Сделанный из современных материалов и раскрученный до сотен тысяч оборотов в минуту маховик весом несколько десятков килограммов может успешно заменять автомобильный двигатель. А для заправки ему достаточно заехать на «кинетическую станцию», где за несколько минут заново раскрутят потерявший энергию диск, и машина снова будет ездить несколько дней или даже месяцев подряд до новой «заправки»! Исследования в этой области идут с 60-х годов прошлого века и достигли фантастических успехов. Но почему же мы до сих пор не ездим на маховичных «моторах»?
Начнём, как водится, издалека – для полноты картины.
История советского «сам-строя» – кустарного изготовления автомобилей – насчитывает десятки интереснейших в плане дизайна и функционала машин (и еще тысячи куда менее интересных, разумеется). Спорткар «Сатана» братьев Щербининых и их же «ГТЩ» (Гран Туризмо Щербининых), спорткупе «Юна» Юрия Алгебраистова, спорткар «Лаура» Геннадия Хаинова и Дмитрия Парфёнова, немыслимо-футуристичный космокар «Панголина» Александра Кулыгина, глиссирующий автомобиль-амфибия «Тритон» Дмитрия Кудрячкова, продвинутый внедорожник «Нева» Николая Яковлева и Владимира Капусто, полноприводный минивэн «Кентавр» Анатолия Мишукова, минивэн со сдвижной дверью «САБС» (Самодельные Конструкции Большакова Сергея), внедорожник «Мул» в стиле Wrangler Станислава Хопшаносова… Что объединяет эти и многие другие крайне достойные конструкции талантливых самодельщиков?
Объединяет их «ЭВМ» – культовая советская телепередача «Это вы можете», которая прославила и в некотором смысле дала путёвку в жизнь сотням конструкторов-самоучек из народа и их идеям. Передача выходила в эфир на центральном телевидении с 1973 по 1991 год, и одним из наиболее ярких её ведущих запомнился Нурбей Владимирович Гулиа. Он выступал в качестве автомобильного эксперта, поскольку имел весьма серьезный авторитет: Гулиа был доктором технических наук, профессором МАДИ, профессором кафедры «Автомобили и двигатели» в Московском государственном индустриальном университете (ныне Московский Политех), руководителем кафедры теоретической механики в Курском политехе.
В нашей же истории важно, что Нурбей Владимирович был и остается ведущим советским и российским специалистом по вопросам динамического аккумулирования энергии. Проще говоря, по системам маховиковых аккумуляторов.
Маховики и супермаховики
Маховик – один из древнейших известных человечеству механизмов. Один из первых в истории самодвижущихся экипажей – небезызвестная «самокатка» инженера-самоучки Ивана Кулибина – приводился в движение как раз от раскрученного маховика.
В СССР Гулия проводил колоссальные по масштабу работы в области исследования маховичных накопителей энергии. И в первую очередь – применительно к использованию их в автотранспорте. Нурбей Владимирович строил огромные маховики в реальности, испытывал с маховиковыми гибридными системами УАЗ-«буханку», троллейбус, строительную технику… Объём исследований был невероятным, и основывался он на изобретении, запатентованном учёным в 1964 году – так называемом «супермаховике». Изобретение, как и все гениальное, удивляло простотой: маховик не отливали из чугуна или другого металла, а наматывали из стальной ленты. Так удавалось и увеличить его прочность, и повысить энергоёмкость системы.
Долгое время главной проблемой маховичных аккумуляторов, которые исследовали не только в СССР, но и во всём мире, являлась механическая хрупкость. Обороты маховиков ограничивались их прочностью, так как при превышении частоты вращения диск разрывало с чудовищными разрушительными последствиями, которые не выдерживал ни один корпус. Серьёзные по габаритам маховики при разрыве легко проламывали метровые бетонные стены помещений, где устанавливались, и трясли сейсмографы на приличных расстояниях. А обороты поднимать было необходимо, ибо чем они выше – тем выше объём запасённой энергии, измеряемой в ваттах или джоулях на килограмм массы вращающегося диска. Чем выше обороты – тем меньше и легче может быть сам маховик, что позволяло бы его установить не только стационарно, но и на автомобиль или даже на мотоцикл.
Вырваться за пределы длительно существовавших ограничений удалось только с помощью идеи Гулиа выполнять маховик не цельнолитым, а слоёным, в виде намотки из металлической ленты. Во-первых, это само по себе резко повышало прочность на разрыв, а во-вторых, эксперименты становились более смелыми, поскольку даже при разрыве ленты блин не разлетался на опасные осколки с сатанинской разрушительной силой, а как бы растрёпывался по внешнему периметру, быстро тормозя сам себя о корпус накопителя.
