Морские баржи и воздушные змеи

Едва речь заходит о парниковом эффекте и глобальном потеплении, многие склонны возлагать вину за экологические беды на автомобиль. На самом же деле, на автомобили – причём не только на легковые с их катализаторами и всё более экономичными двигателями, но и на грузовики, – приходится ничтожная доля объёма эмиссии углекислого газа по сравнению с... торговым флотом. Глядя на бесконечные вереницы большегрузных фур на автотрассах и на многокилометровые пробки, в это трудно поверить, и всё же это факт: мировой товарооборот на 98 процентов осуществляется водным путём. Ежегодно весь этот флот расходует ни много ни мало 300 миллионов тонн горючего. Понятно, что сжигание такого количества топлива сопровождается весьма значительной эмиссией парниковых газов и что любая идея, направленная на создание экономичного и экологичного судового привода, способного составить конкуренцию дизелям, будет принята «на ура». Наверное, самая необычная из всех идей такого рода пришла в голову инженеру из Гамбурга Штефану Враге (Stephan Wrage). Вернее, сама идея – использовать силу ветра – стара как мир, но вот её практическая реализация действительно вызывает изумление и даже недоверие: изобретатель сделал ставку не на паруса, а на воздушного змея. На днях прототип такой конструкция прошёл первые натурные испытания в Висмарской бухте в Балтийском море:

Обратный отсчёт: Три – два – один - пуск!

Экипажу в составе главного конструктора Томаса Майера (Thomas Meyer) и штурмана Йоханнеса Бёма (Johannes Böhm) запуск воздушного змея с борта модельного судна «Галилей» явно доставил немало удовольствия. Однако то, что зрителю со стороны может показаться просто весёлой забавой, на самом деле – вполне серьёзная техническая разработка, защищённая патентами и обладающая, судя по всему, значительным экономическим и экологическим потенциалом. По крайней мере, в ходе испытаний воздушный змей площадью всего в 5 квадратных метров вполне успешно буксировал 8-метровую модель среднетоннажного контейнеровоза в масштабе 1:20. Для Штефана Враге – инициатора проекта, вложившего в него несколько лет упорного труда и немало собственных средств, – эти испытания знаменуют осуществление давней мечты:

Сегодня мы доказали, что привод, основанный на тяге воздушного змея – мы назвали его SkySails, – позволяет вдвое уменьшить расход дизельного топлива морскими судами и при этом увеличить их скорость на 10 процентов.

По замыслу инженера Враге, эти его «небесные паруса», то есть воздушные змеи-буксировщики, должны будут запускаться на высоту до полукилометра. В принципе всё это живо напоминает один из экстремальных видов спорта – кайт-серфинг, то есть скольжение по водной поверхности на доске за змеем. Разница в масштабах: грузовые суда имеют водоизмещение в несколько тысяч тонн, змеи-буксировщики по площади не уступают футбольному полю. Изобретатель уже разработал несколько модификаций змеев для судов самых разных типов, размеров и назначений. Штефан Враге не без гордости перечисляет достоинства своей конструкции:

Преимущества нашей системы – по сравнению с традиционными парусами – сводятся к следующему: во-первых, мы имеем гораздо большую тягу, потому что можем поднять змея на высоту от ста до пятисот метров, а там ветры сильнее и дуют всегда; во-вторых, наша система обеспечивает высокий уровень безопасности, поскольку исключает сильный крен судна; ну и, в-третьих, наша система позволяет обойтись без мачт – обязательного атрибута любого парусника, – что также очень важно, ведь мачты серьёзно затрудняют проведение погрузочно-разгрузочных работ в порту, поскольку являются помехой для кранов. Благодаря этим трём преимуществам и достигается высокая экономичность системы.

Согласно расчётам Штефана Враге, широкое внедрение змеев-буксировщиков в практику морских перевозок позволит ежегодно экономить дизельного топлива на сумму свыше 10-ти миллиардов евро. Кроме того, в наши дни, когда начинает набирать обороты торговля квотами на эмиссию парниковых газов, экономия ископаемых энергоресурсов и сама по себе становится выгодной для пароходств. Ведь согласно расчётам, выполненным профессором Джеймсом Корбеттом (James Corbett) из Колледжа морских исследований при Делавэрском университете, те 88 тысяч коммерческих судов, что бороздят сегодня просторы мирового океана, ежегодно выбрасывают в атмосферу ровно столько же вредных веществ, сколько все Соединённые Штаты Америки. Однако прежде, чем привод Штефана Враге получит широкое признание, не говоря уже о распространении, его создателям предстоит решить ещё немало сложных задач:

К технологическим трудностям следует отнести поиск оптимальной формы змея. Она должна обеспечивать, с одной стороны, высокую тягу, а с другой – управляемость. Ну, и саму систему управлению нужно оптимизировать. Конечно, это будет дистанционное электромеханическое управление, а не ручное, как в детском воздушном змее.

