Двигатель Стирлинга
Ни одно изобретение не исчезает в небытие. Исследователи NASA, понимая, что новое — это хорошо забытое старое, черпают вдохновение в изобретениях позапрошлого века. Недавно они испытали миниатюрный ядерный реактор, который можно будет использовать при создании космических кораблей-разведчиков. Но в его основе лежат два изобретения XIX столетия.
Да, это действительно так, в основе этой экспериментальной миниатюрной конструкции — давно забытый двигатель Стирлинга, который был изобретён в XIX веке. Принцип действия двигателя несложен: он основывается на периодическом нагреве и охлаждении газа, за счёт изменения объёма которого и высвобождается энергия.
Инженеры космического агентства также использовали технологию тепловых трубок, которую изобрели в Лос-Аламосской национальной лаборатории в 1963 году как часть двигателя. Хотя на самом деле оба этих изобретения были сделаны ещё раньше. Впрочем, давайте обо всём по подробнее.
Двигатель Стирлинга на самом деле носит фамилию двух людей — того, кто запатентовал изобретение, и того, кто впервые его опробовал. Не стоит удивляться тому, что у двух этих людей была одна фамилия — речь идёт о двух братьях. Причём изобретателем был шотландский священник из Лайф Кирк Роберт Стирлинг. Но если быть объективным, то сам преподобный Стирлинг придумал не двигатель, а одну его очень важную деталь, которую назвал "эконом тепла" (сейчас такое устройство назвали бы регенератором или теплообменником).
Лайф Крик расположено недалеко от промышленного центра Метвена, поэтому приход Стирлинга часто посещали рабочие, трудящиеся на фабриках неподалёку. Каждый день священнику приходилось слушать их рассказы о том, что паровые двигатели, с которыми им приходилось иметь дело, часто взрываются из-за низкого качества железа, которое шло на их изготовление. Эти взрывы убивали и калечили людей, однако владельцы предприятий ничего не могли поделать — более прочных материалов тогда не существовало. И вот впечатлительный священник, который с детства увлекался конструированием различных машин, решил помочь своим прихожанам.
Стирлинг решил воспользоваться опытом конструкторов конце XVII века и изучил чертежи так называемых воздушных двигателей, которые к тому времени оказались практически вытеснены традиционной паровой машиной. Эти двигатели представляли собой камеру, через которую двигался газ. Проходя в одну сторону, он отдавал тепло, а в другую — отбирал его. Сам Стирлинг же просто изобрёл своеобразную обкладку, повышающую теплообменные свойства двигателя, что позволяло ему работать при меньшем давлении пара. Таким образом, его механизм вообще не мог взорваться — для этого просто не хватило бы давление циркулирующего в нём газа.
Роберт Стирлинг получил патент на своё изобретение в 1816 году, а уже в 1840 году его брат, инженер Джеймс Стирлинг построил первый такой двигатель. Безопасный механизм быстро заинтересовал многих промышленников, и популярность двигателя быстро возросла. Его использовали до 1876 года, когда изобретение Генри Бессемера сделало достаточно безопасными традиционные паровые машины.
С этого времени о воздушных двигателях забыли, однако, как выясняется, не навсегда. В наши дни о нём вспомнили специалисты из НАСА, что, кстати, весьма символично — дело в том, что среди увлечений преподобного Роберта Стирлинга (и его брата Джеймса тоже), числилась астрономия.
Что касается тепловых трубок, то впервые эти устройства также появились ещё в XIX веке. Собственно говоря, они представляют собой элемент системы охлаждения, принцип работы которого основан на том, что в закрытых трубках из теплопроводящего металла (например, меди) находится легкокипящая жидкость. Перенос тепла в них происходит за счёт того, что жидкость испаряется на горячем конце трубки, поглощая теплоту испарения, и конденсируется на холодном, откуда перемещается обратно на горячий конец.
