Mokslas ir IT

2019.04.20 16:57

Nuo garo variklių ir kvėpuojančių baterijų iki įelektrintų degalų: kaip keisis mūsų kelionės

Tautvydas Lukaševičius, LRT.lt2019.04.20 16:57

Skelbiama, kad šiuo metu pasaulio keliais važinėja apie 1,5 milijardo automobilių, o šis skaičius nepaliaujamai auga. Manoma, kad 2035 m. keliuose bus 2 milijardai transporto priemonių, todėl norėdami toliau tiek daug keliauti turėsime surasti alternatyvų tradiciniams degalams.

Kasmet Lietuvoje vidutiniškai sunaudojama daugiau nei 200 tūkst. tonų benzino ir per 100 tūkst. tonų dyzelino. Kuo bus varomos mūsų transporto priemonės ateityje, kai baigsis nafta?

Mokomės iš augalų?

Alternatyvų netrūksta, tačiau vis dar laukiama to lūžio taško, kai naujos kartos degalai sugebės patenkinti didėjančius žmonių poreikius. Daug diskutuojama apie saulės ir vėjo energiją, biokurą, biodegalus ir etanolį, tačiau pats perspektyviausias dyzelino ir benzino pakaitalas, manoma, yra vandenilis.

Tai ne tik labiausiai paplitęs cheminis elementas, bet ir visiškai draugiškas aplinkai kuras. Deginant vandenilį, kaip šalutiniai produktai išsiskiria tik vanduo ir šiluma – juos abu galima panaudoti. Problema ta, kad norint vandenilį naudoti kaip degalus, reikia daug sudėtingų technologijų, kurių gamyba yra labai brangi. Vandenilį taip pat sudėtingiau kaupti, o degalinių infrastruktūra kol kas visai nepritaikyta jį parduoti vairuotojams. Nors vandenilio energija iš tiesų daug žadanti, kol nebus išspręstos šios problemos, panaudojimas – labai ribotas.

Kita populiari alternatyva iškastiniam kurui galėtų būti elektromobiliai, varomi pakraunamomis baterijomis, o ne vidaus degimo varikliais. Tokia perspektyva privertė viso pasaulio mokslininkus ieškoti naujų, ekologiškų ir patogių būdų, kaip gaminti elektros energiją. Vienas iš įdomesnių pasiūlymų – imituoti fotosintezę (procesą, kurį augalai ir kiti organizmai naudoja tam, kad saulės spindulius konvertuotų į energiją) ir išnaudoti ją komerciniams tikslams. Naujausi pasiekimai šioje srityje leido laboratorijoje atkurti tikslius fotosintezės cheminius procesus.

Drėgmės malūnas

Mokslininkams pavyko pažaboti natūralų vandens apytakos ciklą taip, kad galėtų energija aprūpinti nedidelę transporto priemonę. Garavimas yra vienas iš esminių vandens apykaitos rato elementų, kai dėl pakilusios temperatūros ar slėgio skystoji vandens forma virsta dujine. Nors taip planetoje perduodami milžiniški kiekiai energijos, šis šaltinis dar niekada nebuvo tinkamai išnaudotas. Kolumbijos universiteto mokslininkai mano, kad jiems pavyko tai pakeisti – jiems padėjo bakterijų sporos.

Šios sporos dažniausiai tūno sausose vietose, tačiau, susidūrusios su drėgme, gali ją sparčiai absorbuoti ir išsipūsti. Tuomet, sugrįžusios į savo įprastinę sausą aplinką, jos vandenį išgarina ir susitraukia iki įprastinės savo būsenos. Jos gali išsitempti ir susitraukti tarsi raumenys, o intensyvumas priklausys nuo to, kiek vandens yra ore. Mokslininkai suprato, kad šią sporų savybę galima panaudoti energijai gauti, todėl jie sukūrė prietaisą, leidusį šią idėją išbandyti praktiškai. Jie sumaišė sporas su atskiestais klijais, o gautą masę užtepė ant plonų plastiškų juostelių. Padidinus drėgmę patalpoje, sporos išsiplėtė, tuo pačiu pailgindamos ir juosteles, ant kurių buvo priklijuotos.

Mokslininkai sukonstravo judantį aparatą, kurį į priekį varo „drėgmės malūnėlis“ – plastmasinis ratas, aplipdytas daugybe sporomis išteptų juostelių. Pusė šio rato yra drėgmėje, o kita pusė – sausame ore. Ten, kur drėgmė didesnė, sporos išsiplečia, o ten, kur mažesnė, – susitraukia. Šis svorių pusiausvyros nebuvimas priverčia ratą suktis. Norėdami „užvesti“ žaislinę mašiną, mokslininkai paprasčiausiai su elastine juosta prijungė šį sporų variklį prie ratų ir mašina pajudėjo į priekį.

Yra daugybė galimų šios technologijos panaudojimo būdų, tačiau pačius ją sukūrusius mokslininkus labiausiai žavi tai, kad jiems pavyko garavimą išnaudoti gaminant energiją, kartu tausojant vandenį. Galbūt dar praeis daugybė metų, kol galėsime į savo automobilių bakus pripildyti vandeniu iš čiaupo, tačiau šis proveržis įrodo, kad tokie varikliai labiau mokslo nei fantastikos sritis.

