Автoмoбиль – транcпoртная безрельcoвая машина на кoлеcнoм хoду. Первый автoмoбиль на парoвой тяге появилcя в 1769–1770-х гг. во Франции (Ж. Кюньо), затем c двигателем внутреннего cгорания в Германии (Г. Даймлер, К. Бенц). Поcле этого практичеcки в течение вcего XX в. идет cовершенcтвование авто (форма, отделка, двигатель, материалы, комплектация и т.п.) и неуклонный роcт количеcтва действующих и выпускаемых машин. Заодно расширяется география выпуска и использования автомобилей, выявляются лидеры в этих областях.
Рост количества действующих автомобилей в совокупности с ростом количества компаний, выпускающих автомобили, – это целая страница в истории человечества. Данный процесс, постоянно развиваясь, привел сегодня к жесточайшему загрязнению окружающей среды и требует какого-то кардинального решения.
Следует иметь в виду, что, параллельно с этим процессом, стремительно развивается соперничество между нефтегазодобывающими странами и международными корпорациями, и этот процесс тесно связан с экономической политикой ведущих государств и становлением экономик развивающихся стран.
Все это сопровождается интенсивным развитием различных отраслей промышленности (металлургия, машиностроение, строительная индустрия, химическая промышленность и т.п.) и – самое главное – развитием и совершенствованием организации производства.
Создание и результаты эволюции автомобиля породило и выявило главную проблему – энергетическую. Вообще говоря, для обеспечения работы движителя автомобиля можно использовать различные по физической сущности виды энергии (химическую, электрическую, ядерную, лучевую и т.п.). На сегодня подавляющая часть действующего автомобильного транспорта имеет углеводородный энергетический движитель.
Топливом для него являются:
- – бензины различных марок;
- – керосины;
- – различные виды дизельного топлива;
- – биотопливо;
- – спирты;
- – сжиженный природный газ и т.п.
У всех перечисленных углеводородов один общий существенный недостаток – неполное сгорание и загрязнение окружающей среды продуктами сгорания. При этом процесс загрязнения с течением времени становится интенсивнее, и его невозможно ничем остановить, кроме одного рецепта – заменить способ получения энергии для работы движителя.
На сегодня в качестве альтернативной реальной замены можно предложить два резко отличающихся решения. Первое, и мы об этом поговорим серьезно, – это широкое внедрение электромобилей.
При этом всем понятно, что сама по себе электроэнергетика работает без активного загрязнения окружающей среды и может с успехом заменить углеводородное топливо, с колоссальной экономией нефтепродуктов.
Второе решение – это разработка и внедрение двигателя, питающегося на энергии сгорания водорода. При этом отходами сгорания, как все хорошо знают, является вода, которая не загрязняет атмосферу.
В принципе, оба решения вполне реальны. Технические решения существуют, и дело за практикой.
Начавшийся в конце 2010 г. и продолжающийся в этом году бум электромобилей получил серьезное подкрепление со стороны открывающихся новаций по зарядке аккумуляторов.
Ученые разработали на основе нанотехнологий трехмерную модель аккумулятора для электромобиля, позволяющую добиться его зарядки или полного разряда за рекордно короткое время, что сделает существующие электроустройства удобнее и расширит области применения аккумуляторов.
Существующие аккумуляторные батареи, используемые в транспортных средствах, можно зарядить за несколько часов. Создание устройств, с более высокой скоростью зарядки – одна из основных задач ученых, работающих в области автомобилестроения.
Группа американских ученых (Иллинойский университет США) предложила метод создания аккумуляторов с высокой (за несколько минут) скоростью зарядки. Основу таких батарей составила специальная 3-мерная структура катода одного из электродов аккумулятора, имеющая большую площадь контакта с активным материалом, запасающим энергию.
Ученым удалось сконструировать «губку» из металлического никеля в виде пористой структуры, обладающей огромной удельной площадью поверхности. Для этого использовались шарики из полистирола с размерами 0,5–1,5 мк, обладающие способностью к самопроизвольной упаковке в упорядоченную решетку, позволяющую шаг за шагом наращивать на ней слои металлического никеля до определенной степени. В итоге формировалась никелевая губка с нанометровой толщиной стенки.
Полученная пористая структура стала основой, на которую наносился активный материал катода, образующий сверхтонкую пленку на поверхности металла, что обусловило высокие скорости работы катода и, как следствие, аккумулятора.