Первые тепловые трубки применялись ещё для охлаждения паровых двигателей с середины позапрошлого столетия, однако в ХХ веке Джордж Грувер из Los Alamos National Laboratory предложил использовать в этих трубках принцип капиллярного эффекта (именно этот эффект, например, позволяет керосину подниматься по фитилю в лампе). Такие трубки стали использоваться в электронике — в частности, они до сих пор применяются для охлаждения процессоров и чипсетов.
Однако вернёмся к современным разработкам — исследования команды NASA и Министерства энергетики показали, что ядерный реактор на основе старой технологии вполне можно будет устанавливать на космические корабли. Двигатель будет работать на 23-килограммовых урановых батареях, а производимое им тепло пойдёт к восьми двигателям Стирлинга, которые выдадут порядка 500 ватт энергии. Тестовые образцы вырабатывают пока что только 24 ватта, тогда как космическим зондам обычно требуется ль 600 до 700 ватт.
Тепловые трубки и двигатели Стирлинга смогут обеспечить энергией один модуль корабля, всего же для обеспечения полета потребуется несколько модулей, которые суммарно будут производить около киловатта энергии. Основные плюсы новой разработки, говорят в Лос-Аламосе, — это простота механизма и использование в его работе ресурсов, которых у США имеется в изобилии. Кроме того, поскольку ядерный реактор будет работать только в космосе, вероятность несчастных случаев на земле или во время запуска практически сведена к нулю.
В последние несколько лет NASA использовало в качестве источника энергии для космических зондов плутоний-238 — на нём, в частности, летали корабли серии Voyager. Cassini, находящийся сейчас на орбите Сатурна, также использует плутоний-238. Однако в начале 1980-х годов Штаты начали сворачивать производство плутония, и уже к 1991 году создавать его было просто негде. Одним из последних проектов NASA, где использовался плутоний-238, стал марсоход Curiosity, который сейчас шагает по поверхности Красной планеты.
В 2011 году NASA и Министерство энергетики получили около 10 миллионов долларов на перезапуск программы по производству плутония, и в ближайшее время Штаты будут способны каждый год выдавать по несколько килограммов этого источника энергии. Ядерный двигатель Стирлинга, генерирующий электричество и работающий на уране, приведёт к сокращению спроса на плутоний.
Между тем, эксперты говорят, что, похоже, эра освоения космоса человеком закончилась. Робот может сделать всё то же самое, что и хомо сапиенс, только обойдётся это дешевле, и рисковать здоровьем и жизнью никому не придётся. Следам человека, оставленным на Луне, уже исполнилось 40 лет, и следующие оставит не подошва, а колёса.
Всеми последними исследованиями планет Солнечной системы занимались роботы — зонды, спускаемые и орбитальные аппараты побывали на Луне, астероидах, кометах, каждой планете Солнечной системы и большинстве их спутников. С другой стороны, и у пилотируемых исследований имеется весьма неплохой послужной список. За последние четыре десятка лет были опубликованы более двух тысяч работ, опирающихся на данные, собранные в ходе пилотируемых миссий Apollo, и число новых отчётов продолжает расти.
По сравнению с роботами, человек имеет массу преимуществ. Он быстрее реагирует на изменение обстановки и самостоятельно принимает решения, не дожидаясь инструкций с Земли. Люди на порядок более мобильны: астронавты Apollo 17 за три дня преодолели расстояние в 35 километров, тогда как марсоходу на это потребовалось бы восемь лет. В конце концов, люди могут добывать образцы пород на большей глубине и использовать целый арсенал геологических инструментов.
Главный научный сотрудник Центра космических полетов Годдарда при NASA говорит, что как таковой битвы между человеком и роботом нет — скорее, это сравнение яблок и апельсинов. "Мы посылаем роботов как следопытов и разведчиков, чтобы они открывали новые границы, и мы бы решали, куда и когда посылать людей", — заключает эксперт.
Антон Евсеев, Наталья Синица
www.pravda.ru
Свежие комментарии