Мы подготовили этот текст к выпуску в конце февраля 2022 года – и не опубликовали его, потому что мир в те дни навсегда поменялся, и такие тексты не казались нам уместными. Но этот материал кажется нам актуальным до сих пор, поэтому мы публикуем его сейчас.
За пару десятилетий электромобиль превратился из диковинки в обыденный для развитых стран транспорт. Продажи Tesla уже сопоставимы с продажами Audi, а во многих государствах существуют планы по отказу от автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. В основном такую меру предлагают, чтобы сократить потребление ископаемого топлива и уменьшить выбросы парниковых газов. Правда, по мнению некоторых специалистов, современные электромобили также обладают недостатками: запас хода у них в среднем меньше, чем у бензиновых и дизельных аналогов, а производство и утилизация литиевых аккумуляторов зачастую связаны с существенным вредом для экологии. Не будем пытаться разрешить этот спор, а вместо этого рассмотрим, на чем еще можно будет ездить в будущем.
Беспроводобус
Если слабое место электромобиля — это аккумулятор, то, может быть, стоит рассмотреть питание от сети? Уже более ста лет по этому принципу работают троллейбусы, трамваи, и даже автодром из парка аттракционов, вот только провода создают множество неудобств. На самом деле от них тоже можно избавиться, и для этого существуют две группы технологий — с использованием излучения и без него.
Неизлучающая беспроводная передача энергии применяется, например, в зарядных устройствах для телефона. В ее основе лежит явление взаимоиндукции, когда переменный ток в обмотке вызывает вторичный ток в другой обмотке, расположенной в непосредственной близости. Проблема этого метода в том, что для эффективной работы две эти обмотки должны находиться очень близко, в пределах одного сантиметра, и занимать строго определенную позицию. Это не намного лучше прóвода, но такие технологии, как резонансная магнитная передача, могут существенно увеличить рабочее расстояние. Так, недавно ученым удалось включить беспроводную лампочку, находящуюся в радиусе метра от источника.
В теории подобную систему электропитания для автомобилей можно «вшить» в дорожное полотно, а приемник — в днище. Если разместить катушки каждые пару метров, то машина сможет ехать от одной зарядки к другой, не выходя из их зоны действия. Серьезный минус этой схемы — высокая стоимость дороги, которую, к тому же, придется перекрывать для ремонта вышедших из строя электронных деталей. С другой стороны, батареи для электромобиля когда-то тоже были дорогими, но с 2010 по 2020 год их стоимость упала примерно в 10 раз.
Лазеры и микроволны
Альтернатива зарядному коврику под асфальтом — передача энергии с помощью излучения. Любое электромагнитное излучение передает энергию, но удобнее всего это делать либо с помощью лазеров, либо с помощью микроволн. Обе эти технологии сейчас на подъеме.
Для питания от микроволн необходимы передающая антенна и принимающая ректенна, которая преобразует радиоволны в постоянный ток. У этого метода потенциально есть очень широкое поле применения, от замены традиционных линий электропередач до питания дронов, или даже первых ступеней космических ракет. Недавно японские инженеры продемонстрировали такой дрон, а в США планируют таким образом передавать энергию со спутников на наземную технику.
Лазерная передача энергии по своему устройству похожа на микроволновую, только ей требуется не пара антенн, а источник излучения и фотоэлементы, как в солнечных батареях. КПД у такой системы ниже, но с ее помощью также можно передать питание на дрон, на вышку 5G, а Европейское космическое агентство планирует таким образом снабжать энергией луноход, находящийся на территории вечной полярной ночи.
Оба эти метода требуют прямого визуального контакта между источником и целью, и могут нести опасность предметам, попавшим между ними. Кроме того, и лазер, и поток микроволн необходимо точно направлять на транспортное средство. Здесь у микроволн есть преимущество: для их излучения можно использовать фазированную антенную решетку, которая задает направление излучения с помощью электронных устройств, без физического поворота антенны. В частности, этот принцип реализован в наземных станциях спутникового интернета Starlink. Напротив, лазерный излучатель должен будет постоянно поворачиваться за движущейся машиной, но зато его луч можно сфокусировать в одну точку. Обе эти системы можно использовать для питания автомобилей при размещении на столбах вдоль дорог, но при современных технологиях цена будет слишком высока.
