Авторы изобретения – профессор Харьковского физико-технического института НАН Украины Станислав Бондаренко, а также ученые Харьковского Национального автодорожного университета – профессор Александр Пятак и доцент Игорь Кудрявцев. Участие в проекте также принимало несколько научных сотрудников ряда лабораторий ХНАДУ.

Новая модель, по словам ученых, должна стать прототипом отечественного городского криомобиля, используемого, в том числе, как маршрутное такси. Причем изготовить его технически гораздо проще, чем электромобиль или, скажем, водородный автомобиль, идея создания которого ныне так популярна на Западе. Уровень шума при движении криомобиля вполовину ниже обычного. Что любопытно: его выхлопы представляют собой чистый азот. В то время как обычный автомобиль, по свидетельству специалистов, сжигает тысячи литров кислорода и выбрасывает в атмосферу отравляющие вещества, которые скапливаются близ поверхности земли и поэтому особенно опасны для детей.

«Азотный» автомобиль имеет большие перспективы. Дело в том, что доля азота в атмосфере составляет 78% и запасы его практически неисчерпаемы. Кроме того, отечественные металлургические предприятия, превращая азот в жидкое состояние, нигде его не используют и попросту выкидывают. Создатели криомобиля считают, что в будущем эти организации смогут торговать азотом.
 
Подобное топливо также можно получать, используя дешевую электроэнергию ГЭС и АЭС. Согласно американским данным, на производство 1 кг жидкого азота необходимо 0,44 кВт электроэнергии, а на 1 кг бензина – 5 кВт. Кроме того, такой транспорт может решить проблему ограниченности ресурсов углеводородного топлива и зависимости от поставщиков и производителей нефти и газа, а это принципиально важно для Украины, у которой своих нефтяных ресурсов немного.

Если же говорить об экологической безопасности, то за счет силовой установки криомобиля, в которой азот нагревается до температуры окружающей среды, снижается парниковый эффект. Такой автомобиль, по мнению ученых, может успешно использоваться в мегаполисах, где воздух сильно загазован, а также в курортных городах.

Уже сегодня можно говорить об экономической выгоде криомобиля. Азотное топливо будет стоить в 12 раз дешевле, чем бензин за счет уменьшения затрат на электроэнергию при его производстве. Ученые ХНАДУ рассчитали, что коэффициент полезного действия (КПД) пневматического двигателя может достигать 50-60%. И это при том, что городское движение с частыми разгонами, остановками и работой двигателя на холостом ходу снижает КПД двигателя внутреннего сгорания до 10-20%.

По словам заведующего лабораторией криогенной и пневматической техники ХНАДУ Игоря Кудрявцева, если учесть три фактора – затраты энергии на производство топлива, КПД в городском движении мегаполисов, где скорость автомобиля не превышает 60 км/ч, и энергоемкость топлива, то по материальным затратам криомобиль ничуть не уступает традиционным авто. Однако если вспомнить об экологической безопасности, то экономический эффект от эксплуатации криомобиля сразу же увеличивается. К тому же его производство будет стоить гораздо дешевле.

– Для этой машины не нужна коробка передач. Пневмодвигатель может работать непосредственно с трансмиссией колес без дополнительных механизмов, силовая установка проще и дешевле, – объясняет Кудрявцев. – Если запустить криомобиль в серийное производство, то на Западе его стоимость не будет превышать $10 000. А у нас – чуть ниже.

Себестоимость такого автомобиля в 1,5-2 раза ниже электромобиля и в десятки раз – водородного. Все детали силовой установки могут производиться в Украине, в частности на Харьковщине. А это еще и престиж нашей державы, которая не является ведущей автомобильной страной.

Как известно, автотранспорт с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) на сегодня является главным загрязнителем атмосферы крупных городов. В Украине «вклад» автотранспорта в общее загрязнение воздуха составляет: для Киева – до 78%, для Одессы – до 62%, для Харькова – до 68%. В густонаселенных районах США, Японии, стран Европы эта проблема стоит настолько остро, что назрела необходимость внедрения автотранспорта с малыми или нулевыми выбросами вредных веществ. К примеру, в США в штате Калифорния принята программа (LEV), предусматривающая, начиная с 2003 года, производство 10% экологически чистых автомобилей (с нулевой эмиссией) от общего их числа на каждом автомобильном заводе штата (примерно 110 000 автомобилей в год).

В последнее время наблюдаются и другие существенные проблемы, связанные с эксплуатацией традиционного транспорта с двигателями внутреннего сгорания, – глобальное потепление климата на планете, угрожающее таянием льдов на полюсах и затоплением обширных территорий, растущая стоимость добычи и транспортировки нефти и природного газа, ограниченные их запасы (по научным прогнозам, этих запасов осталось менее чем на 70 лет), экономическая зависимость некоторых государств от стран-экспортеров топлива.

Поиск путей создания экологически чистого транспорта, использующего альтернативные источники энергии, привел в последние несколько лет к разработке в США первых образцов криогенных (низкотемпературных) автомобилей и стимулировал их исследования в Украине.

Энергию для движения они получают за счет так называемой «конверсии холода», запасенного в криогенных аккумуляторах. Такой аккумулятор представляет собой бак-криостат с жидким (при температуре около 200 °С) негорючим азотом. Сжиженный азот получают на специальных воздухоразделительных установках из окружающей атмосферы.