Впрочем, между детским змеем и змеем-буксировщиком, разработанным Штефаном Враге, есть и другие существенные различия:

Во-первых, мы используем один-единственный тяговый трос, которым змей и связан с судном. Во-вторых, наш змей забрасывается в высоту специальной пневматической пушкой. В-третьих, под змеем расположена подвесная гондола, а в ней установлены двигатели, регулирующие натяжение канатов, которыми и управляется змей. Команды двигателям в гондоле даёт компьютер, причём дистанционно. То есть он может самостоятельно, в автоматизированном режиме, управлять движением судна. Опираясь на данные, поставляемые спутниковой радионавигационной системой, он сам проложит оптимальный курс и, словно автопилот, проведёт этим курсом судно.

Оптимизм разработчикам внушает и универсальность их системы, то есть тот факт, что она может быть использована практически на всех традиционных морских линиях. Главный конструктор Томас Майер поясняет:

Исторически морские торговые пути прокладывались с учётом направления ветров. Несколько упрощая, можно сказать так: куда ветер дул, туда и груз везли. А там и порты возникли, и вся прочая инфраструктура. Так что наша система может уже сегодня быть внедрена на 80-ти процентах стандартных морских путей.

Разработчики мечтают о том, чтобы оборудовать своими системами 40 тысяч грузовых судов, то есть почти половину всего мирового торгового флота, а заодно и 250 крупных яхт. Штефан Враге уже инвестировал в свой проект З миллиона евро. И смотрит в будущее с оптимизмом.

Другое, гораздо более масштабное начинание, также продиктованное заботой об окружающей среде, связано с переводом автотранспорта на водород в качестве горючего. Главное преимущество водорода состоит в том, что при его сжигании не образуется углекислый газ. Автомобилестроители ведут работы в этом направлении уже давно, многие технические решения не только с успехом прошли испытания, но и применяются на практике. Однако сегодня некоторые специалисты склонны видеть в водороде потенциальную альтернативу не только бензину или дизельному топливу, но и авиационному керосину. Поскольку самолёты выбрасывают в атмосферу свои выхлопные газы, содержащие массу вредных веществ, непосредственно на больших высотах, а объём пассажирских перевозок непрерывно растёт, экологичное горючее было бы весьма кстати и в гражданской авиации. Озаботившись этой тематикой, Европейская комиссия постановила изучить вопрос о том, насколько реален в обозримом будущем такой переход. И вот недавно группа экспертов опубликовала свой отчёт по проекту, получившему название «Cryoplane», то есть «Криоплан», что может быть переведено как «ледяной самолёт». Название легко объяснимо: водород переходит в жидкую фазу при температуре чуть ниже минус 250-ти градусов Цельсия. Именно до этой температуры газообразный водород и придётся охлаждать, чтобы использовать в жидком состоянии вместо авиационного керосина. Учёный-климатолог Михаэль Понатер (Michael Ponater), научный сотрудник Института физики атмосферы при Немецком аэрокосмическом центре в Оберпфаффенхофене, считает эту идею интересной и перспективной, но полагает, что до её реализации ещё очень далеко:

Представление, будто теперь можно будет просто вместо керосина заливать в топливные баки жидкий водород, а всё остальное останется неизменным, – это чистая иллюзия. Такой самолёт будет весьма существенно отличаться от тех, что эксплуатируются сегодня, то есть нам его придётся проектировать и конструировать заново.

Михаэль Понатер объясняет, в чём состоят эти отличия:

Даже чисто внешне такой самолёт будет выглядеть совершенно иначе. Ведь объём заправляемого топлива – в случае перехода на водородную технологию – резко возрастёт. Значит, понадобятся более вместительные баки, пропорции самолёта изменятся, изменятся и его аэродинамические характеристики. Но и это ещё не всё: неминуемо должны будут измениться и наземные службы, вся инфраструктура. Заправка самолётов водородом будет происходить иначе, подвоз горючего потребует другой логистики и другого оборудования. Короче говоря, подобный проект немыслим без колоссальных капиталовложений и огромного напряжения сил.

