Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2002 № 03
С. НИКОЛАЕВ
* * *
У СОРОКИ НА ХВОСТЕ
РОБОТ С РЫБЬИМИ МОЗГАМИ. Научный журнал «Hew Scientist» опубликовал сообщение, что американские ученые успешно работают над созданием робота, управляемого мозгом рыбы. Световые импульсы, воспринимаемые датчиками в механическом корпусе, снабжают мозг информацией. Тот обрабатывает полученные данные и выдает сигнал, являющийся командой для мотора робота. Если вы думаете, что робот загружает работой весь рыбий мозг, то глубоко ошибаетесь — для этого достаточно нескольких клеточек-нейронов миноги — очень примитивной рыбы типа угря, способных отвечать на более или менее сложные световые сигналы.
Фердинанде Мусса-Ивальди из Северо-Западного университета в Чикаго, его коллеги из университета штата Иллинойс и итальянские ученые из университета в Генуе охарактеризовали робота как «искусственное животное».
Зачем нужен «рыборобот»?
На первый взгляд, этот кибернетический гибрид кажется никчемной игрушкой. Но Мусса-Ивальди надеется, что его изобретение поможет в усовершенствовании существующих протезов. Другие же кибернетики смотрят на дело шире: если тело человека только что умерло, а мозг еще жив, то живой мозг теоретически можно пересадить в робота. При современном уровне науки и техники это кажется фантастикой, но не исключено, что в недалеком будущем такой эксперимент попытаются осуществить.
ГРЯЗЬ ТОЖЕ ПОЛЕЗНА. К такому выводу пришли недавно немецкие исследователи. Они призывают матерей не верить рекламе и не применять в своем доме чрезвычайно сильных дезинфицирующих средств, ограничиться при мытье детей лишь водой и мылом. «Дети не должны расти в стерильных условиях, — утверждают ученые. — Наличие микробов тренирует и укрепляет их иммунную систему».
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ДОМ. Его собираются построить в Нью-Йорке. Это 26-этажное здание на 250 квартир будет сооружено с применением новейших энергосберегающих и экологически безопасных технологий. Если сбудутся все проектные задумки авторов проекта, то «экодом» станет оазисом чистого воздуха в южной части Манхэттена. Здесь, в фешенебельном районе Беттерипарк, и поставят новостройку с таким расчетом, чтобы многие его жильцы могли полюбоваться на статую Свободы, не выходя из собственной квартиры. Но главное достоинство дома, конечно, не в красивом виде из окна. Архитекторы намерены оснастить вентиляционную систему здания особыми фильтрами, которые блокируют проникновение внутрь не только обычных загрязнителей воздуха, но также газов, вызывающих парниковый эффект, пыльцы растений и других вредных веществ. Это создаст идеальные условия для жильцов, страдающих аллергией и астмой.
Ожидается также, что здание будет потреблять на 30 % меньше электроэнергии, чем типовой небоскреб таких же размеров. Его планируют оснастить также усовершенствованной системой очистки водопроводной воды. По плану строительство здания должно завершиться в 2002 году и обойдется в 95 млн. долларов.
НОВАЯ ЖИЗНЬ ЗАБЫТЫХ ИДЕЙ
Маховик и пар
В 1831 году известный физик Майкл Фарадей поставил опыт, о котором помнит сегодня далеко не каждый учитель физики. Между полюсами магнита он поместил вращающийся металлический диск. Одна проволока прикасалась к оси вращения диска, другая — к его ободу. Присоединенный к этим щеткам гальванометр показал наличие тока (рис. 1).
Этот опыт послужил толчком к созданию новых по тем временам генераторов электрического тока, получивших название униполярных. На рисунке 2 изображено одно из конструктивных решений такого генератора.
Рис. 2 Униполярный генератор:
1 — постоянный магнит; 2 — ртутный контакт; 3 — ротор.
Между полюсами постоянного магнита, похожими по форме на блюдца, размещен вращающийся дисковый ротор. На оси и ободе ротора — скользящие контакты, снимающие ток во внешнюю цепь. Ротор при вращении пересекает силовые линии магнитного поля, поэтому возникает ЭДС, направленная вдоль его радиуса, пропорциональная скорости вращения, диаметру диска и напряженности магнитного поля.
В обычных коллекторных генераторах постоянный ток постоянен лишь по направлению, но по величине сильно пульсирует. Униполярные же генераторы дают ток, строго постоянный по величине и направлению. Одна беда: скорости вращения, свойственные турбинам обычных электростанций, малы для униполярных генераторов. Поэтому они дают токи очень низкого напряжения (5–7 В), силой в десятки тысяч ампер. Передавать их можно лишь на короткие расстояния по очень толстым проводам. Поэтому униполярные генераторы устанавливали непосредственно там, где они были нужны, например, в цехах электрохимических производств.