Contributors to Wikimedia projects
И индуктивная передача электричества, и микроволновая, и лазерная могут быть оправданы даже для аккумуляторных автомобилей, поскольку избавят их от необходимости длительной зарядки и позволят сократить количество аккумуляторов — батарея понадобится только там, где нет оборудованных дорог.
Автомобили на сжатом воздухе
На первый взгляд эта идея не выглядит серьезной, и скорее подходит для детской игрушки — представьте себе, накачивать автомобиль перед поездкой. Тем не менее, подобные проекты создают не только мечтатели и энтузиасты, но и корпорации — например, Peugeot.
Идея проста: можно накапливать энергию в баллоне с помощью газа под высоким давлением. При выходе из баллона этот газ будет расширяться и крутить двигатель автомобиля, поршневой или роторный. Главная проблема тут — недостаточная плотность сжатого воздуха, что приводит к небольшому запасу хода таких машин. Для увеличения этого запаса нужен либо большой баллон, что увеличивает массу и размер автомобиля, либо повышенное давление, что создает повышенную опасность.
Впрочем, баллоны из современных материалов запасают энергию с плотностью около трех мегаджоулей на килограмм — это примерно в три раза превышает таковую у литий-ионных аккумуляторов. Недавно созданный в США прототип автомобиля на сжатом воздухе обладает запасом хода в 140 километров. Теоретически этого должно быть достаточно для езды по городу.
Двигатели на сжатом воздухе обладают важным преимуществом — они вообще не производят вредных выбросов и, в отличие от литиевых батарей, с их утилизацией нет проблем. Кроме того, для зарядки баллона не требуется даже электричество, компрессор может работать напрямую от ветряной турбины, что повышает КПД.
Водородные автомобили
Водород — практически идеальное топливо во всех отношениях. Его получают из метана, он превращается в воду при использовании, и это один из самых эффективных видов топлива с точки зрения массы (но не объема). Именно поэтому водород применяют в космической технике, где на счету каждый килограмм, а наибольшая часть массы приходится на топливо. Водород обладает одним, но очень существенным недостатком: крайне низкой плотностью.
Он примерно в 14 раз легче воздуха того же объема, и потому для водородных автомобилей, как и для использующих сжатый воздух, газ нужно хранить под огромным давлением или в сжиженном виде, что требует серьезной теплоизоляции. Вдобавок, молекулы водорода очень маленькие и просачиваются через самые крошечные щели, а поскольку газ легко воспламеняется, его хранение и использование может быть крайне опасным.
Водородные автомобили бывают двух типов: с двигателем внутреннего сгорания и на топливных элементах. Первый тип почти ничем не отличается от обычного автомобиля, в котором сгорающий бензин приводит в действие поршни. Опытный образец BMW Hydrogen 7 почти ничем не отличался от аналогичного бензинового BMW, кроме переделанной топливной системы, но так и не вышел на рынок. Главной проблемой, помимо цены, был расход топлива 50 литров на 100 километров, что сравнимо с потреблением дизельной фуры.
Поэтому почти все существующие водородные автомобили полагаются на топливные элементы: химические источники тока, от которых питаются электродвигатели. Они используют разные принципы работы, но проще всего описать их как аккумуляторы, которые требуют не перезарядки, а перезаливки топлива. У топливных элементов КПД выше (более 60 процентов), чем у двигателей внутреннего сгорания, а расход топлива при использовании жидкого водорода получается около 15 литров на 100 километров. Подобные водородные автомобили выпускаются серийно и доступны на рынке, правда, исключительно в верхнем ценовом сегменте. Например, Toyota Mirai можно купить примерно за 60 тысяч долларов, всего в США и Японии их было продано около 10 тысяч.
Водородные автомобили на топливных элементах — самая реалистичная альтернатива электромобилям. Их развитие сдерживается, в первую очередь, из-за неразвитости водородной инфраструктуры, поскольку этот газ гораздо сложнее хранить и перевозить, чем бензин или дизельное топливо.