Особенностью криогенных газов является их способность кипеть при температуре окружающей среды, т. е. создавать пар, в том числе высокого давления. Пар подогревается в теплообменном устройстве и подается в пневматический двигатель. В этой части такой автомобиль похож на паровой, известный с начала века, с той разницей, что для производства пара не требуется топлива. Энергия для парообразования берется из окружающей среды. 
 
В жидком состоянии азот может храниться при нормальном атмосферном давлении, не требует применения тяжелых баллонов высокого давления и занимает достаточно малый объем.

К настоящему времени в двух университетах США – университете штата Северный Техас и Вашингтонском университете созданы экспериментальные образцы криоавтомобилей, способные вмещать 124 л жидкого азота.

Полная масса снаряженного автомобиля составляет 700 кг. В силовой установке используется пневмодвигатель мощностью 13 кВт, работающий на давлении порядка 10 атм. Автомобиль содержит два параллельных теплообменника для нагревания азота до температуры окружающей среды (0 °С). Испытания показали, что максимальная скорость такого криоавтомобиля составляет 58 км/ч при дальности пробега на одной заправке до 24 км. Стоит отметить, что экспериментальный образец строился впервые для демонстрации принципиальной возможности создания криоавтомобиля на жидком азоте, разработан с применением пневмодвигателя низкого давления и имеет далеко не оптимальную конструкцию. Однако даже при таких условиях характеристики автомобиля оказались вполне приемлемыми для городского цикла езды.

Вместе с тем сейчас в университете штата Северный Техас (США) разрабатывается пожаробезопасный азотный криоавтомобиль для работ на территории космодрома им. Кеннеди во Флориде. А в ближайшее время планируется создать криоавтомобиль (UNT Goals), позволяющий развивать скорость до 100 км/ч при дальности пробега до 240 км на одной заправке жидкого азота.

Как уже говорилось, основное преимущество криоавтомобиля – его абсолютная экологическая чистота, поскольку он использует в качестве рабочего тела безвредный и химически нейтральный газ азот, являющийся основным компонентом нашей атмосферы. Азот извлекается из атмосферы для ожижения и возвращается в атмосферу после завершения рабочего цикла в двигательной установке криоавтомобиля. При этом температура азота не превосходит температуры окружающей среды на любом из участков рабочего цикла, что исключает образование вредных окислов азота. 
 
Расчеты показывают, что при изотермическом рабочем цикле может быть получена механическая работа до 0,4 МДж на каждый килограмм жидкого азота (или около 100 Вт/ч на килограмм). Эта величина в несколько раз больше, чем у современных электрохимических аккумуляторов, применяемых в электромобилях, хотя и существенно уступает (приблизительно в 20 раз) энергоемкости ДВС. Однако если учесть относительно низкую стоимость 1 кг жидкого азота по сравнению со стоимостью 1 кг бензина (к примеру, в США жидкий азот в 10 раз дешевле) и вред, наносимый человеку и природе сжиганием углеводородного топлива, то использование криогенных источников энергии с пневмодвигателем уже сейчас является экономически оправданным.

Стоит учесть, что помимо всего прочего, криоавтомобиль является пожаробезопасным видом транспорта, а это может обусловить, кроме обычных, ряд его специфических применений – в шахтах, на пожароопасных предприятиях, в нефтегазовой и оборонной промышленности. Кроме того, такой автомобиль мог бы служить прекрасным, а главное безопасным тренажером для обучения вождению в школах, техникумах и вузах.

Следует отметить еще одно преимущество бортового криоаккумулятора – жидкого азота. Его наличие в автомобиле позволяет перейти к практическому применению высокотемпературных сверхпроводниковых устройств – электромоторов, электрогенераторов, магнитных подшипников, а также индукционных накопителей энергии (SMES). Это может резко повысить КПД двигательной установки и автомобиля в целом.

В частности, по имеющимся сообщениям, некоторые немецкие фирмы уже сегодня разрабатывают магнитные сверхпроводниковые подшипники (трение в них полностью отсутствует) для современных автомобилей. Отличительной особенностью этих подшипников является возможность осуществления пространственной пассивной магнитной подвески без использования активных корректирующих элементов. Первые образцы таких подшипников уже созданы.

Кроме пневмодвигателя с криоаккумулятором, возможны и прорабатываются еще два типа энергоустановок для экологически чистого автомобиля – скоростной маховик на магнитных сверхпроводниковых подшипниках и индукционный сверхпроводниковый накопитель с электромоторными приводами на колеса автомобиля. Оба типа установок существенным образом используют открытое в конце 80-х годов явление высокотемпературной сверхпроводимости, существующей при температурах жидкого азота.

В перспективе эффективность новых криоавтомобилей предполагается повысить путем объединения двух типов двигателей – пневмодвигателя и инерционного маховика, используемого в качестве рекуператора механической энергии.

Более низкая удельная энергоемкость криогенного пневмодвигателя по сравнению с двигателем внутреннего сгорания приводит к необходимости иметь на автомобиле большую массу рабочего тела (например, 200-400 кг) и более часто производить дозаправку в ходе эксплуатации. При этом скорость заправки может быть сопоставимой с таковой для бензина. Конечно, обслуживание криоавтомобилей потребует создания сети азотозаправочных станций, которые, однако, даже в густонаселенных городах не будут наносить экологического ущерба.

Как показывает проведенный учеными анализ, развитие экологически чистого автомобилестроения на базе криогенных технологий является перспективным и экономически оправданным направлением. Успешное применение криоавтомобилей позволит решить ряд серьезных экологических, энергетических и транспортных проблем Украины и других индустриально развитых государств.