Супермаховики и автомобили
В начале 1960-х, когда Гулия начинал заниматься маховиками, энергоёмкость таких аккумуляторов составляла 10-15 кДж на килограмм массы. Их потенциал тогда оценивался до 30-50 кДж, что было ниже, чем энергоёмкость обычных свинцово-кислотных аккумуляторов. Простейший же супермаховик, намотанный Гулиа в качестве эксперимента из стальной ленты, продемонстрировал возможность безопасного разгона до оборотов, при которых он показал энергоёмкость около 100 кДж на килограмм массы! С этим уже можно было работать, пытаясь приводить в движение автомобили.
Дальнейшие эксперименты показали, что потенциал увеличения энергоёмкости супермаховиков едва ли не безграничен. Использовались магнитные подшипники, исключающие потери на трение в оси маховика, использовалось вакуумирование корпусов, чтобы убрать потери от сопротивления воздуха, использовались новые высокопрочные материалы для намотки дисков. Сперва применялись сплавы, потом и композиты. В 1973 году Нурбей Гулиа защитил в Московском автомобильно-дорожном институте докторскую диссертацию на тему «Динамическое аккумулирование и рекуперирование механической энергии для целей транспорта». Тем не менее применительно к автотранспорту всё так и осталось на уровне исследований. Почему так вышло, нам рассказал сам Нурбей Владимирович.
Корр.: Что послужило главной причиной ухода в тень технологии маховичного накопления энергии применительно к автопрому?
Нурбей Гулиа: В первую очередь – литий-ионные батареи, которые по плотности энергии и простоте использования оказались впереди. Именно по сумме этих параметров, подчеркну. Что я имею в виду? Плотность запасённой энергии у маховиков выше литий-ионных батарей, а у перспективных конструкций – даже существенно выше. Но надо понимать, что типы энергии – разные, и преобразование тоже потребуется разное. Чтобы использовать энергию аккумулятора, ее можно, упрощённо говоря, сразу подать на электродвигатель. А энергию вращения маховика нужно сперва подать на генератор, а затем – на электродвигатель. Или на специфичную трансмиссию, а затем на колеса. И вот тут уже возникнут потери, а конструктивная сложность решения получается заметно выше.
Корр.: Критики маховиковых движителей для автомобилей заявляли, что основной причиной трудностей во внедрении был гироскопический эффект. Мол, автомобилем, в котором с высокой скоростью вращается тяжёлый маховик, невозможно управлять – он будет сопротивляться рулению, как раскрученный волчок, который сопротивляется попыткам его наклонить.
Нурбей Гулиа: Это как раз самая маленькая из проблем, которая фактически давно решена. Можно сделать два маховика на подрамнике, которые вращаются в противоположных направлениях и компенсируют друг друга. Да, это приведёт к сильному повышению нагрузки на подшипники осей маховиков, но на раму или кузов гироскопический эффект в итоге перестаёт оказывать влияние.
Корр.: Если взять наиболее передовую конструкцию маховика из самых прочных на сегодняшний день материалов, раскручивающегося до близких предельным скоростей, то есть, имеющего плотность энергии выше литиевых батарей, можно ли всё же интегрировать его в автомобиль как основной источник энергии? Я имею в виду не электроавтомобиль, а классический.
Нурбей Гулиа: Можно, но главной проблемой станет трансмиссия. Маховик по конструкции относительно прост и дешёв, даже супермаховик, даже намотанный из продвинутых материалов. И даже с учётом вакуумирования корпуса и магнитного подвеса. Но снять с него крутящий момент на колёса машины – сложно и дорого. Нам нужно скорость в десятки, а то и сотни тысяч оборотов в минуту перевести в тысячи оборотов. Диапазон редукции огромный, с такими высокими оборотами трудно работать. Я в своё время для гироавтобуса делал ленточно-дискретный вариатор, но это была сложная и дорогая конструкция, и дешевле пока ничего толком не существует. «Золотой» же автомобиль, само собой, делать бессмысленно. Последние же из известных мне новостей о применении маховиков датированы 2013 годом, когда Volvo ставила карбоновый маховик на несколько килограммов в вакуумном корпусе на заднюю ось S60. Он разгонялся энергией рекуперации при торможении, а в движение машину приводил обычный бензиновый мотор. Производитель анонсировал фантастическое снижение расхода топлива на 25%, во что я могу поверить, но дело ничем практическим не кончилось, что тоже достаточно предсказуемо ввиду предполагаемой стоимости всей этой установки.
Корр.: То есть, о маховике в транспорте можно забыть?
