История одной идеи: как холод стал источником движения

В 1902 году на лондонском автосалоне был продемонстрирован необычный экипаж под названием Liquid Air. Он не издавал привычного рёва, а его «выхлопом» был лишь холодный воздух. Удивительный для того времени автомобиль работал на сжиженном воздухе и представлял собой, по сути, первый в мире криомобиль. Идея использовать энергию холодного тела для совершения механической работы казалась тогда гениальной и вместе с тем фантастической. Однако бурное развитие двигателей внутреннего сгорания и доступность нефти надолго отправили эту технологию в архив истории.

Автомобиль Liquid Air, смог проехать 64 километра по улицам Лондона со средней скоростью в 19 км/ч, потратив на это 64 литра смеси жидкого азота и кислорода.

Концепция вернулась спустя почти столетие, когда поиск экологически чистых альтернатив традиционным видам топлива стал глобальным трендом. Идея двигателя, чьим «топливом» является холод, а единственным выбросом — чистый воздух, вновь привлекла внимание инженеров и исследователей.

Физика процесса: «паровой двигатель» наоборот

Принцип работы криогенного двигателя парадоксален, но подчиняется фундаментальным законам термодинамики. Его сердце — жидкий азот, хранящийся при температуре -196 °C. При контакте с теплой окружающей средой (или другим источником тепла) он мгновенно вскипает, переходя в газообразное состояние и расширяясь в объеме приблизительно в 710 раз. Это мощное расширение и есть источник энергии.

Если простейшие конструкции напоминали паровую машину, где кипящая жидкость толкала поршень, то главным вызовом для инженеров стала низкая эффективность такого адиабатического расширения: система быстро остывала, давление падало, и большая часть энергии терялась.

Прорыв совершила британская компания Dearman. Их двигатель реализует принцип квазиизотермического расширения. В цилиндр одновременно подаются жидкий азот и жидкий теплоноситель (смесь воды и гликоля). Азот, расширяясь, мгновенно забирает тепло у этой жидкости. Это не позволяет системе стремительно остыть, давление остается высоким на протяжении всего хода поршня, что резко повышает КПД системы. По сути, это криогенный двигатель, преобразующий тепловую энергию окружающей среды в полезную механическую работу.

Двигатель Dearman на жидком азоте.

Плюсы и минусы двигателей на жидком азоте

Несмотря на изящество идеи, двигатели на жидком азоте столкнулись с фундаментальными ограничениями, которые определяют их место в современном мире.

Главный недостаток — низкая плотность энергии. Даже с учетом эффективных циклов, для сопоставимого с ДВС запаса хода требуются большие и тяжелые криогенные баки. Это делает технологию малопригодной для замены основного привода в легковом транспорте.

Однако там, где чистота, тишина и возможность работать без электрической подзарядки критически важны, у криогенных систем нашлась своя ниша. Ярчайший пример — вспомогательные энергохолодильные установки для рефрижераторного транспорта.

В 2016 году сеть супермаркетов J. Sainsbury в Лондоне провела показательные испытания. Традиционный дизель-генератор, который на стоянках обеспечивает холод в кузове грузовика (шумно, с выбросами), был заменен на двигатель Dearman, работающий на жидком азоте. Результат: полная тишина, нулевые локальные выбросы и тот же надежный холод. Это идеальная синергия, где один энергоноситель решает две задачи — приводит в действие компрессор и служит хладагентом.

Сравнительная характеристика технологий

Помимо транспорта, перспективы видятся в стационарных системах тригенерации на промышленных предприятиях, где есть избыток низкопотенциального тепла, а также в схемах аккумулирования энергии от возобновляемых источников.

Перспективы

Двигатели на жидком азоте — это узкоспециальное, но перспективное инженерное направление. У них есть своя чёткая ниша, где они могут оказаться эффективнее других решений. Их прогресс напрямую зависит от развития трёх областей: криогеники, теплообмена и материаловедения.

Для холодильной техники и кондиционирования эта технология интересна тем, что открывает возможность создания единых энергохолодильных систем. В них хладагент (жидкий азот) будет одновременно работать как рабочее тело для получения механической энергии.

Поэтому дальнейшие исследования и пилотные проекты стоит сосредоточить не на гипотетической замене ДВС вообще, а на точечной оптимизации таких систем для конкретных отраслей. Например, для логистики скоропортящихся продуктов или для климатических систем, работающих на возобновляемой энергии.