Инновационный бартер: как автоспорт и энергетика обогащают друг друга передовыми технологиями
Несущиеся по трассе болиды завораживают: неизменно впечатляют заложенные в них мощь, маневренность, динамика. Те же технологии часто встречаются в куда менее эффектных ситуациях — в обычном транспорте, промышленности, энергетике. Какие гоночные новации обогатили ТЭК, а какие, наоборот, ушли из энергетики в автоспорт? Об этом «Энергии+» рассказал пилот Российской серии кольцевых гонок Кирилл Зиновьев.
О гибридных силовых установках
К официальному признанию в самых популярных автогонках — «Формуле-1», чемпионате мира по ралли WRC, гонке «24 часа Ле-Мана» — технологии гибридных силовых установок исполнилось более ста лет.
Считается, что первый гибридный автомобиль Semper Vivus создал Фердинанд Порше в 1900 году, совместив в нем двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с электромоторами, вмонтированными в колеса. Через девять лет в США выдали патент Генри Пиперу, который подключил ДВС к динамо-машине, связанной с аккумуляторами. Конструкция позволила подзаряжать батареи от бензинового мотора, а в нужные моменты — к примеру, на подъемах — обеспечивать транспорт дополнительной тягой.
Впоследствии гибридный принцип стали применять и в других сферах, в том числе в энергетике. Современные гибридные электростанции могут использовать энергию ископаемого топлива, солнца, ветра, движения воды в разных сочетаниях. Так, ветряки оснащают дизельными генераторами — их запускают, когда ветер слаб или меняет направление.
Потенциал гибридных силовых систем конструкторы гоночных болидов сполна оценили в XXI веке. В чемпионате «Формула-1» их разрешили применять в 2009 году, стремясь привнести в состязания дополнительную интригу — гонщики получили новые возможности для резких ускорений и маневров. Спустя пять лет решением Международной автомобильной федерации (FIA) гибридные приводы стали обязательными в «Формуле-1» и WRC.
О рекуперации энергии
Система рекуперации энергии ERS (Energy Recovery System) — часть гибридного привода автомобиля. Ее тоже стали использовать в «Формуле-1» в 2009 году. ERS состоит из двух элементов. Один при торможении работает как генератор, преобразуя энергию движения в электричество, которое сохраняется в аккумуляторе. Второй подключен к турбине и извлекает тепловую энергию из выхлопных газов, также преобразуя ее в электричество.
Система позволяет накапливать избыточную энергию и позже задействовать ее для кратковременного увеличения мощности гибридной силовой установки. Когда болид разгоняется, «припасенную» энергию можно использовать, резко повысив отдачу двигателя сразу на 120 киловатт (около 160 лошадиных сил).
Идею, добавившую интереса «Формуле-1», ее конструкторы подсмотрели в других областях инженерии. Одним из первых видов транспорта, где использовался принцип рекуперативного торможения, был советский электровоз ВЛ19-01, построенный в 1932 году. Его тяговые двигатели на спусках и при остановках выполняли функцию генераторов, вырабатывая электроэнергию, которую возвращали в сеть.
Максимальную результативность рекуперация показала позднее в московском метро. Прибывающий поезд передавал около половины вырабатываемой двигателями энергии составу, который готовился к старту и разгону на параллельном пути. Такие системы работают в подземке и сегодня.
Принцип рекуперации помогает эффективно расходовать энергию и в промышленности, и в быту. К примеру, он используется в вентиляции, где свежий воздух подогревается уже отработанным. В бизнес- и торговых центрах такие устройства применяют в лифтах. Ветровые и солнечные станции с помощью рекуперации накапливают избыточное электричество в аккумуляторах и отдают его в штиль или по ночам.
Об инновационных материалах
Автомобильный спорт стал испытательным полигоном для карбона — композита из полимеров и углеродного волокна. В болидах серии «Формула-1» этот материал прославился в 1981 году: команда McLaren представила машину, в которой часть элементов кузова и шасси была из углепластика. Выяснилось, что он легче и крепче традиционного алюминия со сталью и титаном, а еще обладает свойством термоизолятора, препятствуя распространению тепла от раскаленного мотора и других нагревающихся агрегатов.
Сегодня формульные болиды на 85% сделаны из карбоновых деталей — в их конструкции используют около 30 видов таких композитов. Еще есть элементы с другими полимерными волокнами — кевларом и зайлоном. Сплавы из металлов — стали, алюминия, титана, магния — доминируют в двигателях, трансмиссиях, подвеске, системе охлаждения, колесах. Хотя и здесь углепластик пытается наступать на пятки: конструкторы внедряют карбоновые кожухи для тормозов и элементы коробки передач.
Обкатанные в автогонках материалы активно применяют и в других сферах — авиации, автомобилестроении, производстве спортивного инвентаря, строительстве, энергетике. Так, в середине 1980-х при возведении атомных электростанций углеволокно стали использовать в изготовлении газовых центрифуг по обогащению урана и для создания защитных оболочек реакторов. В 2018 году из композитов начали делать лопасти ветрогенераторов, чтобы защитить их от обледенения и снизить вес на 30–40%. Двумя годами позже карбон пришел в солнечную энергетику — его используют в каркасах батарей космических аппаратов: помимо легкости и прочности такие элементы обладают высокой виброустойчивостью.
О топливе и масле
В сфере топлива и смазочных материалов автоспорт однозначно задает вектор развития. В гонках, будь то заезды на скоростном треке, шоссейные соревнования или ралли-рейды, двигатели испытывают экстремальные нагрузки. Чтобы силовой агрегат не вышел из строя, ему нужны высококачественные моторное масло и бензин или дизельное топливо.
Нефтяные компании борются за право быть поставщиками горюче-смазочных материалов в автомобильных гонках. Это не просто престижно: в условиях соревнований производители топлива и масел могут быстро протестировать свои наработки и, если нужно, скорректировать рецептуры. Для сбора того же количества данных при традиционных испытаниях — с серийными автомобилями и обычными трассами — понадобились бы месяцы, а то и годы.
Добившись оптимальных результатов, выпуск высокотехнологичной продукции масштабируют, и она поступает на АЗС и в магазины. В «Формуле-1» сегодня разрешено использовать бензин, состав которого лишь на 1% отличается от топлива, доступного обычным автомобилистам. Так, в России любой водитель может залить в бак бензин G-Drive и моторное масло G-Energy, которые прошли испытания автогонками.