Нурбей Гулиа: Вовсе нет! Помимо большой энергетики, где маховики очень выгодны, есть два весьма перспективных направления, вполне оправданных с технологической и экономической точек зрения. Это железнодорожный транспорт и, как ни странно, электромобили. Но речь идёт не о маховиках непосредственно в машинах, а о маховиках в зарядных станциях.
Сегодня зарядная инфраструктура для электромобилей – это проблема, причем в том числе и в странах, где она развита в сотни раз лучше, чем у нас в России. Всё дело в мощности заправок. Мелких и маломощных, с длительным зарядным циклом, понатыкали повсюду. А вот с высокомощными и быстрыми есть проблемы. На ночь поставить электромобиль на зарядку – это одно, тут достаточно и малой станции. А когда вам нужно на трассе заправиться и дальше ехать сразу – это другое. Строить такие станции несложно, сложно подтягивать к ним кабели питания с огромной пропускной способностью 400-500 киловатт. Но с помощью маховиков можно реализовывать высокомощные зарядные станции, подводя к ним слабые линии на небольшое количество киловатт.
Выглядит это так. Устанавливается мощный высокооборотный генератор и соединяется с маховиком фактически напрямую, без трансмиссии. Генератор – не простой, а обратимый, то есть мотор-генератор. Он может работать как двигатель, вращаясь самостоятельно, а может – как генератор, вращаясь от подводимого извне крутящего момента. Пока на заправке нет машин, мотор-генератор в качестве двигателя, потребляя небольшую мощность от электросети (а то и от возобновляемых источников энергии типа солнечных панелей и ветряков), медленно раскручивает маховик, запасая в нем кинетическую энергию. А когда подъезжает электромобиль и его водитель вставляет заправочный кабель в гнездо, мотор-генератор подключается к маховику как генератор, раскручивается от него и выдаёт энергию очень высокой мощности непродолжительное время. Машина заряжается за десять минут и уезжает. А мотор-генератор начинает заново раскручивать маховик.
Корр.: Это чистая теория или что-то уже на таком принципе работает в реальной жизни?
Нурбей Гулиа: Мой хороший знакомый и коллега Кейт Пулин в Великобритании, с которым мы обмениваемся научными исследованиями, работает над этим вопросом в компании Levistor. Они занимаются как изучением, так и производством. У них супермаховики пластинчатые, в виде тонких высокопрочных дисков, набранных в пакет. Это тоже безопасный вариант, поскольку при каком-то ЧП разрывается только один лист из пакета и тормозит весь маховик. Сейчас (по состоянию на 2024-2025 годы) британское Национальное управление автомагистралей проводит в испытательном и опытно-конструкторском центре National Highways в Мортон-ин-Марш в Глостершире испытания системы «кинетической батареи» Levistor для питания высокоскоростной зарядки электромобилей на придорожных станциях техобслуживания. Есть ещё израильский стартап Chakratec, с которым стратегическое партнёрство в 2020 году заключила Skoda. Они свою технологию называют Kinetic Power Booster, а принцип у неё тот же самый: неспешно раскрутить малой энергией маховик и затем подключить к нему мощный генератор для быстрой зарядки электромобиля. Пилотная система сейчас работает и изучается в большом выставочном комплексе в пражском районе Летняны PVA Expo Praha.
Корр.: А что с большой энергетикой?
Нурбей Гулиа: В сентябре 2024 года в Китае, в городе Чанчжи, запустили крупнейший в мире маховиковый накопитель на 30 мегаватт с высокоскоростным мотор-генератором прямого привода. Этот комплекс предназначен для дневной компенсации провалов от повышенного потребления, он держит резерв мощности, запасаемый по ночам. Такой буфер может поначалу иметь более высокую стоимость, чем аналог на литий-ионных батареях, которые сейчас много где строят. Но дорогие батареи имеют ограниченный срок службы, а маховик с мотор-генератором такими ограничениями не страдает и служит по два десятка лет и более.
На электрокинетической заправочной станции Skoda десять 150-килограммовых маховиков вращаются в вакуумированных корпусах со скоростью 18 000 оборотов в минуту. Особой прецизионности в сохранении вакуума не требуется. Просто когда разрежение падает ниже нормы, кратковременно включаются откачивающие воздух насосы.
Время, необходимое для кинетической зарядки системы (раскручивания маховиков до номинальной скорости), зависит от мощности питающей линии, к которой подключено устройство. При сети мощностью 50 кВт это занимает около 45 минут. Сама же зарядная станция удваивает мощность подводящей сети, позволяя заряжать в быстром режиме одновременно две машины вместо одной, потребляя на раскрутку маховиков три киловатта.
