Гиперавтомобили

Отраслью экодизайна, имеющей особенно далеко идущие последствия для промышленности, могло бы стать реконструирование автомобилей. Как это и принято в экодизайне, началось оно с анализа неэффективности существующих моделей, затем последовал длительный поиск системных и экологически ориентированных решений, и в конце концов были выработаны конструкторские идеи — столь радикальные, что они могут до неузнаваемости изменить существующую автомобильную промышленность и существенно затронуть смежные с ней нефтяную, сталелитейную и электроэнергетическую отрасли.

Как и многие другие детища промышленной конструкторской мысли, современный автомобиль поразительно неэффективен [87]. На вращение колес идет всего 20 % энергии сгорания топлива, тогда как остальные 80 % теряются на нагрев двигателя и при выхлопе. Мало того, 95 % все-таки используемой энергии двигают автомобиль, и только 5 % — водителя. Конечная эффективность, то есть доля энергии горючего, идущая на перемещение водителя, составляет 5 % от 20 % — всего один процент!

В начале 1990-х годов физик и специалист по энергетике Эймори Лавинз и его коллеги из Института Скалистых гор предприняли попытку полного перепроектирования нынешнего чрезвычайно неэффективного автомобиля путем объединения ранее возникших идей в комплексную разработку, названную ими «гиперавтомобилем». Конструкция гиперавтомобиля объединяет в себе три ключевые характеристики. Эти машины являются сверхлегкими — они весят в два-три раза меньше обычного стального автомобиля. У них прекрасные аэродинамические качества — потери на сопротивление воздуха ниже в несколько раз. Наконец, гиперавтомобили оснащены «гибридно-электрическим» приводом, где электродвигатель скомбинирован с топливным электрогенератором.

Объединение этих трех характеристик в одной конструкции позволяет сэкономить по меньшей мере 70-80% горючего по сравнению с обычным автомобилем, притом что такая машина более безопасна и комфортабельна. Концепция гиперавтомобиля позволяет достичь и еще целого ряда поразительных эффектов, обещающих произвести переворот не только в автомобилестроении, но и вообще в промышленном конструировании [88].

Отправной точкой этой концепции является необходимость снизить мощность, затрачиваемую на передвижение самой машины. Поскольку в стандартном автомобиле на вращение колес уходит всего 20 % энергии горючего, любая экономия мощности здесь приведет к пятикратному уменьшению расхода топлива. В гиперавтомобиле такая экономия достигается за счет облегчения автомобиля и улучшения его аэродинамических качеств. Вместо традиционной стали для изготовления кузова используются специальные пластмассы, армированные прочными углеродными волокнами. Такие материалы допускают чрезвычайно гибкий конструкторский подход, благодаря чему вес кузова автомобиля удается снизить наполовину. Примененные в гиперавтомобилях несложные обтекатели, кроме того, на 40-60 % снижают сопротивление воздуха, не ограничивая при этом возможностей дизайна. В общей сложности такие новшества позволяют снизить мощность, затрачиваемую на перемещение автомобиля, как минимум наполовину.

Существенное снижение веса кузова приводит к целому ряду вторичных эффектов, многие из которых позволяют облегчить автомобиль еще больше. Легкий кузов — это более легкая подвеска, меньший по размерам двигатель, меньшие тормоза и меньший расход топлива. Более того, некоторые из компонентов в этом случае оказываются не нужными вовсе. Сверхлегкий автомобиль вполне может обойтись без усилителей руля и тормозов. Гибридно-электрический привод не нуждается в сцеплении, трансмиссии, ведущем вале — все это способствует дальнейшему облегчению машины.

Новые волоконные композиты являются не только сверхлегкими, но и чрезвычайно прочными. Они способны поглотить в пять раз больше энергии на единицу веса, чем сталь. Это, безусловно, важнейшая составляющая безопасности. Технологии, позаимствованные из производства гоночных автомобилей (также весьма легких и безопасных), позволяют гиперавтомобилям эффективно рассеивать энергию удара при столкновении. Это делает их более безопасными не только для своих владельцев, но и для пассажиров тех машин, с которыми им случится столкнуться.

Различия в физических свойствах стали и волоконных композитов существенным образом сказываются не только на конструкции и поведении гиперавтомобилей, но и на их производстве, распространении и обслуживании. Несмотря на то что углепластики дороже стали, процесс производства из них автомобильных кузовов более экономичен. Стальной корпус необходимо отштамповать, сварить и покрасить, а углепластиковый отливается целиком и не требует отделки. Это снижает затраты на обработку почти на 90 %. Упрощается и сборка автомобиля, ведь углепластиковые детали значительно легче и не требуют никаких подъемных устройств. А добавление красителя прямо в отливочную форму позволяет избежать покраски — наиболее дорогой и грязной процедуры в автомобильном производстве.

Многочисленные достоинства волоконных композитов проявляются наиболее полно, если разработкой заняты небольшие конструкторские коллективы, если автомобили выпускаются малыми, едва покрывающими затраты партиями, на предприятиях полного производственного цикла. Все это характерно и для экодизайна в целом. По сравнению с обычными стальными автомобилями существенно упрощается и обслуживание, поскольку гиперавтомобили не содержат многих из традиционно недолговечных механических узлов. Нержавеющие, не подверженные усталости и практически недеформируемые композитные кузова служат десятилетиями, после чего могут быть переработаны.

