Inginerii chinezi au reuşit să creeze un nou motor termoacustic Stirling, pentru un submarin silenţios non-nuclear

Inginerii chinezi au anunţat depăşirea unei bariere importante, considerate anterior puţin probabile, prin care au creat un nou motor termoacustic Stirling suficient de puternic şi viabil, încât să poată fi folosit pentru submarinele silenţioase non-nucleare. Desigur un motor ultra silenţios ar face ca aceste submarine să fie mult mai greu de detectat.

Ce sunt motoarele Stirling şi în ce constă ingineria noului motor elaborat de chinezi? Acest tip de motoare a fost inventat demult drept un concurent pentru motoarele cu abur şi au la bază ideea de a transforma căldura în mişcare. Există un recipient de gaz în camera principală a motorului, dar acest gaz nu trece prin combustie şi nu părăseşte niciodată motorul. La încălzirea sa, gazul îşi creşte presiunea şi împinge un piston, după care, o dată cu dilatarea bruscă, îşi scade temperatura şi pistonul revine înapoi. Apoi gazul trece printr-un nou ciclu de recepţionare a căldurii, împingere a unui piston, expansiune şi răcire. Aici poate exista o mică analogie cu lichidul refrigerant dintr-un aparat de aer condiţionat sau o pompă de căldură, care se răceşte brusc când se deschide valva de expansiune, apoi acelaşi lichid trece prin vaporizare şi compresie la presiune. Nu e o analogie directă, ci doar pentru a înţelege cu poate avea loc răcirea rapidă a gazului din interior.

Ideea e că acest ciclu poate fi repetat de mai mult ori pe secundă la motoarele Stirling, iar acel piston în mişcare transformă acest efect fizic în mişcare mecanică de împingere a unui arbore cotit. Pentru că în interior camerei principale nu are loc combustie, sunetul rezultat al motorului e unul excepţional de mic, iar dacă şi pistonul mai e construit cu rulmenţi corecţi şi o geometrie care să dea rezistenţă minimă, sunetul e redus la un minim absolut. Dar, desigur, e nevoie de o sursă de căldură exterioară pentru ca acest motor să funcţioneze. Totuşi, de la ideea iniţială de a pune în mişcare un arbore cotit, motoare Stirling au evoluat în timp la un principiu termoacustic de generare a electricităţii în rezultat.

Motoarele de demult ce foloseau principiul iniţial nu au fost tocmai fiabile, şi nici foarte eficiente la nivel de consum total de energie, de asta nu au obţinut popularitate. Între timp, în ultimii ani, odată cu dezvoltarea tehnologiei pompelor de căldură şi a agenţilor de refrigerare, mulţi ingineri s-au întrebat dacă nu ar putea fi folosite elemente din acele mecanisme, pentru a spori eficienţa motoarelor Stirling, spre exemplu un agent de refrigerare în interior în loc de gazul clasic, sau adăugarea unui schimbător de căldură în circuit sau chiar a unui compresor pentru a creşte eficienţa. De asemenea, ca sursă de căldură ar putea fi folosită deja mediul în care e captată energia solară sau geotermală, sau chiar cea nucleară.

În anii 70, NASA experimenta cu asemenea motoare şi evoluţii ale lor, reuşind să ajungă la un randament de 38,5% ale acestora, care depăşea motoarele cu ardere internă de atunci. Finanţarea proiectului a fost tăiată ulterior, însă, aşa că cercetările s-au oprit. Iar în 2020, tot NASA anunţa că reactoare nucleare cu motoare Stirling ar putea fi o soluţie viabilă pentru viitoare colonizări ale altor planete. Şi asta pentru că elaborările NASA evoluaseră deja la principiul termoacustic, prin care mişcarea generată de motorul Stirling era preluată sub formă de undă acustică de o membrană, transmisă apoi unui generator electric ce aplică principiul de magnetostricţiune. Practic e un generator ce poate capitaliza din schimbarea formei sale, construită din materiale magnetice, iar schimbarea frecventă a formei, venită de la undele acustice produse de motorul Stirling generează în final electricitate.

O asemenea construcţie evoluată poate fi numită un motor termoacustic pe baza principiul Stirling. Având o sursă iniţială de căldură, motorul Stirling generează acele impulsuri acustice, transmise generatorului cu efect de magnetostricţiune, care generează electricitate la rândul său. Punctul de atracţie a unei asemenea construcţii este lipsa părţilor în mişcare — deci nu mai există arbori cotiţi, care să facă mişcări circulare şi totodată nici pe partea de generator nu există turbine împinse de abur sau generatoare rotative, care să genereze electricitate din mişcare circulară mecanică. Singura mişcare e cea a undelor acustice din interior celor două medii şi mici modificări de volum şi presiune. Iar în rezultat, silenţiozitatea obţinută e una aproape absolută. Şi totodată, fiabilitatea e aproape veşnică, în lipsa pieselor în mişcare.

Până acum, se considera că valoarea de 100 kW putere e maxim ce poate fi obţinut dintr-un asemenea motor termoacustic. Noul motor dezvoltat de inginerii chinezi a produs acum 102 kW, deci 140 CP, depăşind bariera considerată drept maxim, folosind o sursă de căldură de 530 grade Celsius. Inginerii chinezi au folosit heliul drept gaz stocat în interior, la o presiune de 150 bari.

Chinezii nu au publicat imagini şi diagrame detaliate cu noul lor motor, însă profesorul Hu Jianying, unul din cercetătorii de la Institutul Tehnic de Fizică şi Chimie din China, a declarat că noul motor termoacustic dezvoltat de ei are circa 2 metri lungime. Randamentul total atins de acesta acum, în primele experimente a fost de 28%, ceea ce e mai puţin decât reuşise NASA să atingă cu prototipurile sale din anii 70, dar inginerii chinezi spun deja că ştiu cum să îmbunătăţească randamentului construcţiei lor până la 34%, apropiindu-se de nivelul NASA şi, cel mai important, apropiindu-se de o etapă în care ar putea pune în producţie acest motor.

Foto: Singura imagine cu noul motor termoacustic chinez, publicată acum

Randamentul acestui motor nu va fi niciodată unul extraordinar, dar datorită variaţiei mare de gaz ce poate fi folosit în interior, el poate fi adaptat uşor pentru a funcţiona şi la temperaturi mai joase, chiar dacă mai pierde din randament şi ar putea fi folosit acolo unde altfel energia disponibilă s-ar pierde pur şi simplu, în apropierea surselor de căldură reziduală, sau folosind direct căldura solară, randamentul fiind comparabil cu cel al panourilor fotovoltaice, de exemplu.

Pe lângă aceste aplicări frumoase la nivel de energie regenerabilă şi eficienţă energetică, aşa cum am menţionat în titlu, marea miză a motorului poate fi mai ales în submarine, acolo unde silenţiozitatea aproape absolută a lui ar permite acestora să rămână neobservate perioade lungi. Sigur, 102 kW poate părea puţin, însă pot fi activate şi 2-3 motoare, care să susţină energia necesară în regim de aşteptare sau înaintare lentă pentru un submarin. Chinezii nu menţionează care ar fi sursa de căldură de la bordul unui submarin, ce ar asigura funcţionarea, dar cu siguranţă au ei ceva în gând, dacă tot au dezvoltat motorul termoacustic până aici.