Автомобиль будущего

Автомобиль будущего

Население Земли недавно достигло 7 миллиардов. Точное количество автомобилей на нашей планете, наверное, никто не подсчитывал. Я предполагаю, что различных транспортных средств на Земле порядка одного миллиарда. Большинство этих транспортных средств – автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Как известно, в традиционных ДВС сгорает углеводородное топливо: бензин, солярка, газ и др. При сгорании этих видов топлива образуется углекислый газ, вода и небольшое количество других газов и твердых выбросов. Этот самый миллиард автомобилей потребляет огромное количество углеводородного топлива и, следовательно, выбросы продуктов сгорания в атмосферу тоже колоссальны. Российский космонавт Геннадий Стрекалов рассказывал: «Из космоса атмосфера выглядит, как тонкая пленочка, покрывающая Землю». Воздушная оболочка  Земли чувствительна и ранима.

Проблема токсичных выбросов (угарный газ, окислы азота и серы, сажа, несгоревшие углеводороды и прочие; всего 45 компонентов) успешно решается: современный двигатель уже почти не отравляет атмосферу токсичными выбросами. Оказывается, что самым опасным компонентом автомобильного выхлопа является углекислый газ.  Это не токсичный газ; пьем же мы газированную воду. В воздухе содержится 0,2 % углекислого газа. Но даже небольшое повышение содержания в атмосфере диоксида углерода СО2 вызывает «парниковый эффект». Углекислый газ, как одеяло, удерживает тепло, препятствуя отражению солнечных лучей от поверхности Земли. А это  ведет к повышению температуры атмосферы, и, как следствие, таянию ледников, подъему уровня мирового океана, изменению климата, погодным катаклизмам и многим другим  нежелательным и опасным последствиям.

Приходится задумываться над тем, как ограничить и даже полностью исключить выбросы углекислого газа в атмосферу. Во многих странах уже введены ограничения на выбросы «парникового газа». Количество углекислого газа,  образующегося при сгорании, прямо пропорционально количеству сгоревшего топлива. Следовательно, один из путей уменьшения выбросов парникового газа – повышение топливной экономичности автомобиля. Этого можно добиться путем снижения массы транспортного средства, уменьшением объема и совершенствованием двигателя, оптимизацией трансмиссии и др. Но даже, если уменьшить выбросы СО2 до предельно возможного минимума, то все равно это не решит проблему накопления в атмосфере «парникового газа». Автомобилей на Земле миллиард и их становится все больше и больше: мировой автопром работает производительно и ритмично. Надо что-то делать уже сейчас, а не потом. Влияние парникового эффекта мы  реально почувствовали в виде погодных катаклизмов последних лет. По некоторым прогнозам ученых, уже через 10 – 20 лет, вследствие парникового эффекта, температура атмосферы повысится настолько, что возникнет угроза всему живому на нашей Планете. Единственно возможный способ решения этой проблемы – полностью отказаться от использования углеводородного и углеродного (уголь, торф, дрова, мусор) топлива на транспорте, в энергетике, промышленности и в других сферах. Задача не из легких, но начинать придется все-таки с автомобилей. Однако невозможно взять и запретить разом использование всех транспортных средств, оснащенных бензиновыми или дизельными двигателями.

Рассмотрим возможные пути решения проблемы. Первый этап – уменьшение потребления углеводородного топлива. Например: Лада Калина весом 960кг с объемом двигателя 1,4 литра выбрасываем  в атмосферу в 4 раза меньше СО2, чем трехтонный Land Cruiser 200 с двигателем  5,6 литра. То есть, как уже говорилось выше, уменьшения выбросов в атмосферу достигается за счет снижения веса и объема двигателя автомобиля. Но не каждый автолюбитель добровольно и сознательно согласится пересесть с Круйзера не Калину. Уже давно производятся гибридные автомобили, например: Toyota Prius Hybrid или Lexus Hybrid. Кстати,  Toyota – не единственный производитель, серийно выпускающий гибридные автомобили (к примеру гибрид есть у Honda), а уж экспериментальные работы имеются почти у всех крупных автокомпаний. Но и автомобили с гибридной силовой установкой, хоть и в меньших объемах, выбрасывают в атмосферу «парниковый газ».

