Часть 1: Супермаховик - Супераккумулятор?
Часть 2: Маховик как аккумулятор
Часть 3
Какой наиболее эффективный метод получения энергии нам известен? Это аннигиляция.
- Далее – термоядерный синтез.
- Далее – деление атомного ядра.
- Далее – химическая реакция.
- Далее – кинетическая?
Вот тут уже интереснее. Какой предел может быть у кинетической энергии тела? Согласно теории относительности, телу, имеющему любую массу, отличную от нуля, можно сообщить энергию, на порядки превышающие энергию массы покоя при аннигиляции. Разгонять подобное тело можно до тех пор, пока оно под давлением собственной массы не коллапсирует в чёрную дыру. Следовательно, кинетическая энергия может запасти огромное количество энергии на единицу своей массы.
Что на практике?
Рассмотрим перспективный вид вооружения – рельсовые электромагнитные пушки.
Рельсотроны – это электромагнитный ускоритель масс, разгоняющий снаряд в электромагнитном поле.
При скорости выше 4 км/сек плотность энергии такого снаряда превышает плотность энергии современных взрывчатых средств на единицу массы, поэтому взрывчатка такому снаряду не требуется. И это ключевой фактор, который подтверждает, что уже при нынешних технологиях плотность кинетической энергии вещества на единицу массы может превышать плотность энергии химической реакции.
Более того, кинетическую энергию можно легко преобразовать и в тепловую, и в электрическую энергию.
Следовательно, кинетические аккумуляторы энергии должны быть более мощными, чем любые электрохимические.
При этом перспективность и задел на дальнейшую модернизацию и повышение плотности энергии в кинетических аккумуляторах практически безграничны.
Как пример – нейтронная звезда.
Радиопульсар диаметром 32 км теоретически может вращаться быстрее 1000 об/сек, достигая линейной скорости на экваторе более чем в 100 тысяч км/сек.
То есть подобная нейтронная звезда, массой в две Солнечных, может накопить энергии столько, сколько 30 звёзд, подобных Солнцу, излучают на протяжении 11 млрд лет.
Чем не компактный природный аккумулятор кинетической энергии? Это всё уж слишком фантастично, но доказывает факт перспективности кинетического аккумулирования энергии.
В нашем случае кинетическую энергию можно полезно накопить вращением тела вокруг своей оси. То есть применить маховик в качестве аккумулятора кинетической энергии. Повышая его обороты – накапливать энергию, а понижая – снимать полезную мощность.
Тут появляется один с виду абсурдный факт. Масса маховика, хоть и важна, но вторична, главное - это скорость вращения!
Как пример, рассмотрим шар массой в 10 кг, радиусом в 10 см, и частотой вращения в 10 об/сек.
При таких условиях его кинетическая энергия будет около 79 Дж. Если увеличить массу шара в 2 раза, получим энергию в около 158 Дж, но если при той же массе увеличить частоту вращения в 2 раза, с 10 до 20 об/сек, получим энергию около 316 Дж!
То есть увеличение частоты вращения даёт энергетический выхлоп в 2 раза больше, чем увеличение массы тела!
Этот момент является ключевым в конструировании подобных аккумуляторов.
Следовательно, нужно делать упор именно на скорость вращения, и искать физический предел материалов, из которых будет изготовлен маховик и которые дадут максимальную плотность запасания энергии.
Это компромисс между плотностью материала и его прочностью. Физическая величина, которая отображает этот компромисс, называется – УДЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ (кН•м/кг).
Чем этот коэффициент выше, тем больше энергии можно запасти на единицу массы, если сделать из этого материала маховик.
- Удельная прочность стали - 254.
- Удельная прочность титана - 288.
- Стекловолокно – 1307
- Углеродное волокно – 2457
- Углеродные нанотрубки – от 46268 и более.
Вот поэтому современные маховичные накопители делают из легких композитных материалов, а не из тяжёлой стали.
То есть банальный расчёт удельной прочности показывает, что маховик из углепластиков накопит в 10 и более раз больше энергии на единицу массы по сравнению со стальным.
Ну а из углеродных нанотрубок – это космос уже. Тут всегда есть, куда стремиться – чем с большим коэффициентом удельной прочности мы создадим материал, тем большими энергетическими характеристиками будет обладать маховичный накопитель.
Но о том, что мы имеем сегодня и с какой энергетической характеристикой можно уже сейчас создать маховичный накопитель, рассажу в следующей статье.