Еще одним ключевым новшеством является гибридно-электрический двигатель. Как и другие электромобили, гиперавтомобили оснащены эффективным электромотором, который вращает их колеса. Они также способны преобразовывать энергию торможения обратно в электричество, что приводит к дополнительной экономии. Но в отличие от обычных электромобилей, они лишены аккумуляторов, которые все еще громоздки и дороги. Электричество в гиперавтомобилях вырабатывается небольшим двигателем внутреннего сгорания, турбиной или топливным элементом. Такие гибридные системы компактны и, не будучи непосредственно соединены с колесами, все время работают в оптимальном для них режиме, что еще больше снижает расход топлива.

В гибридных автомобилях применяется бензин или какой-либо из множества более чистых его заменителей — например, топлива, производимые из биомассы. Самым чистым, эффективным и элегантным способом энергопитания гибридного автомобиля было бы использование водородных топливных элементов. Такая машина оказалась бы не только бесшумной и не загрязняющей атмосферу, но и представляла бы собой, по существу, мини-электростанцию на колесах. Это, пожалуй, наиболее замечательный и далеко идущий аспект концепции гиперавтомобиля. Пока автомобиль находится на стоянке у дома или места работы владельца — иными словами, большую часть времени, — вырабатываемое им электричество могло бы поступать в общую сеть, автоматически принося хозяину дополнительный доход. По оценкам Эймори Лавинза, такое массовое производство электричества вскоре могло бы сделать невыгодными все угольные и ядерные электростанции. Действительно, если бы все автомобили США работали на водороде, совокупная мощность их генераторов превысила бы мощность национальной энергосистемы в 5-10 раз. Это позволило бы отказаться от всей той нефти, которую продают сегодня страны ОПЕК, и снизить выбросы углекислого газа в США примерно на две трети [89].

Разработав в начале 90-х концепцию гиперавтомобиля, Лавинз собрал в Институте Скалистых гор коллектив инженеров для ее осуществления. В последующие годы эта группа опубликовала множество специальных статей, за которыми в 1996 году последовал объемистый доклад «Гиперавтомобили: материалы, производство и стратегии» [90]. Чтобы способствовать конкуренции производителей автомобилей, авторы доклада опубликовали его открыто и публично ознакомили с его идеями пару десятков ведущих автомобильных компаний. Такая необычная стратегия спровоцировала яростную конкуренцию по всему миру. Первыми гибридные бензиново-электрические автомобили предложили «Тойота» и «Хонда» — пятиместную «тойоту-приус» и двухместную «хонду-инсайт». Аналогичные модели, достигающие топливной эффективности в 72-S0 миль на галлоне[45], прошли испытания и запускаются в производство концернами «Дженерал Моторс», «Форд» и «Даймлер-Крайслер». В Европе уже продается модель «фольксвагена», делающая на галлоне 78 миль, а к 2003 году компания планирует выйти на американский рынок с автомобилем, у которого этот показатель равен 235[46] (!). Восемь ведущих компаний также планируют начать в 2003— 2005 году производство автомобилей на топливных элементах [91].

Чтобы еще больше подстегнуть конкуренцию в этой области, Институт Скалистых гор образовал дочернюю компанию «Гиперкар Ин-корпорейтед» для проектирования первого в мире полноценного сверхэффективного и технологичного гиперавтомобиля [92]. Разработка его прототипа была закончена к ноябрю 2000 года; спустя два месяца газета «Уолл-стрит джорнэл» посвятила ему передовую статью [93]. Это будет просторный, практически бесшумный и экологически чистый спортивно-универсальный автомобиль средних размеров с топливной эффективностью в 99 миль на галлоне (около 2, 4 литра на 100 км) и радиусом действия в 330 миль. Он будет работать на электричестве, вырабатываемом в топливном элементе из 7, 5 фунтов (около 3, 4 кг) водорода, помещенных в баллоны повышенной безопасности [94]. Конструкция автомобиля удовлетворяет строжайшим промышленным стандартам и требованию 200 тысяч миль гарантированного пробега. К концу 2002 года Лавинз и его коллеги надеются выпустить множество прототипов машины. Если им это удастся, концепция гиперавтомобиля станет коммерческой реальностью.

Автомобильная революция уже не за горами. Как только находящиеся сейчас в производстве модели появятся в выставочных залах ведущих компаний, люди станут покупать их не столько из-за желания сэкономить энергию и избежать ущерба природе, сколько по той простой причине, что эти сверхлегкие, безопасные, чистые, бесшумные и высокоэффективные машины будут лучше других автомобилей. Люди предпочтут их точно так же, как предпочли компьютеры пишущим машинкам и компакт-диски виниловым пластинкам. В конце концов из стальных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания на наших дорогах останутся только немногочисленные почтенные «ягуары», «порше», «альфа-ромео» и тому подобные классические спортивные автомобили.

Поскольку автомобильная и связанная с ней нефтяная отрасли являются крупнейшими в мире, вызванная гиперавтомобилем революция окажет глубочайшее воздействие на промышленное производство в целом. Гиперавтомобили — это идеальный движитель пропагандируемой экодизайнерами экономики услуг и потоков. С появлением необходимой водородной инфраструктуры эти машины, вполне возможно, будут не продаваться, а сдаваться в аренду, а их поддающиеся переработке компоненты станут циркулировать в замкнутом цикле с тщательным контролем и постоянным снижением вредных выбросов. Фундаментальный переход от стали к углепластикам и от бензина к водороду в конце концов приведет к тому, что место нынешних сталелитейной, бензиновой и связанных с ними отраслей займут кардинально иные экологически мягкие и устойчивые производственные процессы.