Kvėpuojančios baterijos

Ekologiškumu tradiciniai automobiliai niekaip negali prilygti elektromobiliams, tačiau pastaruosius nepopuliarius kol kas daro gana nedidelis vienu įkrovimu nuvažiuojamas atstumas, be to, baterijos greitai dėvisi, jas reikia pakeisti naujomis.

Cheminės inžinerijos mokslininkai iš Cambridge universiteto teigė, kad jiems pavyko šį trūkumą pašalinti. Problemos sprendimas – ličio ir deguonies baterija, kuri pakartotinai įkraunama gali būti daugiau nei 2000 kartų. Šios „kvėpuojančios“ baterijos išnaudoja energiją, susidarančią, kai litis reaguoja su ore esančiu deguonimi. Kaip ir įprastinėse įprastose baterijose, šioje yra trys pagrindinės dalys: teigiamas elektrodas (katodas), neigiamas elektrodas (anodas) ir elektrolitas – laidi terpė, leidžianti jonams tekėti tarp elektrodų.

Naujovė – grafeno katodas, kuris yra daug patvaresnis nei anksčiau naudotos anglies formos. Jis derinamas kartu su naujuoju elektrolitu, o viso proceso meto susidaro šalutinis produktas, vadinamas ličio hidroksidu. Skirtingai nuo senesnių baterijų, šis šalutinis produktas nepadengia anodo (kas iš lėto bateriją iš lėto silpnindavo), tačiau suyra po kiekvieno įkrovimo.

Mokslininkai tikisi, kad, įdiegus šią technologiją, elektromobiliai su įkrauta baterija galės nuvažiuoti net 800 kilometrų. Tiesa, kol kas neverta tikėtis šią technologiją išvysti „Nissan Leaf“ ar „Tesla“ automobiliuose.

Kol ličio ir deguonies baterijos pasieks gamyklų konvejerius, gali praeiti ir dešimtmetis. Vis dėlto šis išradimas mus prie ilgą nuotolį nuvažiuoti galinčių elektromobilių priartino kaip niekada iki šiol.

Žalioji „Boeing“ technologija

Tokie keleiviniai lėktuvai, kaip „Boeing 747“, kiekvieną skrydžio sekundę sudegina apie 4 litrus degalų. Jeigu kelionė trunka daugiau nei 10 valandų, tai prilygsta 150000 litrų sudegintų degalų. Turint omenyje, kad pasaulyje kiekvieną dieną vykdoma atliekama apie 100000 komercinių skrydžių, oro linijos ypač suinteresuotos kuo labiau sumažinti degalų sąnaudas.

Vienas būdų – lėktuvo svorio sumažinimas. „Boeing“ pradėjo eksperimentuoti su lėktuvų uodegų konstrukcijomis. Štai „ecoDemonstrator 757“ modelis gerokai sumažintame vertikaliame stabilizatoriuje turi 31 mažytį prietaisą, padedantį išnaudoti oro sroves. Tai pakilimo ir nusileidimo metu atkartoja tokias pat šonines jėgas, kaip ir lėktuvuose su didesniu uodegos stabilizatoriumi, bet ši technologija, leidžianti atsisakyti didesnių konstrukcijų, sumažina lėktuvo svorį, padeda taupyti degalus. 

Holo efekto varikliai

Įprasti raketiniai varikliai veikia išnaudodami trečiajį Niutono dėsnį –  jei  vienas kūnas kokio nors dydžio jėga paveikia kitą kūną, tai tas kitas kūnas pirmąjį taip pat  paveikia tokio paties dydžio priešingos krypties jėga. Susidaro išmetamosios dujos, kurios paleidžiamos pro reaktyvinę tūtą. Taip sukuriama jėga, stumianti raketą priešinga kryptimi. Šis metodas naudojamas jau nuo pačių pirmųjų kosminių skrydžių, tačiau jis yra gana neefektyvus ir netinkan iš tiesų ilgų skrydžių kelionėms.

NASA sukūrė holo efekto variklius, kuriems reikia dešimt kartų mažiau degalų nei įprastinėms raketoms. Jis veikia suteikiant elektrinį krūvį raketiniam kurui (paprastai ksenono dujoms), kurios elektriniame lauke yra greitinamos, kol galiausiai didele jėga paleidžiamos pro raketos tūtą, taip sukuriant varomąją jėgą į priekį. Tokie kosminiai varikliai yra saugūs, ekonomiški ir daug efektyvesni už tradicinius.

Hibridinių traukinių technologija

„Rolls-Royce“ inžinieriai teigia, kad gali traukinius padaryti ekonomiškesnius ir efektyvesnius. „Hybrid PowerPack“ technologiją sudaro standartinis dyzelinis variklis ir aušinimo sistema, tačiau ją papildo elektriniai varomieji varantieji moduliai ir energijos talpyklos sistemos.

Pastarieji elementai išnaudoja tam tikro tipo regeneracinį stabdymą, kuris pirmą kartą buvo įdiegtas „Formulės 1“ boliduose. Traukiniui stabdant sukuriama kinetinė energija dėl šios technologijos perimama ir kaupiama specialiose baterijose. Vėliau ši paprastai iššvaistoma energija gali būti panaudota traukiniui judant į priekį. Tai ypač pasiteisintų tuose traukiniuose, kurie turi dažnai sustoti stotelėse. Bandymų metu ši hibridinė technologiją sutaupė 15 proc. degalų.