Очаг XXI века

Очаг XXI века

Дешевый дровяной «кухонный комбайн», объединяющий плиту, электрогенератор и холодильник, обещает в течение ближайших пяти лет разработать международная команда ученых, координируемая из Университета Ноттингема в Великобритании.

Сегодня около 2 млрд людей на земном шаре готовят пищу на открытом огне, используя костер или примитивную печь. А это, как полагают современные теплотехники, крайне неэффективно. Лишь около 7 % выделяемой от сжигания дров или другой органики энергии используется по назначению.

Кроме как к дополнительному загрязнению воздуха и окружающей среды, выделению углекислого газа и уничтожению растительности такая расточительность не ведет. Но тотальная нищета третьего мира пока не позволяет что-нибудь изменить.

Новый проект назвали SCORE (Stove for Cooking, Refrigeration and Electricity) – печь для готовки, охлаждения и получения электричества. Самое интересное, что комбайн основан на технологии термоакустических преобразователей, которые до сих пор использовались лишь в космосе или в военных целях для охлаждение электроники или генерации электроэнергии. Эти передовые технологии, надеются авторы проекта, позволят создать простое устройство почти без движущихся частей и не требующее обслуживания, цена которого (30–40 долларов) будет на порядок меньше, чем у электрогенераторов такой же мощности.

Демонстрационная модель печи SCORE для готовки, охлаждения и получения электричества

По-видимому, первыми с термоакустикой столкнулись стеклодувы, еще в XIX веке. Они иногда слышали чистый звук, издаваемый неравномерно нагретыми сосудами. Тогда же эффект генерации звука при наличии перепада температур был изучен и описан в трудах классиков науки. Но на практике с термоакустической неустойчивостью серьезно начали работать лишь в середине прошлого века создатели ракетных двигателей, в соплах которых большие перепады температур приводили к самовозбуждению звуковых колебаний, способных разрушить всю конструкцию. И лишь в 80-х годах было осознано, что можно использовать и обратный эффект перекачки тепла звуковыми волнами. На основе термоакустического эффекта стали разрабатывать тепловые насосы, то есть холодильники для спутников и радаров. Возник интерес и к термоакустическим генераторам электроэнергии.

Механизм работы термоакустического устройства легче всего понять на примере теплового насоса. В простейшем случае он состоит из настроенной в резонанс со звуковыми колебаниями трубы, в которую помещен кусок пористой керамики или пучок параллельных заполненных газом тонких трубок. С одной стороны трубы помещают динамик, похожий на тот, что используют в звуковых колонках. В возбуждаемых динамиком стоячих звуковых волнах газ колеблется взад и вперед, нагреваясь при сжатии и охлаждаясь при расширении. Этот перепад температур мал – всего две сотые градуса даже для громкого звука на болевом пороге нашего слуха (120 децибел). Но если правильно подобрать материал и размеры трубок, этого оказывается достаточно, чтобы обменивающийся с ними теплом газ создал в пучке необходимый градиент температуры.

Точно так же, но в противоположном направлении работает и термоакустический генератор, в котором звуковые колебания возникают при поддержании перепада температур в пучке трубок. А уже эти звуковые колебания нетрудно превратить в электрический ток с помощью того же динамика, который будет работать как микрофон, то есть линейный электрогенератор.

Первые термоакустические холодильники и генераторы были примерно вдвое менее эффективны, чем обычные компрессорные холодильники и двигатели внутреннего сгорания. Однако постоянное совершенствование их конструкции позволило ликвидировать отставание, а в некоторых случаях даже добиться эффективности около 40 %.

В «кухонном комбайне» для развивающихся стран будет два пучка трубок и один динамик между ними в общей трубе-резонаторе, которая конструктивно соединена с плитой. Горящие дрова одновременно с кастрюлями и сковородами будут нагревать один из концов первого пучка – в нем возникнут звуковые колебания с частотой, по предварительным расчетам, около 50 Гц. Эти звуковые колебания будут раскачивать генерирующий электричество динамик и создавать перепад температур во втором пучке, работающем как холодильник. Конструкция гениально проста, и будем надеяться, что она действительно окажется эффективной.

Однако не очень понятно, станет ли хорошая хозяйка в жаркой Африке день и ночь что-то жечь, чтобы работал ее холодильник. Впрочем, до конца этого проекта, как уже говорилось, еще пять лет. Так что за это время многое может измениться, включая и саму концепцию устройства.

Например, в дополнение к этому устройству как бы сама собой напрашивается панель с фотоэлементами, которая может питать тот же холодильник, телевизор, ноутбук или иной электроагрегат в то время, когда чудо-печь не будет топиться. Уж чего-чего, а солнечного света в жарких странах всегда предостаточно.