Ядерная энергия
Атомные автомобили — это классический атрибут научной фантастики второй половины XX века, когда казалось, что новая технология войдет во все сферы жизни. Несмотря на то, что никто пока не видел их на дорогах, они существуют и даже применяются для ряда важных задач на безальтернативной основе.
Речь идет об американских марсоходах Curiosity и Perseverance, хотя их и нельзя назвать автомобилями в полном смысле слова. Эти аппараты весом около тонны питаются от радиоизотопного источника энергии. РИТЭГ имеет мало общего с атомной электростанцией и устроен весьма просто. Пять килограмм плутония-238 выделяют столько тепла от ядерного распада, что если не отводить от них тепло, то естественное состояние такого металла — красное каление. От разницы температур между плутонием и окружающей средой РИТЭГ производит электричество, которого достаточно для движения и работы аппарата. Существенная проблема таких устройств — низкий КПД (в районе пяти процентов), так что марсоходам доступно лишь немногим больше 100 ватт при весе источника 45 килограмм. Для сравнения, батареи Tesla производят сотни киловатт при массе 500 килограмм.
Поэтому в NASA разработали Kilopower — ядерный реактор, который работает по принципу двигателя Стирлинга, чья мощность достигает 10 киловатт, или 13 лошадиных сил. Размер реактора сравним с крупным бойлером для воды, но этого достаточно для нормальной езды на компактном автомобиле, причем запаса ядерного топлива хватит на несколько лет. Впрочем, пока испытания прошел лишь прототип Kilopower, а цена серийного варианта вряд ли будет меньше сотен тысяч долларов, так что в ближайшем будущем на дорогах таких автомобилей мы не увидим.
Ветряной автомобиль
В книге «Урфин Джюс и его деревянные солдаты» Элли и ее дядюшка Чарли отправились в Волшебную страну на сухопутном корабле, который приводили в движение паруса. На практике подобный сухопутный корабль был бы почти бесполезен, и в их серийном производстве нет никакого смысла, но недавно двое энтузиастов заключили пари. Научный видеоблоггер Дерек Мюллер поспорил с физиком Александром Кусенко, что сможет путешествовать не просто с помощью ветра, а быстрее ветра. Кусенко же считал, что это невозможно с точки зрения законов физики.
Автомобиль Мюллера напоминал гоночный ретро-болид с установленной наверху ветряной турбиной, которая через трансмиссию вращала колеса. В ходе испытаний автомобиль действительно развил большую скорость, чем у ветра — более 40 километров в час. Если верить Мюллеру, секрет — в существовании жесткой связи между колесами и лопастями. Ветер крутит турбину, она вращает колеса, и машина начинает двигаться по ветру. Однако теперь уже колеса, в свою очередь, вращают турбину, отчего она начинает крутиться быстрее, и создает дополнительную тягу, увеличивая скорость. Это действительно кажется очень странным как с точки зрения физики, так и обычной интуиции, но видеоблоггер опубликовал видео испытаний, а Кусенко признал поражение и заплатил 10 тысяч долларов. Посмотрите сами — может, удастся понять, прибегает ли Мюллер к небольшому шулерству.
На данный момент аккумуляторные электроавтомобили кажутся наиболее перспективной технологией, у которой нет серьезных недостатков. Однако весь предыдущий опыт учит нас, что заранее просчитать ход развития человечества невозможно, размышления на этот счет лишь помогают заранее подготовиться к некоторым его вариантам.
Так, в этот обзор не попали концепты летающего личного транспорта, поскольку его развитие может оказать непредсказуемый эффект на человеческую жизнь — как нельзя было угадать, к чему приведет избавление телефона от проводов. И если машины с альтернативным источником питания кажутся нам идеей привычной и понятной, то аэротакси потенциально способно в корне изменить облик городов. Например, возможно, не станет никакого смысла жить в многолюдном мегаполисе, если в любой момент за несколько минут до него можно будет долететь из пригорода.