А вскоре о них и вовсе забыли. И лишь в конце 1910-х годов профессор Б.И.Угримов обратил внимание на то, что униполярный генератор Фарадея и турбина Лаваля как бы созданы друг для друга. Паровые турбины Лаваля известны были с 1889 года.
Они хорошо работали только при очень высоких (30 000 оборотов в минуту и более) скоростях вращения. Обычному электрогенератору нужна скорость в 10–12 раз меньше. Несмотря на это, с 1890-х годов выпускались небольшие (0,5 — 200 кВт) электростанции. Их генераторы работали от турбин Лаваля через замедляющие передачи. На рисунке 3 показан один из таких агрегатов в разобранном состоянии.
Крохотный диск турбины едва заметен слева от шестерен, и не случайно: ротор турбины Лаваля мощностью 10 л.с. весил меньше килограмма, а шестерни — более сорока! Вот эту турбину и решил соединить профессор Угримов с униполярным генератором.
Сделать это оказалось непросто: линейная скорость на окружности ротора генератора достигала сотен метров в секунду, и это приводило к очень быстрому износу медно-графитовых щеток. Попробовали сделать их из специальной бронзы, а обод ротора — из отполированной как зеркало закаленной стали. Износ продолжался, причем металлические щетки порою даже плавились. А стоит ли ждать, когда щетки расплавятся, решил профессор Угримов, сделаем их… из жидкого металла.
Сделали на статоре особую канавку. Придали краю обода специальную форму, а зазор между ними заполнили жидким металлом — ртутью. Износ практически исчез.
Униполярный генератор с жидкометаллическим контактом профессор Угримов построил в начале 20-х годов. Он был напрямую соединен с турбиной Лаваля и выдал рекордно высокое для таких машин напряжение — 110 В, почти в 20 раз выше, чем достигали ранее униполярные генераторы. Более того, полученное напряжение соответствовало принятому в то время стандартному напряжению для городских осветительных сетей постоянного тока. А отсутствие механической передачи и появившаяся возможность не стараться делать турбину тихоходной повысили экономичность установки в целом почти на 20 %.
Увы, новинка запоздала. Начался переход к переменному току. Турбины, впрочем, совершенствовать не перестали.
Сегодня паровые турбины, подобные турбинам Лаваля, достигли высочайшего совершенства. Применяют их в основном для подачи топлива в реактивные двигатели. Скорость вращения турбин превышает 100 000 оборотов в минуту, а мощность достигает тысячи киловатт при весе турбины в несколько килограммов.
Оснащенные турбинами Лаваля легчайшие атомные электростанции мощностью в несколько кВт неоднократно выводились на околоземную орбиту и по многу лет работали в космосе. Повысили и КПД: турбины Лаваля начала века работали с водяным паром давлением 10,5 атм и температурой 190 градусов. При этом их КПД достигал 10–14 %. Подняв температуру пара до 550 градусов, КПД турбин почти удвоили. Однако на этом не остановились. В некоторых установках воду заменили парами ртути и щелочных металлов, а температуру довели до 700 градусов. За счет этого КПД подскочил до 40 %, стал почти как у дизеля! Однако КПД сидящего на валу турбины быстроходного электрогенератора не превышает 60 %. В итоге КПД электростанции в целом не выше 24 %! Много это или мало?
Для сравнения можно вспомнить, что КПД автомобильного двигателя сегодня превышает 40 %. Чуть не вдвое выше. Однако за счет потерь на трение и резкого роста расхода топлива на частичных нагрузках среднее значение КПД автомобиля в городском цикле не превышает 8 %. В смешанном цикле, когда водитель часто и подолгу движется без остановок, КПД тоже невелик — 12,5 %. Выходит, поставив на автомобиль паровую электростанцию, можно еще получить выигрыш. По существу, получится электромобиль, в котором роль аккумуляторных батарей выполняет электростанция. Существуют специальные электромоторы, предназначенные для электрических автомобилей. Их КПД всегда высок, лежит в пределах от 60 до 95 %. Это означает, что в самых худших случаях, когда электромоторы работают наименее эффективно (разгон и троганье с места), КПД нашего автомобиля не будет опускаться ниже 15 %, а расход топлива в городском цикле получится в 2–3 раза ниже, чем у лучших современных автомобилей. Но это еще не все.