Вообще не загрязняют атмосферу электромобили. Во многих странах, в том числе и в России, уже разрабатываются, испытываются и серийно выпускаются автомобили с электрическим приводом. Успешно решаются вопросы аккумулирования и преобразования электроэнергии в  транспортных средствах будущего: «электромобилестроение» – одно из самых перспективных направлений автомобильной отрасли. Хотя мы знаем, что электрическая тяга уже давно используется в трамваях, троллейбусах, электропоездах. Есть еще такая отличная штука – электровелосипед: вес 40 кг, запас хода 60км при скорости 50 км/ч. За ночь аккумулятор электровелосипеда полностью заряжается от бытовой электросети, на всякий случай есть педали.

Да, чуть не забыл, обычный педальный велосипед или веломобиль тоже не имеют выхлопной трубы.  В Китае, например, велосипед – основной вид транспорта. Но вникнем  в проблему чуть глубже: велосипедист профессионал развивает мощность до 4-х лошадиных сил. При интенсивной физической работе человек вдыхает воздуха в 10 раз больше, чем при спокойной ходьбе. Как известно, человек выдыхает углекислый газ. При быстрой езде на велосипеде  человек будет тоже выдыхать «парникового газа» в 10 раз больше. Похоже на шутку, но представьте себе: миллиард китайцев на велосипедах… Однако, в том же Китае выпускается больше всего электровелосипедов, но, «к сожалению» и по количеству производимых автомобилей «Поднебесная» вышла на первое место в мире, обогнав США.

Очень интересны проекты автомобилей на солнечной энергии и транспортных средств, использующих потенциальную энергию раскрученного маховика. И все-таки, трудно придумать в качестве силовой установки для любых транспортных средств, что-либо, более эффективное, надежное и удобное, чем двигатель внутреннего сгорания. Новое – это хорошо забытое старое. Автомобиль на водородном топливе – вот  самый перспективный транспорт будущего! Как известно, при сгорании водовода образуется чистая вода: 2 Н2 + О2  = 2 Н2О. Двигатель на водородном топливе – абсолютно экологически чистый агрегат, не выбрасывающий в атмосферу углекислый газ, который оказался столь опасным для атмосферы Земли.

Но, не все так просто с использованием водорода в качестве автомобильного топлива. Рассмотрим этот вопрос подробнее. Водород, как топливо, уже давно применяется в ракетной технике. Работы над проблемой использования водорода в качестве топлива для автомобильных двигателей ведутся уже не один десяток лет, как у нас в стране, так и за рубежом. Первые отечественные исследования были проведены еще в 1968 году в Новосибирске под руководством академика В. В. Струминского.  У нас в стране и в ряде стран мира были успешно испытывались автомобильные двигатели, работающие на чистом водороде. Это были специально построенные  и оборудованные под водородное топливо серийные автомобили.

Что же представляет собой водород как топливо, каковы его достоинства и в чем недостатки? Прежде всего, в единице веса водород содержит почти в три раза больше тепловой энергии, чем все известные ископаемые топлива. Но для размещения его требуются довольно большие объемы. Водород самый легкий элемент, с него начинается периодическая система Д. И. Менделеева. Даже в жидком состоянии он примерно в 14 раз легче воды. Другая важная особенность водорода проявляется при его горении. Он чрезвычайно быстро смешивается с другими газами, в частности с воздухом атмосферы. Прекрасно горит в ней и при этом процессе образуются,  пары дистиллированной воды и никаких других токсичных и «парниковых» выбросов.

Другие достоинства водорода, как универсального топлива для всей многогранной деятельности человека на земле и в космосе:

– в самом деле: запасы водорода на земле практически безграничны. Примеч. запасы ископаемого топлива рано или поздно закончатся;

– оказывается, что водород чрезвычайно удобно хранить, и в частности в гигантских емкостях естественного происхождения (на бывших газовых месторождениях);

– в газообразном виде водород чрезвычайно удобен для транспортировки по обычным газопроводам на огромные расстояния; в этом случае потребуется лишь несколько модернизировать существующие компрессорные станции;

– интересный расчет: стоимость транспортировки водорода по трубопроводам  в несколько раз ниже, чем передача  электрической энергии по мощным ЛЭП.

