Трансформаторы: невоспетые труженики

Мне никогда не нравились преувеличенные заявления о грядущих научных и технических прорывах, таких как дешевый термоядерный синтез, недорогие путешествия со сверхзвуковой скоростью и освоение других планет. Но я всегда восхищался простыми устройствами, которые выполняют огромную работу в современной цивилизации, особенно самыми скромными – или даже невидимыми.

Крупнейший в мире трансформатор: Siemens для Китая

Лучше всего под это описание подходит трансформатор. Люди без инженерного образования могут лишь смутно догадываться о существовании этих устройств, не знают принципов их работы, а также того, насколько незаменимы они в повседневной жизни.

Теоретические основы для создания трансформатора бы- ли заложены в начале 1830-х гг., когда Майкл Фарадей и Джозеф Генри независимо друг от друга открыли явление электромагнитной индукции. Они показали, что переменное магнитное поле может индуцировать электрический ток более высокого напряжения («повышение») или более низкого («понижение»). Потребовалось еще полвека, прежде чем Люсьен Голар, Джон Диксон Гиббс, Чарльз Браш и Себастиан Циани де Ферранти смогли разработать первые рабочие прототипы трансформаторов. Затем три венгерских инженера – Отто Блати, Микша Дери и Карой Циперновский – усовершенствовали конструкцию, придумав тороидальный (в форме пончика) трансформатор, который был продемонстрирован в 1885 г.

На следующий год три американских инженера – Уильям Стэнли, Альберт Шмид и Оливер Шелленбергер, работавшие у Джорджа Вестингауза, – предложили еще более совершенную конструкцию. Устройство приняло классический вид трансформатора Стэнли, в неизменном виде дошедшего до наших дней: центральный железный сердечник, изготовленный из тонких пластин из кремнистой стали. Одну часть делали в форме буквы «E», а вторую – в форме буквы «I», чтобы облегчить укладку заранее свитых витков медной обмотки.

В 1912 г. в обращении к Американскому институту электротехников Стэнли справедливо восторгался тем, что устройство обеспечивает «столь абсолютное и столь простое решение трудной проблемы. Оно оставило далеко позади все механические попытки стабилизировать напряжение. Оно так легко, так уверенно и экономно управляет огромной энергией, которую мы мгновенно на него подаем или мгновенно у него отбираем. Оно необыкновенно надежное, мощное и точное. В этом соединении стали и меди могущественные силы сбалансированы так хорошо, – мы и не подозревали, что такое возможно».

Самые мощные современные воплощения этой неизменной конструкции позволили передавать электричество на огромные расстояния. В 2018 г. компания Siemens поставила первый из семи трансформаторов, превосходящих все прежние разработки: он рассчитан на рабочее напряжение 1100 киловольт (кВ) и обеспечит электроэнергией несколько китайских провинций с помощью высоковольтной линии постоянного тока длиной 3300 км.

Количество трансформаторов в мире выросло до такой величины, которую Стэнли не мог даже вообразить, и произошло это благодаря распространению портативных электронных приборов, которые требовалось заряжать. В 2016 г. в мире одних только смартфонов выпустили 1,8 млрд и каждый из них комплектовался зарядным устройством с миниатюрным трансформатором. Не обязательно разбирать свое зарядное устройство, чтобы увидеть его сердце: изображение зарядки для iPhone легко найти в интернете, и одна из самых крупных ее деталей – это трансформатор.

Но во многих зарядных устройствах установлены трансформаторы еще меньших размеров. Они работают не так, как трансформаторы Стэнли (у них отсутствует обмотка), и используют пьезоэлектрический эффект, проявляющийся в том, что кристалл при деформации порождает электрический ток, а ток вызывает деформацию кристаллов. Звуковые волны, поступающие на такой кристалл, генерируют электрический ток, а ток, проходя через такой кристалл, может порождать звук. Таким образом, один ток можно использовать для получения другого, но уже с другим напряжением.

Новейшее изобретение – это электронные трансформаторы. По размерам и массе они гораздо меньше привычных и, возможно, станут особенно полезными для объединения непостоянных источников энергии (ветровых и солнечных) в единую систему, а также для создания энергосистем постоянного тока.