И, тем не менее, эти гигантские инвестиции средств и труда могут себя окупить – по крайней мере, в том, что касается экологического аспекта проблемы. Михаэль Понатер и его коллеги из Немецкого аэрокосмического центра, принимавшие участие в проведении исследования по заказу Еврокомиссии и в составлении отчёта, пришли к следующему заключению:

Эксплуатация самолётов с водородом в качестве авиатоплива позволила бы к 2050-му году снизить парниковый эффект на 20 процентов по сравнению с тем уровнем, которого он достиг бы, если бы тот же самый авиапарк продолжал летать на керосине.

Конечно, подобные прогнозы следует воспринимать с осторожностью: кто же может с уверенностью сказать, как будет выглядеть гражданская авиация через почти полвека! Да что там авиация, и любые другие аспекты нашей жизни вряд ли могут быть надёжно предсказаны на столь отдалённую перспективу. Тем не менее, Михаэль Понатер и его коллеги опирались в своей оценке на допущения, которые можно считать вполне реалистичными. Во-первых, учёные исходили из того, что отказ от авиационного керосина и переход на водородную технологию начнётся в 2015-м году; во-вторых, они предположили, что темпы роста объёмов авиаперевозок, составляющие сегодня в среднем 5 процентов в год, сохранятся и на весь прогнозируемый период. Конечно, снижение парникового эффекта на 20 процентов – на первый взгляд, не такое уж сенсационное достижение. Скорее уж наоборот: возникают сомнения, а стоит ли прилагать такие невероятные усилия ради столь скромного результата. Однако, по мнению экспертов, следует иметь в виду, что переход на водородную технологию, который должен начаться в 2015-м году, к 2050-му году ещё не завершится, то есть далеко не все самолёты и не во всех странах мира будут к середине века экологически чистыми. Кроме того, парниковые газы, образовавшиеся в процессе сжигании керосина, будут продолжать оказывать своё разрушительное воздействие на природу ещё долго после того, как авиация перейдёт на водородную технологию. Наблюдения показали, что каждая такая молекула углекислого газа пребывает в атмосфере в среднем около ста лет, негативно влияя на климат. Поэтому Михаэль Понатер уверен, что 20-ю процентами к 2050-му году дело не ограничится и что процесс оздоровления климата продолжится:

Если бы мне пришлось оценивать уровень снижения парникового эффекта в 2100-м году, я бы назвал, конечно, гораздо более внушительную цифру.

Впрочем, не следует забывать и о том, что с чисто научной точки зрения здесь тоже пока далеко не всё ясно. Коллега Понатера – Роберт Заузен (Robert Sausen) – поясняет:

У самолётов с двигателями на водороде в выхлопных газах при той же самой температуре содержится больше водяных паров, а это существенно повышает вероятность образования конденсационного следа.

Проблема же в том, что такие конденсационные следы при определённых обстоятельствах могут усиливать парниковый эффект. А потому эксперты не готовы полностью исключить и совсем уж печальный вариант, хоть и считают его маловероятным: переход авиации с керосина на водород вместо ожидаемого оздоровления климата может ускорить глобальное потепление. Сказать со всей определённостью, что же всё-таки произойдёт на самом деле, учёные пока не в состоянии, – признаёт Роберт Заузен:

Для этого нужно такой самолёт построить, заправить водородом и пустить летать. Тогда в ходе натурных испытаний можно будет такого рода эффекты наблюдать, регистрировать, измерять. А воспроизвести все эти процессы в лаборатории просто нереально.

Это заявление вполне можно истолковать как призыв построить и испытать прототип такого самолёта. И действительно, проекты подобного рода сейчас рассматриваются – в частности, европейской авиастроительной компанией «Airbus». Пока, правда, решение о проектировании самолёта с двигателями на водороде не принято. Но если это произойдёт, то разработка будет, скорее всего, осуществляться совместно с Россией. Там ещё в 1988-м году был выполнен первый полёт экспериментального самолёта «Ту-155» с двигателем, работающим на жидком водороде. Активно велась работа и над проектом «Ту-160В» – модификацией стратегического бомбардировщика «Ту-160» с силовой установкой на водороде. Да и сегодня на вооружении российских ВВС имеются самолёты со вспомогательными двигателями аналогичной конструкции.