Вроде бы очевидно, что водород – универсальное, экологически чистое, практически, идеальное топливо. Но водород химически активен и  в чистом виде почти не существует. В  воздухе содержание Н2 – сотые доли процента. Как известно, водовод входит в состав воды и ископаемых  углеводородов. Основной метод получения водорода – электролиз воды: 2Н2О > 2Н2 + О2 .Это процесс энергоемкий и поэтому  дорогой. Не нарушая экологическое равновесие, можно использовать энергию солнца, ветра, воды и атомных электростанций. Есть способ прямого одностадийного получения водорода из воды, например посредством окисления железных опилок в паровой струе с последующим восстановлением их в потоке угольной пыли. Несколько дешевле получать водовод посредством перегонки ископаемых жидких углеводородов. При современном развитии техники и химических технологий, получение водорода в больших количествах – не проблема.

Что же сдерживает применение водорода, как топлива для двигателей внутреннего сгорания? Конечно, надо преодолеть предубеждение по поводу опасности применения водорода в качестве топлива для автомобилей. Многим это предубеждение было внушено еще со школьной скамьи в виде взрыва гремучего газа. Что ж, при всей стремительности, с которой развивается наука и техника, в ее истории есть повторяющиеся ситуации. В свое время нашлись люди, которые предупреждали об опасности путешествия по железной дороге из Петербурга в Москву: на первый рейс из-за отсутствия желающих пришлось привлечь гвардейское подразделение. Позднее нашлись специалисты, посчитавшие взрыв бензина в автомобильном баке настолько реальным и опасным, что они настояли на том, чтобы впереди движущегося автомобиля шел человек и размахивал красным флагом. Чем-то подобным являются сейчас разговора об опасности водорода. Смесь газообразного водорода с кислородом воздуха в широком диапазоне концентраций образует гремучий газ. В закрытых емкостях или помещениях эта смесь, действительно горит очень быстро, вызывает значительное повышение давления и может привести к взрыву и разрушениям. В открытых объемах  процесс горения гремучей смеси происходит также очень интенсивно, но при количествах водорода, используемых в автомобилях, оно не будет связано с повышением давления и не станет сопровождаться никакими взрывами и разрушениями. В открытых объемах даже струя газообразного водорода горит спокойно бесцветным пламенем и образует очень мало лучистой энергии. Особо отмечу, что в жидком и твердом состоянии водород не горит. Он горит только в газообразном состоянии при температуре свыше 500 градусов. Вывод: по многим свойствам водород как топливо не более опасен, чем бензин и даже керосин.

Наибольшее значение для транспорта имеет жидкий или твердый водород. В жидком состоянии он находится при температуре ниже минус 253 С, в твердом – ниже минус 258 С. Ведущие автопроизводители  создали экспериментальные автомобили с двигателями, работающими, как на жидком, так и на твердом водороде. Они решили вопросы хранения водорода в автомобиле при низкой температуре (твердый) и при высоком давлении (жидкий); созданы специальные баки. Теперь надо создавать сеть специальных «водородных заправок». Ведутся научные и практические разработки по использованию металл-гидридов для размещения водорода на автомобиле. При этом способе водород «впитывается» в кристаллическую решетку аккумулирующего компонента и высвобождается при нагревании.

Конструктивно традиционный двигатель внутреннего сгорания подвергается некоторым доработкам с учетом особенностей сгорания водородно-воздушной смеси. Хотя проблем и здесь не мало, но они успешно решаются.  Ведущие автопроизводители не жалеют сил и средств на разработку и совершенствование автомобильных двигателей на водородном топливе. В ближайшие 5 -10 лет будут серийно выпускаться автомобили, использующие в качестве топлива чистый водород. В дальнейшей перспективе бензиновые и дизельные двигатели должны быть полностью заменены ДВС на водороде и электромобилями. Также водородное топливо будет гораздо шире использоваться в авиации, энергетике, в промышленности и в других сферах деятельности человека. Постоянно совершенствуются и изыскиваются новые способы получения чистого водорода. Предполагается, что при современном уровне развития техники и технологий производимый водород скоро будет не дороже бензина. Переход на экологически абсолютно  чистое и не вызывающее «парникового эффекта топливо, то есть  водород – необходимое условие сохранения жизни на нашей Планете. Как будет происходить этот процесс: поживем – увидим.

Автор: Алексей Юрин