Гильмутдин Давлетшин
Схема воздушного двигателя: 1–4 – звездочки цепной передачи, 5 – цепь, 6–9 – контейнеры с газом, 10 и 12 – теплозащитные экраны открыты, 11 и 13 – теплозащитные экраны закрыты, F – архимедова сила.
Окружающая нас атмосфера обладает огромными запасами двух видов кинетической энергии: это энергия масс воздушных потоков, которые проявляются в форме ветров и вихрей различной интенсивности, и энергия хаотического движения молекул воздуха, так называемая рассеянная тепловая энергия. Известно, что первоисточником обоих видов энергии является лучистая энергия Солнца, которая приводит в движение молекулы воздуха. Воздух же является аккумулятором солнечной энергии и преобразователем ее в другие виды энергии.
По оценкам ученых, кинетическая энергия ветров составляет примерно 5Ч1020 Дж, в то же время тепловая энергия воздуха равна около 1,5Ч1024 Дж, то есть почти в 10 тыс. раз больше. Вся природа, окружающая нас на Земле, находится, как известно, при температуре около 3000 Кельвина. Понятие «холод» условно, природа его не знает. Все температуры могут отсчитываться только от абсолютного нуля. Следовательно, с полным основанием можно сказать, что мы живем в тепловом энергетическом океане.
Только в одной земной атмосфере на каждый градус ее температуры в слое воздуха толщиной всего лишь в один километр содержится приблизительно миллиард миллиардов киловатт-часов энергии.
Энергия из воздуха
Возникает естественный вопрос, о решении которого мечтали в течение многих веков величайшие умы человечества: как извлечь из воздуха это огромное количество тепловой энергии и использовать для удовлетворения все возрастающей потребности человечества в энергии? Одним из возможных способов извлечения этой тепловой энергии и превращения ее в полезную работу является использование механизма высотных градиентов давления и температуры среды. С его помощью энергия хаотического движения молекул воздуха преобразуется в энергию направленного движения рабочего органа, служащего одновременно переносчиком тепла из слоя среды с высокой температурой в слой среды с низкой температурой.
Устройство, которое способно превращать тепловую энергию среды в механическую или электрическую, условно назовем воздушным двигателем. Он является термомеханической системой, находящейся в термическом и механическом взаимодействии с окружающей средой.
Первым основным элементом воздушного двигателя является контейнер – газонепроницаемая емкость, обладающая способностью свободно изменять свой объем под действием внешнего и внутреннего давления, которые находятся в состоянии постоянного равновесия. Аналогично стандартным контейнерам, предназначенным для перевозки грузов, контейнер воздушного двигателя исполняет роль емкости для газа и перевозки его по периметру двигателя. Однако в отличие от грузового аналога контейнер воздушного двигателя является одновременно и движителем, тяга которого есть архимедова сила. Контейнер, подобно поршню, приводит в движение все рабочие органы двигателя. Внутри контейнера содержится газ, который служит рабочим телом двигателя. Он выполняет ряд функций: поддерживает заданную форму контейнера; переносит тепло, поглощенное в теплых нижних слоях атмосферы, в верхние холодные слои; является регулятором величины архимедовой силы, благодаря которой контейнер совершает циклические движения. Для управления тепловым потоком в рабочем теле контейнер снабжен теплозащитным экраном, закрывающимся при движении контейнера на вертикальных участках траектории и открывающимся на горизонтальных участках. Участки горизонтального движения контейнера являются вторым важнейшим элементом воздушного двигателя. На них происходит уравнивание температур рабочего тела и воздуха. Чем меньше время выравнивания температур, тем быстрее происходит теплообмен и тем больше мощность двигателя.
Еще одним элементом воздушного двигателя служит замкнутая цепь, к которой прикреплены контейнеры, причем цепь перекинута через звездочки цепной передачи, расположенные горизонтально на двух высотах.
Выше было сказано, что контейнер должен обладать способностью свободного изменения своего объема. Благодаря этому свойству давление внутри контейнера всегда равно давлению окружающей атмосферы. Это дает два положительных эффекта. Во-первых, стенка контейнера может быть сделана тонкой и легкой. Во-вторых, в процессе подъема контейнера из-за падения атмосферного давления будет увеличиваться объем контейнера и, соответственно, возрастать архимедова сила, способствуя подъему. В процессе же спуска контейнера, наоборот, давление атмосферы растет, вследствие чего уменьшается объем контейнера и убывает архимедова сила, способствуя спуску. Ясно, что автоматическая работа воздушного двигателя возможна только в том случае, если градиенты температуры и давления имеют одинаковый знак. Это свойственно как раз нижним слоям атмосферы Земли.
Природный аналог воздушного двигателя
В основе природного аналога воздушного двигателя лежит энергетическое взаимодействие двух океанов – воздушного и водного. Всем известен процесс круговорота воды в природе. Известен и механизм этого круговорота. Оказывается, этот механизм лежит и в основе принципа действия предлагаемого воздушного двигателя. Воздушный двигатель является разновидностью гидроэлектростанции, а тепловые и механические процессы, происходящие в воздушном двигателе, аналогичны тепловым и механическим процессам круговорота воды на Земле. Однако воздушный двигатель имеет и отличительные признаки. Во-первых, в качестве теплоносителя могут быть применены газ легче воздуха, сам воздух и высококипящая жидкость; во-вторых, если в ГЭС отбирается энергия движения воды на участке спуска, то работа воздушного двигателя совершается как результат работы разности архимедовой силы на участке подъема и спуска; в-третьих, для сохранения тепла в воздушном двигателе используется теплозащитный экран.
Возьмем для примера подмосковный город Королев. Он потребляет в год около 500 млн. кВт-ч электроэнергии, что в денежном выражении составляет примерно 400 млн. рублей. Среднегодовая электрическая мощность, необходимая для города, равна около 50 МВт.
Расчеты показывают, что уже сегодня реально начать создавать экспериментальный блок воздушного двигателя мощностью в 0,5 МВт. Сто таких блоков обеспечат необходимую для города мощность в 50 МВт. Тогда город получит автономную энергосистему, работающую практически непрерывно в течение неограниченного времени. Система будет работать днем и ночью, зимой и летом, в пасмурную и безоблачную погоду. Работа системы не приводит к ухудшению экологической обстановки города. Блочное строительство воздушной электростанции позволит наращивать ее мощность по мере роста потребности города в электроэнергии.