Главным в данной разработке является то, что такие аккумуляторы обладают высокой скоростью разгона, что позволяет двигателям развивать высокую необходимую мощность.
Данный подход достаточно универсален и перспективен.
Другим перспективным направлением в вопросах энергоэффективности автомобилей может рассматриваться подход использования водорода в качестве движителя.
Перспектива применения водородного двигателя не перестает увлекать автолюбителей во всем мире. Тем более эта проблема в потенциале решает задачу значительного оздоровления экологии окружающей среды во всех без исключения странах.
Важнейшим направлением в создании энергетических аккумуляторов является разработка методов революционного хранения водорода с использованием традиционных материалов их наноразмерной форме.
Разработанный материал представляет собой нанокомпозит в виде механической смеси двух основных компонентов, один из которых – металлический магний – используется в нанокристаллической форме для связывания газа. Второй компонент – полимер полиметилметакрилат, проницаемый для водорода, – играет роль матрицы, в которой распределены металлические наночастицы.
Материал при нагревании до 2 000°C менее, чем за полчаса, может быть полностью «заряжен» водородом, количество которого может составлять до 6% массы магния в композиции. При этом параметры емкости, температурного режима и скорости роста являются оптимальными, что сулит отличные перспективы применения подобных систем в коммерческих продуктах, а именно, в автотранспорте.
Многократные циклы зарядки и разрядки нанокомпозиту не страшны.
Дополнительным преимуществом материала является его дешевизна. Ученым предстоит увеличить емкость материала по водороду таким образом, чтобы она составляла более 6% от массы всего аккумулятора, в т.ч. включая массу конструкционных элементов.
Приемлемое решение проблемы хранения водорода показывает новые возможности в разработке наноразмерных материалов, превосходящих термодинамические и кинетические барьеры и обладающих сочетанием свойств, позволяющих улучшать возможности полимерной матрицы и металлических наночастиц данного материала и сделать его применимым.
Продолжая разговор об электромобилях, отметим, что ученые Израиля предложили весьма оригинальную схему заправки электромобиля, которая имеет все шансы на признание.
В Израиле планируется, впервые в мире, создание общенациональной сети автоматизированных зарядных станций для электромобилей. Зарядка осуществляется с помощью механической руки-робота, которая быстро и качественно осуществит замену использованных батарей на новые. Весь процесс подзарядки отнимет не более пяти минут. Все это вносит свой вклад в уменьшение вредных выбросов в атмосферу. Всего на территории страны планируется построить около 40 станций. Одновременно прорабатываются варианты передачи аналогичных проектов в другие страны, например в Данию.
На выставке Hannover Messe, проходившей в апреле 2011 г. в Германии, демонстрировалась новинка, представляющая собой бесконтактное устройство зарядки электромобилей, эффективно работающее даже при коротких остановках. Это вполне подходит к пассажирским (электроавтобусы, электротакси, электромобили) и грузовым (электротрейлеры, электропогрузчики и др.) видам транспорта.
При этом необходимо иметь в виду, что технология заправки может интегрироваться не только со стандартной электросетью, но и с ветряными и солнечными электростанциями.
По сообщению агентства Newsru.com, Еврокомиссия приняла решение в т.н. белой книге по транспорту, в котором к 2050 г. использование в европейских городах автомобилей с бензиновым двигателем будет запрещено. И на этом решении будет строиться все стратегическое развитие европейского транспорта.
Развитие электромобиля сегодня опережает все самые смелые мечты.
С Нового года в Нью-Йорке начали ходить электротакси. То же сейчас происходит в Пекине. В Сибири в этом году заработает завод по производству литий-ионных аккумуляторов для электротранспорта. В Китае готовится к промышленным испытаниям двухместный электрокар, который заменит собой бензиновые автомобили на улицах больших городов. На улицы Новосибирска вышел гибридный троллейбус, который может преодолевать часть маршрута без проведенных троллей. Первый электробус планируется пустить по улицам Москвы в 2012 г. Е-завод по выпуску гибридных автомобилей с сентября 2012 г. начнет работать в Санкт-Петербурге.
Какой из подходов приживется окончательно – решит время. А сегодня по планете семимильными шагами движутся вперед электромобили.
Владимир Подклетнов,
инженер-технолог
инженер-технолог