Не списывайте дизель со счетов

17 февраля 1897 г. Мориц Шрётер, специалист по теории машин, профессор Мюнхенского технического университета, провел официальные сертификационные испытания нового двигателя Рудольфа Дизеля: он желал подтвердить, что механизм эффективен и подходит для развития производства в коммерческих целях.

Двигатель весом 4,5 тонны показал впечатляющие результаты: при мощности 13,4 кВт (18 л. с., мощность современного небольшого мотоцикла) его практический КПД достиг 26 %, намного превзойдя любой бензиновый двигатель того времени. Дизель с гордостью писал жене: «Ни одна конструкция двигателя не достигла того, на что способна моя, и я с гордостью могу называть себя первым в своем деле». К концу этого же года КПД двигателя достиг 30 %, вдвое превысив КПД бензиновых двигателей Отто, выпускавшихся в тот период.

Со временем разрыв в КПД уменьшился, но и сегодня дизельные двигатели на 15–20 % эффективнее, чем их бензиновые конкуренты. У дизеля есть несколько преимуществ: он работает на топливе с большей плотностью энергии (оно содержит почти на 12 % больше энергии, чем такой же объем бензина, и автомобиль может проехать дальше при том же объеме бензобака); его самовоспламенение требует вдвое большей степени сжатия, чем в бензиновых двигателях (что приводит к более полному сгоранию и меньшей температуре выхлопных газов); его можно заправить топливом более низкого качества (а значит, более дешевым); современные электронные системы впрыска способны подавать топливо в цилиндры под высоким давлением, что увеличивает КПД и снижает выбросы вредных продуктов сгорания.

К сожалению, после рекордных испытаний 1897 г. захвата рынка не случилось. Слова Дизеля о том, что у него есть «двигатель, вполне подходящий для продажи» и что «остальное появится само собой», не оправдались. Первый океанский грузовой корабль с дизельной силовой установкой, датское судно «Зеландия», появился только в 1911 г., а все новые суда стали оснащать дизельными двигателями только после Первой мировой войны. На земле дизелю первыми покорились внедорожники, строительные и сельскохозяйственные машины. Первый дизельный автомобиль, MercedesBenz 260 D, появился в продаже в 1936 г. В настоящее время в Европейском союзе около 40 % всех пассажирских автомобилей оснащены дизельными двигателями, но в США (где бензин гораздо дешевле) на долю дизелей приходится всего 3 %.

Рудольф Дизель надеялся, что в руках мелких независимых производителей маленькие двигатели послужат промышленной децентрализации, но прошло более 120 лет, и мы наблюдаем прямо противоположную картину. Дизельные двигатели не имеют соперников в обеспечении чрезвычайно централизованного промышленного производства. Они – незаменимая движущая сила глобализации. Дизельные двигатели установлены практически на всех контейнеровозах и средствах транспортировки автомобилей и оптовых товаров, таких как нефть, сжиженный природный газ, руда, цемент, удобрения и зерно; а кроме того, они приводят в движение почти все грузовые автомобили и грузовые поезда.

Американский патент Рудольфа Дизеля на новый двигатель внутреннего сгорания

Большая часть того, что едят или надевают читатели этой книги, как минимум единожды – а обычно не раз – перевозилась с помощью дизелей, зачастую с других континентов: одежда – из Бангладеш, апельсины – из Южной Африки, сырая нефть – с Ближнего Востока, бокситы – из Ямайки, автомобили – из Японии, компьютеры – из Китая. Без низких эксплуатационных расходов, высокой эффективности, высокой надежности и огромного срока службы дизельных двигателей было бы невозможно достичь той степени глобализации, которая теперь характеризует современную экономику.

За сто с лишним лет существования мощность и КПД дизельных двигателей значительно возросли. Мощность самых больших судовых дизелей превышает 81 МВт (около 109 000 л. с.), а КПД лучших образцов достигает более чем 50 % – это выше, чем у газовых турбин с КПД около 40 % (см. главу «Почему газовые турбины – лучший выбор»).

Так что двигатели, первый из которых был создан Дизелем, пока остаются с нами. У нас нет доступных альтернатив, которые могли бы поддерживать мировую экономику так же дешево, эффективно и надежно, как они.