечатлением своей неудачи с воздуховозом упустил из виду очень существенный момент. Действительно, решив бороться с расширением и охлаждением газа после выхода его из баллона, я совсем не подумал о том, что почти то же самое происходит одновременно и внутри баллона. С каждым мгновением газа в нем становится все меньше и меньше, газ все больше расширяется, давление его падает, а следовательно, снижается и количество выделяемой энергии. И если сначала мы получаем с литра сжатого газа огромную энергию, то потом, когда давление его приближается к атмосферному, в аккумуляторе уже не энергия, а пшик.
Хорошо бы не давать газу расширяться так сильно, подумал я. Допустим, с 50 МПа довести давление этак до 20 и на этом остановиться. Не так уж и трудно это сделать, если, например, взять цилиндрический баллон и начать перемещать внутри него поршень. И охлаждение было бы значительно меньше, и газ можно было бы не выпускать в атмосферу, оставляя его все в том же герметичном баллоне, просто увеличивая его объем. А это, в свою очередь, позволило бы использовать не только воздух, но и более подходящий для сжатия газ, поинертнее, скажем, азот или гелий. Дело в том, что воздух под большим давлением окисляет смазку, которая присутствует везде и всюду, а азот и гелий – нет.
Кстати говоря, чисто воздушный аккумулятор чем-то напоминает резиновый – и тут и там упругое тело (воздух, резина) само взаимодействует с рабочим органом, непосредственно совершает работу. А вот резина и привязанный к ней шнурок разделяют обязанности – резина энергию накапливает, а шнурок совершает работу. Шнурок нерастяжим, и поэтому ему легче взаимодействовать с рабочим органом, например с осью колеса. Будь тут одна резина, было бы много потерь энергии из-за трения. Недаром когда-то в рогатке поместили кусок кожи между резинкой и камнем – так сказать, рабочим телом. Без этой кожи рогатка стреляла бы гораздо хуже.
Надо бы придумать что-нибудь подобное и для воздушного аккумулятора, решил я. И поиски привели меня к уже давно известному устройству, принцип работы которого заключался в следующем.
Заливаем в баллон со сжатым газом машинное масло и разделяем их поршнем или резиновой диафрагмой. Сжатый газ давит на поршень, тот на масло, а оно уже поступает под давлением в гидромашину, которая очень похожа на пневмодвигатель или даже на паровую машину – те же цилиндры, поршни, золотники. Только вместо газа или пара гидромашину приводит в действие масло. Масло не сжимается, поэтому потерь энергии в такой машине во много раз меньше, чем в воздушном пневмодвигателе. Да и смазки не нужно – машинное масло само прекрасно смазывает трущиеся детали. Несжимаемое масло здесь как раз играет роль нерастяжимого шнурка.
Это тоже был аккумулятор – гидрогазовый, то есть состоящий из жидкости – масла – и газа. Но наряду с преимуществами перед чисто воздушным аккумулятором он имел и свои недостатки.
Главный недостаток – требовалось много масла. Чем более емкий аккумулятор мы хотим сделать, тем больше в нем должно быть сжатого воздуха. Масла, естественно, понадобится столько же, сколько и воздуха, не меньше. И еще – проходя через гидромашину, масло свободно стекает в бак – тяжелый, громоздкий, тем большего размера, чем больше масла. Если учесть, что здесь используется не один, а сразу несколько баллонов со сжатым воздухом и маслом, то можно себе представить, как это все увеличит размеры и массу аккумулятора!
Нет, размышлял я, так дело не пойдет. Куда мне такая громадина? Один только бак чего стоит… А нельзя ли обойтись совсем без него?
Половину баллона сначала занимает сжатый газ, вторую половину – масло. Попробуем сузить баллон посередине, между жидкостью и газом, поставив там запорный клапан. Изменим таким же образом и другие баллоны аккумулятора. Теперь сделаем вот что: пусть масло находится в нижней половине первого баллона, сжатый газ – в верхней. В остальных баллонах оставим сжатый газ только в верхних половинах, нижние оставим пустыми, а запорные клапаны перекроем. Причем последний баллон выполним только из нижней половинки.
Итак, весь газ сжат, энергия в нем накоплена – все готово к совершению работы. Сможет ли аккумулятор работать без бака?
Открываем запорный клапан первого баллона и выпускаем масло под давлением в гидромашину. Но после гидромашины направляем масло уже не в бак – его ведь нет, – а в пустую нижнюю половину следующего баллона. Когда он заполнится, открываем запорный клапан этого баллона, и масло, отработав в гидромашине, поступает в третий баллон. И так далее, при любом количестве баллонов, при любой емкости аккумулятора. В конце работы остается только заполненная маслом нижняя половинка последнего баллона. Все в порядке, энергия выделяется!